JP7803142B2 - Deactivating agents and deactivation methods - Google Patents
Deactivating agents and deactivation methodsInfo
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Description
本開示は、不活性化剤及び不活性化方法に関する。 This disclosure relates to a deactivating agent and a deactivation method.
従来、非水系二次電池をリサイクル又は廃棄する際に、回収電池を不活性化させる不活性化処理が行われている。こうした処理として、例えば、回収電池を充放電装置につないで0Vまで放電させる処理が可能であるが、その場合、放電に時間がかかることがあった。また、回収電池が電流遮断機構(CID)作動後の電池である場合には、放電させること自体ができなかった。そこで、回収電池の内部にリチウムの酸化還元電位に対して3.0~4.5Vの範囲に酸化還元電位を示すレドックスシャトル剤(例えばフェロセン)を添加することが提案されている(特許文献1参照)。これにより、充放電装置を用いることなく、安全かつ迅速に非水系二次電池の電池電圧を0Vまで下げることができる。 Conventionally, when recycling or disposing of non-aqueous secondary batteries, a deactivation process is performed to inactivate the recovered batteries. For example, one such process involves connecting the recovered batteries to a charge/discharge device and discharging them to 0 V, but this can take a long time to discharge. Furthermore, if the recovered battery has undergone current interruption detection (CID) activation, it is not even possible to discharge it. Therefore, it has been proposed to add a redox shuttle agent (e.g., ferrocene) that exhibits a redox potential in the range of 3.0 to 4.5 V relative to the redox potential of lithium to the recovered battery (see Patent Document 1). This allows the battery voltage of a non-aqueous secondary battery to be safely and quickly reduced to 0 V without using a charge/discharge device.
ところで、レドックスシャトル剤と非水系溶媒からなる不活性化剤の添加による非水系二次電池の不活性化処理工程では、電池内の限られた空間に不活性化剤を添加する必要がある。一方で、レドックスシャトル剤の添加量を減らすと電池の放電速度が低下し、不活性化処理時間が長くなるため、不活性化剤のレドックスシャトル剤を高濃度化し、添加する液量を低減する必要があると考えられる。これに対し、特許文献1では、レドックスシャトル剤の濃度が0.01~0.1mmol/Lの範囲であり、非水系二次電池へ比較的多量の不活性化剤を添加する必要があった。非水系二次電池の不活性化処理をより確実に行うことができる不活性化剤が求められていた。 In the deactivation process for non-aqueous secondary batteries, which involves adding a deactivator consisting of a redox shuttle agent and a non-aqueous solvent, it is necessary to add the deactivator to the limited space within the battery. However, reducing the amount of redox shuttle agent added reduces the battery's discharge rate and lengthens the deactivation time, so it is thought necessary to increase the concentration of the redox shuttle agent in the deactivator and reduce the amount of liquid added. In contrast, in Patent Document 1, the concentration of the redox shuttle agent is in the range of 0.01 to 0.1 mmol/L, requiring the addition of a relatively large amount of deactivator to the non-aqueous secondary battery. There is a need for a deactivator that can more reliably perform deactivation of non-aqueous secondary batteries.
本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、非水系二次電池をより確実に不活性化させる新規の不活性化剤及び不活性化方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made to solve these problems, and its main objective is to provide a new deactivating agent and deactivation method that more reliably deactivates non-aqueous secondary batteries.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、ヒドロキノン構造を有する化合物をレドックスシャトル剤として用いると、非水系二次電池をより確実に不活性化させることができることを見出し、本開示の発明を完成するに至った。 After extensive research to achieve the above-mentioned objectives, the inventors discovered that using a compound having a hydroquinone structure as a redox shuttle agent can more reliably inactivate nonaqueous secondary batteries, leading to the completion of the disclosed invention.
即ち、本開示の不活性化剤は、
非水系二次電池を不活性化する不活性化剤であって、
酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いヒドロキノン構造を含むヒドロキノン系化合物であるレドックスシャトル剤と、
非水系溶媒と、
を含むものである。
That is, the deactivating agent of the present disclosure is
A deactivator for deactivating a non-aqueous secondary battery,
a redox shuttle agent that is a hydroquinone-based compound containing a hydroquinone structure, the redox potential of which is higher than that of a negative electrode active material of the nonaqueous secondary battery and lower than that of a positive electrode active material of the nonaqueous secondary battery relative to a Li reference potential;
a non-aqueous solvent;
It includes:
また、本開示の不活性化方法は、
非水系二次電池を不活性化する不活性化方法であって、
上述した非水系二次電池の不活性化剤を前記非水系二次電池の内部に添加する添加工程、を含むものである。
The inactivation method of the present disclosure also includes:
A method for deactivating a non-aqueous secondary battery, comprising:
The method includes adding the above-mentioned deactivator for non-aqueous secondary batteries to the inside of the non-aqueous secondary battery.
この不活性化剤及び不活性化方法では、非水系二次電池をより確実に不活性化させることができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推察される。充電状態の非水系二次電池に、酸化還元電位が正極電位より低く負極電位より高いレドックスシャトル剤を添加すると、各電極とレドックスシャトル剤との電位差を駆動力として、電池の放電が進行し、電池の不活性化を図ることができる。さらに、本開示では、レドックスシャトル剤としてヒドロキノン構造を含むヒドロキノン系化合物を用いるが、ヒドロキノンはp-ベンゾキノンの二電子還元体であり、プロトンの影響で様々な酸化還元メカニズムを示す。例えば、ヒドロキノンからプロトンが脱離して生成したジアニオンとp-ベンゾキノンの間で2電子酸化還元が進行する反応式や、ヒドロキノンのプロトンが脱離せずに2電子酸化還元を示す反応式がある。ヒドロキノンの酸化還元において、どのメカニズムが支配的に進行するかは共存する溶媒や支持塩の組成、濃度によって異なるものと推察されるが、様々な溶媒などに対していずれかの酸化還元反応を行うことができるため、溶媒種などに影響されずに、非水系二次電池をより確実に不活性化させることができるものと推察される。 This deactivator and deactivation method enable more reliable deactivation of nonaqueous secondary batteries. The reason for this effect is believed to be as follows: When a redox shuttle agent with a redox potential lower than the positive electrode potential and higher than the negative electrode potential is added to a charged nonaqueous secondary battery, the potential difference between each electrode and the redox shuttle agent serves as the driving force for battery discharge, thereby deactivating the battery. Furthermore, this disclosure uses a hydroquinone-based compound containing a hydroquinone structure as the redox shuttle agent. Hydroquinone is a two-electron reduced form of p-benzoquinone and exhibits various redox mechanisms under the influence of protons. For example, there is a reaction scheme in which a two-electron redox reaction occurs between p-benzoquinone and a dianion generated by desorbing a proton from hydroquinone, and another in which a two-electron redox reaction occurs without desorbing a proton from hydroquinone. It is believed that which mechanism predominates in the oxidation-reduction of hydroquinone depends on the composition and concentration of the coexisting solvent and supporting salt. However, because either of these oxidation-reduction reactions can occur in a variety of solvents, it is believed that non-aqueous secondary batteries can be more reliably deactivated without being affected by the type of solvent.
(不活性化剤)
本開示の非水系二次電池の不活性化剤は、レドックスシャトル剤と、非水系溶媒と、を含むものである。レドックスシャトル剤は、酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いヒドロキノン構造を含むヒドロキノン系化合物である。本明細書において、レドックスシャトル剤とは、正極と負極との間で電荷を繰り返し輸送することができる、酸化及び還元可能な化合物をいうものとする。
(inactivating agent)
The deactivator for a non-aqueous secondary battery according to the present disclosure comprises a redox shuttle agent and a non-aqueous solvent. The redox shuttle agent is a hydroquinone-based compound containing a hydroquinone structure whose oxidation-reduction potential, relative to Li, is higher than that of the negative electrode active material of the non-aqueous secondary battery and lower than that of the positive electrode active material of the non-aqueous secondary battery. In this specification, the redox shuttle agent refers to a compound that can be oxidized and reduced and that can repeatedly transport charge between a positive electrode and a negative electrode.
[非水系二次電池]
まず、不活性化の対象となる非水系二次電池について説明する。非水系二次電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導する非水系のイオン伝導媒体と、を備えている。キャリアイオンとしては、例えば、第1族元素イオンや第2族元素イオンが挙げられる。第1族元素イオンとしては、例えば、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンが挙げられる。第2族元素イオンとしては、例えば、マグネシウムイオン、カルシウムイオンが挙げられる。以下では、説明の便宜のため、非水系二次電池が、負極活物質を炭素材料としたリチウムイオン二次電池である場合について主に説明する。
[Non-aqueous secondary battery]
First, a nonaqueous secondary battery to be deactivated will be described. The nonaqueous secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material, and a nonaqueous ion-conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting carrier ions. Examples of carrier ions include Group 1 element ions and Group 2 element ions. Examples of Group 1 element ions include lithium ions, sodium ions, and potassium ions. Examples of Group 2 element ions include magnesium ions and calcium ions. For ease of explanation, the following description will mainly focus on a case where the nonaqueous secondary battery is a lithium-ion secondary battery in which the negative electrode active material is a carbon material.
正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、Li基準の酸化還元電位が不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤よりも高いものであればよいが、酸化還元電位がLi基準電位で3.0Vを超えるものとしてもよく、3.5V以上が好ましく、3.8V以上がより好ましく、4.0V以上がさらに好ましい。正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、Li(1-x)MnO2(0<x<1など、以下同じ)、Li(1-x)Mn2O4などのリチウムマンガン複合酸化物、Li(1-x)CoO2などのリチウムコバルト複合酸化物、Li(1-x)NiO2などのリチウムニッケル複合酸化物、Li(1-x)NiaMnbO2(a+b=1)やLi(1-x)NiaMnbO4(a+b=2)などのリチウムニッケルマンガン複合酸化物、Li(1-x)NiaCobMncO2(a+b+c=1)などのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、LiV2O3などのリチウムバナジウム複合酸化物、V2O5などの遷移金属酸化物などを用いることができる。また、Li(1-x)MnPO4などのオリビン型リチウムリン酸マンガン系化合物、Li(1-x)CoPO4などのオリビン型リチウムリン酸コバルト系化合物、Li(1-x)NiPO4などのオリビン型リチウムリン酸ニッケル系化合物などを用いることができる。また、Li(1-x)MnVO4などの逆スピネル型リチウムバナジン酸マンガン系化合物、Li(1-x)CoPO4などの逆スピネル型リチウムバナジン酸コバルト系化合物、Li(1-x)NiPO4などの逆スピネル型リチウムバナジン酸ニッケル系化合物などを用いることができる。正極活物質は、ニッケル、マンガン、コバルトのうちの1以上を含む酸化物であることが好ましく、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などが好ましい。 The positive electrode may be formed, for example, by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like positive electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it as needed to increase electrode density. The positive electrode active material may have a redox potential relative to Li higher than that of the redox shuttle agent contained in the deactivator, but the redox potential may be greater than 3.0 V relative to Li, preferably 3.5 V or higher, more preferably 3.8 V or higher, and even more preferably 4.0 V or higher. Examples of the positive electrode active material that can be used include sulfides containing transition metal elements and oxides containing lithium and transition metal elements. Specifically, transition metal sulfides such as TiS2 , TiS3 , MoS3 , and FeS2 , lithium manganese composite oxides such as Li (1-x) MnO2 (0<x<1, etc., the same applies below) and Li (1-x) Mn2O4 , lithium cobalt composite oxides such as Li ( 1-x) CoO2 , lithium nickel composite oxides such as Li (1 - x ) NiO2 , lithium nickel manganese composite oxides such as Li (1-x) NiaMnbO2 (a+b=1) and Li (1-x) NiaMnbO4 ( a+b=2), lithium nickel cobalt manganese composite oxides such as Li ( 1 -x ) NiaCobMncO2 (a+b+c=1), and LiV2O Lithium vanadium composite oxides such as Li (1-x) MnPO4 , transition metal oxides such as V2O5 , etc. can be used. Olivine-type lithium manganese phosphate compounds such as Li(1-x) MnPO4 , olivine-type lithium cobalt phosphate compounds such as Li (1-x) CoPO4 , and olivine-type lithium nickel phosphate compounds such as Li (1- x) NiPO4 can also be used. Inverse spinel-type lithium manganese vanadate compounds such as Li (1-x)MnVO4, inverse spinel-type lithium cobalt vanadate compounds such as Li(1-x) CoPO4 , and inverse spinel-type lithium nickel vanadate compounds such as Li (1-x) NiPO4 can also be used. The positive electrode active material is preferably an oxide containing one or more of nickel, manganese, and cobalt, and examples thereof include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , and LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 .
正極の導電材としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などを用いることができる。結着材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。溶剤としては、例えば、N-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。 Examples of conductive materials that can be used for the positive electrode include graphite (e.g., natural graphite (e.g., scaly graphite, flake graphite) and artificial graphite), acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whiskers, needle coke, carbon fiber, and metals (e.g., copper, nickel, aluminum, silver, and gold). Examples of binders that can be used include fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluororubber, as well as thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM rubber, and natural butyl rubber (NBR). Water-based binders such as cellulose-based binders and aqueous dispersions of styrene butadiene rubber (SBR) can also be used. Examples of solvents that can be used include organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. Alternatively, a dispersant, thickener, or the like may be added to water, and the active material may be slurried with a latex such as SBR. Examples of thickeners include polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose, either alone or in combination. Application methods include roller coating (e.g., applicator roll), screen coating, doctor blade coating, spin coating, and bar coating. Any of these can be used to achieve any desired thickness and shape. Examples of current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymers, and conductive glass. For the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance, aluminum and copper surfaces treated with carbon, nickel, titanium, or silver can also be used. These surfaces can also be subjected to oxidation treatment. The current collector may be in the form of a foil, film, sheet, net, punched or expanded material, lath, porous material, foam, or fiber group. The current collector may have a thickness of, for example, 1 to 500 μm.
負極は、例えば、負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよいし、負極活物質と集電体とを密着させて形成したものとしてもよい。負極活物質は、酸化還元電位がLi基準電位で3.0V以下が好ましく、2.0V以下がより好ましく、1.0V以下がさらに好ましい。負極活物質としては、リチウム、リチウム合金、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素質材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。炭素質材料は、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。複合酸化物としては、例えば、Li4Ti5O12などのリチウムチタン複合酸化物やLiV2O3などのリチウムバナジウム複合酸化物が挙げられる。負極活物質としては、このうち、グラファイト類などの炭素質材料が好ましい。また、負極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ正極で例示したものを用いることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、正極と同様のものを用いることができる。 The negative electrode may be formed, for example, by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like negative electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase electrode density as needed. Alternatively, the negative electrode may be formed by closely adhering the negative electrode active material to the current collector. The redox potential of the negative electrode active material is preferably 3.0 V or less, more preferably 2.0 V or less, and even more preferably 1.0 V or less, relative to the Li reference potential. Examples of negative electrode active materials include inorganic compounds such as lithium, lithium alloys, and tin compounds; carbonaceous materials capable of absorbing and releasing lithium ions; composite oxides containing multiple elements; and conductive polymers. Examples of carbonaceous materials include cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, and carbon fibers. Examples of composite oxides include lithium titanium composite oxides such as Li4Ti5O12 and lithium vanadium composite oxides such as LiV2O3 . Of these, carbonaceous materials such as graphite are preferred as the negative electrode active material. The conductive materials, binders, solvents, etc. used in the negative electrode can be the same as those exemplified for the positive electrode. For the negative electrode current collector, in addition to copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, baked carbon, conductive polymers, conductive glass, Al—Cd alloys, etc., materials such as copper whose surfaces have been treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and reduction resistance can also be used. These surfaces can also be subjected to an oxidation treatment. The shape of the current collector can be the same as that of the positive electrode.
イオン伝導媒体としては、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。非水系電解液の溶媒としては、例えば、カーボネート化合物、エステル化合物、エーテル化合物、ニトリル化合物、アミド化合物、フラン化合物、スルホラン化合物及びジオキソラン化合物などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート化合物としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート化合物や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート化合物などが挙げられる。また、エステル化合物としてγ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル化合物、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル化合物などが挙げられる。また、エーテル化合物としてジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどが挙げられ、ニトリル化合物としてアセトニトリル、ベンゾニトリルなどが挙げられ、アミド化合物としてジメチルアセトアミド(DMA)、ジメチルホルムアミドなどが挙げられ、フラン化合物としてテトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフランなどが挙げられ、スルホラン化合物としてスルホラン、テトラメチルスルホランなどが挙げられ、オキソラン化合物として1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどが挙げられる。これらは単独又は混合して用いることができる。このうち、非水系電解液の溶媒としては、例えば、DMC-ECや、DEC-EC、DMC-EMC-ECなど、環状カーボネート化合物と鎖状カーボネート化合物との混合液が好ましい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4 などの無機塩や、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、などの有機塩が挙げられ、これらを単独又は組み合わせて用いることができる。支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。また、イオン伝導媒体としては、液状のイオン伝導媒体の代わりに、イオン伝導性ポリマー、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。 As the ion-conducting medium, a non-aqueous electrolyte solution containing a supporting salt or a non-aqueous gel electrolyte solution can be used. Examples of solvents for non-aqueous electrolyte solutions include carbonate compounds, ester compounds, ether compounds, nitrile compounds, amide compounds, furan compounds, sulfolane compounds, and dioxolane compounds, which can be used alone or in combination. Specific examples of carbonate compounds include cyclic carbonate compounds such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, as well as chain carbonate compounds such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate. Examples of ester compounds include cyclic ester compounds such as γ-butyllactone and γ-valerolactone, and chain ester compounds such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate. Examples of ether compounds include dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane. Examples of nitrile compounds include acetonitrile and benzonitrile. Examples of amide compounds include dimethylacetamide (DMA) and dimethylformamide. Examples of furan compounds include tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran. Examples of sulfolane compounds include sulfolane and tetramethylsulfolane. Examples of oxolane compounds include 1,3-dioxolane and methyldioxolane. These compounds can be used alone or in combination. Among these, preferred solvents for non-aqueous electrolytes are mixtures of cyclic carbonate compounds and chain carbonate compounds, such as DMC-EC, DEC-EC, and DMC-EMC-EC. Examples of supporting salts include inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 , and LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , and LiC( CF3SO2 ) 3 , and these can be used alone or in combination. The concentration of the supporting salt in the electrolyte solution is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, and more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. In addition, instead of a liquid ion-conducting medium, an ion-conducting polymer, an inorganic solid electrolyte, a mixed material of an organic polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte, or an inorganic solid powder bound by an organic binder can be used as the ion-conducting medium.
この非水系二次電池は、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータは、非水系二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えばポリプロピレン製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 This non-aqueous secondary battery may include a separator between the positive electrode and negative electrode. There are no particular limitations on the separator, so long as it has a composition that can withstand the range of uses for non-aqueous secondary batteries. Examples include polymer non-woven fabrics such as polypropylene non-woven fabrics, and thin microporous membranes made of olefin resins such as polyethylene. These may be used alone or in combination.
この非水系二次電池の形状は、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。また、電気自動車等に用いる大型のものとしてもよい。非水系二次電池の一例を図1に示す。図1は、コイン型の非水系二次電池20の構成の概略を表す断面図である。図1に示すように、非水系二次電池20は、カップ形状の電池ケース21と、正極活物質を有しこの電池ケース21の下部に設けられた正極22と、負極活物質を有し正極22に対してセパレータ24を介して対向する位置に設けられた負極23と、絶縁材により形成されたガスケット25と、電池ケース21の開口部に配設されガスケット25を介して電池ケース21を密封する封口板26と、を備えている。この非水系二次電池20は、正極22と負極23との間の空間にリチウム塩を溶解したイオン伝導媒体27を備えている。 The shape of this nonaqueous secondary battery is not particularly limited, and examples include coin, button, sheet, laminate, cylindrical, flat, and prismatic types. Larger batteries for use in electric vehicles and the like may also be used. An example of a nonaqueous secondary battery is shown in Figure 1. Figure 1 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of a coin-type nonaqueous secondary battery 20. As shown in Figure 1, the nonaqueous secondary battery 20 includes a cup-shaped battery case 21, a positive electrode 22 having a positive electrode active material and disposed at the bottom of the battery case 21, a negative electrode 23 having a negative electrode active material and disposed opposite the positive electrode 22 via a separator 24, a gasket 25 made of an insulating material, and a sealing plate 26 disposed at the opening of the battery case 21 and sealing the battery case 21 via the gasket 25. The nonaqueous secondary battery 20 includes an ionically conductive medium 27 containing dissolved lithium salt in the space between the positive electrode 22 and the negative electrode 23.
[不活性化剤]
次に、不活性化剤について説明する。不活性化剤は、レドックスシャトル剤と、非水系溶媒と、を含む。レドックスシャトル剤は、例えば、ヒドロキノン構造を含むヒドロキノン系化合物である。ヒドロキノン構造とは、6員環の芳香族炭化水素骨格と水酸基を2つ有する2価フェノールの構造をいう。ヒドロキノン系化合物とは、ヒドロキノン構造を有する化合物であり、ヒドロキノン及びその誘導体を含む。ヒドロキノン誘導体は、水酸基を有する炭素以外の炭素に水素以外の置換基を有するものをいう。このヒドロキノン系化合物は、式(1)で表されるものとしてもよい。ここで、式(1)の官能基R1~R4は、例えば、水素のほか、炭化水素基や、カルボキシル基、アルコキシ基、ニトロ基、アミノ基、ハロゲン(F、Cl、Br等)などのうち1以上の置換基が挙げられる。炭化水素基としては、例えば、鎖状の炭化水素基や環状の炭化水素基が好ましい。鎖状の炭化水素は、直鎖でもよいし分岐鎖を有していてもよい。鎖状の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デカニル基、ウンデカニル基、ドデカニル基などのアルキル基や、ビニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基などのアルケニル基などが挙げられる。また、環状の炭化水素基としては、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基などのシクロアルキル基や、フェニル基、ナフチル基などのアリール基などが挙げられる。また、これらの炭化水素基は、カルボキシル基、アルコキシ基、ニトロ基、アミノ基、ハロゲノ基(F-、Cl-、Br-等)などの置換基を有していてもよい。炭化水素基は、これらのうち、直鎖のアルキル基が好ましく、置換基を有さないものが好ましい。炭化水素基は、各々、炭素数20以下が好ましく、10以下がより好ましく、6以下がさらに好ましい。
[Deactivating agent]
Next, the deactivator will be described. The deactivator includes a redox shuttle agent and a non-aqueous solvent. The redox shuttle agent is, for example, a hydroquinone-based compound having a hydroquinone structure. The hydroquinone structure refers to a dihydric phenol structure having a six-membered aromatic hydrocarbon skeleton and two hydroxyl groups. The hydroquinone-based compound is a compound having a hydroquinone structure, including hydroquinone and its derivatives. The hydroquinone derivative refers to a compound having a substituent other than hydrogen on a carbon atom other than the carbon atom bearing a hydroxyl group. This hydroquinone-based compound may be represented by formula (1). Here, the functional groups R 1 to R 4 in formula (1) may be, for example, hydrogen, or one or more substituents selected from the group consisting of a hydrocarbon group, a carboxyl group, an alkoxy group, a nitro group, an amino group, and a halogen (F, Cl, Br, etc.). The hydrocarbon group is preferably, for example, a chain hydrocarbon group or a cyclic hydrocarbon group. The chain hydrocarbon may be linear or branched. Examples of chain hydrocarbon groups include alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decanyl, undecanyl, and dodecanyl, and alkenyl groups such as vinyl, propenyl, butenyl, pentenyl, heptenyl, octenyl, nonenyl, decenyl, undecenyl, and dodecenyl. Examples of cyclic hydrocarbon groups include cycloalkyl groups such as cyclopropyl, cyclopentyl, cyclohexyl, and cycloheptyl, and aryl groups such as phenyl and naphthyl. These hydrocarbon groups may have a substituent such as a carboxyl group, an alkoxy group, a nitro group, an amino group, or a halogeno group (F-, Cl-, Br-, etc.). Of these, linear alkyl groups are preferred, and unsubstituted hydrocarbon groups are preferred. Each of the hydrocarbon groups preferably has 20 or less carbon atoms, more preferably 10 or less carbon atoms, and even more preferably 6 or less carbon atoms.
ヒドロキノン系化合物としては、式(2)~(16)で表されるものなどが挙げられる。具体的には、基本骨格としてヒドロキノン(式(2))及びその誘導体(式(5)~(8))、ナフトヒドロキノン(式(3))及びその誘導体(式(9)~(12))、アントラヒドロキノン(式4)及びその誘導体(式(13)~(16))などが挙げられる。ナフトヒドロキノンやアントラヒドロキノンなど芳香環がより多くなると非水系溶媒への溶解性などが低下することがあるため、レドックスシャトル剤としては、ヒドロキノン及びその誘導体(式(2)、(5)~(8))などがより好ましく、ヒドロキノン(式(2))が更に好ましい。なお、式(5)~(16)には、主たる置換基としてメチル基、メトキシ基、クロロ基、ニトロ基を1つ置換した例を挙げたが、置換位置を変更してもよいし、これ以外の上記置換基を2以上任意の位置に有するものとしてもよい。 Hydroquinone-based compounds include those represented by formulas (2) to (16). Specifically, the basic skeleton includes hydroquinone (formula (2)) and its derivatives (formulas (5) to (8)), naphthohydroquinone (formula (3)) and its derivatives (formulas (9) to (12)), and anthrahydroquinone (formula 4) and its derivatives (formulas (13) to (16)). Because naphthohydroquinone and anthrahydroquinone, which contain more aromatic rings, can reduce solubility in non-aqueous solvents, hydroquinone and its derivatives (formulas (2), (5) to (8)) are more preferred as redox shuttle agents, with hydroquinone (formula (2)) being even more preferred. Formulas (5) to (16) are shown with one primary substituent—a methyl group, a methoxy group, a chloro group, or a nitro group—but the substitution position may be changed, and compounds may have two or more of the above substituents at any position.
不活性化剤に含まれる非水系溶媒は、カーボネート化合物とは異なる溶媒であることが好ましい。カーボネート化合物とは、上述した環状カーボネート化合物や、鎖状カーボネート化合物などである。この非水系溶媒は、レドックスシャトル剤の溶解度がより高く、且つより安定に溶解できるものが好ましく、例えば、非プロトン性溶媒が好ましく、極性を有する極性非プロトン性溶媒がより好ましい。この非水系溶媒は、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)などのスルホキシド類、ジメチルホルムアミド(DMF)やジメチルアセトアミド(DMA)、ヘキサメチルリン酸トリアミド(HMPA)などのアミド類、テトラヒドロフラン(THF)、ジオキソラン、ジオキサン、ジメチルエーテル(DME)、ジエチルエーテル(DEE)、ジメトキシエタン(G1)、ジグライム(G2)、トリグライム(G3)、テトラグライム(G4)などのエーテル類、のうち1以上が挙げられる。このうち、非水系溶媒としてはDMSOがより好ましい。 The non-aqueous solvent contained in the deactivating agent is preferably a solvent different from the carbonate compound. Examples of carbonate compounds include the cyclic carbonate compounds and chain carbonate compounds described above. This non-aqueous solvent preferably has a higher solubility for the redox shuttle agent and can dissolve it more stably. For example, an aprotic solvent is preferred, and a polar aprotic solvent is more preferred. Examples of this non-aqueous solvent include one or more of the following: sulfoxides such as dimethyl sulfoxide (DMSO); amides such as dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), and hexamethylphosphoric triamide (HMPA); and ethers such as tetrahydrofuran (THF), dioxolane, dioxane, dimethyl ether (DME), diethyl ether (DEE), dimethoxyethane (G1), diglyme (G2), triglyme (G3), and tetraglyme (G4). Of these, DMSO is more preferred as the non-aqueous solvent.
不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤の濃度は、より高い方が好ましく、1.0mol/L以上が好ましく、2.0mol/L以上がより好ましく、2.5mol/L以上がさらに好ましく、3.0mol/L以上としてもよい。レドックスシャトル剤の濃度が高いほど、電気自動車(EV)用など高エネルギー密度の電池を短時間で放電させることができ、好ましい。不活性化剤に含まれるレドックスシャトル剤の濃度は、溶解度以下としてもよく、5.0mol/L以下としてもよい。 The concentration of the redox shuttle agent contained in the deactivator is preferably higher, preferably 1.0 mol/L or higher, more preferably 2.0 mol/L or higher, even more preferably 2.5 mol/L or higher, and may be 3.0 mol/L or higher. A higher concentration of the redox shuttle agent is preferable, as it allows high-energy density batteries such as those used in electric vehicles (EVs) to be discharged in a shorter period of time. The concentration of the redox shuttle agent contained in the deactivator may be below the solubility, or may be 5.0 mol/L or lower.
不活性化剤は、レドックスシャトル剤以外の溶質を含むものとしてもよいが、溶質を含まないことが好ましい。不活性化剤は、レドックスシャトル剤以外の溶質を含むとしても、0.1mmol/L未満や0.01mmol/L未満であることが好ましい。不活性化剤において、レドックスシャトル剤以外の溶質が少ないほど、粘度が低い傾向にあるため、不活性化がより迅速に進行するからである。溶質としては、例えば、上述した支持塩などが挙げられる。支持塩は、不活性化の対象となる非水系二次電池のイオン伝導媒体に含まれる支持塩と同じでもよいし、異なってもよい。 The deactivator may contain solutes other than the redox shuttle agent, but preferably does not contain any solutes. Even if the deactivator contains solutes other than the redox shuttle agent, the concentration is preferably less than 0.1 mmol/L or less than 0.01 mmol/L. This is because the lower the content of solutes other than the redox shuttle agent in the deactivator, the lower the viscosity tends to be, and therefore the more rapidly the deactivation proceeds. Examples of solutes include the supporting salts mentioned above. The supporting salt may be the same as or different from the supporting salt contained in the ionically conductive medium of the nonaqueous secondary battery to be deactivated.
[不活性化方法]
続いて、上述した不活性化剤を用いて上述した非水系二次電池を不活性化する方法について説明する。この不活性化方法は、非水系二次電池の内部に不活性化剤を添加する添加工程を含む。具体的には、非水系二次電池の正極及び負極と不活性化剤とが接触するように、不活性化剤を添加する。不活性化剤の添加方法は、特に限定されないが、電池容器を一旦開封して不活性化剤を注入した後、必要に応じて再び封止してもよいし、電池容器の外部から注射器によって注入したあと、必要に応じて封止してもよい。添加工程は、アルゴン雰囲気などの不活性雰囲気下で行うことが好ましい。
[Inactivation method]
Next, a method for deactivating the nonaqueous secondary battery using the deactivator described above will be described. This deactivation method includes an addition step of adding the deactivator to the interior of the nonaqueous secondary battery. Specifically, the deactivator is added so that the deactivator comes into contact with the positive and negative electrodes of the nonaqueous secondary battery. The method for adding the deactivator is not particularly limited. For example, the battery container may be opened once, the deactivator may be injected, and then resealed as needed. Alternatively, the deactivator may be injected from the outside of the battery container using a syringe and then sealed as needed. The addition step is preferably performed in an inert atmosphere such as an argon atmosphere.
この添加工程では、非水系二次電池の容量に対するレドックスシャトル剤の量が0.1mol/Ah以下の範囲で不活性化剤を添加することが好ましい。非水系二次電池は、その内部空間に限りがあるため、不活性化剤の添加量はより少ない方が好ましい。この添加量は、0.01mol/Ah以下の範囲としてもよいし、0.005mol/Ah以下の範囲としてもよい。この非水系二次電池の容量に対するレドックスシャトル剤の量は、0.001mol/Ah以上の範囲としてもよいし、0.002mol/Ah以上の範囲としてもよいし、0.003mol/Ah以上の範囲としてもよい。この添加量が0.001mol/Ah以上の範囲では、不活性化に要する時間をより短縮でき、好ましい。 In this addition step, it is preferable to add the deactivator in an amount of 0.1 mol/Ah or less relative to the capacity of the non-aqueous secondary battery. Because non-aqueous secondary batteries have limited internal space, it is preferable to add a smaller amount of deactivator. This amount may be 0.01 mol/Ah or less, or 0.005 mol/Ah or less. The amount of redox shuttle agent relative to the capacity of the non-aqueous secondary battery may be 0.001 mol/Ah or more, 0.002 mol/Ah or more, or 0.003 mol/Ah or more. Addition of an amount of 0.001 mol/Ah or more is preferable, as it further shortens the time required for deactivation.
不活性化剤の添加量は、非水系二次電池のサイズなどに応じて適宜選択すればよく、例えば、0.005mL以上50mL以下としてもよく、0.01mL以上10mL以下としてもよく、0.05mL以上5.0mL以下としてもよい。不活性化剤の添加量は、例えば、不活性化の対象となる非水系二次電池に含まれるイオン伝導媒体の体積[mL]に対して、0.01%以上500%以下としてもよく、1%以上300%以下としてもよい。 The amount of deactivator added may be selected appropriately depending on the size of the nonaqueous secondary battery, and may be, for example, 0.005 mL to 50 mL, 0.01 mL to 10 mL, or 0.05 mL to 5.0 mL. The amount of deactivator added may be, for example, 0.01% to 500% or 1% to 300% of the volume [mL] of the ion conductive medium contained in the nonaqueous secondary battery to be deactivated.
添加工程後の非水系二次電池は、例えば、静置して保持してもよいし、加振しながら保持してもよい。保持時間は、非水系二次電池の容量や不活性化剤の添加量に応じて、不活性化が完了するまでの時間として経験的に定められる時間とすればよい。保持時間は、非水系二次電池の容量や不活性化剤の添加量にもよるが、例えば、6時間以上500時間以下としてもよく、30時間以上300時間以下としてもよく、50時間以上200時間以下としてもよい。 After the addition step, the nonaqueous secondary battery may be held stationary or may be held while being shaken. The holding time may be an empirically determined time required for complete deactivation, depending on the capacity of the nonaqueous secondary battery and the amount of deactivator added. The holding time may vary depending on the capacity of the nonaqueous secondary battery and the amount of deactivator added, but may be, for example, 6 hours to 500 hours, 30 hours to 300 hours, or 50 hours to 200 hours.
この不活性化方法で非水系二次電池が不活性化するメカニズムは、以下のように推察される。図2は、非水系二次電池が不活性化するメカニズムを示す説明図である。正極電位より低く負極電位より高い酸化還元電位を示すレドックスシャトル剤(図中のRS)を電池に添加すると、正極あるいは負極とレドックスシャトル剤の電位差を駆動力として、負極からレドックスシャトル剤およびレドックスシャトル剤から正極への電子移動が進行し、電池が放電する。具体的には、レドックスシャトル剤の還元体(図中のRS(red))が正極に電子を与えて酸化体(図中のRS(ox))となり、レドックスシャトル剤の酸化体が負極から電子を受け取って還元体となる、という動作が繰り返し進行し、電池が放電する。正極電位あるいは負極電位がレドックスシャトル剤の酸化還元電位に等しくなると、その電極の放電はそれ以上進行しなくなる。従って、正極電位と負極電位は、最終的にはレドックスシャトル剤の電位に等しくなり、不活性化が完了する。なお、「不活性化が完了」とは、少なくとも非水系二次電池のSOCが0%になるまで放電されていることをいうものとしてもよい。SOCが0%になるまで放電されていれば、例えばLi基準電位で1.5V超過3.0V未満など、負極電位が低すぎないため、イオン伝導媒体である電解液等の分解によるガス発生が生じにくく、電極自体の安全性も高い。したがって、不活性化後のリサイクルや廃棄を安全に行うことができる。不活性化後の電池電圧は低いほどスパークが起こりにくいため好ましく、例えば、3.0V以下としてもよく、1.2V以下や、1.0V以下、0.5V以下などとすることがより好ましい。 The mechanism by which this deactivation method deactivates nonaqueous secondary batteries is believed to be as follows. Figure 2 is an explanatory diagram illustrating the mechanism by which nonaqueous secondary batteries are deactivated. When a redox shuttle agent (RS in the figure) with a redox potential lower than the positive electrode potential and higher than the negative electrode potential is added to a battery, the potential difference between the positive or negative electrode and the redox shuttle agent serves as the driving force for electron transfer from the negative electrode to the redox shuttle agent and from the redox shuttle agent to the positive electrode, resulting in discharge of the battery. Specifically, the reduced form of the redox shuttle agent (RS (red) in the figure) donates electrons to the positive electrode to become the oxidized form (RS (ox) in the figure), and the oxidized form of the redox shuttle agent accepts electrons from the negative electrode to become the reduced form. This process repeats, resulting in discharge of the battery. When the positive or negative electrode potential becomes equal to the redox potential of the redox shuttle agent, discharge of that electrode no longer proceeds. Therefore, the positive electrode potential and the negative electrode potential eventually become equal to the potential of the redox shuttle agent, completing the deactivation. Note that "deactivation is complete" may refer to the nonaqueous secondary battery being discharged until the SOC reaches 0%. If the battery is discharged until the SOC reaches 0%, the negative electrode potential is not too low, for example, greater than 1.5 V and less than 3.0 V relative to the Li reference potential. This makes it difficult for gas to be generated due to decomposition of the electrolyte, which serves as an ion-conducting medium, and the safety of the electrode itself is also high. Therefore, recycling and disposal after deactivation can be carried out safely. The lower the battery voltage after deactivation, the less likely sparks will occur, so it is preferable. For example, it may be 3.0 V or less, and more preferably 1.2 V or less, 1.0 V or less, or 0.5 V or less.
図3は、レドックスシャトル剤の酸化還元反応の一例であり、図3Aがヒドロキノンを用いた場合のプロトンを脱離する反応式A、図3Bがヒドロキノンを用いた場合のプロトンが脱離しない反応式B、図3Cがベンゾキノンを用いた場合の反応式Cの酸化還元スキームである。ヒドロキノンはp-ベンゾキノンの二電子還元体であるが、プロトンの影響で様々な酸化還元メカニズムを示す。例えば、ヒドロキノンからプロトンが脱離して生成したジアニオンとp-ベンゾキノンの間で2電子酸化還元が進行する反応式Aや、ヒドロキノンのプロトンが脱離せずに2電子酸化還元を示す反応式Bがある。ヒドロキノンの酸化還元において、どのメカニズムが支配的に進行するかは共存する溶媒や支持塩の組成、濃度によって異なるものと推察される(参考文献:Electrochim. Acta 81 (2012) 275-282.)。例えば、レドックスシャトル剤を非水系二次電池の電解液であるカーボネート化合物中で用いると、反応式A,Cのような酸化還元反応が不安定になることがあり得る。一方、レドックスシャトル剤としてヒドロキノンを用いた場合は、反応式Bなど、他の反応機構が存在することから、非水系二次電池の電解液中においても、より安定的に酸化還元反応が進行するものと推察される。 Figure 3 shows an example of an oxidation-reduction reaction of a redox shuttle agent. Figure 3A shows reaction A, in which a proton is eliminated when hydroquinone is used; Figure 3B shows reaction B, in which a proton is not eliminated when hydroquinone is used; and Figure 3C shows the oxidation-reduction scheme for reaction C, in which benzoquinone is used. Hydroquinone is a two-electron reduced form of p-benzoquinone, but exhibits various oxidation-reduction mechanisms depending on the influence of the proton. For example, reaction A shows a two-electron oxidation-reduction between p-benzoquinone and the dianion generated by the elimination of a proton from hydroquinone, while reaction B shows a two-electron oxidation-reduction without the elimination of a proton from hydroquinone. It is believed that the mechanism that predominates in the oxidation-reduction of hydroquinone depends on the composition and concentration of the coexisting solvent and supporting salt (Reference: Electrochim. Acta 81 (2012) 275-282.). For example, when a redox shuttle agent is used in a carbonate compound, which is the electrolyte of a non-aqueous secondary battery, redox reactions such as those shown in Reaction Formulas A and C may become unstable. On the other hand, when hydroquinone is used as the redox shuttle agent, other reaction mechanisms, such as Reaction Formula B, exist, and it is presumed that the redox reaction will proceed more stably even in the electrolyte of a non-aqueous secondary battery.
以上説明した不活性化剤及び不活性化方法では、非水系二次電池をより確実に不活性化させることができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推察される。充電状態の非水系二次電池に、酸化還元電位が正極電位より低く負極電位より高いレドックスシャトル剤を添加すると、各電極とレドックスシャトル剤との電位差を駆動力として、電池の放電が進行し、電池の不活性化を図ることができる。さらに、本実施形態では、レドックスシャトル剤としてヒドロキノン構造を含むヒドロキノン系化合物を用いるが、ヒドロキノンはp-ベンゾキノンの二電子還元体であり、プロトンの影響で様々な酸化還元メカニズムを示す。例えば、ヒドロキノンからプロトンが脱離して生成したジアニオンとp-ベンゾキノンの間で2電子酸化還元が進行する反応式A(図3A)や、ヒドロキノンのプロトンが脱離せずに2電子酸化還元を示す反応式B(図3B)がある。ヒドロキノンの酸化還元において、どのメカニズムが支配的に進行するかは共存する溶媒や支持塩の組成、濃度によって異なるものと推察されるが、様々な溶媒などに対していずれかの酸化還元反応を行うことができるため、溶媒種などに影響されずに、非水系二次電池をより確実に不活性化させることができるものと推察される。 The deactivator and deactivation method described above can more reliably deactivate nonaqueous secondary batteries. The reason for this effect is believed to be as follows: When a redox shuttle agent with a redox potential lower than the positive electrode potential and higher than the negative electrode potential is added to a charged nonaqueous secondary battery, the potential difference between each electrode and the redox shuttle agent serves as the driving force for battery discharge, thereby deactivating the battery. Furthermore, this embodiment uses a hydroquinone-based compound containing a hydroquinone structure as the redox shuttle agent. Hydroquinone is a two-electron reduced form of p-benzoquinone and exhibits various redox mechanisms under the influence of protons. For example, there is Reaction Formula A (Figure 3A), in which a two-electron redox reaction occurs between p-benzoquinone and the dianion generated by the desorption of a proton from hydroquinone. There is also Reaction Formula B (Figure 3B), in which a two-electron redox reaction occurs without the desorption of a proton from hydroquinone. It is believed that which mechanism predominates in the oxidation-reduction of hydroquinone depends on the composition and concentration of the coexisting solvent and supporting salt. However, because either of these oxidation-reduction reactions can occur in a variety of solvents, it is believed that non-aqueous secondary batteries can be more reliably deactivated without being affected by the type of solvent.
なお、本開示は、上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
例えば、上述した実施形態では、不活性化する非水系二次電池は、リチウムイオン二次電池として説明したが、特にこれに限定されず、ハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、リチウムやナトリウムのアルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池などとしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the nonaqueous secondary battery to be deactivated was described as a lithium ion secondary battery, but this is not particularly limited, and the battery may also be a hybrid capacitor, a pseudo-electric double layer capacitor, a lithium or sodium alkali metal secondary battery, an alkali metal ion battery, etc.
以下には、本開示の非水系二次電池の不活性化剤及び不活性化方法を具体的に検討した例を実験例として説明する。実験例1が本開示の実施例に相当し、実験例2が比較例に相当する。 Below, experimental examples are described that specifically examine the deactivator and deactivation method for nonaqueous secondary batteries disclosed herein. Experimental Example 1 corresponds to an example of the present disclosure, and Experimental Example 2 corresponds to a comparative example.
(実験例1)
不活性化剤の添加による電池の不活性化挙動を評価した。評価セルとして、黒鉛を負極活物質とする負極と、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を正極活物質とする正極とからなるリチウムイオン電池を作製した。負極としては、黒鉛:カルボキシメチルセルロース:スチレンブタジエンゴム(質量比98:1:1)のスラリー合材を銅箔に塗工し、120℃で真空乾燥させたものを用いた。正極としては、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2:アセチレンブラック:ポリフッ化ビニリデン(質量比93:4:3)のスラリー合材をアルミニウム箔に塗工し、120℃で真空乾燥させたものを用いた。非水系電解液としては、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒(体積比3:4:3)にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで溶解したものを用いた。セパレータとしては、ポリエチレン単層微多孔膜を用いた。正極と負極とを電解液を浸み込ませたセパレータを介して対向させ、ラミネートフィルム内に封入し、評価セルとした。このセルに対し、温度20℃、電圧範囲3.0~4.1Vで充放電を2サイクル実施した後、4.1Vまで充電し、満充電状態にした。なお、この評価セルの電池容量は17mAhである。満充電状態(電圧4.1V)にした電池をアルゴン雰囲気下で開封し、不活性化剤として、ジメチルスルホキシド(DMSO)にヒドロキノンを濃度2.5mol/Lで溶解させたものを用意した。なお、電池容量に対するヒドロキノンの添加量は、0.003mol/Ahとした。これは、実験例1で用いた電池容量(17mAh)に対して、不活性化剤の液量が0.021mLに相当する。不活性化剤の添加後、評価セルを再度封じて、温度20 ℃で電池電圧変化を測定した。
(Experimental Example 1)
The deactivation behavior of batteries due to the addition of a deactivator was evaluated. A lithium-ion battery was fabricated as an evaluation cell, consisting of a negative electrode using graphite as the negative electrode active material and a positive electrode using LiNiCoMnO2 as the positive electrode active material. The negative electrode was prepared by coating a copper foil with a slurry mixture of graphite, carboxymethyl cellulose, and styrene butadiene rubber (mass ratio 98:1:1) and vacuum drying at 120°C. The positive electrode was prepared by coating an aluminum foil with a slurry mixture of LiNiCoMnO2 , acetylene black , and polyvinylidene fluoride (mass ratio 93:4:3) and vacuum drying at 120°C. The nonaqueous electrolyte solution used was a 1 mol/L solution of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) (volume ratio: 3:4:3). A single-layer microporous polyethylene membrane was used as the separator. The positive and negative electrodes were opposed to each other via a separator impregnated with the electrolyte and sealed in a laminate film to form an evaluation cell. This cell was subjected to two charge-discharge cycles at a temperature of 20°C and a voltage range of 3.0 to 4.1 V, and then charged to 4.1 V to fully charge. The battery capacity of this evaluation cell was 17 mAh. The fully charged battery (voltage 4.1 V) was opened under an argon atmosphere, and a deactivator consisting of hydroquinone dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) at a concentration of 2.5 mol/L was prepared. The amount of hydroquinone added relative to the battery capacity was 0.003 mol/Ah, which corresponds to a solution volume of 0.021 mL of the deactivator relative to the battery capacity (17 mAh) used in Experimental Example 1. After adding the deactivator, the evaluation cell was sealed again, and the change in battery voltage was measured at a temperature of 20°C.
(実験例2)
不活性化剤としてDMSOにp-ベンゾキノンを濃度2.5mol/Lで溶解させたものを用いた以外は、実験例1と同様の条件で、電池不活性化評価を実施した。
(Experimental Example 2)
The battery deactivation evaluation was carried out under the same conditions as in Experimental Example 1, except that p-benzoquinone dissolved in DMSO at a concentration of 2.5 mol/L was used as the deactivator.
(参考例1)
不活性化剤としてDMSOにヒドロキノンを濃度0.05mol/Lで溶解させたものを使用し、電池容量に対するヒドロキノンの添加量を0.004mol/Ahとした以外は、実験例1と同様の条件で、電池不活性化評価を実施した。
(Reference example 1)
Battery deactivation evaluation was carried out under the same conditions as in Experimental Example 1, except that hydroquinone dissolved in DMSO at a concentration of 0.05 mol/L was used as a deactivator and the amount of hydroquinone added relative to the battery capacity was 0.004 mol/Ah.
(参考例2)
不活性化剤としてDMSOにp-ベンゾキノンを濃度0.05mol/Lで溶解させたものを使用し、電池容量に対するp-ベンゾキノンの添加量を0.004mol/Ahとした以外は、実験例1と同様の条件で、電池不活性化評価を実施した。
(Reference example 2)
Battery deactivation evaluation was carried out under the same conditions as in Experimental Example 1, except that p-benzoquinone dissolved in DMSO at a concentration of 0.05 mol/L was used as a deactivator and the amount of p-benzoquinone added relative to the battery capacity was 0.004 mol/Ah.
(実施結果と考察)
図4は、実験例1,2の不活性化剤を満充電状態の評価セルに添加後の放電挙動である。図5は、参考例1,2の不活性化剤を満充電状態の評価セルに添加後の放電挙動である。また、実験例1,2、参考例1,2の不活性化剤の濃度、添加量、及びセル電圧が1.0(V)に至るまでの不活性化時間を表1にまとめた。図4に示すように、高濃度の不活性化剤を評価セルに少量添加した実験例1では、不活性化剤の添加後、電池電圧が4.1Vから徐々に低下し、80時間後には3.0V、120時間後には1.0V、440時間後には0V付近まで低下した。一方、実験例2では、放電速度が非常に遅く、添加から440時間後の電池電圧は3.6Vまでしか低下しなかった。また、図5に示すように、低濃度の不活性化剤を評価セルに多量に添加した場合は、参考例1,2のいずれも不活性化剤の添加後、電池電圧は4.1Vから徐々に低下して25時間後には1.0V以下となり、ヒドロキノンとp-ベンゾキノンで違いは確認されなかった。
(Results and Considerations)
FIG. 4 shows the discharge behavior after the deactivators of Experimental Examples 1 and 2 were added to a fully charged evaluation cell. FIG. 5 shows the discharge behavior after the deactivators of Reference Examples 1 and 2 were added to a fully charged evaluation cell. Table 1 summarizes the concentrations and amounts of deactivators added for Experimental Examples 1 and 2 and Reference Examples 1 and 2, as well as the deactivation time required for the cell voltage to reach 1.0 V. As shown in FIG. 4, in Experimental Example 1, in which a small amount of a high-concentration deactivator was added to the evaluation cell, the battery voltage gradually decreased from 4.1 V after the addition of the deactivator, reaching 3.0 V after 80 hours, 1.0 V after 120 hours, and nearly 0 V after 440 hours. In contrast, in Experimental Example 2, the discharge rate was very slow, and the battery voltage only decreased to 3.6 V 440 hours after addition. Furthermore, as shown in FIG. 5, when a large amount of a low-concentration deactivator was added to the evaluation cell, in both Reference Examples 1 and 2, the battery voltage gradually decreased from 4.1 V after the addition of the deactivator and reached 1.0 V or less after 25 hours, and no difference was observed between hydroquinone and p-benzoquinone.
以上より、不活性化剤としてヒドロキノン/DMSO溶液を用いた場合、ヒドロキノンの濃度や添加量によらず電池を電圧0V付近まで迅速に放電することが可能であることがわかった。特に、ヒドロキノンを高濃度化して不活性化剤の液量を低減した場合に、その効果は顕著であった。このような効果が得られる理由としては、溶媒組成とプロトンの影響が考えられる。例えば、Li+共存下において、p-ベンゾキノンはDMSO溶媒中では安定した酸化還元を示すのに対し、非水系電解液のカーボネート溶媒中では可逆な酸化還元を示さないことが考えられる。このため、p-ベンゾキノン/DMSO溶液による不活性化において、p-ベンゾキノンの高濃度化により不活性化剤の液量を低減した実験例2では、電解液のカーボネート溶媒の影響によりp-ベンゾキノンの酸化還元反応の可逆性が低下して、電池の放電速度が低下したと推察される。一方、ヒドロキノンは、p-ベンゾキノンと同様の酸化還元反応(図3A)の他にプロトンが関与した酸化還元反応(図3B)を示す。ヒドロキノンはp-ベンゾキノンの二電子還元体であるが、プロトンの影響で様々な酸化還元メカニズムを示す。例えば、ヒドロキノンからプロトンが脱離して生成したジアニオンとp-ベンゾキノンの間で2電子酸化還元が進行する反応式Aや、ヒドロキノンのプロトンが脱離せずに2電子酸化還元を示す反応式Bがある。ヒドロキノンの酸化還元において、どのメカニズムが支配的に進行するかは共存する溶媒や支持塩の組成、濃度によって異なるものと推察される。実験例1のヒドロキノン/DMSO溶液では、不活性化剤の液量低減に伴い、DMSOが少なくなり、反応式Aの可逆性が低下するものと推察された。一方、実験例1では、ヒドロキノンの高濃度化により液量を低減した場合は、反応式Bのプロトンが関与するヒドロキノンの酸化還元反応が支配的に進行し、電池を電圧0Vまで迅速に、且つより確実に放電することが可能になるものと推察された。 From the above, it was found that when a hydroquinone/DMSO solution was used as a passivating agent, it was possible to rapidly discharge the battery to a voltage near 0 V, regardless of the hydroquinone concentration or amount added. This effect was particularly pronounced when the hydroquinone concentration was increased and the amount of passivating agent solution was reduced. The reason for this effect is thought to be the influence of the solvent composition and protons. For example, in the presence of Li + , p-benzoquinone exhibits stable redox in DMSO solvent, whereas it does not exhibit reversible redox in the carbonate solvent of a non-aqueous electrolyte. Therefore, in Experimental Example 2, in which the amount of passivating agent solution was reduced by increasing the concentration of p-benzoquinone, it is presumed that the influence of the carbonate solvent in the electrolyte reduced the reversibility of the redox reaction of p-benzoquinone, thereby slowing the battery discharge rate. Meanwhile, hydroquinone exhibits a redox reaction similar to that of p-benzoquinone (Figure 3A) as well as a redox reaction involving protons (Figure 3B). Hydroquinone is a two-electron reduced form of p-benzoquinone, but exhibits various redox mechanisms due to the influence of protons. For example, there is Reaction A, in which a two-electron redox reaction occurs between p-benzoquinone and the dianion generated by the elimination of a proton from hydroquinone, and Reaction B, in which a two-electron redox reaction occurs without the elimination of a proton from hydroquinone. It is presumed that the mechanism that prevails in the oxidation-reduction of hydroquinone varies depending on the composition and concentration of the coexisting solvent and supporting salt. In the hydroquinone/DMSO solution of Experimental Example 1, the amount of DMSO decreases as the amount of deactivator solution decreases, presumably reducing the reversibility of Reaction A. On the other hand, in Experimental Example 1, when the solution volume is reduced by increasing the concentration of hydroquinone, the proton-involving redox reaction of hydroquinone of Reaction B prevails, presumably enabling the battery to be discharged to 0 V more quickly and reliably.
このように、ヒドロキノン系化合物であるレドックスシャトル剤を用いた不活性化剤では、レドックスシャトル剤の濃度に係わらず、非水系二次電池の不活性化をより確実に行うことができることがわかった。また、非水系二次電池は、液剤を添加する容量が限られていることから、不活性化剤のレドックスシャトル剤の濃度はより高い方が好ましく、ヒドロキノン系化合物の含有量は、1mol/L以上、より好ましくは2mol/L以上、更に好ましくは、2.5mol/L以上であるものと推察された。更に、非水系二次電池は、液剤を添加する容量が限られていることから、不活性化剤のレドックスシャトル剤の添加量はより小さい方が好ましく、非水系二次電池の容量に対するレドックスシャトル剤の量が0.1mol/Ah以下の範囲、より好ましくは0.01mol/Ah以下の範囲、更に好ましくは、0.005mol/Ah以下の範囲であると推察された。また、レドックスシャトル剤としては、ヒドロキノン構造を有するものとすれば、上述した同様の効果を得ることができると推察され、任意の官能基を置換基として有してもよいと推察された。 As described above, it was found that a deactivator using a hydroquinone-based redox shuttle agent can more reliably deactivate non-aqueous secondary batteries, regardless of the redox shuttle agent concentration. Furthermore, because the capacity of non-aqueous secondary batteries to which liquid agents can be added is limited, it is inferred that a higher concentration of the redox shuttle agent in the deactivator is preferable, with the hydroquinone-based compound content being 1 mol/L or more, more preferably 2 mol/L or more, and even more preferably 2.5 mol/L or more. Furthermore, because the capacity of non-aqueous secondary batteries to which liquid agents can be added is limited, it is inferred that a smaller amount of redox shuttle agent in the deactivator is preferable, with the amount of redox shuttle agent relative to the capacity of the non-aqueous secondary battery being 0.1 mol/Ah or less, more preferably 0.01 mol/Ah or less, and even more preferably 0.005 mol/Ah or less. Furthermore, it is believed that the same effects as described above can be achieved if the redox shuttle agent has a hydroquinone structure, and that it may have any functional group as a substituent.
なお、本開示は、上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described examples, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
本発明は、電池産業の分野に利用可能である。 This invention can be used in the battery industry.
20 非水系二次電池、21 電池ケース、22 正極、23 負極、24 セパレータ、25 ガスケット、26 封口板、27 イオン伝導媒体。 20 Non-aqueous secondary battery, 21 Battery case, 22 Positive electrode, 23 Negative electrode, 24 Separator, 25 Gasket, 26 Sealing plate, 27 Ion conductive medium.
Claims (7)
酸化還元電位がLi基準電位で前記非水系二次電池の負極活物質よりも高く前記非水系二次電池の正極活物質よりも低いヒドロキノン構造を含むヒドロキノン系化合物であるレドックスシャトル剤と、
非水系溶媒と、を含み、
前記ヒドロキノン系化合物は、式(1)で表される、不活性化剤。
a redox shuttle agent that is a hydroquinone-based compound containing a hydroquinone structure, the redox potential of which is higher than that of a negative electrode active material of the nonaqueous secondary battery and lower than that of a positive electrode active material of the nonaqueous secondary battery relative to a Li reference potential;
a non- aqueous solvent ;
The hydroquinone-based compound is a deactivator represented by formula (1) .
請求項1~4のいずれか1項に記載の非水系二次電池の不活性化剤を前記非水系二次電池の内部に添加する添加工程、
を含む不活性化方法。 A method for deactivating a non-aqueous secondary battery, comprising:
an addition step of adding the deactivator for a non-aqueous secondary battery according to any one of claims 1 to 4 to the inside of the non-aqueous secondary battery;
An inactivation method comprising:
7. The deactivation method according to claim 5, wherein the amount of the redox shuttle agent added in the adding step is 0.001 mol/Ah or more relative to the capacity of the nonaqueous secondary battery.
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