JP7724079B2 - fluoride-ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、フッ化物イオン電池に関する。 The present invention relates to a fluoride ion battery.
従来のLiイオン電池のエネルギー密度を大幅に向上させる革新型の電池として、フッ化物イオン(F-)と金属との反応による多価の金属フッ化物の生成とその逆反応(金属フッ化物の脱フッ化反応)を利用したアニオンベースのフッ化物イオン電池がある。この電池で両極の間を移動するのはハロゲン化物イオンの中で最も軽いF-イオン(M=19)であり、さらに1金属原子あたり場合により2~3個もしくはそれ以上の数のF-イオン(およびそれと同数の電子)が電極反応に関与する。これらのことが、上記の高いエネルギー密度をもたらす最大の要因である。 Anion-based fluoride-ion batteries are an innovative type of battery that significantly improves the energy density of conventional Li-ion batteries. These batteries utilize the reaction of fluoride ions (F - ) with metals to produce polyvalent metal fluorides, and the reverse reaction (defluorination of metal fluorides). In these batteries, the lightest halide ions, F - ions (M = 19), move between the electrodes, and in some cases, two to three or more F - ions (and the same number of electrons) per metal atom are involved in the electrode reaction. These are the main factors that result in the high energy density mentioned above.
上記フッ化物イオン電池はLIBの必須部材であるところのホスト格子を必要としない。F-イオンが電極反応と電解質中の電荷移動の両者で主役を演じるこの種の電池はFIB(Fluoride Ion Battery)あるいはF-イオンの双方向移動の役割を強調したFSB(Fluoride Shuttle Battery;フッ化物イオンシャトル二次電池)の略称で知られている。 The fluoride ion battery does not require a host lattice, which is an essential component of LIBs. This type of battery, in which F ions play a key role in both the electrode reaction and charge transfer in the electrolyte, is known as an FIB (Fluoride Ion Battery) or an FSB (Fluoride Shuttle Battery), which emphasizes the role of the bidirectional transfer of F ions .
フッ化物イオン電池の基本要素の一つとなる金属フッ化物の還元(脱フッ化)反応については固体電解質が注目された1970年代の研究ですでに少なくない数の報告がなされている。しかし、二次電池として本質的に欠かせない充放電の有意な可逆性が全固体電池の枠内で不完全ながらも確かめられたのは、比較的最近になってからのことである。 The reduction (defluorination) reaction of metal fluorides, one of the basic elements of fluoride-ion batteries, was already widely reported in research conducted in the 1970s, when solid electrolytes were attracting attention. However, it was only relatively recently that significant reversibility in charge and discharge, which is essentially essential for secondary batteries, was confirmed, albeit incompletely, within the framework of all-solid-state batteries.
また、一般的には固体電解質のイオン導電性と固体/固体界面での電気化学的反応性などに関する制約により、固体FIB電池の室温動作の報告はごく最近発表された一例に止まっている。 In addition, due to limitations generally associated with the ionic conductivity of solid electrolytes and the electrochemical reactivity at solid-state interfaces, there have only been a few recent reports of room-temperature operation of solid-state FIB batteries.
フッ化物イオンの輸送に非水系電解液を用いる湿式電池では原理的に上記の制約は除かれる。その目的に利用できる電解液に関する先行特許や学術論文も例に事欠かない。一例としては、フッ化物塩と、ホウ素化合物と、非水溶媒とを含む電解液を用いる手法(特許文献1)がある。当該手法において、ホウ素化合物は、フッ化物塩の解離を促進する機能や、フッ化物イオンに配位して安定化させる機能を有し、中でもボロキシン系化合物を用いることにより、電解液中のフッ化物イオンの移動がより円滑になると報告されている。 In principle, the above restrictions are eliminated in wet batteries that use a non-aqueous electrolyte to transport fluoride ions. There is a wealth of prior patents and academic papers on electrolytes that can be used for this purpose. One example is a method using an electrolyte containing a fluoride salt, a boron compound, and a non-aqueous solvent (Patent Document 1). In this method, the boron compound has the function of promoting the dissociation of the fluoride salt and coordinating with and stabilizing the fluoride ions. It has been reported that the use of boroxine-based compounds in particular facilitates the smooth movement of fluoride ions in the electrolyte.
ここで、上記特許文献1に記載のフッ化物イオン電池は、金属のフッ化反応および金属フッ化物の脱フッ化反応を利用している。しかしながら、本発明者らの検討によれば、このようなフッ化物イオン電池においては、十分な充放電性能が得られないことが判明した。 The fluoride ion battery described in Patent Document 1 utilizes a metal fluorination reaction and a metal fluoride defluorination reaction. However, the inventors' investigations have revealed that such a fluoride ion battery does not provide sufficient charge/discharge performance.
そこで本発明は、フッ化物イオン電池において、充放電性能を向上させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a means for improving the charge/discharge performance of fluoride ion batteries.
上記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた。その結果、フッ化物イオン電池の活物質層にボロキシン環含有ポリマーを存在させた状態で充放電反応を行うことにより、充放電性能が優位に改善しうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 To achieve the above objectives, the inventors conducted extensive research. As a result, they discovered that by conducting charge-discharge reactions in the presence of a boroxine ring-containing polymer in the active material layer of a fluoride ion battery, charge-discharge performance can be significantly improved, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明の一形態によれば、正極活物質を含有する正極活物質層と、前記正極活物質層の集電を行う正極集電体とを有する正極、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有する負極、および前記正極および前記負極の間に配置された、フッ化物イオン伝導性を有する電解質を含有する電解質層を有する、フッ化物イオン電池が提供される。ここで、当該フッ化物イオン電池は、前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一部に、ボロキシン環含有ポリマーを含有する点に特徴を有する。 That is, one aspect of the present invention provides a fluoride ion battery comprising: a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode active material layer; a negative electrode having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode active material layer; and an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte having fluoride ion conductivity. Here, the fluoride ion battery is characterized in that at least a portion of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer contains a boroxine ring-containing polymer.
本発明によれば、正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一部に、ボロキシン環含有ポリマーが含有されていることにより、正極活物質からの金属イオンの溶出、電極の変形、および/または負極での電解液の還元分解が抑制される。その結果、フッ化物イオン電池において、充放電性能を向上させることが可能となる。 According to the present invention, the inclusion of a boroxine ring-containing polymer in at least a portion of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer suppresses the elution of metal ions from the positive electrode active material, deformation of the electrode, and/or reductive decomposition of the electrolyte at the negative electrode. As a result, it is possible to improve the charge/discharge performance of fluoride ion batteries.
本発明の一形態によれば、正極活物質を含有する正極活物質層と、前記正極活物質層の集電を行う正極集電体とを有する正極、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有する負極、および前記正極および前記負極の間に配置された、フッ化物イオン伝導性を有する電解質を含有する電解質層を有する、フッ化物イオン電池が提供される。ここで、当該フッ化物イオン電池においては、前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一部に、ボロキシン環含有ポリマーを含有する点に特徴を有する。 One aspect of the present invention provides a fluoride ion battery comprising: a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode active material layer; a negative electrode having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode active material layer; and an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte having fluoride ion conductivity. This fluoride ion battery is characterized in that at least a portion of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer contains a boroxine ring-containing polymer.
以下、図面を参照しながら、本発明に係るフッ化物イオン電池の実施形態について、詳細に説明する。 Embodiments of a fluoride ion battery according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一形態に係るフッ化物イオン電池の原理を示す概念図である。図1に示すように、フッ化物イオン電池1は、正極10と、負極20と、正極10および負極20の間に配置された電解質層30とを有している。図1に示す実施形態において、正極10は、アルミニウム(Al)箔11からなる正極集電体の一方の表面に正極活物質層12が配置された構成を有している。正極活物質層12は、正極活物質13と、バインダ(図示せず)と、導電助剤(図示せず)とを含む合材層である。これに対し、負極20は、負極活物質21が、導電性の多孔質構造体(導電性多孔体)である発泡アルミニウム22の空孔内に担持されてなる構成を有している。ここで、負極20側の発泡アルミニウム22は負極集電体として機能する。そして、本実施形態の電解質層30には、フッ化物イオン(F-)を含む電解液(液体電解質)が用いられている。また、本実施形態のフッ化物イオン電池1においては、ボロキシン環含有ポリマー(図示せず)が上記電解液(液体電解質)に溶解された状態で、電解質層30に注入されている。そして、ボロキシン環含有ポリマーは電解液(液体電解質)とともに正極活物質層および負極活物質層の空隙に侵入することで、正極活物質層および負極活物質層には、ボロキシン環含有ポリマーが存在する状態となっている。なお、上述したアルミニウム(Al)箔11からなる正極集電体と、発泡アルミニウム22からなる負極集電体は、外部負荷40に接続されている。 FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the principle of a fluoride ion battery according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , the fluoride ion battery 1 includes a positive electrode 10, a negative electrode 20, and an electrolyte layer 30 disposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20. In the embodiment shown in FIG. 1 , the positive electrode 10 includes a positive electrode active material layer 12 disposed on one surface of a positive electrode current collector made of aluminum (Al) foil 11. The positive electrode active material layer 12 is a composite layer containing a positive electrode active material 13, a binder (not shown), and a conductive additive (not shown). In contrast, the negative electrode 20 includes a negative electrode active material 21 supported within pores of aluminum foam 22, which is a conductive porous structure (conductive porous body). Here, the aluminum foam 22 on the negative electrode 20 side functions as a negative electrode current collector. The electrolyte layer 30 of this embodiment uses an electrolytic solution (liquid electrolyte) containing fluoride ions (F − ). In the fluoride ion battery 1 of this embodiment, a boroxine ring-containing polymer (not shown) is dissolved in the electrolytic solution (liquid electrolyte) and injected into the electrolyte layer 30. The boroxine ring-containing polymer penetrates into the voids in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer together with the electrolytic solution (liquid electrolyte), so that the boroxine ring-containing polymer is present in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The positive electrode current collector made of aluminum (Al) foil 11 and the negative electrode current collector made of foamed aluminum 22 are connected to an external load 40.
このような構成を有することにより、フッ化物イオン電池1の放電時には外部負荷40に対して電圧が印加されて電流が流れることとなる。この際、電解質層30に含まれるフッ化物イオン(F-)は電解質層30を正極10側から負極20側へと移動することにより電池反応を媒介する。一方、フッ化物イオン電池1の充電時には外部負荷40に代えて外部電源が正極10および負極20に接続され、電解質層30を介して負極20から正極10へとフッ化物イオン(F-)を強制的に移動させることにより充電が達成される。 With this configuration, when the fluoride ion battery 1 is discharged, a voltage is applied to the external load 40, causing a current to flow. At this time, fluoride ions (F − ) contained in the electrolyte layer 30 mediate the battery reaction by moving through the electrolyte layer 30 from the positive electrode 10 side to the negative electrode 20 side. On the other hand, when the fluoride ion battery 1 is charged, an external power supply is connected to the positive electrode 10 and the negative electrode 20 instead of the external load 40, and charging is achieved by forcibly moving fluoride ions (F − ) from the negative electrode 20 to the positive electrode 10 through the electrolyte layer 30.
なお、フッ化物イオン電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。 The shape of the fluoride ion battery is not particularly limited, but examples include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, flat type, and rectangular type.
以下、本形態に係るフッ化物イオン電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the fluoride ion battery according to this embodiment are described below.
[正極集電体]
正極集電体は、正極活物質層の集電を行う部材である。したがって、正極集電体は導電性の材料から構成される必要がある。本形態に係る正極において、正極集電体の構成材料は特に制限されないが、図1に示すようなアルミニウム(Al)箔や、従来公知の二次電池において用いられているその他の金属集電体、導電性樹脂層を有する樹脂集電体などが用いられうる。
[Positive electrode current collector]
The positive electrode current collector is a member that collects current from the positive electrode active material layer. Therefore, the positive electrode current collector must be made of a conductive material. In the positive electrode according to this embodiment, the material of the positive electrode current collector is not particularly limited, but may be an aluminum (Al) foil as shown in FIG. 1 , other metal current collectors used in conventionally known secondary batteries, or a resin current collector having a conductive resin layer.
[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。本形態に係る正極に用いられうる正極活物質としては、純金属、合金、金属酸化物、金属フッ化物などが挙げられる。正極活物質に含まれる元素としては、例えば、Ag、Pt、Au、Cr、Mo、W、V、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、S、Sb、Bi、Sn、PbおよびCのうち1以上が挙げられる。また、このうち、正極活物質は、Fe、Co、Ni、Cu、Pb、BiおよびZnのうちいずれかの元素を含むことが好ましい。正極活物質は、より好ましくはCuおよびBiの少なくとも一方の元素を含み、さらに好ましくはCu元素を含む。具体的には、正極活物質は、Cu金属、Cu合金、Cuフッ化物、Bi金属、Bi合金およびBiフッ化物からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、Cuフッ化物およびBiフッ化物からなる群から選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、CuF2およびBiF3の一方または両方を含むことがさらに好ましく、CuF2を含むことが特に好ましい。これらの正極活物質は、後述の実施例および比較例にて示すように、正極活物質から溶出した金属イオンによる充放電性能の低下という問題が大きいため、本発明により奏される効果がより顕著なものとなる。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. Positive electrode active materials that can be used in the positive electrode according to this embodiment include pure metals, alloys, metal oxides, and metal fluorides. Examples of elements contained in the positive electrode active material include one or more of Ag, Pt, Au, Cr, Mo, W, V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, S, Sb, Bi, Sn, Pb, and C. Among these, the positive electrode active material preferably contains one of Fe, Co, Ni, Cu, Pb, Bi, and Zn. The positive electrode active material more preferably contains at least one of Cu and Bi, and even more preferably contains Cu. Specifically, the positive electrode active material preferably contains at least one selected from the group consisting of Cu metal, Cu alloy, Cu fluoride, Bi metal, Bi alloy, and Bi fluoride, more preferably contains at least one selected from the group consisting of Cu fluoride and Bi fluoride, further preferably contains one or both of CuF 2 and BiF 3 , and particularly preferably contains CuF 2. As shown in the examples and comparative examples described below, these positive electrode active materials have a significant problem of reduced charge and discharge performance due to metal ions eluted from the positive electrode active material, and therefore the effects achieved by the present invention become more pronounced.
本形態に係る正極活物質層は、バインダをさらに含んでもよい。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、およびポリイミド(PI)などが挙げられる。 The positive electrode active material layer according to this embodiment may further contain a binder. Examples of binders include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyimide (PI).
また、本形態に係る正極活物質層は、導電助剤をさらに含んでもよい。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブなどの炭素材料や、金属粒子等が挙げられる。 The positive electrode active material layer according to this embodiment may further contain a conductive additive. Examples of conductive additives include carbon materials such as carbon black (e.g., acetylene black), graphite, and carbon nanotubes, as well as metal particles.
[負極集電体]
負極集電体は、負極活物質層の集電を行う部材である。したがって、負極集電体は導電性の材料から構成される必要がある。本形態に係る負極において、負極集電体の構成材料は、特に制限されないが、アルミニウム(Al)もしくはマグネシウム(Mg)またはこれらの合金であることが好ましい。このような構成とすることで、電解液の還元分解による副反応の進行を抑制することができる。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode current collector is a member that collects current from the negative electrode active material layer. Therefore, the negative electrode current collector must be made of a conductive material. In the negative electrode according to this embodiment, the material of the negative electrode current collector is not particularly limited, but is preferably aluminum (Al), magnesium (Mg), or an alloy thereof. By adopting such a configuration, the progression of side reactions due to reductive decomposition of the electrolyte can be suppressed.
負極集電体の形状については、負極活物質(または負極活物質とバインダ等の添加剤とを含む合材)を保持しうる形状であれば特に制限はない。負極集電体の形状の一例としては、箔状のほか、導電性の多孔質構造体(導電性多孔体)の形状も例示される。導電性多孔体は、多孔質構造(多数の空隙)を内部に有し、導電性を有する部材であり、ここではアルミニウム(Al)もしくはマグネシウム(Mg)またはこれらの合金からなる導電性多孔体が例示される。好ましくは、負極集電体を構成する導電性多孔体は発泡金属から構成されるものであり、より好ましくは発泡アルミニウムから構成されるものである。導電性多孔体を用いることにより、良好な導電パスを形成することが可能となる。そのため、導電性多孔体を負極集電体として使用する場合には、負極活物質層には導電助剤が不要である。 The shape of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it can hold the negative electrode active material (or a composite containing the negative electrode active material and an additive such as a binder). Examples of the shape of the negative electrode current collector include foil and a conductive porous structure (conductive porous body). A conductive porous body is a conductive material having a porous structure (numerous voids) inside, and examples include conductive porous bodies made of aluminum (Al), magnesium (Mg), or an alloy thereof. Preferably, the conductive porous body constituting the negative electrode current collector is made of foamed metal, and more preferably, foamed aluminum. The use of a conductive porous body enables the formation of a good conductive path. Therefore, when a conductive porous body is used as the negative electrode current collector, a conductive additive is not required in the negative electrode active material layer.
[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含む。本形態に係る負極に用いられうる負極活物質としては、純金属、合金、金属酸化物、金属フッ化物などが挙げられる。中でも、負極活物質は金属フッ化物を含むことが好ましい。金属フッ化物の具体的な種類について特に制限はないが、一例として、金属フッ化物は、Al1-x(Ti)xF3(ここで、0<x≦0.5である)、Ti1-y(Al)yF3(ここで、0≦y≦0.5である)およびCeF3からなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。ここで、xは0よりも大きく0.5以下の実数であれば特に制限はないが、好ましくは0.01以上0.1以下であり、より好ましくは0.02以上0.5以下である。また、yは0以上で0.5以下の実数であれば特に制限はないが、好ましくは0.01以上0.1以下であり、より好ましくは0.02以上0.08以下である。なかでも、特に高容量のフッ化物イオン電池を構成することができるという観点から、金属フッ化物はAl1-x(Ti)xF3(ここで、0<x≦0.5である)を含むことがより好ましい。なお、負極活物質としてのAl1-x(Ti)xF3やTi1-y(Al)yF3(y>0)については、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気下で、三フッ化アルミニウム(AlF3)の粉末と三フッ化チタン(TiF3)の粉末とを所望の質量比で秤量し、ボールミル等の混合装置を用いた混合処理を施すことにより製造することが可能である。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. Examples of negative electrode active materials that can be used in the negative electrode according to this embodiment include pure metals, alloys, metal oxides, and metal fluorides. Among these, it is preferable that the negative electrode active material includes a metal fluoride. While there are no particular limitations on the specific type of metal fluoride, as an example, the metal fluoride preferably includes at least one selected from the group consisting of Al 1-x (Ti) x F 3 (where 0<x≦0.5), Ti 1-y (Al) y F 3 (where 0≦y≦0.5), and CeF 3. Here, x is not particularly limited as long as it is a real number greater than 0 and less than 0.5, but is preferably 0.01 or greater and 0.1 or less, and more preferably 0.02 or greater and 0.5 or less. Furthermore, y is not particularly limited as long as it is a real number greater than 0 and less than 0.5, but is preferably 0.01 or greater and 0.1 or less, and more preferably 0.02 or greater and 0.08 or less. Among these, from the viewpoint of being able to construct a particularly high-capacity fluoride ion battery, it is more preferable that the metal fluoride contains Al 1-x (Ti) x F 3 (where 0<x≦0.5). Note that Al 1-x (Ti) x F 3 or Ti 1-y (Al) y F 3 (y>0) as the negative electrode active material can be produced by weighing aluminum trifluoride (AlF 3 ) powder and titanium trifluoride (TiF 3 ) powder in a desired mass ratio in an inert atmosphere such as argon or nitrogen, and mixing the powder using a mixing device such as a ball mill.
本形態に係る負極を構成する負極活物質層は、正極活物質層の欄で説明したバインダや導電助剤をさらに含んでもよい。 The negative electrode active material layer constituting the negative electrode according to this embodiment may further contain a binder or conductive additive as described in the section on the positive electrode active material layer.
なお、上述したように、導電性多孔体を負極集電体として使用する場合には、負極活物質層には導電助剤が不要であることから、このような場合には、負極活物質層は導電助剤を実質的に含まないことが好ましい。本明細書において、「導電助剤を実質的に含まない」とは、導電助剤の含有量が負極活物質層の全固形分に対して3質量%以下であることを指す。当該含有量は、好ましくは1質量%以下であり、より好ましくは0質量%である(すなわち、導電助剤を含まない)。 As mentioned above, when a conductive porous body is used as a negative electrode current collector, a conductive additive is not required in the negative electrode active material layer. In such cases, it is preferable that the negative electrode active material layer is substantially free of a conductive additive. In this specification, "substantially free of a conductive additive" means that the content of the conductive additive is 3% by mass or less relative to the total solid content of the negative electrode active material layer. This content is preferably 1% by mass or less, and more preferably 0% by mass (i.e., no conductive additive is included).
本形態に係るフッ化物イオン電池は、正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一部に、ボロキシン環含有ポリマーを含有することを特徴とする。すなわち、正極活物質および負極活物質の一方、または、正極活物質層および負極活物質層の両方に、ボロキシン環含有ポリマーが含有される。 The fluoride ion battery according to this embodiment is characterized in that at least a portion of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer contains a boroxine ring-containing polymer. That is, the boroxine ring-containing polymer is contained in either the positive electrode active material or the negative electrode active material, or in both the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer.
本明細書において、ボロキシン環含有ポリマーとは、ボロキシン環(ホウ素原子と酸素原子が交互に並んだ六員環構造)を有する繰り返し単位を2以上含む重合体を指す。したがって、後述の比較例で用いられている2,4,6-トリメトキシボロキシン(TMBx)などのボロキシン環を1つ有する化合物(単環ボロキシン化合物)は、本明細書におけるボロキシン環含有ポリマーには該当しない。 In this specification, a boroxine ring-containing polymer refers to a polymer containing two or more repeating units having a boroxine ring (a six-membered ring structure in which boron atoms and oxygen atoms are arranged alternately). Therefore, compounds having one boroxine ring (monocyclic boroxine compounds), such as 2,4,6-trimethoxyboroxine (TMBx), used in the comparative examples described below, do not fall under the category of boroxine ring-containing polymers in this specification.
ボロキシン環含有ポリマーとしては、例えば、下記式で示されるトリアルコキシボロキシンポリマーが好ましく用いられる。 As a boroxine ring-containing polymer, for example, a trialkoxyboroxine polymer represented by the following formula is preferably used.
上記式中、RaおよびRbは、それぞれ独立して、アルキレン基を表し、Rcは、それぞれ独立して、アルキル基を表し、mおよびnは、オキシアルキレン基の繰り返し数を表し、それぞれ独立して、1~10の整数であり、XおよびYは、ボロキシン環含有ユニットの繰り返し数を表し、それぞれ独立して、1以上の整数である。 In the above formula, R a and R b each independently represent an alkylene group, R c each independently represent an alkyl group, m and n each independently represent the number of repetitions of the oxyalkylene group and are an integer of 1 to 10, and X and Y each independently represent the number of repetitions of the boroxine ring-containing unit and are an integer of 1 or more.
上記アルキレン基としては、炭素数1~10のアルキレン基であることが好ましく、炭素数2~8のアルキレン基であることがより好ましく、炭素数2~6のアルキレン基であることがさらに好ましく、炭素数2~4のアルキレン基であることが特に好ましい。このようなアルキレン基の具体例としては、メチレン基、エチレン基、トリメチレン基、プロピレン基、イソプロピレン基、ブチレン基、イソブチレン基、sec-ブチレン基、tert-ブチレン基、ペンタメチレン基、ヘキサメチレン基等が挙げられる。 The alkylene group is preferably an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, more preferably an alkylene group having 2 to 8 carbon atoms, even more preferably an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms, and particularly preferably an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms. Specific examples of such alkylene groups include methylene, ethylene, trimethylene, propylene, isopropylene, butylene, isobutylene, sec-butylene, tert-butylene, pentamethylene, and hexamethylene.
上記アルキル基としては、炭素数1~6のアルキル基であることが好ましく、炭素数1~3のアルキル基であることがより好ましい。このようなアルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、n-ペンチル基、iso-ペンチル基、tert-ペンチル基、ネオペンチル基、n-へキシル基等が挙げられる。 The alkyl group is preferably an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and more preferably an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. Specific examples of such alkyl groups include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, n-pentyl, iso-pentyl, tert-pentyl, neopentyl, and n-hexyl.
上記mおよびnは、オキシアルキレン基の繰り返し数を表し、それぞれ独立して、好ましくは2~8の整数であり、より好ましくは4~8の整数である。 The above m and n represent the number of repeating oxyalkylene groups, and are each independently an integer of preferably 2 to 8, and more preferably an integer of 4 to 8.
なお、上記式で示されるトリアルコキシボロキシンポリマーは、酸化ホウ素(B2O3)と、ポリアルキレングリコールモノアルキルエーテル(HO(RbO)nRc)と、ポリアルキレングリコール(HO(RaO)mH)とを反応させることにより合成することができる。トリアルコキシボロキシンポリマーのより詳しい合成方法については、Chemistry Letters、The Chemical Society of Japan 1997年、第915頁;特開平11-54151号公報;特開2005-093376号公報等に記載されている。 The trialkoxyboroxine polymer represented by the above formula can be synthesized by reacting boron oxide (B 2 O 3 ), polyalkylene glycol monoalkyl ether (HO(R b O) n R c ), and polyalkylene glycol (HO(R a O) m H). More detailed methods for synthesizing trialkoxyboroxine polymers are described in Chemistry Letters, The Chemical Society of Japan, 1997, p. 915; JP-A-11-54151; JP-A-2005-093376, etc.
本形態の正極活物質層にボロキシン環含有ポリマーを含有することにより、可逆容量の増加や、サイクル特性の向上といった、充放電性能の向上効果が奏される。このような効果が奏されるメカニズムを、本発明者らは以下のように推測している。 By including a boroxine ring-containing polymer in the positive electrode active material layer of this embodiment, improved charge/discharge performance, such as increased reversible capacity and improved cycle characteristics, is achieved. The inventors speculate that the mechanism by which these effects are achieved is as follows.
フッ化物イオン電池の正極側においては、溶解平衡型脱フッ化反応と、アノード溶解副反応とが生じると考えられている。いずれの反応においても、従来技術によると、正極活物質から溶解した金属イオンが電解液中に多量に拡散することによる可逆容量の低下や、デンドライト成長による電極変形が生じうる。一方、本発明によると、正極活物質層に含まれるボロキシン環含有ポリマーが、充放電により正極表面に被膜を形成すると考えられる。フッ化物イオンの電子対は、当該被膜に含まれるホウ素(B)の空軌道に配位できるため、当該被膜はフッ化物イオン伝導性を有する。また、当該被膜の存在により、金属イオンの電解液中への拡散が抑制される。その結果、正極におけるフッ化脱フッ化反応を阻害することなく、金属イオンが電解液中に多量に拡散することによる可逆容量の低下や、デンドライト成長による電極変形を抑制することができるため、充放電特性を向上させることが可能となる。 It is believed that a dissolution equilibrium defluorination reaction and an anode dissolution side reaction occur on the positive electrode side of a fluoride ion battery. In either reaction, conventional technology has shown that metal ions dissolved from the positive electrode active material diffuse into the electrolyte in large quantities, resulting in a decrease in reversible capacity and electrode deformation due to dendrite growth. In contrast, according to the present invention, the boroxine ring-containing polymer contained in the positive electrode active material layer is believed to form a coating on the positive electrode surface during charge and discharge. Because the electron pairs of fluoride ions can coordinate to the vacant orbitals of boron (B) contained in the coating, the coating possesses fluoride ion conductivity. Furthermore, the presence of the coating suppresses the diffusion of metal ions into the electrolyte. As a result, it is possible to suppress the decrease in reversible capacity and electrode deformation due to dendrite growth, which would otherwise occur due to the diffusion of large amounts of metal ions into the electrolyte, without inhibiting the fluorination/defluorination reaction at the positive electrode, thereby improving charge/discharge characteristics.
また、本形態の負極活物質層にボロキシン環含有ポリマーを含有することにより、負極での電解液(液体電解質)の還元分解が抑制され、充放電性能を向上できる。このような効果が奏されるメカニズムを、本発明者らは以下のように推測している。 Furthermore, by including a boroxine ring-containing polymer in the negative electrode active material layer of this embodiment, reductive decomposition of the electrolyte solution (liquid electrolyte) at the negative electrode is suppressed, thereby improving charge/discharge performance. The inventors speculate that the mechanism behind this effect is as follows.
従来、フッ化物イオン電池の負極側においては、負極集電体および/または負極活物質の表面で電解液(液体電解質)の還元分解副反応に起因する充放電特性の低下が問題となっていた。本発明によると、上述の正極におけるメカニズムと同様に、ボロキシン環含有ポリマーが、充放電によりフッ化物イオン伝導性の被膜を形成すると考えられる。当該被膜が、負極集電体および/または負極活物質の表面を被覆することにより、負極におけるフッ化脱フッ化反応を阻害することなく、電解液(液体電解質)の還元分解が抑制できるため、充放電特性を向上させることが可能となる。 Conventionally, a problem with the negative electrode of a fluoride ion battery is a deterioration in charge/discharge characteristics due to a reductive decomposition side reaction of the electrolyte (liquid electrolyte) on the surface of the negative electrode current collector and/or negative electrode active material. According to the present invention, similar to the mechanism for the positive electrode described above, it is believed that the boroxine ring-containing polymer forms a fluoride ion-conductive coating during charge/discharge. By coating the surface of the negative electrode current collector and/or negative electrode active material with this coating, the reductive decomposition of the electrolyte (liquid electrolyte) can be suppressed without inhibiting the fluorination/defluorination reaction at the negative electrode, thereby improving charge/discharge characteristics.
なお、被膜の具体的な構造等は不明であるが、後述の実施例1-1、実施例2-1および実施例3-1のXPSスペクトルにおいて、B1sのピークが観察されることから、電極表面にホウ素を含有する被膜が存在することが確認されている。 Although the specific structure of the coating is unknown, the B1s peak is observed in the XPS spectra of Examples 1-1, 2-1, and 3-1 described below, confirming the presence of a coating containing boron on the electrode surface.
したがって、本発明の一実施形態に係るフッ化物イオン電池は、正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一部の表面に、ホウ素を含有する被膜を有する。 Accordingly, a fluoride ion battery according to one embodiment of the present invention has a boron-containing coating on at least a portion of the surface of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer.
本形態に係るフッ化物イオン電池において、ボロキシン環含有ポリマーの含有量は、特に制限されないが、前記ボロキシン環含有ポリマーおよび前記電解質の合計質量に対して好ましくは0質量%を超えて10質量%以下であり、より好ましくは1質量%以上10質量%以下であり、さらに好ましくは2.5質量%以上7.5質量%以下であり、特に好ましくは2.5質量%以上5質量%以下である。ボロキシン環含有ポリマーの含有量が上記範囲であると、充放電性能がより一層向上しうる。 In the fluoride ion battery according to this embodiment, the content of the boroxine ring-containing polymer is not particularly limited, but is preferably greater than 0 mass% and less than 10 mass%, more preferably 1 mass% to 10 mass%, even more preferably 2.5 mass% to 7.5 mass%, and particularly preferably 2.5 mass% to 5 mass%. When the content of the boroxine ring-containing polymer is within the above range, charge/discharge performance can be further improved.
[電解質層]
電解質層は、正極(正極活物質層)と負極(負極活物質層)との間に配置される部材であり、充放電の際にフッ化物イオン(F-)が行き来しうるようにフッ化物イオンに対する伝導性を有する層である。本形態に係るフッ化物イオン電池において、電解質層に含まれる電解質は、液体電解質(電解液)および固体電解質を特に制限なく使用することができ、これらを組み合わせて使用してもよい。電解質層が液体電解質(電解液)である場合、電解質層にはセパレータが用いられてもよい。セパレータとしては、フッ化物イオン電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布やアラミド不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is a component disposed between the positive electrode (positive electrode active material layer) and the negative electrode (negative electrode active material layer) and is a layer that is conductive to fluoride ions (F − ) so that fluoride ions (F − ) can travel back and forth during charge and discharge. In the fluoride ion battery according to this embodiment, the electrolyte contained in the electrolyte layer can be a liquid electrolyte (electrolytic solution) or a solid electrolyte, and a combination of these may also be used. When the electrolyte layer is a liquid electrolyte (electrolytic solution), a separator may be used in the electrolyte layer. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of a fluoride ion battery. Examples of the separator include polymer nonwoven fabrics such as polypropylene nonwoven fabrics, polyphenylene sulfide nonwoven fabrics, and aramid nonwoven fabrics, and microporous films of olefin resins such as polyethylene and polypropylene. These may be used alone or in combination.
液体電解質(電解液)としては、フッ化物イオン電池用の電解液として従来公知のものが用いられてもよいが、特に好ましくは、α位水素を有するエステル系もしくはラクトン系(例えば、γ-ブチロラクトンやε-カプロラクトンなど)の単独もしくは混合有機溶媒と、アルカリ金属カチオンおよびフッ化物イオンを有するアルカリ金属フッ化物(例えば、フッ化セシウムなど)と、を含有する有機電解液が用いられる。当該有機電解液については、特開2021-36512号公報に記載された技術を適宜採用できる。このような電解液を電解質として用いることにより、優れた容量特性を発現させることができる。固体電解質としては、例えば、ランタノイド元素(La、Ce等)、アルカリ金属元素Li、Na、K、Rb、Cs等)およびアルカリ土類元素(Ca、Sr、Ba等)からなる群から選択される少なくとも1種を含むフッ化物が挙げられる。 The liquid electrolyte (electrolyte solution) may be any conventionally known electrolyte solution for fluoride ion batteries. However, it is particularly preferable to use an organic electrolyte solution containing a single or mixed organic solvent of an ester or lactone with an α-position hydrogen (e.g., gamma-butyrolactone or epsilon-caprolactone) and an alkali metal fluoride with an alkali metal cation and a fluoride ion (e.g., cesium fluoride). For this organic electrolyte solution, the technology described in JP 2021-36512 A can be appropriately adopted. By using such an electrolyte solution as the electrolyte, excellent capacity characteristics can be achieved. Examples of solid electrolytes include fluorides containing at least one element selected from the group consisting of lanthanoid elements (e.g., La, Ce), alkali metal elements (e.g., Li, Na, K, Rb, Cs), and alkaline earth elements (e.g., Ca, Sr, Ba).
[アルカリ金属フッ化物]
電極反応に直接与るイオン伝導性フッ化物イオンは、有機フッ化物の溶解によっても電解液中に導入することができるが、共存する有機カチオンの電気化学的安定性の問題などの理由で高容量フッ化物イオン電池には適さない。その他の条件として二次電池の重量エネルギー密度への影響も考慮すると、フッ化物イオンの最も望ましい供給源は、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)等のアルカリ金属フッ化物である。
[Alkali metal fluorides]
Ion-conductive fluoride ions that directly participate in the electrode reaction can also be introduced into the electrolyte by dissolving an organic fluoride, but this is not suitable for high-capacity fluoride ion batteries due to issues such as the electrochemical stability of the coexisting organic cations. Considering the influence on the weight energy density of secondary batteries as another condition, the most desirable source of fluoride ions is an alkali metal fluoride such as lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF), or cesium fluoride (CsF).
[混合リチウム塩]
アルカリ金属フッ化物のみが1mM以上の濃度で解離溶解した該フッ化物イオン伝導性電解液は、負高電位領域でフッ化物イオン由来の溶媒が関与した副還元反応を生じやすく、亜鉛よりもさらに卑な金属のフッ化反応と競合して本来の電池動作を妨げる。この問題は、LiFSA(FSA:ビス(フルオロスルホニル)アミド)に代表される、本実施形態の電解液に共溶解可能な任意のリチウム塩を該電解液に過剰に混合することで容易に解決でき、アルミニウムやランタンなどの最も卑な金属種のフッ化反応を利用した電池を動作させることが可能になる。
[Mixed lithium salts]
This fluoride ion-conductive electrolyte, in which only alkali metal fluorides are dissociated and dissolved at a concentration of 1 mM or more, is prone to undergo a side reduction reaction involving the solvent derived from fluoride ions in the high negative potential region, which competes with the fluorination reaction of metals more base than zinc and interferes with the original battery operation. This problem can be easily solved by mixing an excess of any lithium salt that can be co-dissolved in the electrolyte solution of this embodiment, such as LiFSA (FSA: bis(fluorosulfonyl)amide), into the electrolyte solution, making it possible to operate a battery utilizing the fluorination reaction of the most base metal species, such as aluminum or lanthanum.
上記の混合電解液の作製において、過剰に添加するリチウム塩の濃度は、解離したアルカリ金属フッ化物の濃度の少なくとも3倍以上、好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍程度に調製することが望ましい。このリチウム塩の濃度(添加量)が3倍以上であれば、フッ化物イオンとリチウムイオンが不溶性の固形物を形成しないためフッ化物イオン濃度を低下させることもなく望ましい。 When preparing the above mixed electrolyte solution, it is desirable to prepare the concentration of the excess lithium salt to be at least three times, preferably five times, and more preferably about ten times the concentration of the dissociated alkali metal fluoride. If the concentration (amount added) of this lithium salt is three times or more, the fluoride ions and lithium ions do not form an insoluble solid, and this is desirable as it does not reduce the fluoride ion concentration.
該リチウム塩のアニオン種としては、FSA-以外にTFSA-、BETA-、BF4 -、PF6 -、ClO4 -でも差し支えない。すなわち、過剰に添加するリチウム塩は、LiFSA、LiTFSA、LiBETA、LiBF4、LiPF6、LiClO4のいずれか1つまたはそれらの2つ以上の混合物であることが好ましい。 The anion species of the lithium salt may be TFSA , BETA , BF , PF , or ClO other than FSA . That is, the lithium salt added in excess is preferably any one of LiFSA, LiTFSA , LiBETA , LiBF, LiPF, or LiClO , or a mixture of two or more thereof.
[混合バリウム塩]
リチウム塩ほどの効果は期待できないものの、Ba(FSA)2に代表されるバリウム塩を該電解液に過剰に混合することでも負高電位領域での不可逆還元電流を抑制することができる。上記の混合電解液の作製において、過剰に添加するバリウム塩の濃度は、解離したアルカリ金属フッ化物の濃度の少なくとも3倍以上、好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍程度に調製することが望ましい。このバリウム塩の濃度(添加量)が3倍以上であれば、フッ化物イオンとバリウムイオンが不溶性の固形物を形成しないためフッ化物イオン濃度を低下させることもなく望ましい。該バリウム塩のアニオン種としては、FSA-以外にTFSA-、BETA-、BF4
-でも差し支えない。すなわち、過剰に添加するバリウム塩は、Ba(FSA)2、Ba(TFSA)2、Ba(BETA)2、Ba(BF4)2のいずれか1つまたはそれらの2つ以上の混合物であることが好ましい。
[Mixed barium salts]
Although the effect of the lithium salt cannot be expected, the irreversible reduction current in the high negative potential region can also be suppressed by mixing an excess of a barium salt, such as Ba(FSA) 2 , into the electrolyte. In preparing the above-mentioned mixed electrolyte, the concentration of the barium salt added in excess is preferably at least three times, preferably five times, and more preferably about ten times the concentration of the dissociated alkali metal fluoride. If the concentration (amount added) of this barium salt is three times or more, the fluoride ions and barium ions do not form an insoluble solid, and therefore the fluoride ion concentration is not reduced, which is desirable. In addition to FSA - , TFSA - , BETA - , and BF 4 - can also be used as the anion species of the barium salt. That is, the barium salt added in excess is preferably any one of Ba(FSA) 2 , Ba(TFSA) 2 , Ba(BETA) 2 and Ba(BF 4 ) 2 or a mixture of two or more thereof.
以下に実験例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 The following experimental examples will further illustrate the present invention.
[製造例1]
(CuF2電極の作製)
活物質である市販のCuF2粉末(Sigma-Aldrich社製)に、導電助剤であるアセチレンブラック(AB)をCuF2:AB=90:10の質量比となるように加えて、Ar雰囲気下にてボールミルで混合処理を行い、CuF2/AB合材を作製した。得られた合材に、さらに導電助剤であるABと、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを加え、CuF2:AB:PVdF=75:12.5:12.5の質量比とした後に、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を加えて混練し、適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーをアルミニウム(Al)箔からなる集電体の一方の表面に塗工し、120℃で真空乾燥した。ついで、空隙率が40~50%となるようにプレス処理を施して電極シートを作製した。得られた正極シートを5mm×10mmのサイズにカットし、さらに合材面が5mm×5mmのサイズとなるように合材面の一部を剥離して、本製造例の電極を作製した。
[Production Example 1]
(Preparation of CuF2 electrode)
Commercially available CuF 2 powder (Sigma-Aldrich), which is the active material, was added with acetylene black (AB), a conductive additive, in a mass ratio of CuF 2 :AB = 90:10, and the mixture was mixed in a ball mill under an Ar atmosphere to produce a CuF 2 /AB composite. To the resulting composite, the conductive additive AB and the binder polyvinylidene fluoride (PVdF) were added, resulting in a mass ratio of CuF 2 :AB:PVdF = 75:12.5:12.5, followed by kneading with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to produce a slurry with an appropriate viscosity. The resulting slurry was applied to one surface of a current collector made of aluminum (Al) foil and vacuum dried at 120 ° C. Next, an electrode sheet was produced by pressing to achieve a porosity of 40 to 50%. The obtained positive electrode sheet was cut into a size of 5 mm x 10 mm, and a part of the composite surface was further peeled off so that the composite surface had a size of 5 mm x 5 mm, thereby producing an electrode of this production example.
[製造例2]
(BiF3電極の作製)
活物質として、市販のBiF3粉末(Sigma-Aldrich社製)を使用したこと以外は、製造例1と同様の手法により、本製造例の電極を作製した。
[Production Example 2]
(Preparation of BiF3 electrode)
The electrode of this production example was produced in the same manner as in Production Example 1, except that commercially available BiF3 powder (manufactured by Sigma-Aldrich) was used as the active material.
[製造例3]
(Ti0.97Al0.03F3の合成)
市販のTiF3粉末(Sigma-Aldrich社製)に添加剤として市販のAlF3粉末(富士フイルム和光純薬株式会社)を所定の比率で加えて、アルゴン雰囲気下にてボールミルで混合処理を行い、活物質であるTi0.97Al0.03F3を合成した。
[Production Example 3]
( Synthesis of Ti0.97Al0.03F3 )
Commercially available TiF3 powder (manufactured by Sigma-Aldrich) was mixed with commercially available AlF3 powder (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as an additive in a predetermined ratio , and the mixture was mixed in a ball mill under an argon atmosphere to synthesize the active material Ti0.97Al0.03F3 .
(Ti(Al)F3電極の作製)
上記で作製した活物質と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを95:5の質量比で混練し、さらにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を加えて適当な粘度のスラリーとした。得られたスラリーを導電性多孔体である発泡アルミニウム(住友電工株式会社製、CELMET(登録商標)、材質アルミニウム、空隙率96%)に充填し、乾燥後にプレス処理を施して、本製造例の電極を作製した。
(Preparation of Ti(Al) F3 electrode)
The active material prepared above and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in a mass ratio of 95:5, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to prepare a slurry with an appropriate viscosity. The resulting slurry was filled into a conductive porous aluminum foam (CELMET (registered trademark), manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd., made of aluminum, with a porosity of 96%), dried, and pressed to prepare an electrode for this manufacturing example.
[実施例1-1]
(ボロキシン環含有ポリマーの合成)
以下の操作は、グローブボックス、ガスバッグ、シュレンク装置等を用いて行い、大気下での操作を避けた。ディーン・スターク分水器を取り付けた反応容器にドライトルエン(300mL)、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル(PEGMME350;60.2g)、テトラエチレングリコール(TEG;25.1g)を仕込み、室温(25℃)で撹拌した。この溶液に酸化ホウ素(15g)を徐々に添加した。添加終了後、内温108℃で加熱撹拌した。発生する水を除きながら、加熱撹拌を続けた。12時間後、加熱を停止した。ディーン・スターク分水器からの水の流出量は約9.0gであった。反応溶液を室温まで放冷後、メンブランフィルター(1.0μm)ろ過で不溶物等を除き、ろ液を減圧濃縮した。さらに、液体窒素トラップ、オイルポンプ(減圧度:0.05mmHg)、オイルバス(温度:90℃)を取り付け、撹拌しながら減圧留去を行った。重量減少がなくなったのを確認し、淡褐色透明な粘性のある液体(80g)を得た。1H-NMR分析、IR分析の結果から、下記式で表されるボロキシン環含有ポリマー(BxP)であることを確認した。
[Example 1-1]
(Synthesis of Boroxine Ring-Containing Polymer)
The following operations were performed using a glove box, gas bag, Schlenk apparatus, etc., and operations under atmospheric pressure were avoided. Dry toluene (300 mL), polyethylene glycol monomethyl ether (PEGMME350; 60.2 g), and tetraethylene glycol (TEG; 25.1 g) were charged into a reaction vessel equipped with a Dean-Stark water separator and stirred at room temperature (25°C). Boron oxide (15 g) was gradually added to this solution. After the addition was completed, the mixture was heated and stirred at an internal temperature of 108°C. Heating and stirring were continued while removing the generated water. After 12 hours, heating was stopped. The amount of water flowing out of the Dean-Stark water separator was approximately 9.0 g. After allowing the reaction solution to cool to room temperature, insoluble matter was removed by filtration through a membrane filter (1.0 μm), and the filtrate was concentrated under reduced pressure. Furthermore, a liquid nitrogen trap, an oil pump (vacuum pressure: 0.05 mmHg), and an oil bath (temperature: 90°C) were attached, and distillation under reduced pressure was performed while stirring. After confirming that the weight loss had ceased, a pale brown, transparent, viscous liquid (80 g) was obtained. From the results of 1 H-NMR analysis and IR analysis, it was confirmed that the polymer was a boroxine ring-containing polymer (BxP) represented by the following formula:
(電解液の調製)
電解液として、LiFSA(0.14M)およびCsF(0.012M)をγ-ブチロラクトン(GBL)に溶解したものを調製した。具体的には、特開2021-36512号公報の実施例1に記載された手法に従い、多段階の溶解処理により所定量のCsFをγ-ブチロラクトンに溶解させてCsF/RBL電解液を調製した。その後、当該CsF/RBL電解液にLiFSAを所定量溶解させることにより、電解液を調製した。なお、多段階の溶解処理によって溶媒自身の有意な改質が生じている可能性を示すため、電解液を構成する溶媒名として純GBL溶媒と区別したRBL(Reformed Butyrolactone)の名称を用いている。
(Preparation of Electrolyte)
An electrolyte solution was prepared by dissolving LiFSA (0.14 M) and CsF (0.012 M) in γ-butyrolactone (GBL). Specifically, a CsF/RBL electrolyte solution was prepared by dissolving a predetermined amount of CsF in γ-butyrolactone through a multi-stage dissolution process according to the method described in Example 1 of JP 2021-36512 A. Then, a predetermined amount of LiFSA was dissolved in the CsF/RBL electrolyte solution to prepare an electrolyte solution. Note that, to indicate the possibility that significant modification of the solvent itself occurs as a result of the multi-stage dissolution process, the name RBL (reformed butylactone) is used to distinguish it from pure GBL solvent as the name of the solvent that constitutes the electrolyte solution.
(セルの作製)
製造例1で作製したCuF2電極を作用極として、活性炭とバインダであるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とからなる電極シート(活性炭:PTFE=70:30(質量比))を対極に用い、参照極にAg線を用いて、本実施例のビーカーセルを作製した。ビーカーセルには上記で調製した電解液および上記で合成したボロキシン環含有ポリマー(BxP)を注入した。この際、BxPの含有量が、BxPおよび電解液の合計質量に対して5質量%となるように、ビーカーセルに電解液およびBxPを注入した。以上の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
(Cell Preparation)
A beaker cell of this example was produced using the CuF2 electrode produced in Production Example 1 as the working electrode, an electrode sheet made of activated carbon and a binder polytetrafluoroethylene (PTFE) (activated carbon:PTFE = 70:30 (mass ratio)) as the counter electrode, and an Ag wire as the reference electrode. The beaker cell was then filled with the electrolyte solution prepared above and the boroxine ring-containing polymer (BxP) synthesized above. The electrolyte solution and BxP were poured into the beaker cell so that the BxP content was 5 mass% relative to the total mass of the BxP and the electrolyte solution. The beaker cell of this example was produced using the above method.
[実施例1-2]
BxPの含有量を、BxPおよび電解液の合計質量に対して2.5質量%としたこと以外は、実施例1-1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 1-2]
The beaker cell of this example was produced in the same manner as in Example 1-1, except that the content of BxP was set to 2.5 mass % with respect to the total mass of BxP and the electrolyte.
[実施例1-3]
BxPの含有量を、BxPおよび電解液の合計質量に対して10質量%としたこと以外は、実施例1-1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Examples 1-3]
The beaker cell of this example was produced in the same manner as in Example 1-1, except that the content of BxP was set to 10 mass % with respect to the total mass of BxP and the electrolyte solution.
[比較例1-1]
ビーカーセルにBxPを添加しなかったこと以外は、実施例1-1と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 1-1]
The beaker cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 1-1, except that BxP was not added to the beaker cell.
[比較例1-2]
BxPに代えて、下記式で示される2,4,6-トリメトキシボロキシン(TMBx)を、TMBxおよび電解液の合計質量に対して5質量%となるように、ビーカーセルに注入した。これ以外は、実施例1-1と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 1-2]
Instead of BxP, 2,4,6-trimethoxyboroxine (TMBx) represented by the following formula was poured into the beaker cell so that the amount was 5 mass % relative to the total mass of TMBx and the electrolyte. A beaker cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 1-1.
[実施例2-1]
作用極として、CuF2電極に代えて、製造例2で作製したBiF3電極を用いたこと以外は、実施例1-1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 2-1]
A beaker cell of this example was produced in the same manner as in Example 1-1, except that the BiF 3 electrode produced in Production Example 2 was used as the working electrode instead of the CuF 2 electrode.
[比較例2-1]
ビーカーセルにBxPを添加しなかったこと以外は、実施例2-1と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 2-1]
The beaker cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 2-1, except that BxP was not added to the beaker cell.
[比較例2-2]
BxPに代えて、2,4,6-トリメトキシボロキシン(TMBx)を、TMBxおよび電解液の合計質量に対して5質量%となるように、ビーカーセルに注入した。これ以外は、実施例2-1と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 2-2]
Instead of BxP, 2,4,6-trimethoxyboroxine (TMBx) was poured into the beaker cell so that the amount was 5 mass % relative to the total mass of TMBx and the electrolyte. Except for this, the beaker cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 2-1.
[実施例3-1]
作用極として、CuF2電極に代えて、製造例3で作製したTi(Al)F3電極を用いたこと以外は、実施例1-1と同様の手法により、本実施例のビーカーセルを作製した。
[Example 3-1]
A beaker cell of this example was produced in the same manner as in Example 1-1, except that the Ti(Al) F electrode produced in Production Example 3 was used as the working electrode instead of the CuF electrode.
[比較例3-1]
ビーカーセルにBxPを添加しなかったこと以外は、実施例3-1と同様の手法により、本比較例のビーカーセルを作製した。
[Comparative Example 3-1]
The beaker cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 3-1, except that BxP was not added to the beaker cell.
<充放電試験>
上述した実施例および比較例のそれぞれで作製したビーカーセルの充放電試験を行った。具体的には、定電流試験により、各ビーカーセルの充放電試験を行い、各サイクルの可逆容量を測定した。なお、測定は、アルゴン雰囲気中、室温(25℃)で行った。CuF2電極およびBiF3電極を用いたビーカーセルでは充放電レートを0.04C相当として充放電を行った。Ti(Al)F3電極を用いたビーカーセルでは充放電レートを0.02C相当として充放電を行った。
<Charge/discharge test>
A charge/discharge test was conducted on the beaker cells prepared in each of the above-mentioned examples and comparative examples. Specifically, a charge/discharge test was conducted on each beaker cell using a constant current test, and the reversible capacity of each cycle was measured. The measurement was conducted in an argon atmosphere at room temperature (25°C). The beaker cells using CuF2 electrodes and BiF3 electrodes were charged/discharged at a charge/discharge rate equivalent to 0.04C. The beaker cells using Ti(Al) F3 electrodes were charged/discharged at a charge/discharge rate equivalent to 0.02C.
結果を下記の表1~4および図2~8に示す。 The results are shown in Tables 1 to 4 and Figures 2 to 8 below.
(1)CuF2電極を用いたビーカーセルにおける添加剤の影響 (1) Effect of additives on the CuF2 electrode in a beaker cell
表1は、CuF2電極を用いたビーカーセルにおける添加剤の影響をまとめたものである。図2の(A)~(C)は、各例について1~3サイクル充放電を行った際の充放電曲線を表すグラフである。図3は、3サイクルの充放電試験前後の電解液の着色を確認した際の写真である。 Table 1 summarizes the effects of additives on beaker cells using CuF2 electrodes. Figures 2A to 2C are graphs showing charge-discharge curves for each example after 1 to 3 charge-discharge cycles. Figure 3 shows photographs of the coloration of the electrolyte before and after a 3-cycle charge-discharge test.
比較例1-1は、図2(A)に示されるように、可逆容量が小さく、充放電性能が劣ることが分かる(表1中、×で示す)。比較例1-2は、図2(B)に示されるように、可逆容量は大きいものの、サイクル特性が劣る(サイクルによる容量低下が大きい)ことから、充放電性能は一部向上する(表1中、△で示す)。実施例1-1は、図2(C)に示されるように、可逆容量が大きく、かつ、サイクル特性が優れる(サイクルによる容量低下が小さい)ことから、充放電性能に優れることが分かる(表1中、○で示す)。 As shown in Figure 2(A), Comparative Example 1-1 has a small reversible capacity and poor charge/discharge performance (indicated by an x in Table 1). As shown in Figure 2(B), Comparative Example 1-2 has a large reversible capacity but poor cycle characteristics (large capacity loss due to cycling), resulting in some improvement in charge/discharge performance (indicated by a △ in Table 1). As shown in Figure 2(C), Example 1-1 has a large reversible capacity and excellent cycle characteristics (small capacity loss due to cycling), resulting in excellent charge/discharge performance (indicated by a ○ in Table 1).
また、図3に示されるように、比較例1-1の3サイクルの充放電試験後の電解液(図3中、左から2番目)は、青色に着色している。この青色はCuイオンがアクア錯イオンを形成することにより現れるものであり、電解液中にCuイオンが溶出したことを示す。 Furthermore, as shown in Figure 3, the electrolyte of Comparative Example 1-1 after three charge-discharge cycles (second from the left in Figure 3) is colored blue. This blue color appears when Cu ions form aqua complex ions, indicating that Cu ions have dissolved into the electrolyte.
以上の結果より、本発明に係る実施例1-1は、可逆容量が大きく、かつ、サイクル特性に優れることから、充放電特性が向上することが分かる。実施例1-1では、電解液中におけるCuイオンの溶出が見られないことから、充放電によりボロキシン環含有ポリマー由来の被膜が電極表面に形成されることにより、Cuイオンの電解液中への拡散が抑制されることが示唆される。 These results demonstrate that Example 1-1 of the present invention has a large reversible capacity and excellent cycle characteristics, resulting in improved charge/discharge characteristics. In Example 1-1, no Cu ion elution into the electrolyte was observed, suggesting that a coating derived from the boroxine ring-containing polymer is formed on the electrode surface during charge/discharge, thereby suppressing the diffusion of Cu ions into the electrolyte.
(2)BiF3電極を用いたビーカーセルにおける添加剤の影響 (2) Effect of additives on the beaker cell using BiF3 electrodes
表2は、BiF3電極を用いたビーカーセルにおける添加剤の影響をまとめたものである。図4の(A)~(C)は、各例について1~3サイクル充放電を行った際の充放電曲線を表すグラフである。図5は、5サイクルの充放電試験前後の電極の変形を確認した際の写真である。 Table 2 summarizes the effects of additives on beaker cells using BiF3 electrodes. Figures 4A to 4C are graphs showing charge-discharge curves for each example after 1 to 3 charge-discharge cycles. Figure 5 shows photographs of the electrode deformation before and after a 5-cycle charge-discharge test.
比較例2-1は、図4(A)に示されるように、可逆容量は大きいものの、サイクル特性が劣る(サイクルによる容量低下が大きい)ことから、充放電性能は一部向上する(表2中、△で示す)。比較例2-2は、図4(B)に示されるように、抵抗が大きく、可逆容量が小さいことから、充放電性能が劣ることが分かる(表2中、×で示す)。実施例2-1は、図4(C)に示されるように、可逆容量が大きく、かつ、サイクル特性が優れる(サイクルによる容量低下が小さい)ことから、充放電性能に優れることが分かる(表2中、○で示す)。 As shown in Figure 4(A), Comparative Example 2-1 has a large reversible capacity but poor cycle characteristics (large capacity loss due to cycling), resulting in some improvement in charge/discharge performance (shown as a △ in Table 2). As shown in Figure 4(B), Comparative Example 2-2 has a large resistance and small reversible capacity, resulting in poor charge/discharge performance (shown as an x in Table 2). As shown in Figure 4(C), Example 2-1 has a large reversible capacity and excellent cycle characteristics (small capacity loss due to cycling), resulting in excellent charge/discharge performance (shown as a ○ in Table 2).
また、図5に示されるように、比較例2-1の5サイクル後の充放電試験後の電極(図5中、左から2番目)は、大きく変形している。この変形は、電解液中に溶出および拡散したBiイオンによりデンドライトが形成したことによるものであると考えられた。 Furthermore, as shown in Figure 5, the electrode of Comparative Example 2-1 (second from the left in Figure 5) after five charge-discharge cycles was significantly deformed. This deformation was thought to be due to the formation of dendrites caused by Bi ions that dissolved and diffused into the electrolyte.
以上の結果より、本発明に係る実施例2-1は、可逆容量が大きく、かつ、サイクル特性に優れることから、充放電特性が向上することが分かる。実施例1-1では、電極の変形が見られないことから、充放電によりボロキシン環含有ポリマー由来の被膜が電極表面に形成されることにより、Biイオンの電解液中への拡散が抑制されることが示唆される。 These results demonstrate that Example 2-1 of the present invention has a large reversible capacity and excellent cycle characteristics, resulting in improved charge/discharge characteristics. In Example 1-1, no electrode deformation was observed, suggesting that a coating derived from the boroxine ring-containing polymer is formed on the electrode surface during charge/discharge, thereby suppressing the diffusion of Bi ions into the electrolyte.
(3)Ti(Al)F3電極を用いたビーカーセルにおける添加剤の影響 (3) Effect of additives on Ti(Al) F3 electrode in beaker cell
表3は、Ti(Al)F3電極を用いたビーカーセルにおける添加剤の影響をまとめたものである。図6(A)および(B)は、各例について1~6サイクル充放電を行った際の充放電曲線を表すグラフである。 Table 3 summarizes the effects of additives on the beaker cell using a Ti(Al) F3 electrode. Figures 6(A) and 6(B) are graphs showing the charge-discharge curves for each example after 1 to 6 charge-discharge cycles.
比較例3-1は、図6(A)に示されるように、可逆容量は小さいことから、充放電性能が劣ることが分かる(表3中、×で示す)。実施例3-1は、図6(B)に示されるように、可逆容量が大きいことから、充放電性能に優れることが分かる(表3中、○で示す)。 As shown in Figure 6(A), Comparative Example 3-1 has a small reversible capacity, indicating poor charge/discharge performance (indicated by an x in Table 3). As shown in Figure 6(B), Example 3-1 has a large reversible capacity, indicating excellent charge/discharge performance (indicated by a circle in Table 3).
なお、各例について6サイクル後の充放電試験後の電極を観察したところ、いずれの電極にも変形は見られなかった。 In addition, when the electrodes of each example were observed after six charge-discharge cycles, no deformation was observed in any of the electrodes.
以上の結果より、本発明に係る実施例3-1は、可逆容量が大きいことから、充放電特性が向上することが分かる。実施例3-1では、充放電によりボロキシン環含有ポリマー由来の被膜が電極表面に形成されることにより、電極(負極)表面における電解液の還元分解が抑制され、その結果、大きな可逆容量が得られると推測される。 These results demonstrate that Example 3-1 of the present invention has improved charge/discharge characteristics due to its large reversible capacity. In Example 3-1, a coating derived from the boroxine ring-containing polymer is formed on the electrode surface during charge/discharge, suppressing the reductive decomposition of the electrolyte on the electrode (negative electrode) surface. This is thought to result in a large reversible capacity.
(4)CuF2電極を用いたビーカーセルにおける、ボロキシン環含有ポリマー(BxP)含有量の影響 (4) Effect of boroxine ring-containing polymer (BxP) content in a beaker cell using a CuF2 electrode
表4は、CuF2電極を用いたビーカーセルにおけるボロキシン環含有ポリマー含有量の影響をまとめたものである。図7(A)~(D)は、各例について1~3サイクル充放電を行った際の充放電曲線を表すグラフである。 Table 4 summarizes the effect of the boroxine ring-containing polymer content in a beaker cell using a CuF2 electrode. Figures 7(A) to 7(D) are graphs showing the charge-discharge curves for each example after 1 to 3 charge-discharge cycles.
比較例1-1および実施例1-1の充放電性能は、上述のとおりである。実施例1-2は、図7(B)に示されるように、可逆容量が改善され、充放電性能が向上することが分かる(表1中、○で示す)。実施例1-3は、図7(D)に示されるように、可逆容量は大きいものの、サイクル特性が劣る(サイクルによる容量低下が大きい)ことから、充放電性能は一部向上する(表1中、△で示す)。 The charge-discharge performance of Comparative Example 1-1 and Example 1-1 is as described above. As shown in Figure 7(B), Example 1-2 shows improved reversible capacity and improved charge-discharge performance (shown by a circle in Table 1). As shown in Figure 7(D), Example 1-3 has a large reversible capacity but poor cycle characteristics (large capacity loss due to cycling), resulting in a partial improvement in charge-discharge performance (shown by a triangle in Table 1).
なお、各例について3サイクル後の充放電試験後の電解液を観察したところ、実施例1-2および実施例1-3は、電解液の着色が見られなかった。 In addition, when the electrolyte solution for each example was observed after three charge-discharge cycles, no coloration of the electrolyte solution was observed in Examples 1-2 and 1-3.
(5)電極表面のXPS測定
ボロキシン環含有ポリマーの含有量が5質量%である、実施例1-1、2-1および3-1について、充放電試験前および3サイクルの充放電試験後のそれぞれの電極表面のX線光電子分光(XPS)測定を行った。具体的には、ビーカーセルから電極を取り出し、GBLで洗浄後、真空乾燥したものを測定用サンプルとして、下記の測定条件でXPS測定を行った。
(5) XPS Measurement of Electrode Surface For Examples 1-1, 2-1, and 3-1, in which the content of the boroxine ring-containing polymer was 5% by mass, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement was performed on the electrode surface before and after three charge-discharge cycles. Specifically, the electrode was removed from the beaker cell, washed with GBL, and vacuum-dried to prepare a measurement sample. XPS measurement was performed under the following measurement conditions.
(XPS測定条件)
測定装置:アルバック・ファイ株式会社製 Quantera SXM
X線源:AlKα線(1486.6eV)
X線出力:25W 15kV
検出領域:100μmφ
検出場所:電極サンプルの中心部
検出深さ:数nm(取出角45°)
測定スペクトル:Cu2p、Bi4f、Ti2p、B1s。
(XPS measurement conditions)
Measuring device: Quantera SXM manufactured by ULVAC-PHI, Inc.
X-ray source: AlKα ray (1486.6eV)
X-ray output: 25W 15kV
Detection area: 100 μmφ
Detection location: Center of electrode sample Detection depth: Several nm (take-off angle 45°)
Measured spectra: Cu2p, Bi4f, Ti2p, B1s.
結果を図8に示す。図8は、実施例1-1、実施例2-1および実施例3-1のそれぞれの充放電試験前ならびに3サイクルの充放電試験後の電極についてのXPSスペクトルである。図8に示されるように、充放電試験前の電極からはホウ素(B)由来のピークが観察されなかったが、充放電試験後の電極からはホウ素(B)由来のピークが観察された。このことから、充放電により、ボロキシン環含有ポリマー由来の被膜が電極表面に形成されることが示唆された。 The results are shown in Figure 8. Figure 8 shows XPS spectra of the electrodes of Examples 1-1, 2-1, and 3-1 before and after three charge-discharge cycles. As shown in Figure 8, no peaks derived from boron (B) were observed in the electrodes before the charge-discharge test, but peaks derived from boron (B) were observed in the electrodes after the charge-discharge test. This suggests that a coating derived from the boroxine ring-containing polymer is formed on the electrode surface as a result of charge and discharge.
1 フッ化物イオン電池、
10 正極、
11 アルミニウム(Al)箔(正極集電体)、
12 正極活物質層、
13 正極活物質、
20 負極、
21 負極活物質、
22 発泡アルミニウム(負極集電体)、
30 電解質層、
40 外部負荷、
F- フッ化物イオン。
1. Fluoride ion battery,
10 positive electrode,
11 Aluminum (Al) foil (positive electrode current collector),
12 positive electrode active material layer,
13 positive electrode active material,
20 negative electrode,
21 negative electrode active material,
22 Foamed aluminum (negative electrode current collector),
30 electrolyte layer,
40 external load,
F - fluoride ion.
Claims (5)
負極活物質を含有する負極活物質層と、前記負極活物質層の集電を行う負極集電体と、を有する負極、および
前記正極および前記負極の間に配置された、フッ化物イオン伝導性を有する電解質を含有する電解質層、
を有し、
前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一部に、ボロキシン環含有ポリマーを含有し、
前記ボロキシン環含有ポリマーの含有量は、前記ボロキシン環含有ポリマーおよび前記電解質の合計質量に対して0質量%を超えて10質量%以下である、フッ化物イオン電池。 a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a positive electrode current collector that collects current from the positive electrode active material layer;
a negative electrode including a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector that collects current from the negative electrode active material layer; and an electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte having fluoride ion conductivity;
and
a boroxine ring-containing polymer is contained in at least a portion of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer ;
A fluoride ion battery , wherein the content of the boroxine ring-containing polymer is more than 0 mass % and 10 mass % or less with respect to the total mass of the boroxine ring-containing polymer and the electrolyte .
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