JP2018095621A - Zwitterionic compound - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、双性イオン化合物に関するものである。 The present invention relates to zwitterionic compounds.
リチウムイオン二次電池に代表される二次電池は、現在、携帯電子機器用の電源として主に用いられており、さらに、電気自動車用の電源としても実用化されている。使用態様の多様化に伴い、二次電池の高容量化が求められているため、高電圧で駆動させることで二次電池を高容量化する検討が行われている。しかしながら、二次電池を高電圧で駆動させた場合には、酸化状態の正極活物質との接触に因る電解液の酸化分解が生じるとの問題があった。 Secondary batteries typified by lithium ion secondary batteries are currently used mainly as power sources for portable electronic devices, and are also put into practical use as power sources for electric vehicles. Along with the diversification of usage modes, there is a demand for higher capacity of secondary batteries. Therefore, studies have been made to increase the capacity of secondary batteries by driving them at a high voltage. However, when the secondary battery is driven at a high voltage, there is a problem that oxidative decomposition of the electrolytic solution due to contact with the positive electrode active material in an oxidized state occurs.
そのため、正極活物質と電解液との直接接触を低減する技術として、正極活物質を含有する正極活物質層の表面に、保護層を形成する技術が提案されている。 Therefore, as a technique for reducing direct contact between the positive electrode active material and the electrolytic solution, a technique for forming a protective layer on the surface of the positive electrode active material layer containing the positive electrode active material has been proposed.
例えば、特許文献1には、正極活物質の表面を被覆するコート層を設ける技術が開示されている。具体的には、集電体及び正極活物質層からなる正極を、ポリエチレンイミン溶液及びポリエチレングリコール溶液に浸漬させて、正極をポリマーでコートする技術が開示されている。
For example,
また、特許文献2にも、正極活物質の表面を被覆するコート層を設ける技術が開示されている。具体的には、集電体及び正極活物質層からなる正極を、ポリエチレングリコール溶液に浸漬させて、正極をポリマーでコートする技術が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a technique of providing a coat layer that covers the surface of the positive electrode active material. Specifically, a technique is disclosed in which a positive electrode composed of a current collector and a positive electrode active material layer is immersed in a polyethylene glycol solution, and the positive electrode is coated with a polymer.
しかしながら、本来、ポリマーはリチウムイオンなどの電荷担体の移動に対する抵抗因子であるため、特許文献1及び特許文献2に開示の技術を適用した二次電池は電池としての機能面に課題があるといえる。ここで、本発明者は、電極の保護材料となり得るリチウムイオン伝導性材料の必要性を認識した。
However, since the polymer is inherently a resistance factor against the movement of charge carriers such as lithium ions, it can be said that the secondary battery to which the technology disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、リチウムイオン伝導性材料となり得る化合物を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this situation, and it aims at providing the compound which can become a lithium ion conductive material.
さて、電極の保護材料となり得るリチウムイオン伝導性材料としては、リチウムイオンに対する親和性が求められるが、その程度がリチウムイオンの移動を阻害するほど強く無いことが求められる。例えば、ポリアクリル酸を含有するリチウムイオン伝導性材料であれば、アクリル酸を構成するカルボン酸はリチウムイオンと親和性を示すものの、カルボン酸のプロトンとリチウムイオンとがイオン交換して形成するカルボン酸リチウム塩は電気的に中性であり安定であるため、リチウムイオンがポリアクリル酸にトラップされることになり、結果的に、リチウムイオンの移動が阻害される。したがって、ポリアクリル酸を含有するリチウムイオン伝導性材料は、電極の保護材料としては適切とはいえない。 As a lithium ion conductive material that can serve as a protective material for an electrode, affinity for lithium ions is required, but the degree is not so strong as to inhibit the movement of lithium ions. For example, in the case of a lithium ion conductive material containing polyacrylic acid, the carboxylic acid constituting acrylic acid shows affinity with lithium ions, but the carboxylic acid formed by the exchange of protons and lithium ions of the carboxylic acid. Since lithium acid salt is electrically neutral and stable, lithium ions are trapped in polyacrylic acid, and as a result, movement of lithium ions is inhibited. Therefore, the lithium ion conductive material containing polyacrylic acid is not appropriate as a protective material for the electrode.
そこで、本発明者は、分子内にカチオンとアニオンの両者を含む双性イオン化合物に着目した。双性イオン化合物であれば、そのアニオンがリチウムイオンと一定程度の親和性を示すものの、双性イオン化合物内のカチオンの存在に因り、リチウムイオンが双性イオン化合物に完全にトラップされる状態を抑制できると考えられる。しかも、本発明者は、双性イオン化合物のカチオンとして、第四級アンモニウムカチオンを用いることを想起した。その理由は、プロトンが存在する第一級〜第三級アンモニウムカチオンであれば、当該プロトンとリチウムイオンとがイオン交換にて置換して、リチウムイオンがトラップされる可能性があるものの、プロトンが存在しない第四級アンモニウムカチオンであれば、その可能性が無いためである。 Therefore, the present inventor has focused on zwitterionic compounds containing both a cation and an anion in the molecule. In the case of a zwitterionic compound, the anion shows a certain degree of affinity with the lithium ion, but due to the presence of a cation in the zwitterionic compound, the lithium ion is completely trapped in the zwitterionic compound. It can be suppressed. Moreover, the inventor has conceived of using a quaternary ammonium cation as the cation of the zwitterionic compound. The reason is that if the proton is a primary to tertiary ammonium cation, the proton and lithium ion may be replaced by ion exchange, and the lithium ion may be trapped. This is because a quaternary ammonium cation that does not exist is not possible.
本発明者は、分子内に第四級アンモニウムカチオンとアニオンの両者を含む双性イオン化合物を合成し、当該双性イオン化合物を保護材料とした電極及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、本発明者が上記電極を具備するリチウムイオン二次電池を充放電させたところ、リチウムイオン伝導性は示したものの、容量の維持率に課題があることを見出した。容量の維持率に課題があるということは、双性イオン化合物が電極を十分に保護していないことを意味する。本発明者は、単に第四級アンモニウムカチオンとアニオンの両者のみを含む双性イオン化合物では、リチウムイオン二次電池の充放電中に、電極から剥離又は電解液に溶解するため、十分に電極を保護できなかったと推定した。 The inventor synthesized a zwitterionic compound containing both a quaternary ammonium cation and an anion in the molecule, and manufactured an electrode and a lithium ion secondary battery using the zwitterionic compound as a protective material. And when this inventor charged / discharged the lithium ion secondary battery which comprises the said electrode, although lithium ion conductivity was shown, it discovered that there existed a subject in the maintenance rate of a capacity | capacitance. That there is a problem in the capacity maintenance rate means that the zwitterionic compound does not sufficiently protect the electrode. In the zwitterionic compound containing only both the quaternary ammonium cation and the anion, the inventor peels off from the electrode or dissolves in the electrolyte during charge / discharge of the lithium ion secondary battery. Estimated that it could not be protected.
本発明者のさらなる検討の結果、分子内に第四級アンモニウムカチオンとアニオンと、さらにシロキサン骨格又はポリリン酸骨格とを含む双性イオン化合物を、本発明者は想起した。そして、かかる双性イオン化合物を実際に合成して、試験を行ったところ、当該双性イオン化合物が好適に電極を保護し得ることを本発明者は発見した。かかる発見に基づき、本発明者は本発明を完成するに至った。 As a result of further studies by the present inventor, the present inventor has conceived a zwitterionic compound containing a quaternary ammonium cation and an anion in the molecule and a siloxane skeleton or a polyphosphate skeleton. And when this zwitterionic compound was actually synthesized and tested, the present inventor found that the zwitterionic compound could suitably protect the electrode. Based on this discovery, the present inventor has completed the present invention.
本発明の双性イオン化合物は、第四級アンモニウムカチオンと、アニオンと、シロキサン骨格又はポリリン酸骨格と、を含むことを特徴とする。 The zwitterionic compound of the present invention includes a quaternary ammonium cation, an anion, and a siloxane skeleton or a polyphosphate skeleton.
本発明により、リチウムイオン伝導性材料となり得る双性イオン化合物を提供することができる。 According to the present invention, a zwitterionic compound that can be a lithium ion conductive material can be provided.
以下に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「a〜b」は、下限a及び上限bをその範囲に含む。そして、これらの上限値及び下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに、これらの数値範囲内から任意に選択した数値を、新たな上限や下限の数値とすることができる。 Below, the form for implementing this invention is demonstrated. Unless otherwise specified, the numerical range “ab” described herein includes the lower limit “a” and the upper limit “b”. The numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper limit value and lower limit value and the numerical values listed in the examples. Furthermore, numerical values arbitrarily selected from these numerical ranges can be used as new upper and lower numerical values.
本発明の双性イオン化合物は、第四級アンモニウムカチオンと、アニオンと、シロキサン骨格又はポリリン酸骨格と、を含むことを特徴とする。本発明の双性イオン化合物は、ゲル状態であるのが好ましい。 The zwitterionic compound of the present invention includes a quaternary ammonium cation, an anion, and a siloxane skeleton or a polyphosphate skeleton. The zwitterionic compound of the present invention is preferably in a gel state.
双性イオン化合物とは、カチオンとアニオンの両者を一分子内に含有する化合物である。酢酸アンモニウムなどのカチオンとアニオンとの単なる塩は双性イオン化合物ではない。本発明の双性イオン化合物は、第四級アンモニウムカチオンと、アニオンと、シロキサン骨格又はポリリン酸骨格とを、一分子内に含有する化合物である。 A zwitterionic compound is a compound containing both a cation and an anion in one molecule. A simple salt of a cation and an anion such as ammonium acetate is not a zwitterionic compound. The zwitterionic compound of the present invention is a compound containing a quaternary ammonium cation, an anion, and a siloxane skeleton or a polyphosphate skeleton in one molecule.
本発明において、第四級アンモニウムカチオンとは、窒素の4つの結合手すべてが炭素、酸素、硫黄又は窒素と結合しているカチオンを意味する。窒素と炭素等との結合は単結合でも良いし、二重結合でも良く、三重結合でも良い。化学的安定性の観点から、第四級アンモニウムカチオンは、窒素と炭素との4つの単結合で構成されているか、又は、窒素と炭素との2つの単結合と、窒素と炭素との1つの二重結合とで構成されているのが好ましい。 In the present invention, the quaternary ammonium cation means a cation in which all four bonds of nitrogen are bonded to carbon, oxygen, sulfur or nitrogen. The bond between nitrogen and carbon may be a single bond, a double bond, or a triple bond. From the viewpoint of chemical stability, the quaternary ammonium cation is composed of four single bonds of nitrogen and carbon, or two single bonds of nitrogen and carbon and one of nitrogen and carbon. It is preferably composed of a double bond.
アニオンとしては酸に由来するアニオンが好ましい。酸に由来するアニオンとして、−SO3 −で表されるスルホン酸アニオン、−CO2 −で表されるカルボン酸アニオン、−PO(OH)2 −で表されるホスホン酸アニオン、並びに、 (−O−)2PO(OH)−及び−O−PO(OH)2 −で表されるリン酸アニオンを例示できる。 As the anion, an anion derived from an acid is preferable. As an anion derived from an acid, -SO 3 - sulfonic acid represented by anionic, -CO 2 - carboxylic acid represented by anions, -PO (OH) 2 - phosphonic acid anion represented, and, (- O-) 2 PO (OH) - and -O-PO (OH) 2 - can be exemplified phosphoric acid anion represented by.
シロキサン骨格は、Si−O−Si結合を有する構造を意味する。ポリリン酸骨格は、−[P(=O)(OH)−O−]n−との構造を意味する。ここでnは2以上の整数である。本発明の双性イオン化合物は、シロキサン骨格又はポリリン酸骨格の存在に因り、電極からの離脱が抑制されて、電極の保護材料としての機能が付与されるといえる。 A siloxane skeleton means a structure having a Si—O—Si bond. The polyphosphoric acid skeleton means a structure with-[P (= O) (OH) -O-] n-. Here, n is an integer of 2 or more. It can be said that the zwitterionic compound of the present invention is imparted with a function as a protective material for the electrode due to the presence of the siloxane skeleton or the polyphosphoric acid skeleton, and the release from the electrode is suppressed.
本発明の双性イオン化合物は、下記一般式1〜3のいずれかの構造を有する双性イオン化合物と表現することもできる。
一般式1:Skeleton−(L)n−Cation−(L)n−Anion
一般式2:Skeleton−(L)n−Anion−(L)n−Cation
一般式3:Anion−(L)n−Skeleton−(L)n−Cation
(Skeletonはシロキサン骨格又はポリリン酸骨格を意味する。Cationは第四級アンモニウムカチオンを意味する。Anionはアニオンを意味する。Lはそれぞれ独立にリンカーを意味し、リンカーは置換基を有していてもよい有機鎖である。nはそれぞれ独立に0又は1である。リンカーはSkeleton及び/又はCationと一緒に環を形成してもよい。)
The zwitterionic compound of the present invention can also be expressed as a zwitterionic compound having a structure of any one of the following
General formula 1: Skeleton- (L) n- Cation- (L) n - Anion
General formula 2: Skeleton- (L) n - Anion- (L) n- Cation
General formula 3: Anion- (L) n- S kelton- (L) n- Cation
(S keleton is .C ation which means a siloxane skeleton or polyphosphoric acid skeleton means a linker each .L independently .A nion to mean quaternary ammonium cation to mean anions, linker have a substituent And n is independently 0 or 1. The linker may form a ring together with Skeleton and / or Cation .)
リンカーの有機鎖は炭化水素鎖で構成されていてもよいし、炭化水素鎖とヘテロ元素で構成されていてもよい。ヘテロ元素としては、N、O、Sを例示できる。炭化水素鎖とヘテロ元素で構成される有機鎖として、炭化水素鎖−O−炭化水素鎖、炭化水素鎖−O−C=O−炭化水素鎖、炭化水素鎖−O−C=O−O−炭化水素鎖、炭化水素鎖−NH−炭化水素鎖、炭化水素鎖−NH−C=O−炭化水素鎖、炭化水素鎖−NH−C=O−NH−炭化水素鎖、炭化水素鎖−S−炭化水素鎖を例示できる。 The organic chain of the linker may be composed of a hydrocarbon chain, or may be composed of a hydrocarbon chain and a hetero element. Examples of hetero elements include N, O, and S. As an organic chain composed of a hydrocarbon chain and a hetero element, hydrocarbon chain-O-hydrocarbon chain, hydrocarbon chain-O-C = O-hydrocarbon chain, hydrocarbon chain-O-C = O-O- Hydrocarbon chain, hydrocarbon chain-NH-hydrocarbon chain, hydrocarbon chain-NH-C = O-hydrocarbon chain, hydrocarbon chain-NH-C = O-NH-hydrocarbon chain, hydrocarbon chain-S- An example is a hydrocarbon chain.
リンカーの有機鎖は、飽和若しくは不飽和のいずれでもよく、又は直線状、分岐状若しくは環状のいずれであってもよいし、さらに、これらの状態が組み合わされたものであってもよい。 The organic chain of the linker may be either saturated or unsaturated, or may be linear, branched or cyclic, or may be a combination of these states.
リンカーの有機鎖における炭素数及びヘテロ元素数は限定されない。有機鎖における炭素数及びヘテロ元素数の合計として、1〜18、2〜12又は3〜8を例示できる。CationとAnionとを連結するリンカーにおいては、CationとAnionとの間の最短距離の元素数として、1〜6の範囲内が好ましく、2〜4の範囲内がより好ましい。CationとAnionとの間の最短距離の元素数が過剰であれば、アニオンに対する第四級アンモニウムカチオンの作用が弱くなるため、リチウムイオンがアニオンにトラップされる状態となる虞がある。 The number of carbon atoms and the number of hetero elements in the organic chain of the linker are not limited. Examples of the total number of carbon atoms and heteroelements in the organic chain include 1 to 18, 2 to 12, and 3 to 8. In the linker connecting the C ation and A nion, as the element number of the shortest distance between the C ation and A nion, preferably in the range of 1 to 6, more preferably in the range of 2-4. If an excessive number of elements of the shortest distance between the C ation and A nion, since the action of the quaternary ammonium cation to anion is weakened, there is a fear that a state in which lithium ions are trapped in the anion.
リンカーについての「置換基を有していてもよい」との文言について説明する。「置換基を有していてもよい」有機鎖とは、有機鎖の水素の一つ若しくは複数が置換基で置換されている有機鎖、又は、特段の置換基を有さない有機鎖を意味する。 The term “optionally substituted” for the linker will be described. The “optionally substituted” organic chain means an organic chain in which one or more of hydrogens in the organic chain are substituted with a substituent, or an organic chain having no particular substituent. To do.
「置換基を有していてもよい」との文言における置換基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、不飽和シクロアルキル基、芳香族基、複素環基、ハロゲン、OH、SH、CN、SCN、OCN、ニトロ基、アルコキシ基、不飽和アルコキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、ジアルキルアミノ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アシルオキシ基、アリールオキシカルボニル基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、スルフィニル基、ウレイド基、リン酸アミド基、スルホ基、カルボキシル基、ヒドロキサム酸基、スルフィノ基、ヒドラジノ基、イミノ基、シリル基等が挙げられる。これらの置換基はさらに置換基で置換されてもよい。また置換基が2つ以上ある場合、置換基は同一でも異なっていてもよい。置換基としては、リチウムイオンとの相互作用が弱いものが好ましい。 Examples of the substituent in the phrase “may have a substituent” include an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an unsaturated cycloalkyl group, an aromatic group, a heterocyclic group, halogen, OH SH, CN, SCN, OCN, nitro group, alkoxy group, unsaturated alkoxy group, amino group, alkylamino group, dialkylamino group, aryloxy group, acyl group, alkoxycarbonyl group, acyloxy group, aryloxycarbonyl group, Acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio group, arylthio group, sulfonyl group, sulfinyl group, ureido group, phosphoric acid amide group, sulfo group, carboxyl group, Hydroxamic acid group, sul Inomoto, hydrazino group, an imino group, a silyl group. These substituents may be further substituted with a substituent. When there are two or more substituents, the substituents may be the same or different. As the substituent, those having weak interaction with lithium ions are preferable.
リンカーがCationと一緒に環を形成する場合には、環の骨格として、ピロール骨格、イミダゾール骨格、トリアゾール骨格、テトラゾール骨格、ピラゾール骨格、ピリジン骨格、ピラジン骨格、ピリミジン骨格、ピリダジン骨格、アゼピン骨格、ジアゼピン骨格、オキサゾール骨格、イソオキサゾール骨格、チアゾール骨格、イソチアゾール骨格、フラザン骨格、オキサジアゾール骨格、オキサジン骨格、オキサジアジン骨格、オキサゼピン骨格、オキサジアゼピン骨格、チアジアゾール骨格、チアジン骨格、チアジアジン骨格、チアゼピン骨格、チアジアゼピン骨格、アジリジン骨格、アゼチジン骨格、ピロリン骨格、ピロリジン骨格、イミダゾリン骨格、イミダゾリジン骨格、トリアゾリン骨格、トリアゾリジン骨格、テトラゾリン骨格、テトラゾリジン骨格、ピラゾリン骨格、ピラゾリジン骨格、ジヒドロピリジン骨格、テトラヒドロピリジン骨格、ピペリジン骨格、ジヒドロピラジン骨格、テトラヒドロピラジン骨格、ピペラジン骨格、ジヒドロピリミジン骨格、テトラヒドロピリミジン骨格、パーヒドロピリミジン骨格、ジヒドロピリダジン骨格、テトラヒドロピリダジン骨格、パーヒドロピリダジン骨格、ジヒドロアゼピン骨格、テトラヒドロアゼピン骨格、パーヒドロアゼピン骨格、ジヒドロジアゼピン骨格、テトラヒドロジアゼピン骨格、パーヒドロジアゼピン骨格、ジヒドロオキサゾール骨格、テトラヒドロオキサゾール骨格、ジヒドロイソオキサゾール骨格、テトラヒドロイソオキサゾール骨格、ジヒドロチアゾール骨格、テトラヒドロチアゾール骨格、ジヒドロイソチアゾール骨格、テトラヒドロイソチアゾール骨格、ジヒドロフラザン骨格、テトラヒドロフラザン骨格、ジヒドロオキサジアゾール骨格、テトラヒドロオキサジアゾール骨格、ジヒドロオキサジン骨格、テトラヒドロオキサジン骨格、ジヒドロオキサジアジン骨格、テトラヒドロオキサジアジン骨格、ジヒドロオキサゼピン骨格、テトラヒドロオキサゼピン骨格、パーヒドロオキサゼピン骨格、ジヒドロオキサジアゼピン骨格、テトラヒドロオキサジアゼピン骨格、パーヒドロオキサジアゼピン骨格、ジヒドロチアジアゾール骨格、テトラヒドロチアジアゾール骨格、ジヒドロチアジン骨格、テトラヒドロチアジン骨格、ジヒドロチアジアジン骨格、テトラヒドロチアジアジン骨格、ジヒドロチアゼピン骨格、テトラヒドロチアゼピン骨格、パーヒドロチアゼピン骨格、ジヒドロチアジアゼピン骨格、テトラヒドロチアジアゼピン骨格、パーヒドロチアジアゼピン骨格、モルホリン骨格、チオモルホリン骨格、インドール骨格、イソインドール骨格、インドリジン骨格、インダゾール骨格、キノリン骨格、イソキノリン骨格、キノリジン骨格、プリン骨格、フタラジン骨格、プテリジン骨格、ナフチリジン骨格、キノキサリン骨格、キナゾリン骨格、シンノリン骨格、ピロロピリジン骨格、ベンゾオキサゾール骨格、ベンゾチアゾール骨格、ベンゾイミダゾール骨格、インドリン骨格、イソインドリン骨格、ジヒドロインダゾール骨格、パーヒドロインダゾール骨格、ジヒドロキノリン骨格、テトラヒドロキノリン骨格、パーヒドロキノリン骨格、ジヒドロイソキノリン骨格、テトラヒドロイソキノリン骨格、パーヒドロイソキノリン骨格、ジヒドロフタラジン骨格、テトラヒドロフタラジン骨格、パーヒドロフタラジン骨格、ジヒドロナフチリジン骨格、テトラヒドロナフチリジン骨格、パーヒドロナフチリジン骨格、ジヒドロキノキサリン骨格、テトラヒドロキノキサリン骨格、パーヒドロキノキサリン骨格、ジヒドロキナゾリン骨格、テトラヒドロキナゾリン骨格、パーヒドロキナゾリン骨格、テトラヒドロピロロピリジン骨格、ジヒドロシンノリン骨格、テトラヒドロシンノリン骨格、パーヒドロシンノリン骨格、ジヒドロベンゾオキサジン骨格、ジヒドロベンゾチアジン骨格、ピラジノモルホリン骨格、ジヒドロベンゾオキサゾール骨格、パーヒドロベンゾオキサゾール骨格、ジヒドロベンゾチアゾール骨格、パーヒドロベンゾチアゾール骨格、ジヒドロベンゾイミダゾール骨格、パーヒドロベンゾイミダゾール骨格を例示できる。 When the linker forms a ring together with Cation , the ring skeleton includes a pyrrole skeleton, an imidazole skeleton, a triazole skeleton, a tetrazole skeleton, a pyrazole skeleton, a pyridine skeleton, a pyrazine skeleton, a pyrimidine skeleton, a pyridazine skeleton, an azepine skeleton, Diazepine skeleton, oxazole skeleton, isoxazole skeleton, thiazole skeleton, isothiazole skeleton, furazane skeleton, oxadiazole skeleton, oxazine skeleton, oxadiazine skeleton, oxazepine skeleton, oxadiazepine skeleton, thiadiazole skeleton, thiazine skeleton, thiadiazine skeleton, thiazepine skeleton, thiadiazepine Skeleton, aziridine skeleton, azetidine skeleton, pyrroline skeleton, pyrrolidine skeleton, imidazoline skeleton, imidazolidine skeleton, triazoline skeleton, triazolidine skeleton, tetrazoli Skeleton, tetrazolidine skeleton, pyrazoline skeleton, pyrazolidine skeleton, dihydropyridine skeleton, tetrahydropyridine skeleton, piperidine skeleton, dihydropyrazine skeleton, tetrahydropyrazine skeleton, piperazine skeleton, dihydropyrimidine skeleton, tetrahydropyrimidine skeleton, perhydropyrimidine skeleton, dihydropyridazine skeleton, Tetrahydropyridazine skeleton, perhydropyridazine skeleton, dihydroazepine skeleton, tetrahydroazepine skeleton, perhydroazepine skeleton, dihydrodiazepine skeleton, tetrahydrodiazepine skeleton, perhydrodiazepine skeleton, dihydrooxazole skeleton, tetrahydrooxazole skeleton, dihydroisoxazole skeleton , Tetrahydroisoxazole skeleton, dihydrothiazole skeleton, tetrahydrothiazole skeleton Dihydroisothiazole skeleton, Tetrahydroisothiazole skeleton, Dihydrofurazane skeleton, Tetrahydrofurazane skeleton, Dihydrooxadiazole skeleton, Tetrahydrooxadiazole skeleton, Dihydrooxazine skeleton, Tetrahydrooxazine skeleton, Dihydrooxadiazine skeleton, Tetrahydrooxadiazine skeleton , Dihydrooxazepine skeleton, tetrahydrooxazepine skeleton, perhydrooxazepine skeleton, dihydrooxadiazepine skeleton, tetrahydrooxadiazepine skeleton, perhydrooxadiazepine skeleton, dihydrothiadiazole skeleton, tetrahydrothiadiazole skeleton, dihydrothiazine Skeleton, tetrahydrothiazine skeleton, dihydrothiadiazine skeleton, tetrahydrothiadiazine skeleton, dihydrothiazepine skeleton, tetrahydro Azepine skeleton, perhydrothiazepine skeleton, dihydrothiadiazepine skeleton, tetrahydrothiadiazepine skeleton, perhydrothiadiazepine skeleton, morpholine skeleton, thiomorpholine skeleton, indole skeleton, isoindole skeleton, indolizine skeleton, indazole skeleton, quinoline Skeleton, isoquinoline skeleton, quinolidine skeleton, purine skeleton, phthalazine skeleton, pteridine skeleton, naphthyridine skeleton, quinoxaline skeleton, quinazoline skeleton, cinnoline skeleton, pyrrolopyridine skeleton, benzoxazole skeleton, benzothiazole skeleton, benzimidazole skeleton, indoline skeleton, isoindoline Skeleton, dihydroindazole skeleton, perhydroindazole skeleton, dihydroquinoline skeleton, tetrahydroquinoline skeleton, perhydroquinoline skeleton, dihydroisoquino Phosphorus skeleton, tetrahydroisoquinoline skeleton, perhydroisoquinoline skeleton, dihydrophthalazine skeleton, tetrahydrophthalazine skeleton, perhydrophthalazine skeleton, dihydronaphthyridine skeleton, tetrahydronaphthyridine skeleton, perhydronaphthyridine skeleton, dihydroquinoxaline skeleton, tetrahydroquinoxaline skeleton, per Hydroquinoxaline skeleton, dihydroquinazoline skeleton, tetrahydroquinazoline skeleton, perhydroquinazoline skeleton, tetrahydropyrrolopyridine skeleton, dihydrocinnoline skeleton, tetrahydrocinnoline skeleton, perhydrocinnoline skeleton, dihydrobenzoxazine skeleton, dihydrobenzothiazine skeleton, pyra Dinomorpholine skeleton, dihydrobenzoxazole skeleton, perhydrobenzoxazole skeleton, dihydrobenzothi Tetrazole skeleton, perhydro benzothiazole skeleton, dihydro benzimidazole, a perhydro benzimidazole can be exemplified.
次に、本発明の双性イオン化合物の製造方法について説明する。
本発明の双性イオン化合物は、第四級アンモニウムカチオン前駆体と、アニオン前駆体と、シロキサン骨格化合物若しくはポリリン酸骨格化合物又はシロキサン骨格前駆体若しくはポリリン酸骨格前駆体とを反応させることで製造できる。所望の本発明の双性イオン化合物に対して、レトロ合成法を用いて、原料となる化合物及び合成ルートを決定すればよい。
Next, the manufacturing method of the zwitterionic compound of this invention is demonstrated.
The zwitterionic compound of the present invention can be produced by reacting a quaternary ammonium cation precursor, an anion precursor, and a siloxane skeleton compound or a polyphosphate skeleton compound or a siloxane skeleton precursor or a polyphosphate skeleton precursor. . For a desired zwitterionic compound of the present invention, a compound to be a raw material and a synthesis route may be determined using a retro synthesis method.
合成ルートとしては、アニオン前駆体や、シロキサン骨格化合物若しくはポリリン酸骨格化合物又はシロキサン骨格前駆体若しくはポリリン酸骨格前駆体に対して、第四級アンモニウムカチオン前駆体が求核攻撃して共有結合を形成する合成ルートを選択するのが合理的である。 As a synthetic route, a quaternary ammonium cation precursor forms a covalent bond by nucleophilic attack on an anion precursor, siloxane skeleton compound or polyphosphate skeleton compound, or siloxane skeleton precursor or polyphosphate skeleton precursor. It is reasonable to select the synthesis route to be used.
第四級アンモニウムカチオン前駆体として、第一級アミン化合物、第二級アミン化合物、及び第三級アミン化合物、並びに、ジアミン化合物などのポリアミン化合物を挙げることができる。第四級アンモニウムカチオン前駆体は、鎖状でもよいし、環状でもよく、また、飽和でもよいし、不飽和でもよい。 Examples of the quaternary ammonium cation precursor include primary amine compounds, secondary amine compounds, tertiary amine compounds, and polyamine compounds such as diamine compounds. The quaternary ammonium cation precursor may be a chain, may be cyclic, may be saturated, or may be unsaturated.
アニオン前駆体として、Anion−L−LG(LGは脱離基を意味する。Anion及びLについては一般式1〜3で説明したとおりである。)で表される化合物を例示できる。アニオン前駆体の脱離基としては、ハロゲンやメタンスルホナート、トリフルオロメタンスルホナートなどの一般に脱離基として認識されているものを用いればよい。また、アニオンがスルホン酸アニオンの場合には、アニオン前駆体として、ヒドロキシスルホン酸の環状エステルであるスルトンを採用するのが好ましい。スルトンはアミン化合物と反応して開環し、スルホン酸アニオンを形成できる。
Examples of the anion precursor include compounds represented by Anion- L-LG (LG means a leaving group. Anion and L are as described in
シロキサン骨格化合物若しくはポリリン酸骨格化合物は、各骨格を有し、かつ、置換基として、求核攻撃可能な基又は求核攻撃を受け易い基を有する化合物である。求核攻撃可能な基としては、アミノ基、水酸基、−SH基を例示できる。求核攻撃を受け易い基としては、前段落で説明した脱離基、エステル基、−COX(Xはハロゲン)、−(CO)2O、イソシアネート及びイソチオシアネートを例示できる。 A siloxane skeleton compound or a polyphosphoric acid skeleton compound is a compound having each skeleton and having a group capable of undergoing nucleophilic attack or a group susceptible to nucleophilic attack as a substituent. Examples of groups capable of nucleophilic attack include amino groups, hydroxyl groups, and -SH groups. Examples of the group susceptible to nucleophilic attack include the leaving group, ester group, —COX (X is halogen), — (CO) 2 O, isocyanate and isothiocyanate described in the previous paragraph.
シロキサン骨格前駆体は、Si−O−Si結合を有していないケイ素化合物であり、例えば、水と反応して分解しつつ、他のシロキサン骨格前駆体と縮合してSi−O−Si結合を形成し得る化合物である。シロキサン骨格前駆体として、Si(OR)4、RSi(OR)3、R2Si(OR)2を例示できる。なお、Rは、それぞれ独立に、水素又は置換基を有していてもよい炭化水素を意味する。また、シロキサン骨格前駆体として、置換基として求核攻撃可能な基又は求核反応を受け易い基を有するシラン化合物を例示できる。このようなシラン化合物として、各種のシランカップリング剤を用いてもよい。 The siloxane skeleton precursor is a silicon compound that does not have a Si-O-Si bond. For example, the siloxane skeleton precursor is decomposed by reacting with water and condensed with another siloxane skeleton precursor to form a Si-O-Si bond. A compound that can be formed. Examples of the siloxane skeleton precursor include Si (OR) 4 , RSi (OR) 3 , and R 2 Si (OR) 2 . Note that each R independently represents hydrogen or a hydrocarbon which may have a substituent. Examples of the siloxane skeleton precursor include silane compounds having a group capable of undergoing nucleophilic attack or a group susceptible to nucleophilic reaction as a substituent. Various silane coupling agents may be used as such silane compounds.
ポリリン酸骨格前駆体は、−[P(=O)(OH)−O−]n−との骨格を有していないリン化合物であり、例えば、水と反応して分解しつつ、他のポリリン酸骨格前駆体と縮合して−[P(=O)(OH)−O−]n−との骨格を形成し得る化合物である。ポリリン酸骨格前駆体としては、五酸化二リンを例示できる。 The polyphosphoric acid skeleton precursor is a phosphorus compound that does not have a skeleton of-[P (= O) (OH) -O-] n-. It is a compound that can be condensed with an acid skeleton precursor to form a skeleton with-[P (= O) (OH) -O-] n-. Examples of the polyphosphate skeleton precursor include diphosphorus pentoxide.
シロキサン骨格前駆体又はポリリン酸骨格前駆体を用いる合成ルートにおいては、本発明の双性イオン化合物を合成する最終工程で、含水溶媒を用いてシロキサン骨格前駆体に由来するSi−OR結合やポリリン酸骨格前駆体に由来するP−O結合を加水分解しつつ縮合して、Si−O−Si結合や−[P(=O)(OH)−O−]n−との構造を形成させるのが好ましい。含水溶媒として、水と組み合わせる有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、アセトン、メチルエチルケトン、エチレングリコールモノブチルエーテル、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ―ブチロラクトンを例示できる。また、最終工程は、製造温度100℃以上又は減圧条件下などの、反応系から水が除去される条件にて実施するのが好ましい。 In the synthesis route using the siloxane skeleton precursor or the polyphosphate skeleton precursor, in the final step of synthesizing the zwitterionic compound of the present invention, a Si-OR bond or polyphosphoric acid derived from the siloxane skeleton precursor using a hydrous solvent is used. It is possible to form a structure with a Si—O—Si bond or — [P (═O) (OH) —O—] n— by condensing the PO bond derived from the skeleton precursor while hydrolyzing. preferable. As a water-containing solvent, organic solvents combined with water include methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, ethylene glycol monobutyl ether, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and γ-butyrolactone. Can be illustrated. Moreover, it is preferable to implement the last process on the conditions from which water is removed from a reaction system, such as 100 degreeC or more of manufacturing temperature, or pressure reduction conditions.
製造方法の観点から、本発明の双性イオン化合物の一態様として、上記一般式1−1〜3−2で表されるモノマー化合物を重縮合したオリゴマー又はポリマーが例示される。
一般式1−1:(OR)3−xRxSi−(L)n−Cation−(L)n−Anion
一般式1−2:(HO)O4P2−(L)n−Cation−(L)n−Anion
一般式2−1:(OR)3−xRxSi−(L)n−Anion−(L)n−Cation
一般式2−2:(HO)O4P2−(L)n−Anion−(L)n−Cation
一般式3−1:Anion−(L)n−(OR)2−xRxSi−(L)n−Cation
一般式3−2:Anion−(L)n−(HO)2O3P2−(L)n−Cation
(Rは、それぞれ独立に、水素又は置換基を有していてもよい炭化水素を意味する。xは0、1、2又は3である。Cationは第四級アンモニウムカチオンを意味する。Anionはアニオンを意味する。Lはそれぞれ独立にリンカーを意味し、リンカーは置換基を有していてもよい有機鎖である。nはそれぞれ独立に0又は1である。リンカーはCationと一緒に環を形成してもよい。)
From the viewpoint of the production method, as an embodiment of the zwitterionic compound of the present invention, an oligomer or polymer obtained by polycondensing the monomer compounds represented by the general formulas 1-1 to 2-3 is exemplified.
Formula 1-1: (OR) 3-x R x Si- (L) n -C ation - (L) n -A nion
Formula 1-2: (HO) O 4 P 2 - (L) n -C ation - (L) n -A nion
Formula 2-1: (OR) 3-x R x Si- (L) n -A nion - (L) n -C ation
Formula 2-2: (HO) O 4 P 2 - (L) n -A nion - (L) n -C ation
Formula 3-1: A nion - (L) n - (OR) 2-x R x Si- (L) n -C ation
Formula 3-2: A nion - (L) n - (HO) 2 O 3 P 2 - (L) n -C ation
(R each independently represents hydrogen or an optionally substituted hydrocarbon. X is 0, 1, 2, or 3. Cation represents a quaternary ammonium cation. A nion represents an anion, L independently represents a linker, and the linker is an organic chain which may have a substituent, each n is independently 0 or 1. The linker is together with Cation . May form a ring.
本発明のリチウムイオン伝導性材料は、本発明の双性イオン化合物を含有する。本発明のリチウムイオン伝導性材料は、本発明の双性イオン化合物のみで構成されていてもよいが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、不純物や添加物が含まれていてもよい。本発明のリチウムイオン伝導性材料は、50質量%以上で本発明の双性イオン化合物を含むものが好ましく、70質量%以上で本発明の双性イオン化合物を含むものがより好ましく、90質量%以上で本発明の双性イオン化合物を含むものがさらに好ましい。 The lithium ion conductive material of the present invention contains the zwitterionic compound of the present invention. The lithium ion conductive material of the present invention may be composed of only the zwitterionic compound of the present invention, but may contain impurities and additives within the scope of the present invention. The lithium ion conductive material of the present invention preferably contains 50% by mass or more of the zwitterionic compound of the present invention, more preferably 70% by mass or more of the zwitterionic compound of the present invention, more preferably 90% by mass. What contains the zwitterionic compound of this invention above is further more preferable.
本発明のリチウムイオン伝導性材料は、その特性を生かして、種々の用途に使用できる。例えば、リチウムイオン二次電池などの蓄電装置において、正極、負極若しくはセパレータを被覆する保護層、又は、セパレータ自体若しくは固体電解質としての用途が想定される。また、リチウムイオン二次電池における正極活物質を含む正極活物質層又は負極活物質を含む負極活物質層に、本発明のリチウムイオン伝導性材料を配合してもよい。活物質層に本発明のリチウムイオン伝導性材料が配合されることで、活物質の表面の少なくとも一部に本発明のリチウムイオン伝導性材料が配置されるため、活物質と電解液との直接接触を低減することができる。 The lithium ion conductive material of the present invention can be used for various applications by taking advantage of its characteristics. For example, in a power storage device such as a lithium ion secondary battery, use as a protective layer covering the positive electrode, the negative electrode, or the separator, or the separator itself or a solid electrolyte is assumed. Moreover, you may mix | blend the lithium ion conductive material of this invention with the positive electrode active material layer containing the positive electrode active material in a lithium ion secondary battery, or the negative electrode active material layer containing a negative electrode active material. Since the lithium ion conductive material of the present invention is blended in the active material layer, the lithium ion conductive material of the present invention is disposed on at least a part of the surface of the active material. Contact can be reduced.
以下、本発明のリチウムイオン伝導性材料を具備する蓄電装置、本発明のリチウムイオン伝導性材料で被覆されている電極(以下、本発明の電極ということがある。)、本発明のリチウムイオン伝導性材料で被覆されている正極についての説明をする。 Hereinafter, a power storage device comprising the lithium ion conductive material of the present invention, an electrode coated with the lithium ion conductive material of the present invention (hereinafter sometimes referred to as the electrode of the present invention), and the lithium ion conductivity of the present invention. The positive electrode covered with the conductive material will be described.
蓄電装置としては、一次電池、二次電池、キャパシタを例示できる。以下、本発明のリチウムイオン伝導性材料を具備する蓄電装置を本発明の蓄電装置と、本発明のリチウムイオン伝導性材料を具備する二次電池を本発明の二次電池と、本発明のリチウムイオン伝導性材料を具備するリチウムイオン二次電池を本発明のリチウムイオン二次電池ということがある。
以下、蓄電装置の代表例であるリチウムイオン二次電池についての説明を通じて、本発明の電極及び本発明の電極を具備する本発明の蓄電装置の説明をする。
Examples of the power storage device include a primary battery, a secondary battery, and a capacitor. Hereinafter, the power storage device comprising the lithium ion conductive material of the present invention is referred to as the power storage device of the present invention, the secondary battery comprising the lithium ion conductive material of the present invention is referred to as the secondary battery of the present invention, and the lithium of the present invention. A lithium ion secondary battery having an ion conductive material is sometimes referred to as a lithium ion secondary battery of the present invention.
Hereinafter, the electrode of the present invention and the power storage device of the present invention including the electrode of the present invention will be described through the description of a lithium ion secondary battery which is a typical example of the power storage device.
本発明の電極は、正極でもよいし、負極でもよい。本発明の電極の具体的な態様は、集電体と、集電体の表面に形成された活物質層と、活物質層の表面に形成された本発明のリチウムイオン伝導性材料を含有する層(以下、単に「リチウムイオン伝導性材料層」という。)とを具備する構成である。 The electrode of the present invention may be a positive electrode or a negative electrode. A specific embodiment of the electrode of the present invention includes a current collector, an active material layer formed on the surface of the current collector, and a lithium ion conductive material of the present invention formed on the surface of the active material layer. Layer (hereinafter simply referred to as “lithium ion conductive material layer”).
集電体は、リチウムイオン二次電池などの二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体の材料は、使用する活物質に適した電圧に耐え得る金属であれば特に制限はない。集電体の材料としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。 A current collector refers to a chemically inert electronic conductor that keeps current flowing through an electrode during discharge or charging of a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. The material of the current collector is not particularly limited as long as it is a metal that can withstand a voltage suitable for the active material to be used. The current collector material is at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel Examples of such a metal material can be given. The current collector may be covered with a known protective layer. What collected the surface of the electrical power collector by the well-known method may be used as an electrical power collector.
正極の電位をリチウム基準で4V以上とする場合には、正極用集電体としてアルミニウムを採用するのが好ましい。 When the potential of the positive electrode is 4 V or more on the basis of lithium, it is preferable to employ aluminum as the positive electrode current collector.
具体的には、正極用集電体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いるのが好ましい。ここでアルミニウムは、純アルミニウムを指し、純度99.0%以上のアルミニウムを純アルミニウムと称する。純アルミニウムに種々の元素を添加して合金としたものをアルミニウム合金と称する。アルミニウム合金としては、Al−Cu系、Al−Mn系、Al−Fe系、Al−Si系、Al−Mg系、Al−Mg−Si系、Al−Zn−Mg系が挙げられる。 Specifically, it is preferable to use a positive electrode current collector made of aluminum or an aluminum alloy. Here, aluminum refers to pure aluminum, and aluminum having a purity of 99.0% or more is referred to as pure aluminum. An alloy obtained by adding various elements to pure aluminum is referred to as an aluminum alloy. Examples of the aluminum alloy include Al—Cu, Al—Mn, Al—Fe, Al—Si, Al—Mg, Al—Mg—Si, and Al—Zn—Mg.
また、アルミニウム又はアルミニウム合金として、具体的には、例えばJIS A1085、A1N30等のA1000系合金(純アルミニウム系)、JIS A3003、A3004等のA3000系合金(Al−Mn系)、JIS A8079、A8021等のA8000系合金(Al−Fe系)が挙げられる。 Specific examples of aluminum or aluminum alloy include A1000 series alloys (pure aluminum series) such as JIS A1085 and A1N30, A3000 series alloys (Al-Mn series) such as JIS A3003 and A3004, JIS A8079, A8021, etc. A8000-based alloy (Al-Fe-based).
集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。 The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh, or the like. Therefore, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, and a stainless steel foil can be suitably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.
活物質層は、リチウムイオンなどの電荷担体を吸蔵及び放出し得る活物質、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を含む。活物質層には、活物質が活物質層全体の質量に対して、60〜99質量%で含まれるのが好ましく、70〜95質量%で含まれるのがより好ましい。 The active material layer includes an active material that can occlude and release charge carriers such as lithium ions, and a binder and a conductive aid as necessary. The active material layer preferably contains the active material in an amount of 60 to 99% by mass, more preferably 70 to 95% by mass with respect to the mass of the entire active material layer.
正極活物質としては、層状岩塩構造の一般式:LiaNibCocMndDeOf(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Al、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)で表されるリチウム複合金属酸化物、Li2MnO3を挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn2O4等のスピネル構造の金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物と層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO4、LiMVO4又はLi2MSiO4(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePO4FなどのLiMPO4F(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBO3などのLiMBO3(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、電荷担体(例えば充放電に寄与するリチウムイオン)を含まないものを用いても良い。例えば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiS2などの金属硫化物、V2O5、MnO2などの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウム等の電荷担体を含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極及び/又は負極に、公知の方法により、予め電荷担体を添加しておく必要がある。電荷担体は、イオンの状態で添加しても良いし、金属等の非イオンの状態で添加しても良い。例えば、電荷担体がリチウムである場合には、リチウム箔を正極及び/又は負極に貼り付けるなどして一体化しても良い。 As the positive electrode active material, the general formula of the layered rock salt structure: Li a Ni b Co c Mn d D e O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1,0 ≦ e <1, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Al, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, At least one element selected from Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, and V, a lithium mixed metal oxide represented by 1.7 ≦ f ≦ 3), Li 2 MnO 3 can be mentioned. Further, as a positive electrode active material, a spinel structure metal oxide such as LiMn 2 O 4 , a solid solution composed of a mixture of a spinel structure metal oxide and a layered compound, LiMPO 4 , LiMVO 4 or Li 2 MSiO 4 (wherein M is selected from at least one of Co, Ni, Mn, and Fe). Furthermore, as the positive electrode active material, tavorite compound (the M a transition metal) LiMPO 4 F, such as LiFePO 4 F represented by, Limbo 3 such LiFeBO 3 (M is a transition metal) include borate-based compound represented by be able to. Any metal oxide used as the positive electrode active material may have the above composition formula as a basic composition, and a metal element contained in the basic composition may be substituted with another metal element. Moreover, you may use as a positive electrode active material the thing which does not contain a charge carrier (for example, lithium ion which contributes to charging / discharging). For example, sulfur alone, compounds in which sulfur and carbon are compounded, metal sulfides such as TiS 2 , oxides such as V 2 O 5 and MnO 2 , compounds containing polyaniline and anthraquinone, and aromatics in their chemical structures, conjugated two Conjugated materials such as acetic acid organic materials and other known materials can also be used. Further, a compound having a stable radical such as nitroxide, nitronyl nitroxide, galvinoxyl, phenoxyl, etc. may be adopted as the positive electrode active material. When using a positive electrode active material that does not contain a charge carrier such as lithium, it is necessary to add a charge carrier to the positive electrode and / or the negative electrode in advance by a known method. The charge carrier may be added in an ionic state or in a non-ionic state such as a metal. For example, when the charge carrier is lithium, it may be integrated by attaching a lithium foil to the positive electrode and / or the negative electrode.
高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、層状岩塩構造の一般式:LiaNibCocMndDeOf(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Al、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3) で表されるリチウム複合金属酸化物を採用することが好ましい。 From the viewpoint of excellent and high capacity, and durability, as the positive electrode active material, the general formula of the layered rock salt structure: Li a Ni b Co c Mn d D e O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1,0 ≦ e <1, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Al, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, At least one element selected from Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, V, 1.7 ≦ f ≦ 3) It is preferable to employ a lithium composite metal oxide.
上記一般式において、b、c、dの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、0<b<1、0<c<1、0<d<1であるものが良く、また、b、c、dの少なくともいずれか一つが10/100<b<90/100、10/100<c<90/100、5/100<d<70/100の範囲であることが好ましく、20/100<b<80/100、12/100<c<70/100、10/100<d<60/100の範囲であることがより好ましく、30/100<b<70/100、15/100<c<50/100、12/100<d<50/100の範囲であることがさらに好ましい。 In the above general formula, the values of b, c, and d are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied, but those in which 0 <b <1, 0 <c <1, 0 <d <1 are satisfied. And at least one of b, c, and d is in the range of 10/100 <b <90/100, 10/100 <c <90/100, 5/100 <d <70/100. More preferably, the ranges are 20/100 <b <80/100, 12/100 <c <70/100, 10/100 <d <60/100, 30/100 <b <70/100, More preferably, the ranges are 15/100 <c <50/100 and 12/100 <d <50/100.
a、e、fについては、上記一般式で規定する範囲内の数値であればよく、好ましくは0.5≦a≦1.5、0≦e<0.2、1.8≦f≦2.5、より好ましくは0.8≦a≦1.3、0≦e<0.1、1.9≦f≦2.1をそれぞれ例示することができる。 About a, e, and f, what is necessary is just a numerical value within the range prescribed | regulated by the said general formula, Preferably 0.5 <= a <= 1.5, 0 <= e <0.2, 1.8 <= f <= 2 0.5, more preferably 0.8 ≦ a ≦ 1.3, 0 ≦ e <0.1, 1.9 ≦ f ≦ 2.1, respectively.
高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、スピネル構造のLixMn2―yAyO4(Aは、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、P、Ga、Geから選ばれる少なくとも1の元素、及び、Niなどの遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素から選択される。0<x≦2.2、0≦y≦1)を例示できる。xの値の範囲としては、0.5≦x≦1.8、0.7≦x≦1.5、0.9≦x≦1.2を例示でき、yの値の範囲としては、0≦y≦0.8、0≦y≦0.6を例示できる。具体的なスピネル構造の化合物として、LiMn2O4、LiMn1.5Ni0.5O4を例示できる。 From the viewpoint of excellent and high capacity, and durability, as a positive electrode active material, the Li x Mn 2-y A y O 4 (A spinel structure, Ca, Mg, S, Si , Na, K, Al, P, Ga And at least one element selected from Ge and at least one metal element selected from transition metal elements such as Ni. 0 <x ≦ 2.2, 0 ≦ y ≦ 1). Examples of the value range of x include 0.5 ≦ x ≦ 1.8, 0.7 ≦ x ≦ 1.5, and 0.9 ≦ x ≦ 1.2. The value range of y is 0 ≦ y ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 0.6 can be exemplified. Specific examples of the spinel structure compound include LiMn 2 O 4 and LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 .
他の具体的な正極活物質として、LiFePO4、Li2FeSiO4、LiCoPO4、Li2CoPO4、Li2MnPO4、Li2MnSiO4、Li2CoPO4Fを例示できる。他の具体的な正極活物質として、Li2MnO3−LiCoO2を例示できる。 Examples of other specific positive electrode active materials include LiFePO 4 , Li 2 FeSiO 4 , LiCoPO 4 , Li 2 CoPO 4 , Li 2 MnPO 4 , Li 2 MnSiO 4 , and Li 2 CoPO 4 F. As another specific positive electrode active material, Li 2 MnO 3 —LiCoO 2 can be exemplified.
負極活物質としては、電荷担体を吸蔵及び放出し得る材料が使用可能である。したがって、リチウムイオンなどの電荷担体を吸蔵及び放出可能である単体、合金又は化合物であれば特に限定はない。たとえば、負極活物質としてLiや、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫などの14族元素、アルミニウム、インジウムなどの13族元素、亜鉛、カドミウムなどの12族元素、アンチモン、ビスマスなどの15族元素、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属、銀、金などの11族元素をそれぞれ単体で採用すればよい。合金又は化合物の具体例としては、Ag−Sn合金、Cu−Sn合金、Co−Sn合金等の錫系材料、各種黒鉛などの炭素系材料、ケイ素単体と二酸化ケイ素に不均化するSiOx(0.3≦x≦1.6)などのケイ素系材料、ケイ素単体若しくはケイ素系材料と炭素系材料を組み合わせた複合体が挙げられる。また、負極活物質して、Nb2O5、TiO2、Li4Ti5O12、WO2、MoO2、Fe2O3等の酸化物、又は、Li3−xMxN(M=Co、Ni、Cu)で表される窒化物を採用しても良い。負極活物質として、これらのものの一種以上を使用することができる。 As the negative electrode active material, a material that can occlude and release charge carriers can be used. Therefore, there is no particular limitation as long as it is a simple substance, alloy, or compound that can occlude and release charge carriers such as lithium ions. For example, as a negative electrode active material, Li, group 14 elements such as carbon, silicon, germanium and tin, group 13 elements such as aluminum and indium, group 12 elements such as zinc and cadmium, group 15 elements such as antimony and bismuth, magnesium , Alkaline earth metals such as calcium, and group 11 elements such as silver and gold may be employed alone. Specific examples of the alloy or compound include tin-based materials such as Ag-Sn alloy, Cu-Sn alloy, Co-Sn alloy, carbon-based materials such as various graphites, SiO x (disproportionated to silicon simple substance and silicon dioxide). Examples thereof include silicon-based materials such as 0.3 ≦ x ≦ 1.6), silicon alone, or composites obtained by combining silicon-based materials and carbon-based materials. In addition, as the negative electrode active material, oxides such as Nb 2 O 5 , TiO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , WO 2 , MoO 2 , Fe 2 O 3 , or Li 3-x M x N (M = A nitride represented by (Co, Ni, Cu) may be employed. One or more of these materials can be used as the negative electrode active material.
高容量化の可能性の点から、好ましい負極活物質として、黒鉛、Si含有材料、Sn含有材料を挙げることができる。 In view of the possibility of increasing the capacity, preferable negative electrode active materials include graphite, Si-containing materials, and Sn-containing materials.
Si含有材料の具体例として、Si単体や、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiOx(0.3≦x≦1.6)を例示できる。SiOxにおけるSi相は、リチウムイオンを吸蔵及び放出でき、二次電池の充放電に伴って体積変化する。ケイ素酸化物相はSi相に比べて充放電に伴う体積変化が少ない。つまり、負極活物質としてのSiOxは、Si相により高容量を実現するとともに、ケイ素酸化物相を有することにより負極活物質全体の体積変化を抑制する。なお、xが下限値未満であると、Siの比率が過大になるため、充放電時の体積変化が大きくなりすぎて二次電池のサイクル特性が低下する。一方、xが上限値を超えると、Si比率が過小になってエネルギー密度が低下する。xの範囲は0.5≦x≦1.5であるのがより好ましく、0.7≦x≦1.2であるのがさらに好ましい。 Specific examples of the Si-containing material include Si alone and SiO x (0.3 ≦ x ≦ 1.6) disproportionated into two phases of a Si phase and a silicon oxide phase. The Si phase in SiO x can occlude and release lithium ions, and changes in volume as the secondary battery is charged and discharged. The silicon oxide phase has less volume change associated with charge / discharge than the Si phase. That is, SiO x as the negative electrode active material realizes a high capacity by the Si phase and suppresses the volume change of the entire negative electrode active material by having the silicon oxide phase. If x is less than the lower limit value, the Si ratio becomes excessive, so that the volume change during charging and discharging becomes too large, and the cycle characteristics of the secondary battery deteriorate. On the other hand, when x exceeds the upper limit value, the Si ratio becomes too small and the energy density decreases. The range of x is more preferably 0.5 ≦ x ≦ 1.5, and further preferably 0.7 ≦ x ≦ 1.2.
なお、上記したSiOxにおいては、リチウムイオン二次電池の充放電時にリチウムとSi相のケイ素とによる合金化反応が生じると考えられている。そして、この合金化反応がリチウムイオン二次電池の充放電に寄与すると考えられている。後述するSn含有材料についても、同様に、スズとリチウムとの合金化反応によって充放電できると考えられている。 In the SiO x as described above, it is believed to alloying reaction with the silicon lithium and Si phase during charging and discharging of the lithium ion secondary battery may occur. And it is thought that this alloying reaction contributes to charging / discharging of a lithium ion secondary battery. Similarly, it is considered that the Sn-containing material described later can be charged and discharged by an alloying reaction between tin and lithium.
Sn含有材料の具体例として、Sn単体、Cu−SnやCo−Snなどのスズ合金、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物を例示できる。アモルファススズ酸化物としてはSnB0.4P0.6O3.1を例示でき、スズケイ素酸化物としてはSnSiO3を例示できる。 Specific examples of the Sn-containing material include Sn alone, tin alloys such as Cu—Sn and Co—Sn, amorphous tin oxide, and tin silicon oxide. SnB 0.4 P 0.6 O 3.1 can be exemplified as the amorphous tin oxide, and SnSiO 3 can be exemplified as the tin silicon oxide.
Si含有材料、及び、Sn含有材料は、炭素材料と複合化して負極活物質とすることが好ましい。複合化に因り、特にケイ素及び/又はスズの構造が安定し、負極の耐久性が向上する。上記複合化は、既知の方法で行えば良い。複合化に用いられる炭素材料としては、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等を採用すればよい。黒鉛は、天然黒鉛でもよく、人造黒鉛でもよい。 The Si-containing material and the Sn-containing material are preferably combined with a carbon material to form a negative electrode active material. Due to the composite, the structure of silicon and / or tin is particularly stabilized, and the durability of the negative electrode is improved. The above compounding may be performed by a known method. As the carbon material used for the composite, graphite, hard carbon, soft carbon or the like may be employed. The graphite may be natural graphite or artificial graphite.
Si含有材料の具体例として、国際公開第2014/080608号などに開示されるシリコン材料(以下、単に「シリコン材料」という。)を挙げることができる。 Specific examples of the Si-containing material include a silicon material disclosed in International Publication No. 2014/080608 (hereinafter simply referred to as “silicon material”).
シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものである。シリコン材料は、例えば、CaSi2と酸とを反応させてポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造されるものである。 The silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. For example, the silicon material is subjected to a process of synthesizing a layered silicon compound containing polysilane as a main component by reacting CaSi 2 with an acid, and further a process of heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher to desorb hydrogen. It is manufactured.
シリコン材料の製造方法を、酸として塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi2+6HCl → Si6H6+3CaCl2
Si6H6 → 6Si+3H2↑
The production method of the silicon material is represented by the following ideal reaction formula when hydrogen chloride is used as the acid.
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
Si 6 H 6 → 6Si + 3H 2 ↑
ただし、ポリシランであるSi6H6を合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Si6H6は水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がSi6H6のみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はSi6Hs(OH)tXu(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、s+t+u=6、0<s<6、0<t<6、0<u<6)で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るCaなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。 However, in the upper reaction for synthesizing Si 6 H 6 which is polysilane, water is usually used as a reaction solvent from the viewpoint of removing by-products and impurities. Since Si 6 H 6 can react with water, in the step of synthesizing the layered silicon compound including the upper reaction, the layered silicon compound is hardly manufactured as containing only Si 6 H 6 , and the layered The silicon compound is represented by Si 6 H s (OH) t X u (X is an element or group derived from an acid anion, s + t + u = 6, 0 <s <6, 0 <t <6, 0 <u <6). Manufactured as a product. In the above chemical formula, inevitable impurities such as Ca that can remain are not taken into consideration. A silicon material obtained by heating the layered silicon compound also contains an element derived from an anion of oxygen or acid.
既述のとおり、シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオン等の電荷担体が効率的に吸蔵及び放出されるためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長手方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のCaSi2におけるSi層の名残りであると考えられる。 As described above, the silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. In order to efficiently store and release charge carriers such as lithium ions, the plate-like silicon body preferably has a thickness in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 20 nm to 50 nm. The length in the longitudinal direction of the plate-like silicon body is preferably within a range of 0.1 μm to 50 μm. The plate-like silicon body preferably has (length in the longitudinal direction) / (thickness) in the range of 2 to 1000. The laminated structure of the plate-like silicon body can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. This laminated structure is considered to be a remnant of the Si layer in the raw material CaSi 2 .
シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定を行い、得られたX線回折チャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。 The silicon material preferably includes amorphous silicon and / or silicon crystallites. In particular, the above plate-like silicon body is preferably in a state where amorphous silicon is used as a matrix and silicon crystallites are scattered in the matrix. The size of the silicon crystallite is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The size of the silicon crystallite is calculated from the Scherrer equation using X-ray diffraction measurement on the silicon material and using the half-value width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained X-ray diffraction chart. .
シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、350℃〜950℃の範囲内が好ましく、400℃〜900℃の範囲内がより好ましい。 The abundance and size of the plate-like silicon body, amorphous silicon and silicon crystallite contained in the silicon material mainly depend on the heating temperature and the heating time. The heating temperature is preferably in the range of 350 ° C to 950 ° C, more preferably in the range of 400 ° C to 900 ° C.
シリコン材料は炭素で被覆されていてもよい。炭素で被覆されたシリコン材料は導電性に優れる。 The silicon material may be coated with carbon. A silicon material coated with carbon is excellent in conductivity.
シリコン材料の平均粒子径は、2〜7μmの範囲内が好ましく、2.5〜6.5μmの範囲内がより好ましい。平均粒子径が小さすぎるシリコン材料を用いると、凝集性や濡れ性の観点から、負極製造が困難になる場合がある。具体的には、負極製造時に調製するスラリー中において、平均粒子径が小さすぎるシリコン材料が凝集する場合がある。他方、平均粒子径が大きすぎるシリコン材料を用いた負極を具備するリチウムイオン二次電池は、好適な充放電ができない場合がある。平均粒子径が大きすぎるシリコン材料においては、リチウムイオンが当該シリコン材料の内部まで十分に拡散し得ないことが原因と推測される。なお、本明細書における平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で試料を測定した場合におけるD50を意味する。 The average particle size of the silicon material is preferably in the range of 2 to 7 μm, and more preferably in the range of 2.5 to 6.5 μm. If a silicon material having an average particle size that is too small is used, it may be difficult to manufacture the negative electrode from the viewpoint of cohesion and wettability. Specifically, in the slurry prepared at the time of manufacturing the negative electrode, a silicon material having an average particle size that is too small may aggregate. On the other hand, a lithium ion secondary battery including a negative electrode using a silicon material having an excessively large average particle size may not be able to be charged / discharged appropriately. In the case of a silicon material having an average particle size that is too large, it is presumed that lithium ions cannot sufficiently diffuse into the silicon material. In addition, the average particle diameter in this specification means D50 when a sample is measured with a general laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴムなどの公知のものを採用すればよい。 Examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, alkoxysilyl group-containing resins, and carboxymethylcellulose. What is necessary is just to employ | adopt well-known things, such as a styrene butadiene rubber.
また、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。 A cross-linked polymer obtained by cross-linking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine disclosed in International Publication No. 2016/063882 may be used as a binder.
架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o−トリジン、2,4−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。 Examples of the diamine used in the crosslinked polymer include alkylene diamines such as ethylene diamine, propylene diamine, and hexamethylene diamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophorone diamine, and bis (4-aminocyclohexyl) methane. Saturated carbocyclic diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenyl ether, bis (4-aminophenyl) sulfone, benzidine, o-tolidine, 2,4- Aromatic diamines such as tolylenediamine, 2,6-tolylenediamine, xylylenediamine, and naphthalenediamine are exemplified.
活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、活物質:結着剤=1:0.005〜1:0.3であるのが好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The blending ratio of the binder in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: binder = 1: 0.005 to 1: 0.3. This is because when the amount of the binder is too small, the moldability of the electrode is lowered, and when the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode is lowered.
導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独又は二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、活物質:導電助剤=1:0.01〜1:0.5であるのが好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive auxiliary agent may be added arbitrarily when the electrode conductivity is insufficient, and may not be added when the electrode conductivity is sufficiently excellent. The conductive auxiliary agent may be any chemically inert electronic high conductor, and examples thereof include carbon black, graphite, Vapor Grown Carbon Fiber, and various metal particles. The Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black (registered trademark), furnace black, and channel black. These conductive assistants can be added to the active material layer alone or in combination of two or more. The blending ratio of the conductive assistant in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: conductive assistant = 1: 0.01 to 1: 0.5. This is because if the amount of the conductive auxiliary is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive auxiliary is too large, the moldability of the active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.
集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を塗布すればよい。具体的には、活物質、結着剤、溶剤、並びに必要に応じて導電助剤を混合してスラリーにしてから、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。 In order to form an active material layer on the surface of the current collector, a current collecting method such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method can be used. An active material may be applied to the surface of the body. Specifically, an active material, a binder, a solvent, and a conductive additive as necessary are mixed to form a slurry, and the slurry is applied to the surface of the current collector and then dried. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. In order to increase the electrode density, the dried product may be compressed.
活物質層の表面に形成されたリチウムイオン伝導性材料層について説明する。リチウムイオン伝導性材料層は活物質層の表面に形成されることで、電解液と活物質との直接接触を抑制することができるため、正極活物質、負極活物質又は電解液の劣化を防止できる。リチウムイオン伝導性材料層が正極活物質層の表面に形成された正極の場合には、主に電解液の酸化分解を抑制することができ、また、リチウムイオン伝導性材料層が負極活物質層の表面に形成された負極の場合には、主に電解液の還元分解を抑制することができる。特に、正極活物質層がリチウムイオン伝導性材料層で被覆された状態の本発明の正極は、4.3V以上、4.5V以上又は4.7V以上の高電位条件下での使用も可能である。 The lithium ion conductive material layer formed on the surface of the active material layer will be described. Since the lithium ion conductive material layer is formed on the surface of the active material layer, direct contact between the electrolytic solution and the active material can be suppressed, thereby preventing deterioration of the positive electrode active material, the negative electrode active material, or the electrolytic solution. it can. In the case of the positive electrode in which the lithium ion conductive material layer is formed on the surface of the positive electrode active material layer, the oxidative decomposition of the electrolytic solution can be mainly suppressed, and the lithium ion conductive material layer is the negative electrode active material layer. In the case of the negative electrode formed on the surface, reductive decomposition of the electrolytic solution can be mainly suppressed. In particular, the positive electrode of the present invention in which the positive electrode active material layer is coated with a lithium ion conductive material layer can be used under a high potential condition of 4.3 V or higher, 4.5 V or higher, or 4.7 V or higher. is there.
リチウムイオン伝導性材料層の厚みは特に制限が無いが、0.01〜20μmが好ましく、0.05〜15μmがより好ましく、0.1〜10μmがさらに好ましく、0.5〜5μmが特に好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a lithium ion conductive material layer, 0.01-20 micrometers is preferable, 0.05-15 micrometers is more preferable, 0.1-10 micrometers is further more preferable, and 0.5-5 micrometers is especially preferable.
活物質層の表面にリチウムイオン伝導性材料層を設けるには、例えば、本発明の双性イオン化合物を合成する最終工程の反応液を、適宜適切な濃度に調製して、活物質層の表面に塗布する塗布工程を実施した後、乾燥工程を実施すれば良い。塗布工程では、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いればよい。乾燥工程は、常圧条件で行っても良いし、真空乾燥機を用いた減圧条件下で行っても良い。乾燥温度はリチウムイオン伝導性材料が分解しない範囲内で適宜設定すればよく、反応溶媒の沸点以上の温度が好ましい。乾燥時間は塗布量及び乾燥温度に応じ適宜設定すればよい。乾燥工程に因り、水が除去されることで、本発明の双性イオン化合物が最終的に合成されてもよい。 In order to provide a lithium ion conductive material layer on the surface of the active material layer, for example, the reaction solution of the final step for synthesizing the zwitterionic compound of the present invention is appropriately prepared to an appropriate concentration, and the surface of the active material layer The drying process may be performed after the coating process of applying to the substrate. In the coating process, a conventionally known method such as a roll coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method may be used. The drying step may be performed under normal pressure conditions or under reduced pressure conditions using a vacuum dryer. What is necessary is just to set a drying temperature suitably in the range which a lithium ion conductive material does not decompose | disassemble, and the temperature beyond the boiling point of a reaction solvent is preferable. What is necessary is just to set drying time suitably according to an application quantity and drying temperature. The zwitterionic compound of the present invention may be finally synthesized by removing water due to the drying process.
本発明の二次電池は本発明の電極を具備する。本発明の二次電池において、正極及び負極の両者が本発明の電極であってもよいし、電極のいずれか一方が本発明の電極であって、他方がリチウムイオン伝導性材料層を具備しない一般的な電極であってもよい。 The secondary battery of the present invention includes the electrode of the present invention. In the secondary battery of the present invention, both the positive electrode and the negative electrode may be the electrode of the present invention, or one of the electrodes is the electrode of the present invention, and the other does not have a lithium ion conductive material layer. A general electrode may be used.
本発明のリチウムイオン二次電池における電極以外の具体的な構成として、セパレータ及び電解液を挙げることができる。 Specific configurations other than the electrodes in the lithium ion secondary battery of the present invention include a separator and an electrolytic solution.
セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、公知のものを採用すればよく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。 The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass while preventing a short circuit due to contact between the two electrodes. A known separator may be employed, such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramid (Aromatic polyamide), polyester, polyacrylonitrile or other synthetic resin, cellulose, amylose or other polysaccharide, fibroin. And porous materials, nonwoven fabrics, woven fabrics, and the like using one or more electrical insulating materials such as natural polymers such as keratin, lignin, and suberin, and ceramics. The separator may have a multilayer structure.
電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。 The electrolytic solution includes a nonaqueous solvent and an electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent.
非水溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類等が使用できる。環状エステル類としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状エステル類としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを例示できる。非水溶媒としては、上記具体的な溶媒の化学構造のうち一部又は全部の水素がフッ素に置換した化合物を採用しても良い。 As the non-aqueous solvent, cyclic esters, chain esters, ethers and the like can be used. Examples of cyclic esters include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma butyrolactone, vinylene carbonate, 2-methyl-gamma butyrolactone, acetyl-gamma butyrolactone, and gamma valerolactone. Examples of chain esters include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, and acetic acid alkyl ester. Examples of ethers include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane. As the non-aqueous solvent, a compound in which part or all of hydrogen in the chemical structure of the specific solvent is substituted with fluorine may be employed.
電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2等のリチウム塩を例示できる。 Examples of the electrolyte include lithium salts such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .
電解液としては、フルオロエチレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3などのリチウム塩を0.5mol/Lから1.7mol/L程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。 As an electrolytic solution, 0.5 mol / liter of a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 is added to a non-aqueous solvent such as fluoroethylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate. A solution dissolved at a concentration of about 1.7 mol / L from L can be exemplified.
本発明のリチウムイオン二次電池の具体的な製造方法について述べる。
例えば、正極と負極とでセパレータを挟持して電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極の積層体を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。
A specific method for producing the lithium ion secondary battery of the present invention will be described.
For example, a separator is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode to form an electrode body. The electrode body may be any of a stacked type in which a positive electrode, a separator and a negative electrode are stacked, or a wound type in which a positive electrode, a separator and a negative electrode are stacked. After connecting the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal connected to the outside using a current collecting lead or the like, an electrolyte is added to the electrode body to form a lithium ion secondary battery. Good.
本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。 The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a laminate shape can be adopted.
本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。 The lithium ion secondary battery of the present invention may be mounted on a vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy generated by a lithium ion secondary battery for all or a part of its power source. For example, the vehicle may be an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, a plurality of lithium ion secondary batteries may be connected in series to form an assembled battery. Examples of devices equipped with lithium ion secondary batteries include various home appliances driven by batteries such as personal computers and portable communication devices, office devices, and industrial devices in addition to vehicles. Furthermore, the lithium ion secondary battery of the present invention includes wind power generation, solar power generation, hydroelectric power generation and other power system power storage devices and power smoothing devices, power supplies for ships and / or auxiliary power supply sources, aircraft, Power supply for spacecraft and / or auxiliary equipment, auxiliary power supply for vehicles that do not use electricity as a power source, power supply for mobile home robots, power supply for system backup, power supply for uninterruptible power supply, You may use for the electrical storage apparatus which stores temporarily the electric power required for charge in the charging station for electric vehicles.
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.
以下に、実施例及び比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited by these Examples.
(実施例1)
0.681g(10mmol)のイミダゾールをジクロロメタン5mLに溶解させて、イミダゾール溶液を製造した。室温及び撹拌条件下、1.362g(10mmol)の2,4−ブタンスルトンをジクロロメタン5mLに溶解させた溶液に、上記イミダゾール溶液を滴下し、得られた反応液を12時間撹拌して反応液Aを製造した。反応液Aからジクロロメタンを留去して、固体の中間体Aを得た。中間体Aの赤外吸収スペクトルを図1に示す。なお、中間体Aは潮解性であった。
Example 1
0.681 g (10 mmol) of imidazole was dissolved in 5 mL of dichloromethane to prepare an imidazole solution. The above-mentioned imidazole solution was added dropwise to a solution of 1.362 g (10 mmol) of 2,4-butane sultone dissolved in 5 mL of dichloromethane at room temperature and under stirring conditions, and the resulting reaction solution was stirred for 12 hours to prepare reaction solution A. Manufactured. Dichloromethane was distilled off from the reaction solution A to obtain a solid intermediate A. The infrared absorption spectrum of Intermediate A is shown in FIG. Intermediate A was deliquescent.
イミダゾールと2,4−ブタンスルトンが反応して中間体Aが得られる反応式を以下に示す。 A reaction formula in which imidazole and 2,4-butane sultone react to obtain intermediate A is shown below.
10mLの95%エタノールに0.204g(1mmol)の中間体Aを溶解させて、さらに、0.208g(1mmol)のテトラエトキシシランを加え、室温で6時間撹拌して、反応液1を得た。
0.204 g (1 mmol) of Intermediate A was dissolved in 10 mL of 95% ethanol, 0.208 g (1 mmol) of tetraethoxysilane was further added, and the mixture was stirred at room temperature for 6 hours to obtain
反応液1をアルミニウム箔の表面に膜状に塗布し、次いで、120℃で2時間加熱して水を含む溶媒を除去することで、膜状の実施例1のリチウムイオン伝導性材料を製造した。実施例1のリチウムイオン伝導性材料の赤外吸収スペクトルを図2に示す。図2の赤外吸収スペクトルからは、930cm−1付近にSi−N結合に由来すると考えられるピークが観察された。
The
中間体Aとテトラエトキシシランが反応し、さらに水が反応した上で、エタノールと水が留去されて、実施例1のリチウムイオン伝導性材料が得られる反応において、想定される反応式の一つを以下に示す。以下の反応式中、RはH、C2H5又はSiであり、nは2以上の整数である。 In the reaction in which the intermediate A reacts with tetraethoxysilane and water further reacts and then ethanol and water are distilled off to obtain the lithium ion conductive material of Example 1, One is shown below. In the following reaction formula, R is H, C 2 H 5 or Si, and n is an integer of 2 or more.
<正極及びリチウムイオン二次電池の製造>
反応液1を用いて、実施例1のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例1の正極、及び、実施例1のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例1のリチウムイオン二次電池を以下のとおり製造した。
<Manufacture of positive electrode and lithium ion secondary battery>
Using the
正極活物質としてスピネル構造のLiMn1.5Ni0.5O4を1.8質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを0.1質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを8質量%で含むN−メチル−2−ピロリドン溶液を1.25質量部、及び適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。正極用集電体として厚み15μmのアルミニウム箔を準備した。アルミニウム箔の表面に上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、当該アルミニウム箔をプレスし接合物を得た。得られた接合物を乾燥機で加熱乾燥して、正極活物質層が形成されたアルミニウム箔からなる正極前駆体を製造した。正極前駆体の厚みは35μmであった。 1.8 parts by mass of spinel-structured LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 as a positive electrode active material, 0.1 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 8% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder The slurry containing N-methyl-2-pyrrolidone solution containing 1.25 parts by mass and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was prepared. An aluminum foil having a thickness of 15 μm was prepared as a positive electrode current collector. The slurry was applied in a film form on the surface of the aluminum foil. The aluminum foil coated with the slurry was dried to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Thereafter, the aluminum foil was pressed to obtain a bonded product. The obtained joined product was heated and dried with a drier to produce a positive electrode precursor made of an aluminum foil on which a positive electrode active material layer was formed. The thickness of the positive electrode precursor was 35 μm.
正極前駆体における正極活物質層の表面に反応液1を厚み50μmで膜状に塗布し、次いで、120℃で2時間加熱して水を含む溶媒を除去することで、実施例1のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例1の正極を製造した。
The
実施例1の正極を径15mmに裁断し、評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を径16mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。また、エチレンカーボネート50体積部及びジエチルカーボネート50体積部を混合した溶媒にLiPF6を1mol/Lで溶解した電解液を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに電解液を注入した後に電池ケースを密閉し、コイン型電池を製造した。これを実施例1のリチウムイオン二次電池とした。 The positive electrode of Example 1 was cut into a diameter of 15 mm and used as an evaluation electrode. A metal lithium foil having a thickness of 500 μm was cut into a diameter of 16 mm to obtain a counter electrode. As a separator, a glass filter (Hoechst Celanese) and celgard 2400 (Polypore Corporation), which is a single-layer polypropylene, were prepared. It was also prepared an electrolyte solution obtained by dissolving LiPF 6 at 1 mol / L in a solvent obtained by mixing 50 parts by volume of ethylene carbonate and diethyl carbonate 50 parts by volume. Two kinds of separators were sandwiched between the counter electrode and the evaluation electrode in the order of the counter electrode, the glass filter, celgard 2400, and the evaluation electrode, thereby forming an electrode body. This electrode body was housed in a coin-type battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and after the electrolyte was injected, the battery case was sealed to manufacture a coin-type battery. This was designated as the lithium ion secondary battery of Example 1.
(実施例2)
実施例1と同様の方法で、中間体Aを製造した。10mLの95%エタノールに0.408g(2mmol)の中間体Aを溶解させて、さらに、0.208g(1mmol)のテトラエトキシシランを加え、室温で6時間撹拌して、反応液2を得た。
反応液1に替えて、反応液2を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例2の正極、及び、実施例2のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 2)
Intermediate A was produced in the same manner as in Example 1. 0.408 g (2 mmol) of Intermediate A was dissolved in 10 mL of 95% ethanol, 0.208 g (1 mmol) of tetraethoxysilane was further added, and the mixture was stirred at room temperature for 6 hours to obtain Reaction Solution 2. .
The positive electrode of Example 2 coated with the lithium ion conductive material of Example 2 and of Example 2 were used in the same manner as in Example 1, except that reaction solution 2 was used instead of
(実施例3)
実施例1と同様の方法で、中間体Aを製造した。10mLの95%エタノールに0.408g(2mmol)の中間体Aを溶解させて、0℃に冷却した。この溶液に、0.284g(1mmol)の五酸化二リンを加え、室温で6時間撹拌して、反応液3を得た。
反応液1に替えて、反応液3を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例3の正極、及び、実施例3のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例3のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 3)
Intermediate A was produced in the same manner as in Example 1. 0.408 g (2 mmol) of Intermediate A was dissolved in 10 mL of 95% ethanol and cooled to 0 ° C. To this solution, 0.284 g (1 mmol) of diphosphorus pentoxide was added and stirred at room temperature for 6 hours to obtain Reaction Solution 3.
The positive electrode of Example 3 and the positive electrode of Example 3 coated with the lithium ion conductive material of Example 3 were used in the same manner as in Example 1, except that reaction liquid 3 was used instead of
中間体Aと五酸化二リンが反応し、水が留去されて、実施例3のリチウムイオン伝導性材料が得られる反応において、想定される反応式の一つを以下に示す。以下の反応式中、nは2以上の整数である。 In the reaction in which the intermediate A and diphosphorus pentoxide are reacted and water is distilled off to obtain the lithium ion conductive material of Example 3, one of the assumed reaction formulas is shown below. In the following reaction formula, n is an integer of 2 or more.
(実施例4)
実施例1と同様の方法で、中間体Aを製造した。10mLの95%エタノールに0.816g(4mmol)の中間体Aを溶解させて、さらに、0.284g(1mmol)の五酸化二リンを加え、室温で6時間撹拌して、反応液4を得た。
反応液1に替えて、反応液4を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例4の正極、及び、実施例4のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例4のリチウムイオン二次電池を製造した。
Example 4
Intermediate A was produced in the same manner as in Example 1. Dissolve 0.816 g (4 mmol) of Intermediate A in 10 mL of 95% ethanol, add 0.284 g (1 mmol) of diphosphorus pentoxide, and stir at room temperature for 6 hours to obtain Reaction Solution 4. It was.
The positive electrode of Example 4 coated with the lithium ion conductive material of Example 4 and the positive electrode of Example 4 were used in the same manner as in Example 1 except that reaction liquid 4 was used instead of
(実施例5)
0.681g(10mmol)のイミダゾールをジクロロメタン5mLに溶解させて、イミダゾール溶液を製造した。撹拌条件下、2.363g(10mmol)の3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランをジクロロメタン5mLに溶解させた溶液に、上記イミダゾール溶液を室温下で滴下し、得られた反応液を6時間撹拌して反応液5−1を製造した。
(Example 5)
0.681 g (10 mmol) of imidazole was dissolved in 5 mL of dichloromethane to prepare an imidazole solution. Under stirring conditions, the above imidazole solution was added dropwise at room temperature to a solution of 2.363 g (10 mmol) of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane in 5 mL of dichloromethane, and the resulting reaction solution was stirred for 6 hours. Reaction liquid 5-1 was manufactured.
1.362g(10mmol)の2,4−ブタンスルトンをジクロロメタン5mLに溶解させた2,4−ブタンスルトン溶液を製造した。撹拌条件下、反応液5−1に2,4−ブタンスルトン溶液を室温下で滴下して、得られた反応液を12時間撹拌して反応液5−2を製造した。反応液5−2からジクロロメタンを留去して、中間体5を得た。 A 2,4-butane sultone solution was prepared by dissolving 1.362 g (10 mmol) of 2,4-butane sultone in 5 mL of dichloromethane. Under stirring conditions, a 2,4-butane sultone solution was added dropwise to the reaction solution 5-1 at room temperature, and the resulting reaction solution was stirred for 12 hours to produce a reaction solution 5-2. Dichloromethane was distilled off from the reaction solution 5-2 to obtain an intermediate 5.
3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシランと、イミダゾールと、2,4−ブタンスルトンが反応して中間体5が得られる反応式を以下に示す。 A reaction formula in which intermediate 5 is obtained by the reaction of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, imidazole, and 2,4-butanesultone is shown below.
95%エタノールに中間体5を溶解して、中間体5溶液とした。反応液1に替えて、中間体5溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例5のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例5の正極、及び、実施例5のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例5のリチウムイオン二次電池を製造した。
Intermediate 5 was dissolved in 95% ethanol to obtain an intermediate 5 solution. The positive electrode of Example 5 coated with the lithium ion conductive material of Example 5 and Example 5 in the same manner as in Example 1 except that the intermediate 5 solution was used instead of the
(実施例6)
0.681g(10mmol)のイミダゾールをジクロロメタン5mLに溶解させて、イミダゾール溶液を製造した。撹拌条件下、2.053g(10mmol)の3−(トリメトキシシリル)プロピルイソシアナートをジクロロメタン5mLに溶解させた溶液に、上記イミダゾール溶液を室温下で滴下し、得られた反応液を12時間撹拌して反応液6−1を製造した。
(Example 6)
0.681 g (10 mmol) of imidazole was dissolved in 5 mL of dichloromethane to prepare an imidazole solution. Under stirring conditions, to a solution of 2.053 g (10 mmol) of 3- (trimethoxysilyl) propyl isocyanate in 5 mL of dichloromethane, the imidazole solution was added dropwise at room temperature, and the resulting reaction liquid was stirred for 12 hours. Thus, a reaction solution 6-1 was produced.
1.362g(10mmol)の2,4−ブタンスルトンをジクロロメタン5mLに溶解させた2,4−ブタンスルトン溶液を製造した。撹拌条件下、反応液6−1に2,4−ブタンスルトン溶液を室温下で滴下して、得られた反応液を12時間撹拌して反応液6−2を製造した。反応液6−2からジクロロメタンを留去して、中間体6を得た。 A 2,4-butane sultone solution was prepared by dissolving 1.362 g (10 mmol) of 2,4-butane sultone in 5 mL of dichloromethane. Under stirring conditions, a 2,4-butane sultone solution was added dropwise to the reaction solution 6-1 at room temperature, and the resulting reaction solution was stirred for 12 hours to produce a reaction solution 6-2. Dichloromethane was distilled off from the reaction solution 6-2 to obtain an intermediate 6.
3−(トリメトキシシリル)プロピルイソシアナートと、イミダゾールと、2,4−ブタンスルトンが反応して中間体6が得られる反応式を以下に示す。 A reaction formula in which 3- (trimethoxysilyl) propyl isocyanate, imidazole, and 2,4-butane sultone react to obtain intermediate 6 is shown below.
95%エタノールに中間体6を溶解して、中間体6溶液とした。反応液1に替えて、中間体6溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例6のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例6の正極、及び、実施例6のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例6のリチウムイオン二次電池を製造した。
Intermediate 6 was dissolved in 95% ethanol to obtain an intermediate 6 solution. The positive electrode of Example 6 coated with the lithium ion conductive material of Example 6 and Example 6 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the intermediate 6 solution was used instead of
(実施例7)
0.88g(10mmol)のN,N−ジメチルエチレンジアミンをジクロロメタン5mLに溶解させて、N,N−ジメチルエチレンジアミン溶液を製造した。撹拌条件下、2.053g(10mmol)の3−(トリメトキシシリル)プロピルイソシアナートをジクロロメタン5mLに溶解させた溶液に、上記N,N−ジメチルエチレンジアミン溶液を室温下で滴下し、得られた反応液を12時間撹拌して反応液7−1を製造した。
(Example 7)
0.88 g (10 mmol) of N, N-dimethylethylenediamine was dissolved in 5 mL of dichloromethane to prepare an N, N-dimethylethylenediamine solution. Under stirring conditions, the above N, N-dimethylethylenediamine solution was added dropwise at room temperature to a solution of 2.053 g (10 mmol) of 3- (trimethoxysilyl) propyl isocyanate dissolved in 5 mL of dichloromethane. The liquid was stirred for 12 hours to produce a reaction liquid 7-1.
1.362g(10mmol)の2,4−ブタンスルトンをジクロロメタン5mLに溶解させた2,4−ブタンスルトン溶液を製造した。撹拌条件下、反応液7−1に2,4−ブタンスルトン溶液を室温下で滴下して、得られた反応液を12時間撹拌して反応液7−2を製造した。反応液7−2からジクロロメタンを留去して、中間体7を得た。 A 2,4-butane sultone solution was prepared by dissolving 1.362 g (10 mmol) of 2,4-butane sultone in 5 mL of dichloromethane. Under stirring conditions, a 2,4-butane sultone solution was added dropwise to the reaction solution 7-1 at room temperature, and the resulting reaction solution was stirred for 12 hours to produce a reaction solution 7-2. Dichloromethane was distilled off from the reaction solution 7-2 to obtain an intermediate 7.
3−(トリメトキシシリル)プロピルイソシアナートと、N,N−ジメチルエチレンジアミンと、2,4−ブタンスルトンが反応して中間体7が得られる反応式を以下に示す。 A reaction formula in which intermediate 7 is obtained by the reaction of 3- (trimethoxysilyl) propyl isocyanate, N, N-dimethylethylenediamine, and 2,4-butanesultone is shown below.
95%エタノールに中間体7を溶解して、中間体7溶液とした。反応液1に替えて、中間体7溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例7のリチウムイオン伝導性材料で被覆された実施例7の正極、及び、実施例7のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例7のリチウムイオン二次電池を製造した。
Intermediate 7 was dissolved in 95% ethanol to obtain an intermediate 7 solution. The positive electrode of Example 7 coated with the lithium ion conductive material of Example 7 and Example 7 in the same manner as in Example 1 except that the Intermediate 7 solution was used instead of
(比較例1)
実施例1に記載の正極前駆体をそのまま比較例1の正極とし、これを評価極として用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 1)
A lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode precursor described in Example 1 was used as the positive electrode of Comparative Example 1 as it was and used as an evaluation electrode.
(比較例2)
10mLの95%エタノールに0.408g(2mmol)の中間体Aを溶解させた中間体A溶液を製造した。反応液1に替えて、中間体A溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2の正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 2)
An intermediate A solution was prepared by dissolving 0.408 g (2 mmol) of intermediate A in 10 mL of 95% ethanol. A positive electrode and a lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the intermediate A solution was used instead of the
(比較例3)
10mLの95%エタノールに0.208g(1mmol)のテトラエトキシシランを溶解させたテトラエトキシシラン溶液を製造した。反応液1に替えて、テトラエトキシシラン溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3の正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 3)
A tetraethoxysilane solution was prepared by dissolving 0.208 g (1 mmol) of tetraethoxysilane in 10 mL of 95% ethanol. A positive electrode and a lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 were produced in the same manner as in Example 1 except that a tetraethoxysilane solution was used instead of the
(比較例4)
10mLの95%エタノールに0.284g(1mmol)の五酸化二リンを溶解させた溶液を製造した。反応液1に替えて、当該溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4の正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 4)
A solution was prepared by dissolving 0.284 g (1 mmol) of diphosphorus pentoxide in 10 mL of 95% ethanol. A positive electrode and a lithium ion secondary battery of Comparative Example 4 were produced in the same manner as in Example 1 except that the solution was used instead of the
(評価例1)
各リチウムイオン二次電池につき、0.05Cレートの一定電流で4.9Vまで充電を行い、その後、0.05Cレートの一定電流で3.5Vまで放電を行った(以下、初期充放電という。)。以下の式に従い、初期効率を算出した。
初期効率(%)=100×(放電容量)/(充電容量)
(Evaluation example 1)
Each lithium ion secondary battery was charged to 4.9 V at a constant current of 0.05 C rate, and then discharged to 3.5 V at a constant current of 0.05 C rate (hereinafter referred to as initial charge / discharge). ). The initial efficiency was calculated according to the following formula.
Initial efficiency (%) = 100 × (discharge capacity) / (charge capacity)
次に、初期充放電後の各リチウムイオン二次電池につき、0.05Cレートの一定電流で4.9Vまで充電を行い、その後、0.5Cレートの一定電流で3.5Vまで放電を行った。以下の式に従い、レート特性を算出した。
レート特性(%)=100×(0.5Cレートでの放電容量)/(0.05Cレートでの放電容量)
Next, each lithium ion secondary battery after the initial charge / discharge was charged to 4.9 V at a constant current of 0.05 C, and then discharged to 3.5 V at a constant current of 0.5 C. . The rate characteristics were calculated according to the following formula.
Rate characteristic (%) = 100 × (discharge capacity at 0.5 C rate) / (discharge capacity at 0.05 C rate)
また、初期充放電後の各リチウムイオン二次電池につき、0.05Cレートの一定電流で4.9Vまで充電を行い、その後、0.05Cレートの一定電流で3.5Vまで放電を行った。その後、0.3Cレートの一定電流で4.9Vまで充電を行い、その後、0.3Cレートの一定電流で3.5Vまで放電を行うとの充放電サイクルを20回繰り返した。以下の式に従い、容量維持率を算出した。
容量維持率(%)=100×(20サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)
Further, each lithium ion secondary battery after the initial charge / discharge was charged to 4.9 V at a constant current of 0.05 C, and then discharged to 3.5 V at a constant current of 0.05 C. Thereafter, a charge / discharge cycle of charging to 4.9 V with a constant current of 0.3 C rate and then discharging to 3.5 V with a constant current of 0.3 C rate was repeated 20 times. The capacity retention rate was calculated according to the following formula.
Capacity maintenance rate (%) = 100 × (discharge capacity at 20th cycle) / (discharge capacity at 1st cycle)
以上の試験結果を表1に示す。 The test results are shown in Table 1.
表1における略号の意味は以下のとおりである。
TEOS:テトラエトキシシラン
The meanings of the abbreviations in Table 1 are as follows.
TEOS: Tetraethoxysilane
表1の結果から、実施例のリチウムイオン伝導性材料を具備する実施例のリチウムイオン二次電池が、いずれも好適に充放電したことが裏付けられた。この結果から、実施例のリチウムイオン伝導性材料は、好適にリチウムイオンを伝導したことが裏付けられたといえる。また、実施例のリチウムイオン二次電池は、比較例のリチウムイオン二次電池と比較して、同程度又はそれ以上の電池特性を示したといえる。 From the results of Table 1, it was confirmed that all of the lithium ion secondary batteries of the examples including the lithium ion conductive materials of the examples were suitably charged and discharged. From this result, it can be said that the lithium ion conductive material of the example suitably supported lithium ions. Moreover, it can be said that the lithium ion secondary battery of an Example showed the battery characteristic of the same grade or more compared with the lithium ion secondary battery of a comparative example.
Claims (6)
一般式1:Skeleton−(L)n−Cation−(L)n−Anion
一般式2:Skeleton−(L)n−Anion−(L)n−Cation
一般式3:Anion−(L)n−Skeleton−(L)n−Cation
(Skeletonはシロキサン骨格又はポリリン酸骨格を意味する。Cationは第四級アンモニウムカチオンを意味する。Anionはアニオンを意味する。Lはそれぞれ独立にリンカーを意味し、リンカーは置換基を有していてもよい有機鎖である。nはそれぞれ独立に0又は1である。リンカーはSkeleton及び/又はCationと一緒に環を形成してもよい。) The zwitterionic compound according to claim 1, which has a structure represented by any one of the following general formulas 1 to 3.
General formula 1: Skeleton- (L) n- Cation- (L) n - Anion
General formula 2: Skeleton- (L) n - Anion- (L) n- Cation
General formula 3: Anion- (L) n- S kelton- (L) n- Cation
(S keleton is .C ation which means a siloxane skeleton or polyphosphoric acid skeleton means a linker each .L independently .A nion to mean quaternary ammonium cation to mean anions, linker have a substituent And n is independently 0 or 1. The linker may form a ring together with Skeleton and / or Cation .)
An electrode coated with the lithium ion conductive material according to claim 4.
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