DE102014219553A1

DE102014219553A1 - Energiespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102014219553A1
Application number: DE102014219553.5A
Authority: DE
Inventors: Rie Yokoi; c/o SEMICONDUCTOR ENERGY LABORATORY Ishikawa Jun; c/o SEMICONDUCTOR ENERGY LABORAT Oguni Teppei; c/o SEMICONDUCTOR ENERGY LABORATORY Kimura Kai; c/o Semiconductor Energy Labora Seo Satoshi; c/o SEMICONDUCTOR ENERGY LABORATO Moriwaka Tamae
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-03-26
Also published as: JP6242976B2; KR20150034643A; JP2015088482A; US20150086860A1; CN104518238A; JP2017063035A

Abstract

Eine Energiespeichervorrichtung mit verringerter irreversibler Anfangskapazität wird bereitgestellt. Die Energiespeichervorrichtung umfasst eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung. Die negative Elektrode umfasst ein Negativelektrodenaktivmaterial und ein wasserlösliches Polymer. Die Elektrolytlösung umfasst eine ionische Flüssigkeit. Die ionische Flüssigkeit umfasst ein Kation und ein einwertiges Amidanion.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, bei der eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Infolge einer steigenden Nachfrage nach tragbaren elektronischen Geräten, wie z. B. einem Mobiltelefon und einem Laptop, und der Entwicklung eines Elektrofahrzeugs (electric vehicle, EV) und dergleichen hat eine Nachfrage nach Energiespeichervorrichtungen, wie z. B. einem elektrischen Doppelschichtkondensator, einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie und einem Lithium-Ionen-Kondensator, in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Energiespeichervorrichtungen müssen hohe Kapazität, hohe Leistung, Sicherheit unter verschiedenen Betriebsbedingungen und dergleichen aufweisen.
Um die obigen Anforderungen zu erfüllen, werden Elektrolytlösungen der Energiespeichervorrichtungen aktiv entwickelt. Cyclische Carbonate werden für die Elektrolytlösungen der Energiespeichervorrichtungen verwendet. Im Besonderen wird Ethylencarbonat häufig verwendet, da es hohe Dielektrizitätskonstante und hohe Ionenleitfähigkeit aufweist.
Nicht nur Ethylencarbonat, sondern auch viele andere organische Lösungsmittel weisen jedoch Flüchtigkeit und einen niedrigen Flammpunkt auf. Aus diesem Grund könnte in dem Fall, in dem ein organisches Lösungsmittel für eine Elektrolytlösung einer Energiespeichervorrichtung verwendet wird, die Temperatur innerhalb der Energiespeichervorrichtung infolge eines Kurzschlusses, einer Überladung oder der gleichen ansteigen und die Energiespeichervorrichtung könnte brechen oder in Flammen aufgehen.
Unter Berücksichtigung der Risiken wird die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit, die nichtflüchtig und schwer entflammbar ist, für eine Elektrolytlösung einer Energiespeichervorrichtung untersucht. Eine ionische Flüssigkeit wird auch als bei Umgebungstemperatur geschmolzenes Salz (ambient temperature molten salt) bezeichnet, welches ein Salz ist, das aus einer Kombination von einem Kation und einem Anion gebildet ist. Beispiele für die ionische Flüssigkeit sind eine ionische Flüssigkeit, die ein auf quaternärem Ammonium basierendes Kation enthält, und eine ionische Flüssigkeit, die ein auf Imidazolium basierendes Kation enthält (siehe Patentdokument 1 und Nicht-Patentdokument 1).
[Referenz]
[Patentdokument]

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-331918

[Nicht-Patentdokument]

Nicht-Patentdokument 1: Hajime Matsumoto et al., Fast cycling of Li/LiCoO2 cell with low-viscosity ionic liquids based on bis(fluorosulfonyl)imide [FSI]– (Schneller Zyklus einer Li/LiCoO2-Zelle mit niedrigviskosen ionischen Flüssigkeiten basierend auf Bis(fluorsulfonyl)imid [FSI]–), Journal of Power Sources 160, 2006, S. 1308–1313.

Zusammenfassung der Erfindung
Unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit, die nichtflüchtig und schwer entflammbar ist, für eine Elektrolytlösung einer Energiespeichervorrichtung kann die Sicherheit der Energiespeichervorrichtung erhöht werden. Außerdem kann dann, wenn eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie als Energiespeichervorrichtung verwendet wird, die Energiespeichervorrichtung hohe Energiedichte erzielen.
In dem Fall, in dem ein Material, das bei einem niedrigen Potential mit Lithium reagiert, wie z. B. Silizium oder Graphit, für eine negative Elektrode einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendet wird, kann die Zellenspannung der Batterie erhöht werden und hohe Energiedichte kann erzielt werden.
In dem Fall, in dem ein Material, das bei einem niedrigen Potential mit Lithium reagiert, für die negative Elektrode verwendet wird, könnte jedoch das niedrige Potential eine Reaktion einer Elektrolytlösung bei einem Potential zulassen, das höher ist als das Potential, bei dem das Material mit Lithiumionen reagiert. Folglich nimmt die irreversible Anfangskapazität (initial irreversible capacity) einer Energiespeichervorrichtung zu, was zu einem Problem einer Verringerung der Anfangskapazität führt. Auch in dem Fall, in dem eine Elektrolytlösung mit einer ionischen Flüssigkeit verwendet wird, reagiert in einigen Fällen, abhängig von der Kationspezies der ionischen Flüssigkeit, ein Kation der ionischen Flüssigkeit bei einem Potential, das höher ist als ein Redoxpotential von Lithium.
Angesichts des obigen Problems ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung mit verringerter irreversibler Anfangskapazität bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Energiespeichervorrichtung mit hoher Kapazität bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Energiespeichervorrichtung mit hoher Energiedichte bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, eine Energiespeichervorrichtung, bei der eine Zersetzungsreaktion einer Elektrolytlösung unterdrückt wird, bereitzustellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeichervorrichtung, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung umfasst. Die negative Elektrode umfasst ein Negativelektrodenaktivmaterial und ein wasserlösliches Polymer. Die Elektrolytlösung umfasst eine ionische Flüssigkeit. Die ionische Flüssigkeit umfasst ein Kation und ein einwertiges Amidanion.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeichervorrichtung, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung umfasst. Die negative Elektrode umfasst ein Negativelektrodenaktivmaterial, ein erstes Material und ein zweites Material. Das erste Material umfasst ein Material mit Gummielastizität. Das zweite Material umfasst ein wasserlösliches Polymer. Die Elektrolytlösung umfasst eine ionische Flüssigkeit. Die ionische Flüssigkeit umfasst ein Kation und ein einwertiges Amidanion.
Bei der vorstehenden Struktur ist bevorzugt, dass es sich bei dem wasserlöslichen Polymer um Polysaccharid handelt. Es handelt sich bei dem Material mit Gummielastizität vorzugsweise um ein Polymer, das eine Styrolmonomereinheit oder eine Butadienmonomereinheit enthält. Es handelt sich bei dem einwertigen Amidanion vorzugsweise um ein Anion, das durch (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3) oder CF₂(CF₂SO₂)₂N^– dargestellt wird.
Bei der vorstehenden Struktur ist bevorzugt, dass ein Beschichtungsfilm an einer Oberfläche der negativen Elektrode bereitgestellt ist und dass das Verhältnis des Sauerstoffanteils zum Fluoranteil (O/F) in dem Beschichtungsfilm größer als oder gleich 0,1 und kleiner als oder gleich 2 ist.
Bei der vorstehenden Struktur ist bevorzugt, dass die Elektrolytlösung ein Lithiumion umfasst, dass ein Beschichtungsfilm an einer Oberfläche der negativen Elektrode bereitgestellt ist, dass der Beschichtungsfilm Lithiumfluorid und Lithiumcarbonat umfasst und dass das Gewichtsverhältnis von Lithiumcarbonat zu Lithiumfluorid (Lithiumcarbonat/Lithiumfluorid) kleiner als oder gleich 2 ist.
Bei der vorstehenden Struktur ist bevorzugt, dass es sich bei dem Negativelektrodenaktivmaterial um ein Kohlenstoffmaterial handelt. Es ist stärker bevorzugt, dass das Kohlenstoffmaterial mindestens eine Art ist, die aus natürlichem Graphit, Kunstgraphit, einer auf Mesophasenpech basierenden Kohlenstofffaser (mesophase pitch-based carbon fiber), einer auf isotropem Pech basierenden Kohlenstofffaser (isotropic pitch-based carbon fiber) und Graphen ausgewählt wird.
Unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit für die Elektrolytlösung kann die Sicherheit der Energiespeichervorrichtung erhöht werden.
Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Energiespeichervorrichtung mit verringerter irreversibler Anfangskapazität bereitgestellt werden. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Energiespeichervorrichtung mit hoher Kapazität bereitgestellt werden. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Energiespeichervorrichtung mit hoher Energiedichte bereitgestellt werden. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann eine Energiespeichervorrichtung, bei der eine Zersetzungsreaktion einer Elektrolytlösung unterdrückt wird, bereitgestellt werden. Einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann die Sicherheit einer Energiespeichervorrichtung erhöht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B zeigen eine Außenansicht und eine Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung.
2A bis 2C zeigen eine Außenansicht, eine Querschnittsansicht und die Arbeitsweise einer Energiespeichervorrichtung.
3A und 3B zeigen eine Außenansicht und eine Querschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung.
4A und 4B zeigen Ausführungsformen eines Aktivmaterials.
5A und 5B zeigen Begriffe des Verhaltens von Ionen in der Nähe einer Oberfläche eines Aktivmaterials.
6A und 6B zeigen Begriffe des Verhaltens von Ionen in der Nähe einer Oberfläche eines Aktivmaterials.
7 zeigt eine Elektrode einer Energiespeichervorrichtung.
8 zeigt die Ergebnisse eines Aufladens und Entladens von Energiespeichervorrichtungen.
9 zeigt die zyklische Leistung (cycle performance) einer Energiespeichervorrichtung.
10 zeigt ein Querschnitts-TEM-Bild (cross-sectional TEM image) eines Graphitpartikels und eines Oberflächenbeschichtungsfilms.
11A und 11B zeigen Cyclovoltammogramme.
12A und 12B zeigen die Ergebnisse einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Messung.
13A und 13B zeigen die Ergebnisse einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Messung.
14A und 14B zeigen die Ergebnisse einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Messung.
15A und 15B zeigen die Ergebnisse einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Messung.
16A und 16B zeigen die Ergebnisse einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Messung.
17A bis 17E zeigen Anwendungsbeispiele für eine Energiespeichervorrichtung.
18 zeigt Anwendungsbeispiele für eine Energiespeichervorrichtung.
19A bis 19C zeigen ein Anwendungsbeispiel für eine Energiespeichervorrichtung.
20A und 20B zeigen ein Anwendungsbeispiel für eine Energiespeichervorrichtung.
21A und 21B zeigen ein Beispiel für eine Energiespeichervorrichtung.
22A1, 22A2, 22B1 und 22B2 zeigen Beispiele für eine Energiespeichervorrichtung.
23A und 23B zeigen Beispiele für eine Energiespeichervorrichtung.
24A und 24B zeigen Beispiele für eine Energiespeichervorrichtung.
25 zeigt ein Beispiel für eine Energiespeichervorrichtung.
26 zeigt eine Außenansicht einer Speicherbatterie.
27 zeigt eine Außenansicht einer Speicherbatterie.
28A bis 28C zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherbatterie.
29A bis 29C zeigen die Ergebnisse eines Aufladens und Entladens von Speicherbatterien.
30A und 30B zeigen die Ergebnisse eines Aufladens und Entladens von Speicherbatterien.
31 zeigt die Ergebnisse eines Aufladens und Entladens von Speicherbatterien.
32 zeigt ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherbatterie darstellt.
33A und 33B zeigen die Ergebnisse einer Lade- und Entladezyklen-Prüfung (charge-discharge cycle test) einer Speicherbatterie.
34 zeigt die Ergebnisse einer Lade- und Entladezyklen-Prüfung einer Speicherbatterie.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen nachstehend ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehende Beschreibung beschränkt ist, und für den Fachmann ist leicht ersichtlich, dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher wird die vorliegende Erfindung nicht als auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen und Beispiele beschränkt angesehen.
(Ausführungsform 1)
Bei dieser Ausführungsform werden eine Struktur einer Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen der Energiespeichervorrichtung anhand von 1A, 1B und 2A bis 2C beschrieben.
Eine Energiespeichervorrichtung in dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet jedes Bauelement mit einer Funktion zum Speichern von Energie und jede Vorrichtung mit einer Funktion zum Speichern von Energie. Beispielsweise umfasst die Kategorie der Energiespeichervorrichtung eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, einen Lithium-Ionen-Kondensator und einen elektrischen Doppelschichtkondensator.
1A stellt eine laminierte Lithium-Ionen-Sekundärbatterie als Beispiel für die Energiespeichervorrichtung dar.
Eine Energiespeichervorrichtung 100, die in 1A dargestellt ist, ist eine laminierte Speicherbatterie. Die Energiespeichervorrichtung 100 umfasst eine positive Elektrode 103, die einen Positivelektrodenstromkollektor 101 und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 beinhaltet; eine negative Elektrode 106, die einen Negativelektrodenstromkollektor 104 und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 beinhaltet; einen Separator 107; eine Elektrolytlösung 108 und ein Außenteil 109. Der Separator 107 ist zwischen der positiven Elektrode 103 und der negativen Elektrode 106 in einem Beriech, der von dem Außenteil 109 umschlossen ist, angeordnet. Die Elektrolytlösung 108 ist im von dem Außenteil 109 umschlossenen Bereich bereitgestellt.
Zuerst wird eine Struktur der negativen Elektrode 106 beschrieben.
Für den Negativelektrodenstromkollektor 104 kann ein hochleitfähiges Material verwendet werden, insbesondere ein Metall, wie z. B. Kupfer, Nickel oder Titan. Der Negativelektrodenstromkollektor 104 kann nach Bedarf die Form einer Folie, die Form einer Platte (die Form eines Blattes), die Form eines Netzes, die Form von gestanztem Metall, die Form von Streckmetall oder dergleichen haben. Der Negativelektrodenstromkollektor 104 weist vorzugsweise eine Dicke von größer als oder gleich 10 μm und kleiner als oder gleich 30 μm auf.
Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 enthält ein Negativelektrodenaktivmaterial. Ein Aktivmaterial bezeichnet nur eine Substanz, welche die Einlagerung und Auslagerung eines als Ladungsträger dienenden Ions betrifft. In dieser Beschreibung und dergleichen wird jedoch auch eine Schicht, die ein Leitfähigkeitsadditiv, ein Bindemittel oder dergleichen neben einem Material, das ein echtes „Negativelektrodenaktivmaterial” ist, enthält, als Negativelektrodenaktivmaterialschicht bezeichnet.
Ein Material, in und aus dem Lithium aufgelöst und abgeschieden werden kann, oder ein Material, in das und aus dem Lithiumionen eingelagert und ausgelagert werden können, kann als Negativelektrodenaktivmaterial der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Lithiummetall, ein auf Kohlenstoff basierendes Material oder ein Legierungsmaterial verwendet werden. Das Lithiummetall wird wegen seines niedrigen Redoxpotentials (um 3,045 V niedriger als dasjenige einer Standardwasserstoffelektrode) und seiner hohen spezifischen Kapazität pro Gewichtseinheit und pro Volumeneinheit (3860 mAh/g bzw. 2062 mAh/cm³) bevorzugt.
Beispiele für das auf Kohlenstoff basierende Material umfassen Graphit, graphitierten Kohlenstoff (graphitized carbon) (weichen Kohlenstoff), nicht graphitierten Kohlenstoff (non-graphitized carbon) (harten Kohlenstoff), eine Kohlenstoffnanoröhre, Graphen und Kohlenschwarz.
Graphit wird als Kunstgraphit, wie z. B. meso-Kohlenstoff-Mikrokügelchen (meso-carbon microbeads, MCMB), auf Koks basierender Kunstgraphit (coke-based artificial graphite) oder auf Pech basierender Kunstgraphit (pitch-based aritificial graphite), oder als natürlicher Graphit, wie z. B. sphärischer natürlicher Graphit (spherical natura) graphite), eingestuft.
Graphit weist ein niedriges Potential, das im Wesentlichen gleich demjenigen eines Lithiummetalls ist, (niedriger als oder gleich 0,3 V gegen Li/Li⁺) auf, wenn Lithiumionen in den Graphit eingelagert werden (während eine Lithium-Graphit-Einlagerungsverbindung (intercalation compound) ausgebildet wird). Aus diesem Grund kann eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie eine hohe Betriebsspannung aufweisen. Zusätzlich wird Graphit bevorzugt, da er Vorteile hat, wie beispielsweise relativ hohe Kapazität pro Volumeneinheit, geringe Volumenausdehnung, niedrige Kosten und höhere Sicherheit als ein Lithiummetall.
Für das Negativelektrodenaktivmaterial kann ein Material, das Lade- und Entladereaktionen durch eine Legierungsreaktion (alloying reaction) und eine Befreiungsreaktion (dealloying reaction) mit Lithium ermöglicht, verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Material, das mindestens eines von Ga, Si, Al, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Zn, Cd, In und dergleichen enthält, verwendet werden. Derartige Elemente weisen höhere Kapazität auf als Kohlenstoff. Im Besonderen weist Silizium eine hohe theoretische Kapazität von 4200 mAh/g auf. Deshalb wird Silizium vorzugsweise für das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet. Beispiele für ein Legierungsmaterial, das derartige Elemente enthält, sind SiO, Mg₂Si, Mg₂Ge, SnO, SnO₂, Mg₂Sn, SnS₂, V₂Sn₃, FeSn₂, CoSn₂, Ni₃Sn₂, Cu₆Sn₅, Ag₃Sn, Ag₃Sb, Ni₂MnSb, CeSb₃, LaSn₃, La₃Co₂Sn₇, CoSb₃, InSb und SbSn.
Alternativ kann für das Negativelektrodenaktivmaterial ein Oxid, wie z. B. Titandioxid (TiO₂), Lithiumtitanat (Li₄TI₅O₁₂), Lithium-Graphit-Einlagerungsverbindung (lithium-graphite intercalation compound) (LiC₆), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Wolframoxid (WO₂) oder Molybdänoxid (MoO₂), verwendet werden.
Als weitere Alternative kann für das Negativelektrodenaktivmaterial Li_3-xM_xN (M = Co, Ni oder Cu) mit einer Li₃N-Strukur, welches ein Nitrid ist, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, verwendet werden. Zum Beispiel wird Li_2,6Co_0,4N₃ infolge seiner hohen Lade- und Entladekapazität (900 mAh/g und 1890 mAh/cm³) bevorzugt.
Ein Nitrid, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, wird vorzugsweise verwendet, in welchem Falle Lithiumionen in dem Negativelektrodenaktivmaterial enthalten sind und deswegen das Negativelektrodenaktivmaterial in Kombination mit einem Material für ein Positivelektrodenaktivmaterial, das kein Lithiumion enthält, wie z. B. V₂O₅ oder Cr₃O₈, verwendet werden kann. In dem Fall, in dem ein Material, das Lithiumionen enthält, für ein Positivelektrodenaktivmaterial verwendet wird, kann das Nitrid, das Lithium und ein Übergangsmetall enthält, für das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden, indem die in dem Positivelektrodenaktivmaterial enthaltenen Lithiumionen im Voraus ausgelagert werden.
Alternativ kann ein Material, das eine Konversionsreaktion bewirkt, für das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Beispielsweise kann ein Übergangsmetalloxid, das keine Legierungsreaktion mit Lithium verursacht, wie z. B. Kobaltoxid (CoO), Nickeloxid (NiO) oder Eisenoxid (FeO), für das Negativelektrodenaktivmaterial verwendet werden. Weitere Beispiele für das Material, das eine Konversionsreaktion bewirkt, umfassen Oxide, wie z. B. Fe₂O₃, CuO, Cu₂O, RuO₂ und Cr₂O₃, Sulfide, wie z. B. CoS_0,89, NiS und CuS, Nitride, wie z. B. Zn₃N₂, Cu₃N und Ge₃N₄, Phosphide, wie z. B. NiP₂, FeP₂ und CoP₃, und Fluoride, wie z. B. FeF₃ und BiF₃.
Als Leitfähigkeitsadditiv kann ein Kohlenstoff material verwendet werden, beispielsweise natürlicher Graphit, Kunstgraphit, wie z. B. meso-Kohlenstoff-Mikrokügelchen, auf Mesophasenpech basierende Kohlenstofffasern, auf isotropem Pech basierende Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren, Acetylenruß (acetylene black, AB) oder Graphen. Als Alternative kann auch Metallpulver oder Metallfasern von Kupfer, Nickel, Aluminium, Silber, Gold oder dergleichen, ein leitendes Keramikmaterial oder dergleichen verwendet werden.
Flockiges Graphen weist eine ausgezeichnete elektrische Eigenschaft, nämlich hohe Leitfähigkeit, und ausgezeichnete physikalische Eigenschaften auf, nämlich hohe Flexibilität und hohe mechanische Festigkeit. Aus diesem Grund kann die Verwendung von Graphen als Leitfähigkeitsadditiv die Punkte und die Fläche, bei denen die Negativelektrodenaktivmaterialpartikel in Kontakt miteinander stehen, vermehren.
Es sei angemerkt, dass Graphen in dieser Beschreibung einlagiges Graphen und mehrlagiges Graphen, das 2 oder mehr und 100 oder weniger Lagen aufweist, umfasst. Einlagiges Graphen bezeichnet eine einzelne Atomlage aus Kohlenstoffmolekülen mit π-Bindungen. Graphenoxid bezeichnet eine Verbindung, die durch Oxidation solchen Graphens ausgebildet wird. Wenn Graphenoxid zu Graphen reduziert wird, wird Sauerstoff in dem Graphenoxid nicht völlig freigesetzt und ein Teil des Sauerstoffs verbleibt in dem Graphen. In dem Fall, in dem Graphen Sauerstoff enthält, ist der Sauerstoffanteil, gemessen durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), 2% oder mehr und 20% oder weniger, bevorzugt 3% oder mehr und 15% oder weniger des gesamten Graphens.
As Bindemittel kann ein Material, wie z. B. Styrol-Butadien-Gummi (styrene-butadiene rubber, SBR), Styrol-Isopren-Styrol-Gummi, Acrylnitril-Butadien-Gummi, Butadiengummi, Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer, Polystyrol, Polymethylacrylat, Polymethylmethacrylat (PMMA), Natriumpolyacrylat, Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid, Polyimid, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen, Isobutylen, Polyethylenterephthalat, Nylon, Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder Polyacrylnitril (PAN), verwendet werden.
Alternativ kann beispielsweise auch Polysaccharid als Bindemittel verwendet werden. Als Polysaccharid kann ein Cellulosederivat, wie z. B. Carboxymethylcellulose (CMC), Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Diacetylcellulose oder regenerierte Cellulose, Stärke oder dergleichen verwendet werden.
Ein einziges Bindemittel kann verwendet werden oder mehrere Arten von Bindemitteln können in Kombination verwendet werden. Zum Beispiel können ein Bindemittel, das eine hohe Adhäsionskraft oder eine hohe Elastizität aufweist, und ein Bindemittel, das hohe Viskositätsmodifizierungseigenschaften aufweist, in Kombination verwendet werden. Als Bindemittel mit hohen Viskositätsmodifizierungseigenschaften wird vorzugsweise zum Beispiel ein wasserlösliches Polymer verwendet. Ein Beispiel für ein wasserlösliches Polymer mit besonders hohen Viskositätsmodifizierungseigenschaften ist das oben genannte Polysaccharid; zum Beispiel kann ein Cellulosederivat, wie z. B. Carboxymethylcellulose (CMC), Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Diacetylcellulose oder regenerierte Cellulose, oder Stärke verwendet werden.
Ein Beispiel für kombinierte Verwendung mehrerer Arten von Bindemitteln ist eine Kombination von Styrol-Butadien-Gummi (SBR) und Carboxymethylcellulose (CMC).
Es sei angemerkt, dass ein Cellulosederivat, wie z. B. Carboxymethylcellulose, eine höhere Löslichkeit in einem Lösungsmittel erhält, wenn es in ein Salz, wie z. B. ein Natriumsalz oder ein Ammoniumsalz von Carboxymethylcellulose, umgewandelt wird, und daher leicht einen Effekt als Viskositätsmodifizierungsmittel zeigt. Die hohe Löslichkeit kann ebenfalls die Dispergierbarkeit eines Aktivmaterials und weiterer Komponenten beim Ausbilden einer Paste für eine Aktivmaterialschicht einer Elektrode erhöhen. In dieser Beschreibung umfassen Cellulose und ein Cellulosederivat, welche als Bindemittel in einer Aktivmaterialschicht einer Elektrode verwendet werden, ihre Salze.
Eine wässrige Lösung, in der ein wasserlösliches Polymer gelöst ist, kann eine stabile Viskosität aufweisen. In die wässrige Lösung kann ein Aktivmaterial oder ein weiteres Bindemittel, wie z. B. Styrol-Butadien-Gummi, stabil dispergiert werden. Darüber hinaus wird erwartet, dass ein wasserlösliches Polymer leicht und stabil an eine Oberfläche des Aktivmaterials adsorbiert wird, da es eine funktionelle Gruppe aufweist. Carboxymethylcellulose weist zum Beispiel eine Hydroxylgruppe oder eine Carboxylgruppe als funktionelle Gruppe auf. Die funktionelle Gruppe sollte eine Wechselwirkung zwischen Polymeren bewirken, wie beispielsweise ein Verbinden von Polymeren durch Wasserstoffbindung. Deshalb erwartet man, dass das wasserlösliche Polymer eine große Fläche der Oberfläche des Aktivmaterials bedeckt.
Hierbei ist in dem Fall, in dem eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, besonders wichtig, dass die Oberfläche des Aktivmaterials bedeckt wird. Wenn ein Bindemittel die Oberfläche des Aktivmaterials bedeckt, kann man beispielsweise einen Effekt, der eine Nebenreaktion des Aktivmaterials mit einem Kation während einer Reaktion mit Lithiumionen unterdrückt, erwarten.
Im Fall eines Materials mit einer geschichteten Struktur, wie z. B. Graphit, wird in einigen Fällen nicht nur Lithiumionen, sondern auch das Kation der ionischen Flüssigkeit zwischen Graphitschichten eingelagert. Diese Einlagerung des Kations ist ein Faktor einer irreversiblen Kapazität und könnte eine Abtrennung einer Schicht oder dergleichen verursachen. Es ist hochwahrscheinlich, dass das Bindemittel, das eine große Fläche der Oberfläche des Aktivmaterials bedeckt, die Kationeneinlagerung unterdrückt, um die irreversible Kapazität zu verringern. In dem Fall, in dem das Bindemittel, das die Oberfläche des Aktivmaterials bedeckt, einen Film bildet, wird erwartet, dass der Film als Passivierungsfilm dient, um eine Zersetzung der Elektrolytlösung zu unterdrücken. Der Passivierungsfilm bezeichnet einen Film, der Elektronenleitung, d. h. Zersetzung der Elektrolytlösung bei einem Potential, bei dem eine Batteriereaktion des Aktivmaterials stattfindet, unterdrückt. Es ist bevorzugt, dass der Passivierungsfilm Lithiumionen leiten kann, während er die Elektronenleitung unterdrückt.
In einem hier gezeigten Beispiel wird ein Cellulosederivat mit hohen Viskositätsmodifizierungseigenschaften als Bindemittel verwendet und Graphit wird als Aktivmaterial verwendet. Als Cellulosederivat wird Natriumcarboxymethylcellulose (nachstehend CMC-Na) verwendet. Es ist hochwahrscheinlich, dass CMC-Na, welches die Oberfläche des Aktivmaterials bedeckt, physikalisch die Einlagerung eines Kations zwischen Graphitschichten verhindert. Nun wird angenommen, dass ein Material mit Gummielastizität, wie z. B. Styrol-Butadien-Gummi (nachstehend SBR), als weiteres Bindemittel verwendet wird. Da ein Polymer, das eine Styrolmonomereinheit oder eine Butadienmonomereinheit enthält, wie z. B. SBR, Gummielastizität aufweist und sich leicht ausdehnt und zusammenzieht, kann eine hochzuverlässige Elektrode erhalten werden, die widerstandsfähig gegen eine Belastung infolge einer Ausdehnung und Zusammenziehung eines Aktivmaterials beim Laden und Entladen, infolge einer Biegung der Elektrode oder dergleichen ist. Andererseits weist SBR eine hydrophobe Gruppe auf und ist deshalb in vielen Fällen schwach löslich in Wasser. Folglich werden in einigen Fällen SBR-Partikel in eine wässrige Lösung dispergiert, ohne in Wasser aufgelöst zu werden. Deswegen ist es schwierig, wenn eine Paste für die Aktivmaterialschicht der Elektrode unter Verwendung von SBR ausgebildet wird, die Viskosität der Paste auf einen zum Auftragen der Aktivmaterialschicht der Elektrode geeigneten Grad zu erhöhen. Währenddessen kann die Viskosität einer Lösung, wie z. B. einer Paste, in mäßiger Weise erhöht werden, wenn CMC-Na, welches hohe Viskositätsmodifizierungseigenschaften aufweist, verwendet wird. Durch Mischen von CMC-Na mit dem Aktivmaterial und SBR in einer Lösung, z. B. in einer Paste, wird eine gleichmäßige Dispersion ausgebildet, so dass eine vorteilhafte Elektrode mit hoher Gleichmäßigkeit, insbesondere eine Elektrode mit hoher Gleichmäßigkeit der Elektrodendicke oder der Elektrodenfestigkeit erhalten werden kann. Nicht nur CMC-Na, sondern auch SBR könnte eine Oberfläche des Aktivmaterials bedecken, wenn es gleichmäßig dispergiert wird. In diesem Fall kann SBR ebenfalls zur Unterdrückung der Kationeneinlagerung oder einer Funktion als Passivierungsfilm beitragen.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der negativen Elektrode 106 beschrieben.
Zuerst wird eine Negativelektrodenpaste ausgebildet, um die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 auszubilden. Die Negativelektrodenpaste kann derart ausgebildet werden, dass das oben beschriebene Material, dem ein Leitfähigkeitsadditiv und ein Bindemittel nach Bedarf hinzugefügt sind, mit einem Lösungsmittel gemischt wird. Als Lösungsmittel kann beispielsweise Wasser oder N-Methylpyrrolidon (NMP) verwendet werden. Im Sinne von der Sicherheit und Kosten wird vorzugsweise Wasser verwendet. Unter Verwendung eines wasserlöslichen Polymers als Bindemittel kann eine Paste mit einer zum Auftragen geeigneten Viskosität ausgebildet werden. Zudem kann eine Paste mit hoher Dispergierbarkeit ausgebildet werden. Folglich kann eine Oberfläche des Aktivmaterials mit dem Bindemittel in vorteilhafter Weise bedeckt werden. Eine Paste mit sehr stabiler Viskosität kann ausgebildet werden, indem in der ersten Stufe zum Ausbilden der Paste das Aktivmaterial und das wasserlösliche Polymer zu einer dicken Paste geknetet werden. Es ist auch möglich, die Dispergierbarkeit jedes Materials zu erhöhen. Außerdem kann die Oberfläche des Aktivmaterials leicht mit dem Bindemittel bedeckt werden.
Hier wird beispielsweise Graphit als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet, CMC-Na und SBR werden als Bindemittel verwendet, und Wasser wird als Lösungsmittel verwendet.
Zuerst wird eine wässrige Lösung derart vorbereitet, dass CMC-Na, welches als Viskositätsmodifizierungsmittel dient, in reinem Wasser aufgelöst wird. Der Polymerisationsgrad von CMC-Na ist beispielsweise bevorzugt höher als oder gleich 200 und niedriger als oder gleich 1000, stärker bevorzugt höher als oder gleich 600 und niedriger als oder gleich 800. Dann wird das Aktivmaterial gewogen und die wässrige CMC-Na-Lösung wird dazu hinzugefügt.
Wenn die Menge an CMC-Na weniger als 1% des Gesamtgewichts von Graphit, CMC-Na und SBR beträgt, tritt wahrscheinlich ungleichmäßiger Auftrag auf (die Gleichmäßigkeit der Dicke ist schlecht, so dass ein dünner Bereich örtlich gebildet wird). Der ungleichmäßige Auftrag wird beispielsweise durch eine Zunahme der Viskosität infolge Trocknens der Paste (Verflüchtigung des Lösungsmittels) verursacht. Wenn der Gehalt an CMC-Na höher als 7 Gew.-% ist, nimmt die Fluidität der Paste ab. Daher ist bevorzugt, dass die Menge an CMC-Na 1% oder mehr und 7% oder weniger des Gesamtgewichts von Graphit, CMC-Na und SBR beträgt.
Anschließend wird das Gemisch dieser Materialien mit einem Mixer zu einer dicken Paste geknetet. „Etwas zu einer dicken Paste zu kneten” bedeutet „etwas mit einer hohen Viskosität zu mischen”. Als Bedingungen des Mischens kann beispielsweise ein 5 Minuten dauerndes Kneten des Gemisches zu einer dicken Paste viermal bis sechsmal bei 1500 U/min durchgeführt werden. Durch Kneten des Gemisches zu einer dicken Paste kann die Kohäsion des Aktivmaterials geschwächt werden, und das Aktivmaterial und CMC-Na können sehr gleichmäßig dispergiert werden. Dabei ist wahrscheinlich, dass sich ein Teil von CMC-Na an eine Oberfläche von Graphit heften und sie bedecken kann.
Eine wässrige SBR-Dispersion wird anschließend dem Gemisch hinzugefügt, und ein Mischen wird durchgeführt. Zum Beispiel kann das Mischen mit einem Mixer 5 Minuten lang bei 1500 U/min durchgeführt werden.
Reines Wasser, das als Dispersionsmittel dient, wird anschließend dem Gemisch hinzugefügt, bis eine vorbestimmte Viskosität erhalten wird, und ein Mischen wird durchgeführt, um eine Paste auszubilden. Als Bedingungen des Mischens kann beispielsweise ein 5 Minuten dauerndes Mischen einmal oder zweimal mit einem Mixer bei 1500 U/min durchgeführt werden. Durch die obigen Schritte kann eine vorteilhafte Paste, in der das Aktivmaterial, CMC-Na und SBR gleichmäßig dispergiert sind, ausgebildet werden.
In dem Fall, in dem ein Film aus CMC-Na oder SBR an der Oberfläche des Aktivmaterials ausgebildet wird, handelt es sich bei dem Film vorzugsweise um einen Film, der nur die Kationeneinlagerung unterdrücken kann, während er die Einlagerung und Auslagerung von Lithium zulässt. Ein derartiger Effekt könnte erzielt werden, auch wenn CMC-Na oder SBR keine Form eines Films hat. Ein poröser Film aus CMC-Na oder SBR kann ausgebildet werden. Ein poröser Film wird vorzugsweise aus dem folgenden Grund ausgebildet: da ein poröser Film nicht erheblich die Einlagerung und Auslagerung von Lithium stört, kann er einen Anstieg des Reaktionswiderstands unterdrücken, während er die Kationeneinlagerung unterdrückt. Folglich kann eine Elektrode mit vorteilhaften Eigenschaften erhalten werden.
Der Negativelektrodenstromkollektor 104 kann einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Beispiele für die Oberflächenbehandlung sind eine Corona-Entladungsbehandlung, eine Plasmabehandlung und eine Grundierungsbehandlung (undercoat treatment). Die Oberflächenbehandlung kann die Benetzbarkeit des Negativelektrodenstromkollektors 104 in Bezug auf die Negativelektrodenpaste erhöhen. Zudem kann die Adhäsion zwischen dem Negativelektrodenstromkollektor 104 und der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 erhöht werden.
Die „Grundierung” bezieht sich hier auf einen Film, der vor dem Auftragen einer Negativelektrodenpaste auf den Stromkollektor über einem Stromkollektor ausgebildet wird, um den Widerstand einer Grenzfläche zwischen einer Aktivmaterialschicht und dem Stromkollektor zu verringern oder um die Adhäsion zwischen der Aktivmaterialschicht und dem Stromkollektor zu erhöhen. Es sei angemerkt, dass die Grundierung nicht unbedingt die Form eines Films hat und inselförmig ausgebildet werden kann. Zusätzlich kann die Grundierung als Aktivmaterial dienen und eine Kapazität aufweisen. Für die Grundierung kann beispielsweise ein Kohlenstoffmaterial verwendet werden. Beispiele für das Kohlenstoffmaterial sind Graphit, Kohlenschwarz, wie z. B. Acetylenruß oder Ketjen-Ruß (ketjen black), und Kohlenstoffnanoröhren.
Die Negativelektrodenpaste wird anschließend auf den Negativelektrodenstromkollektor 104 aufgetragen.
Dann wird die Negativelektrodenpaste getrocknet, um die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 auszubilden. Im Trocknungsschritt der Negativelektrodenpaste wird ein Trocknen unter Verwendung einer Heizplatte in einer Luftatmosphäre bei 70°C über den Zeitraum von 30 Minuten durchgeführt, und danach wird ein weiteres Trocknen 10 Stunden lang in einer Umgebung mit verringertem Druck bei 100°C durchgeführt. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105, die auf diese Weise ausgebildet wird, weist beispielsweise eine Dicke von größer als oder gleich 20 μm und kleiner als oder gleich 150 μm auf.
Es sei angemerkt, dass die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 vordotiert werden kann. Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich des Verfahrens zum Vordotieren der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105. Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 elektrochemisch vordotiert werden. Zum Beispiel kann unter Verwendung eines Lithiummetalls als Gegenelektrode die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 mit Lithium in einer Elektrolytlösung, die später beschrieben wird, vordotiert werden, bevor die Batterie zusammengesetzt wird.
Als nächstes wird eine Struktur der positiven Elektrode 103 beschrieben.
Für den Positivelektrodenstromkollektor 101 kann ein hochleitfähiges Material verwendet werden, insbesondere ein Metall, wie z. B. Gold, Platin, Aluminium oder Titan, oder seine Legierung (z. B. Edelstahl). Beispielsweise wird Gold, Platin oder Aluminium bevorzugt. Alternativ kann auch eine Aluminiumlegierung, der ein Element zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit, wie z. B. Silizium, Titan, Neodym, Scandium oder Molybdän, hinzugefügt ist, verwendet werden. Der Positivelektrodenstromkollektor 101 kann nach Bedarf die Form einer Folie, die Form einer Platte (die Form eines Blattes), die Form eines Netzes, die Form von gestanztem Metall, die Form von Streckmetall oder dergleichen haben. Der Positivelektrodenstromkollektor 101 weist vorzugsweise eine Dicke von größer als oder gleich 10 μm und kleiner als oder gleich 30 μm auf.
Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 enthält ein Positivelektrodenaktivmaterial. Wie zuvor beschrieben worden ist, bezeichnet ein Aktivmaterial nur eine Substanz, welche die Einlagerung und Auslagerung eines als Ladungsträger dienenden Ions betrifft. In dieser Beschreibung und dergleichen wird jedoch auch eine Schicht, die ein Leitfähigkeitsadditiv, ein Bindemittel oder dergleichen neben einem Material, das ein echtes „Positivelektrodenaktivmaterial” ist, enthält, als Positivelektrodenaktivmaterialschicht bezeichnet.
Als Positivelektrodenaktivmaterial kann eine Verbindung, wie z. B. LiFeO₂, LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, V₂O₅, Cr₂O₅ oder MnO₂, verwendet werden.
Alternativ kann auch ein Lithium enthaltendes komplexes Phosphat (LiMPO₄ (allgemeine Formel) (M ist mindestens eines von Fe(II), Mn(II), Co(II) und Ni(II))) verwendet werden. Typische Beispiele für die allgemeine Formel LiMPO₄ sind LiFePO₄, LiNiPO₄, LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiFe_aNi_bPO₄, LiFe_aCo_bPO₄, LiFe_aMn_bPO₄, LiNi_aCo_bPO₄, LiNi_aMn_bPO₄ (a + b ≤ 1, 0 < a < 1, und 0 < b < 1), LiFe_cNi_dCo_ePO₄, LiFe_cNi_dMn_ePO₄, LiNi_cCo_dMn_ePO₄ (c + d + e ≤ 1, 0 < c < 1, 0 < d < 1, und 0 < e < 1) und LiFe_fNi_gCo_hMn_iPO₄ (f + g + h + i ≤ 1, 0 < f < 1, 0 < g < 1, 0 < h < 1, und 0 < 1 < 1).
Alternativ kann auch ein Lithium enthaltendes komplexes Silicat, wie z. B. Li₍ _2–j)MSiO₄ (allgemeine Formel) (M ist mindestens eines von Fe(II), Mn(II), Co(II) und Ni(II); 0 ≤ j ≤ 2) verwendet werden. Typische Beispiele für die allgemeine Formel Li_(2–j)MSiO₄ sind Li_(2–j)FeSiO₄, Li_(2–j)NiSiO₄, Li_(2–j)CoSiO₄, Li_(2–j)MnSiO₄, Li_(2–j)FekNi_lSiO₄, Li_(2–j)Fe_kCo_lSiO₄, Li_(2–j)Fe_kMn_lSiO₄, Li_(2–j)Ni_kCo_lSiO₄, Li_(2–j)Ni_kMn_lSiO₄ (k + l ≤ 1, 0 < k < 1, und 0 < l < 1), Li_(2–j)Fe_mNi_nCo_gSiO₄, Li_(2–j)Fe_mNi_nMn_qSiO₄, Li_(2–j)Ni_mCo_nMn_qSiO₄ (m + n + q ≤ 1, 0 < m < 1, 0 < n < 1, und 0 < q < 1) und Li_(2–j)Fe_rNi_sCo_tMn_uSiO₄ (r + s + t + u ≤ 1, 0 < r < 1, 0 < s < 1, 0 < t < 1, und 0 < u < 1).
In dem Fall, in dem Ladungsträgerionen Erdalkalimetallionen oder Alkalimetallionen verschieden von Lithiumionen sind, kann das Positivelektrodenaktivmaterial das Folgende enthalten: anstatt von Lithium in der obigen Lithiumverbindung, dem obigen Lithium enthaltenden komplexen Phosphat oder dem obigen Lithium enthaltenden komplexen Silicat ein Alkalimetall (z. B. Natrium oder Kalium) oder ein Erdalkalimetall (z. B. Calcium, Strontium, Barium, Beryllium oder Magnesium).
Verschiedene Additive, wie z. B. ein Leitfähigkeitsadditiv und ein Bindemittel, können für die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass neben dem oben beschriebenen Leitfähigkeitsadditiv für die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 ein weniger graphitiertes Kohlenstoffmaterial (less-graphitized carbon material) als Leitfähigkeitsadditiv für die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 verwendet werden kann. Als weniger graphitiertes Kohlenstoffmaterial kann Kohlenschwarz, wie z. B. Acetylenruß oder Ketjen-Ruß, verwendet werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der positiven Elektrode 103 beschrieben.
7 zeigt eine Längsschnittsansicht der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 enthält Partikel eines Positivelektrodenaktivmaterials 203, Graphen 204 als Leitfähigkeitsadditiv und ein Bindungsmittel (auch als Bindemittel bezeichnet) (nicht abgebildet).
Der Längsschnitt der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 in 7 zeigt eine im Wesentlichen gleichmäßige Dispersion des blattartigen Graphens 204 in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102. Das Graphen 204 ist zwar schematisch durch eine dicke Linie in 7 dargestellt, aber es ist in der Tat ein dünner Film mit einer Dicke, die der Dicke einer oder mehrerer Schichten aus Kohlenstoffmolekülen entspricht. Eine Vielzahl von Flocken des Graphens 204 ist derart ausgebildet, dass sie Oberflächen einer Vielzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 203 einwickeln, bedecken oder an die Oberflächen haften, so dass das Graphen 204 in Oberflächenkontakt mit dem Positivelektrodenaktivmaterial 203 kommt. Des Weiteren stehen Flocken des Graphens 204 ebenfalls in Oberflächenkontakt miteinander; dementsprechend bildet die Vielzahl von Flocken des Graphens 204 ein dreidimensionales elektrisches Leitungsnetzwerk.
Das liegt daran, dass Graphenoxid mit sehr hoher Dispergierbarkeit in einem polaren Lösungsmittel verwendet wird, um das Graphen 204 auszubilden. Das Lösungsmittel wird durch Verflüchtigung aus einem Dispersionsmittel, in dem Graphenoxid gleichmäßig dispergiert ist, entfernt, und das Graphenoxid wird zu Graphen reduziert. Somit überlappen Flocken des Graphens 204, welche in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 verbleiben, teilweise einander und werden derart dispergiert, dass ein Oberflächenkontakt gebildet wird, wodurch ein elektrischer Leitungspfad gebildet werden kann.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen partikelförmigen Leitfähigkeitsadditiv, wie z. B. Acetylenruß, welches in Punktkontakt mit einem Aktivmaterial kommt, ermöglicht das Graphen 204 einen Oberflächenkontakt mit niedrigem Kontaktwiderstand. Demzufolge kann die elektrische Leitung zwischen Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 203 und dem Graphen 204 verbessert werden, ohne die Menge eines Leitfähigkeitsadditivs zu vergrößern. Daher kann der Anteil des Positivelektrodenaktivmaterials 203 in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 erhöht werden. Folglich kann die Entladekapazität einer Speicherbatterie erhöht werden.
Als nächstes wird ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden einer positiven Elektrode, bei der Graphen als Leitfähigkeitsadditiv verwendet wird, beschrieben. Zuerst werden ein Aktivmaterial, ein Bindungsmittel (auch als Bindemittel bezeichnet) und Graphenoxid vorbereitet.
Graphenoxid ist ein Rohstoff für das Graphen 204, das später als Leitfähigkeitsadditiv dient. Graphenoxid kann durch verschiede Syntheseverfahren ausgebildet werden, wie z. B. ein Hummers-Verfahren, ein modifiziertes Hummers-Verfahren und Oxidation von Graphit. Es sei angemerkt, dass das Verfahren zum Ausbilden einer Elektrode für eine Speicherbatterie nach der vorliegenden Erfindung nicht durch den Grad der Trennung von Graphenoxidflocken eingeschränkt wird.
Bei einem Hummers-Verfahren wird beispielsweise Graphit, wie z. B. Flockengraphit, zu Graphitoxid oxidiert. Das gewonnene Graphitoxid ist Graphit, der stellenweise oxidiert ist und an den daher eine funktionelle Gruppe, wie z. B. eine Carbonylgruppe, eine Carboxylgruppe oder eine Hydroxylgruppe, gebunden ist. Bei dem Graphitoxid ist die Kristallinität von Graphit verloren und der Abstand zwischen Schichten ist erhöht. Deshalb kann Graphenoxid leicht gewonnen werden, indem die Schichten durch eine Ultraschallbehandlung oder dergleichen voneinander getrennt werden.
Die Länge einer Kante (auch als Flockengröße bezeichnet) von Graphenoxid ist größer als oder gleich 50 nm und kleiner als oder gleich 100 μm, bevorzugt größer als oder gleich 800 nm und kleiner als oder gleich 20 μm. Insbesondere in dem Fall, in dem die Flockengröße kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser des Positivelektrodenaktivmaterials 203, werden der Oberflächenkontakt mit einer Vielzahl von Partikeln des Positivelektrodenaktivmaterials 203 und die Verbindung zwischen Graphenflocken schwierig, was es schwierig macht, die elektrische Leitfähigkeit der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 zu verbessern.
Eine Positivelektrodenpaste wird ausgebildet, indem ein Lösungsmittel zu derartigem Graphenoxid, einem Aktivmaterial und einem Bindungsmittel hinzugefügt wird. Als Lösungsmittel kann Wasser oder ein polares organisches Lösungsmittel, wie z. B. N-Methylpyrrolidon (NMP) oder Dimethylformamid, verwendet werden. Als Bindungsmittel kann beispielsweise PVdF, SBR oder CMC-Na verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass Graphenoxid mit einem Anteil von höher als oder gleich 0,1 Gew.-% und niedriger als oder gleich 10 Gew.-%, bevorzugt höher als oder gleich 0,1 Gew.-% und niedriger als oder gleich 5 Gew.-%, stärker bevorzugt höher als oder gleich 0,2 Gew.-% und niedriger als oder gleich 1 Gew.-% des Gesamtgewichts des Gemisches aus dem Graphenoxid, dem Positivelektrodenaktivmaterial, dem Leitfähigkeitsadditiv und dem Bindungsmittel enthalten sein kann. Andererseits kann das Graphen, welches gewonnen wird, nachdem die Positivelektrodenpaste auf den Stromkollektor aufgetragen worden ist und eine Reduktion durchgeführt worden ist, mit einem Anteil von höher als oder gleich 0,05 Gew.-% und niedriger als oder gleich 5 Gew.-%, bevorzugt höher als oder gleich 0,05 Gew.-% und niedriger als oder gleich 2,5 Gew.-%, stärker bevorzugt höher als oder gleich 0,1 Gew.-% und niedriger als oder gleich 0,5 Gew.-% des Gesamtgewichts der Positivelektrodenaktivmaterialschicht enthalten sein. Das liegt daran, dass das Gewicht von Graphen durch die Reduktion des Graphenoxids um fast die Hälfte abnimmt.
Es sei angemerkt, dass nach dem Mischen ein Lösungsmittel weiter hinzugefügt werden kann, so dass die Viskosität des Gemisches reguliert werden kann. Das Mischen und das Hinzufügen des polaren Lösungsmittels können mehrmals wiederholt werden.
Anschließend wird die Positivelektrodenpaste auf den Stromkollektor aufgetragen.
Die Paste, die auf den Stromkollektor aufgetragen worden ist, wird durch Belüftungstrocknung, Trocknung unter verringertem Druck (Vakuumtrocknung) oder dergleichen getrocknet, so dass die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 ausgebildet wird. Das Trocknen wird vorzugsweise mittels heißer Luft mit einer Temperatur von höher als oder gleich 50°C und niedriger als oder gleich 180°C durchgeführt. Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Atmosphäre.
Der Positivelektrodenstromkollektor 101 kann einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Beispiele für die Oberflächenbehandlung sind eine Corona-Entladungsbehandlung, eine Plasmabehandlung und eine Grundierungsbehandlung. Die Oberflächenbehandlung kann die Benetzbarkeit des Positivelektrodenstromkollektors 101 in Bezug auf die Positivelektrodenpaste erhöhen. Zudem kann die Adhäsion zwischen dem Positivelektrodenstromkollektor 101 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 erhöht werden.
Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 kann durch ein Kompressionsverfahren, wie z. B. ein Walzen-Press-Verfahren (roll press method) oder ein Flachplatten-Press-Verfahren (flat plate press method) gepresst werden, um sich zu konsolidieren.
Eine Reaktion wird danach in einem Lösungsmittel, das ein Reduktionsmittel enthält, bewirkt. Durch diesen Schritt wird das Graphenoxid, das in der Aktivmaterialschicht enthalten ist, zu dem Graphen 204 reduziert. Es sei angemerkt, dass es möglich ist, dass Sauerstoff im Graphenoxid nicht vollständig freigesetzt wird, sondern teilweise im Graphen verbleibt. In dem Fall, in dem das Graphen 204 Sauerstoff enthält, ist der Sauerstoffanteil, gemessen durch XPS, 2% oder mehr und 20% oder weniger, bevorzugt 3% oder mehr und 15% oder weniger des gesamten Graphens. Diese Reduktionsbehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von höher als oder gleich Raumtemperatur und niedriger als oder gleich 150°C durchgeführt.
Beispiele für das Reduktionsmittel sind Ascorbinsäure, Hydrazin, Dimethylhydrazin, Hydrochinon, Natriumborhydrid (NaBH₄), Tetrabutylammoniumbromid (TRAB), LiAlH₄, Ethylenglycol, Polyethylenglycol, N,N-Diethylhydroxylamin und ein Derivat davon.
Ein polares Lösungsmittel kann als Lösungsmittel verwendet werden. Jedes Material kann für das polare Lösungsmittel verwendet werden, solange sich das Reduktionsmittel darin auflösen kann. Zum Beispiel kann Wasser, Methanol, Ethanol, Aceton, Tetrahydrofuran (THF), Dimethylformamid (DMF), N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylsulfoxid (DMSO) oder eine Mischlösung aus zwei oder mehr von ihnen verwendet werden.
Danach werden ein Waschen und ein Trocknen durchgeführt. Das Trocknen wird vorzugsweise in einer Atmosphäre mit verringertem Druck (Vakuumatmosphäre) oder einer Reduktionsatmosphäre durchgeführt. Dieser Trocknungsschritt wird vorzugsweise zum Beispiel im Vakuum bei einer Temperatur von höher als oder gleich 50°C und niedriger als oder gleich 200°C über den Zeitraum von länger als oder gleich 1 Stunde und kürzer als oder gleich 48 Stunden durchgeführt. Das Trocknen ermöglicht Verdampfung, Verflüchtigung oder Entfernung des polaren Lösungsmittels und der Feuchtigkeit in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102. Das Trocknen kann von einer Pressung gefolgt werden.
Es sei angemerkt, dass eine Erwärmung die Reduktionsreaktion erleichtern kann. Nach dem der chemischen Reduktion folgenden Trocknen kann eine weitere Erwärmung durchgeführt werden.
Durch die obigen Schritte kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102, in der das Positivelektrodenaktivmaterial 203 und das Graphen 204 gleichmäßig dispergiert sind, ausgebildet werden. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102, die auf diese Weise ausgebildet wird, weist eine Dicke von größer als oder gleich 20 μm und kleiner als oder gleich 150 μm auf.
Die Elektrolytlösung 108 enthält ein nicht-wässriges Lösungsmittel und einen Elektrolyt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine ionische Flüssigkeit als nicht-wässriges Lösungsmittel verwendet. Ein Lösungsmittel oder ein Mischlösungsmittel aus einer Vielzahl von ionischen Flüssigkeiten kann als ionische Flüssigkeit verwendet werden. Des Weiteren können ein Mischlösungsmittel aus einer ionischen Flüssigkeit und einem organischen Lösungsmittel als nicht-wässriges Lösungsmittel verwendet werden.
Eine ionische Flüssigkeit nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Kation und ein Anion, insbesondere ein organisches Kation und ein Anion. Beispiele für das organische Kation sind aliphatische Oniumkationen, wie z. B. ein quaternäres Ammoniumkation, ein tertiäres Sulfoniumkation und ein quaternäres Phosphoniumkation, und aromatische Kationen, wie z. B. ein Imidazoliumkation und ein Pyridiniumkation. Beispiele für das Anion sind ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion, ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat, Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat und Perfluoralkylphosphat.
Eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G1) dargestellt wird, kann beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 1]
In der allgemeinen Formel (G1) stellen R¹ bis R⁶ getrennt eine Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 20 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine Methoxygruppe, eine Methoxymethylgruppe, eine Methoxyethylgruppe oder ein Wasserstoffatom dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G2) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 2]
In der allgemeinen Formel (G2) stellen R⁷ bis R¹³ getrennt eine Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 20 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine Methoxygruppe, eine Methoxymethylgruppe, eine Methoxyethylgruppe oder ein Wasserstoffatom dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G3) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 3]
In der allgemeinen Formel (G3) sind n und m jeweils größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 3, und α und β sind jeweils größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 6. Wenn n 1 ist, ist α größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4. Wenn n 2 ist, ist α größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5. Wenn n 3 ist, ist α größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 6. Wenn m 1 ist, ist β größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4. Wenn m 2 ist, ist β größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5. Wenn m 3 ist, ist β größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 6. Es sei angemerkt, dass „α oder β ist 0” bedeutet, dass mindestens einer von zwei aliphatischen Ringen unsubstituiert ist. Dabei ist auszuschließen, dass sowohl α als auch β 0 sind. X oder Y ist ein Substituent, wie z. B. eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen.
Die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) enthalten jeweils ein aliphatisches quaternäres Ammoniumkation als Kation.
Beispiele für das Anion, das durch A^– in den allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellt wird, sind ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion (SO₃F^–), ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat (BF₄ ^–), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF₆ ^–) und Perfluoralkylphosphat. Ein Beispiel für ein einwertiges Amidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Amidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂N^–. Ein Beispiel für ein einwertiges Methidanion ist (CnF_2n+1SO₂)₃C^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Methidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂C^–(CF₃SO₂). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonatanion ist (C_mF_2m+1SO₃)^– (m ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4). Ein Beispiel für Perfluoralkylborat ist {BF_n(C_mH_kF_2m+1–k)_4-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Ein Beispiel für Perfluoralkylphosphat ist {PF_n(C_mH_kF_2m+1–k)_6-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Bei der Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die ionische Flüssigkeit ein Stereoisomer einer der durch die allgemeinen Formeln (G1) bis (G3) dargestellten ionischen Flüssigkeiten sein. Isomere sind unterschiedliche Verbindungen mit der gleichen Molekülformel. Stereoisomere sind eine besondere Art von Isomeren, bei denen sich nur die räumliche Orientierung unterscheidet aber die Kupplung von Atomen gleich ist. Der Begriff „Stereoisomere” in dieser Beschreibung und dergleichen umfasst also Enantiomere, geometrische (cis-trans-)Isomere und Diastereomere, welche Isomere sind, die zwei oder mehr chirale Zentren aufweisen und bei denen es sich nicht um Enantiomere handelt.
Wenn die ionische Flüssigkeit einen niedrigen Reduktionswiderstand aufweist und ein Niederpotential-Negativelektrodenmaterial, wie z. B. Graphit oder Silizium, für die negative Elektrode verwendet wird, wird die ionische Flüssigkeit reduziert, was zu einer Erhöhung der irreversiblen Anfangskapazität führt.
Es sei angemerkt, dass eine ionische Flüssigkeit, die ein aliphatisches quaternäres Ammoniumkation enthält, einen hohen Reduktionswiderstand aufweist. Deshalb kann ein Niederpotential-Negativelektrodenmaterial, wie z. B. Graphit oder Silizium, in vorteilhafter Weise verwendet werden. Jedoch gibt es auch in dem Fall, in dem die ionische Flüssigkeit, die ein aliphatisches quaternäres Ammoniumkation enthält, als Elektrolytlösung verwendet wird, noch eine Nachfrage nach einer weiteren Verringerung der irreversiblen Anfangskapazität.
Beim Ausbilden einer Elektrodenpaste für eine Elektrode, die ein wasserlösliches Polymer enthält, werden ein Aktivmaterial und das wasserlösliche Polymer gleichmäßig dispergiert, wodurch das wasserlösliche Polymer eine Oberfläche des Aktivmaterials bedecken kann. Daher kann man eine weitere Unterdrückung einer Zersetzung der Elektrolytlösung erwarten. Im Besonderen kann man in dem Fall, in dem ein Material mit einer geschichteten Struktur, wie z. B. Graphit, verwendet wird, erwarten, dass die Verwendung des wasserlöslichen Polymers verhindern kann, dass das Kation der ionischen Flüssigkeit zwischen Graphitschichten eingelagert wird.
Der im nicht-wässrigen Lösungsmittel gelöste Elektrolyt kann ein Salz sein, das als Ladungsträger dienende Ionen enthält und kompatibel zu der Positivelektrodenaktivmaterialschicht ist. Als Salz kann ein Alkalimetallion oder ein Erdalkalimetallion verwendet werden. Beispiele für das Alkalimetallion sind ein Lithiumion, ein Natriumion und ein Kaliumion. Beispiele für das Erdalkalimetallion sind ein Calciumion, ein Strontiumion, ein Bariumion, ein Berylliumion und ein Magnesiumion. In dem Fall, in dem ein Lithium enthaltendes Material für die Positivelektrodenaktivmaterialschicht verwendet wird, wird vorzugsweise ein Salz, das ein Lithiumion enthält (nachstehend auch als Lithiumsalz bezeichnet), ausgewählt. In dem Fall, in dem ein Natrium enthaltendes Material für die Positivelektrodenaktivmaterialschicht verwendet wird, wird vorzugsweise ein Natrium enthaltender Elektrolyt ausgewählt.
Als Lithiumsalz kann Lithiumchlorid (LiCl), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumfluorborat (LiBF₄), LiAsF₆, LiPF₆, Li(CF₃SO₂)₂N oder dergleichen verwendet werden.
Eine Einführung eines Substituenten in das aliphatische quaternäre Ammoniumkation verringert den Grad an Symmetrie des Moleküls. Dies kann in einigen Fällen einen Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit verringern. Die Verwendung einer Elektrolytlösung, die eine derartige ionische Flüssigkeit enthält, ermöglicht, dass eine Energiespeichervorrichtung auch in einer Umgebung mit niedriger Temperatur gut arbeitet.
Die ionische Flüssigkeit, die als nicht-wässriges Lösungsmittel verwendet werden kann, wird detailliert bei der Ausführungsform 2 beschrieben.
Als Separator kann beispielsweise ein Separator, der unter Verwendung von Papier, Vliesstoff, Glasfasern, Keramik oder Kunstfasern, welche Nylon (Polyamid), Vinylon (auf Polyvinylalkohol basierende Fasern), Polyester, Acryl, Polyolefin oder Polyurethan enthalten, ausgebildet ist, verwendet werden.
Hier stellen 4A und 4B ein Aktivmaterial 601 und ein Bindemittel 602, welches das Aktivmaterial 601 bedeckt, dar. Das inselförmige Bindemittel 602 kann das Aktivmaterial 601 bedecken, wie in 4A gezeigt, oder ein Film des Bindemittels 602 kann eine große Fläche des Aktivmaterials 601 bedecken, wie in 4B gezeigt. Das Bindemittel 602 kann ein poröser Film sein oder ist nicht notwendigerweise ein Film, solange es an der Oberfläche haftet. Das Bindemittel 602, welches das Aktivmaterial 601 bedeckt, kann aus mehreren Materialien ausgebildet sein. Es ist bevorzugt, dass das Bindemittel 602 beispielsweise ein wasserlösliches Polymer enthält. Ein Beispiel für das wasserlösliche Polymer ist ein Cellulosederivat, wie z. B. Carboxymethylcellulose.
5A stellt Ionen in der Nähe einer Oberfläche des Aktivmaterials 601 dar, nämlich ein Kation 603 der ionischen Flüssigkeit, ein Anion 604 der ionischen Flüssigkeit und ein Kation 605, das zu einer Batteriereaktion beiträgt. Das Kation 605 ist hier ein Alkalimetallion oder ein Erdalkalimetallion. Das Alkalimetallion kann aus den oben genannten Alkalimetallionen ausgewählt werden. Das Erdalkalimetallion kann aus den oben genannten Erdalkalimetallionen ausgewählt werden. Das Anion 604 ist an das Kation 605 koordiniert. Das Anion 604 der ionischen Flüssigkeit wird an der Oberfläche des Aktivmaterials 601 von dem Kation 605 abgetrennt, so dass eine Batteriereaktion zwischen dem Kation 605 und dem Aktivmaterial auftritt. In dem Fall, in dem die Batteriereaktion bei einem niedrigen Potential auftritt, wird zum diesen Zeitpunkt das abgetrennte Anion 604 der ionischen Flüssigkeit an der Oberfläche des Aktivmaterials 601 zersetzt.
Da das Kation 603 der ionischen Flüssigkeit selbst eine elektrische Ladung hat, wird davon ausgegangen, dass das Kation 603 leicht die Oberfläche des Aktivmaterials erreicht und mit ihr reagiert. In diesem Fall wird ebenfalls das Kation 603 der ionischen Flüssigkeit an der Oberfläche des Aktivmaterials 601 zersetzt, wenn die Batteriereaktion bei einem niedrigen Potential auftritt. Die Zersetzung des Anions 604 und des Kations 603 der ionischen Flüssigkeit erzeugt eine irreversible Anfangskapazität der Batterie. Überdies werden zersetzte Stoffe vermutlich abgeschieden, um einen Beschichtungsfilm an der Oberfläche auszubilden. Der Beschichtungsfilm bezeichnet einen Film, der eine Oberfläche eines Aktivmaterials bedeckt und durch Abscheidung der zersetzten Stoffe einer Elektrolytlösung oder dergleichen ausgebildet wird. Der Beschichtungsfilm kann ein Bindemittel enthalten.
In 5B ist eine Oberfläche des Aktivmaterials 601 mit dem Bindemittel 602 bedeckt. In diesem Fall ist wahrscheinlich, dass dann, wenn das Bindemittel 602 dick oder dicht genug ist, um als Passivierungsfilm zu dienen, verhindert wird, dass das Kation 603 der ionischen Flüssigkeit und das Anion 604 der ionischen Flüssigkeit mit der Oberfläche des Aktivmaterials 601 reagieren. Es ist bevorzugt, dass das Bindemittel 602 das Kation 605, das zur Batteriereaktion beiträgt, leiten kann, während es verhindert, dass das Kation 603 der ionischen Flüssigkeit und das Anion 604 der ionischen Flüssigkeit mit der Oberfläche des Aktivmaterials 601 reagieren.
In 6A und 6B, welche konkrete Beispiele für 5A und 5B sind, werden Graphit und ein Lithiumion als das Aktivmaterial 601 bzw. das Kation 605, das zur Batteriereaktion beiträgt, verwendet. In 6A wird das Anion 604 der ionischen Flüssigkeit, welches an das Kation 605, d. h. das Lithiumion, koordiniert ist, an der Oberfläche des Aktivmaterials 601 abgetrennt und zersetzt. Das Kation 605, d. h. das Lithiumion, wird zwischen Graphitschichten eingelagert. Das Kation 603 der ionischen Flüssigkeit könnte zwischen Graphitschichten eingelagert werden, in welchem Falle es eine Möglichkeit gibt, dass eine Graphitschicht abgetrennt wird, wie in 6A gezeigt.
In 6B ist die Oberfläche des Aktivmaterials 601, d. h. Graphit, mit dem Bindemittel 602 bedeckt. Man kann erwarten, dass die Einlagerung des Kations 603 der ionischen Flüssigkeit in einem mit dem Bindemittel 602 bedeckten Bereich unterdrückt wird.
Bei der Energiespeichervorrichtung 100 in 1A dienen der Positivelektrodenstromkollektor 101 und der Negativelektrodenstromkollektor 104 auch als Anschlüsse für einen elektrischen Kontakt mit einem äußeren Abschnitt. Aus diesem Grund können der Positivelektrodenstromkollektor 101 und der Negativelektrodenstromkollektor 104 derart angeordnet sein, dass sie teilweise außerhalb des Außenteils 109 existieren und freigelegt sind. Alternativ kann eine Anschlusselektrode (lead electrode) durch Ultraschallschweißen an dem Positivelektrodenstromkollektor 101 oder dem Negativelektrodenstromkollektor 104 befestigt werden, so dass statt des Positivelektrodenstromkollektors 101 und des Negativelektrodenstromkollektors 104 die Anschlusselektrode außerhalb des Außenteils 109 existiert und freigelegt ist.
Als das Außenteil 109 der Energiespeichervorrichtung 100 kann beispielsweise ein laminierter Film mit einer dreischichtigen Struktur verwendet werden, bei der ein hochflexibler dünner Metallfilm aus Aluminium, Edelstahl, Kupfer, Nickel oder dergleichen über einem Film aus einem Material, wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Ionomer oder Polyamid, angeordnet ist und bei der ein isolierender Kunstharzfilm aus einem auf Polyamid basierenden Harz, einem auf Polyester basierenden Harz oder dergleichen als Außenfläche des Außenteils über dem dünnen Metallfilm angeordnet ist.
1B zeigt ein Beispiel für eine Querschnittsstruktur der Energiespeichervorrichtung 100. Obwohl der Einfachheit halber nur zwei Stromkollektoren in 1A dargestellt sind, umfasst eine reale Energiespeichervorrichtung drei oder mehr Elektrodenschichten.
Das Beispiel in 1B umfasst 16 Elektrodenschichten. Die Energiespeichervorrichtung 100 weist Flexibilität auf, auch wenn sie die 16 Elektrodenschichten umfasst. 1B stellt eine Struktur dar, die 8 Negativelektrodenstromkollektoren 104 und 8 Positivelektrodenstromkollektoren 101, insgesamt 16 Stromkollektoren umfasst. Es sei angemerkt, dass 1B einen Querschnitt eines Anschlussabschnitts (lead portion) der negativen Elektrode darstellt, und die 8 Negativelektrodenstromkollektoren 104 sind durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Es ist unnötig zu erwähnen, dass die Anzahl der Elektrodenschichten nicht auf 16 beschränkt ist und größer als 16 oder kleiner als 16 sein kann. Im Fall einer großen Anzahl von Elektrodenschichten kann die Energiespeichervorrichtung eine hohe Kapazität aufweisen. Andererseits kann im Fall einer kleinen Anzahl von Elektrodenschichten die Energiespeichervorrichtung eine kleine Dicke und eine hohe Flexibilität aufweisen.
26 und 27 zeigen jeweils ein Beispiel für eine Außenansicht der Energiespeichervorrichtung 100, die eine laminierte Speicherbatterie ist. In 26 und 27 sind die positive Elektrode 103, die negative Elektrode 106, der Separator 107, das Außenteil 109, eine Positivelektrodenleitung 510 und eine Negativelektrodenleitung 511 dargestellt.
28A zeigt Außenansichten der positiven Elektrode 103 und der negativen Elektrode 106. Die positive Elektrode 103 beinhaltet den Positivelektrodenstromkollektor 101, und die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 102 ist an einer Oberfläche des Positivelektrodenstromkollektors 101 ausgebildet. Die positive Elektrode 103 umfasst einen Bereich, in dem ein Teil des Positivelektrodenstromkollektors freigelegt ist (nachstehend wird der Bereich als Etikettbereich (tab region) bezeichnet). Die negative Elektrode 106 beinhaltet den Negativelektrodenstromkollektor 104, und die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 105 ist an einer Oberfläche des Negativelektrodenstromkollektors 104 ausgebildet. Die negative Elektrode 106 umfasst einen Bereich, in dem ein Teil des Negativelektrodenstromkollektors freigelegt ist, d. h. einen Etikettbereich. Es sind die Flächen und die Formen der Etikettbereiche in der positiven Elektrode und der negativen Elektrode nicht auf diejenigen, die in 28A dargestellt sind, beschränkt.
[Verfahren zum Herstellen der laminierten Speicherbatterie]
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Herstellen der laminierten Speicherbatterie, deren Außenansicht in 26 gezeigt ist, wird anhand von 28B und 28C beschrieben.
Zuerst werden die negative Elektrode 106, der Separator 107 und die positive Elektrode 103 gestapelt. 28B stellt den Stapel dar, der die negative Elektrode 106, den Separator 107 und die positive Elektrode 103 umfasst. Im hier gezeigten Beispiel werden 5 negative Elektroden und 4 positive Elektroden verwendet. Die Etikettbereiche der positiven Elektroden 103 werden dann miteinander verbunden, und die Positivelektrodenleitung 510 wird an dem Etikettbereich der auf der äußersten Oberfläche liegenden positiven Elektrode befestigt. Das Verbinden kann beispielsweise durch Ultraschallschweißen durchgeführt werden. Auf ähnliche Weise werden die Etikettbereiche der negativen Elektroden 106 miteinander verbunden, und die Negativelektrodenleitung 511 wird an dem Etikettbereich der auf der äußersten Oberfläche liegenden negativen Elektrode befestigt.
Anschließend werden die negative Elektrode 106, der Separator 107 und die positive Elektrode 103 über dem Außenteil 109 angeordnet.
Das Außenteil 109 wird dann entlang der gestrichelten Linie zugeklappt, wie in 28C gezeigt. Danach werden Außenkanten des Außenteils 109 miteinander verbunden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Thermokompression durchgeführt werden. Dabei bleibt ein Teil (oder eine Kante) des Außenteils 109 nicht verbunden (um einen Einlass bereitzustellen), so dass die Elektrolytlösung 108 später eingespritzt werden kann.
Anschließend wird die Elektrolytlösung 108 durch den Einlass des Außenteils 109 in das Außenteil 109 eingespritzt. Die Elektrolytlösung 108 wird vorzugsweise in einer Atmosphäre mit verringertem Druck oder in einer Inertgasatmosphäre eingespritzt. Schließlich wird der Einlass durch Verbinden geschlossen. Auf diese Weise kann die Energiespeichervorrichtung 100, die eine laminierte Speicherbatterie ist, hergestellt werden.
[Knopfzellen-Speicherbatterie]
Als nächstes wird eine Knopfzellen-Speicherbatterie als weiteres Beispiel für die Energiespeichervorrichtung anhand von 2A bis 2C beschrieben. 2A zeigt eine Außenansicht der Knopfzellen-Speicherbatterie und 2B zeigt deren Querschnittsansicht.
Bei einer Energiespeichervorrichtung 300 in 2A, die eine Knopfzellen-Speicherbatterie ist, sind eine Positivelektrodendose 301, die auch als Positivelektrodenanschluss dient, und eine Negativelektrodendose 302, die auch als Negativelektrodenanschluss dient, durch eine Dichtung 303, die aus Polypropylen oder dergleichen ausgebildet ist, voneinander isoliert und abgedichtet. Eine positive Elektrode 304 beinhaltet einen Positivelektrodenstromkollektor 305 und eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 306, die in Kontakt mit dem Positivelektrodenstromkollektor 305 angeordnet ist. Eine negative Elektrode 307 beinhaltet einen Negativelektrodenstromkollektor 308 und eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 309, die in Kontakt mit dem Negativelektrodenstromkollektor 308 angeordnet ist. Ein Separator 310 und eine Elektrolytlösung (nicht abgebildet) sind zwischen der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 306 und der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 309 angeordnet.
Die positive Elektrode 304, die negative Elektrode 307 und der Separator 310 in 2A und 2B können die anhand von 1A und 1B beschriebenen Strukturen haben.
Ein Metall mit Korrosionsbeständigkeit, wie z. B. Edelstahl, Eisen, Nickel, Aluminium oder Titan, kann für die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 verwendet werden. Die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 sind elektrisch mit der positiven Elektrode 304 bzw. der negativen Elektrode 307 verbunden.
Die positive Elektrode 304, die negative Elektrode 307 und der Separator 310 werden in die Elektrolytlösung eingetaucht. Wie in 2B gezeigt ist, werden dann die Positivelektrodendose 301, die positive Elektrode 304, der Separator 310, die negative Elektrode 307 und die Negativelektrodendose 302 in dieser Reihenfolge derart gestapelt, dass die Positivelektrodendose 301 am unteren Ende liegt. Die Positivelektrodendose 301 und die Negativelektrodendose 302 werden unter Druck verbunden, wobei die Dichtung 303 dazwischen liegt. Auf diese Weise wird die Knopfzellen-Speicherbatterie hergestellt.
Ein Stromfluss beim Aufladen einer Batterie wird nun anhand von 2C beschrieben. Wenn eine Batterie, bei der Lithium verwendet wird, als geschlossene Schaltung angesehen wird, treten die Bewegung von Lithiumionen und ein Stromfluss in die gleiche Richtung auf. Es sei angemerkt, dass zwischen Aufladen und Entladen der Batterie, bei der Lithium verwendet wird, die Rollen einer Anode und einer Kathode umgeschaltet werden und dass eine Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion auf den Seiten der entsprechenden Elektroden stattfinden. Deshalb wird eine Elektrode mit einem hohen Redoxpotential eine positive Elektrode genannt, und eine Elektrode mit einem niedrigen Redoxpotential wird eine negative Elektrode genannt. Aus diesem Grund werden die positive Elektrode und die negative Elektrode in dieser Beschreibung als „positive Elektrode” bzw. „negative Elektrode” in allen Fällen bezeichnet, in denen ein Aufladen durchgeführt wird, ein Entladen durchgeführt wird, ein Rückimpulsstrom zugeführt wird und ein Ladestrom zugeführt wird. Es könnte die Verwendung der Begriffe „Anode” und „Kathode”, welche sich auf eine Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion beziehen, eine Verwechselung verursachen, da die Rollen der Anode und der Kathode zwischen Aufladen und Entladen umgeschaltet werden. Deshalb werden die Begriffe „Anode” und „Kathode” in dieser Beschreibung nicht verwendet. Wenn der Begriff „Anode” oder „Kathode” verwendet würde, sollte erwähnt werden, ob es sich um ein Aufladen oder ein Entladen handelt und welcher Elektrode (der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode) die Anode oder die Kathode entspricht.
Zwei Anschlüsse in 2C werden an ein Ladegerät angeschlossen, und eine Speicherbatterie 400 wird aufgeladen. Wenn das Laden der Speicherbatterie 400 weitergeht, vergrößert sich ein Potentialunterschied zwischen Elektroden. Die positive Richtung in 2C entspricht der Richtung, in die ein Strom von einem externen Anschluss der Speicherbatterie 400 zu einer positiven Elektrode 402 fließt, in die er von der positiven Elektrode 402 zu einer negativen Elektrode 404 in der Speicherbatterie 400 fließt und in die er von der negativen Elektrode 404 zum anderen externen Anschluss der Speicherbatterie 400 fließt. Mit anderen Worten: ein Strom fließt in die Richtung eines Flusses eines Ladestroms. Die Speicherbatterie 400 ist mit einer Elektrolytlösung 406 gefüllt. Die Speicherbatterie 400 beinhaltet auch einen Separator 408 zwischen der positiven Elektrode 402 und der negativen Elektrode 404.
[Zylindrische Speicherbatterie]
Als nächstes wird ein Beispiel für eine zylindrische Speicherbatterie anhand von 3A und 3B beschrieben. Wie in 3A gezeigt ist, ist eine Energiespeichervorrichtung 700 eine zylindrische Speicherbatterie und beinhaltet eine Positivelektrodenkappe (Batteriedeckel) 701 an der nach oben weisenden Oberfläche und eine Batteriedose (Außendose) 702 an der seitlichen Oberfläche und der nach unten weisenden Oberfläche. Die Positivelektrodenkappe 701 und die Batteriedose 702 sind durch eine Dichtung (Isolierdichtung) 710 voneinander isoliert.
3B zeigt schematisch einen Querschnitt der zylindrischen Speicherbatterie. Innerhalb der Batteriedose 702 mit einer hohlen zylindrischen Form ist ein Batterieelement angeordnet, in dem eine streifenförmige positive Elektrode 704 und eine streifenförmige negative Elektrode 706 aufgewickelt sind, wobei ein streifenförmiger Separator 705 dazwischen liegt. Obwohl es nicht abgebildet wird, ist das Batterieelement um einen zentralen Stift gewickelt. Ein Ende der Batteriedose 702 ist geschlossen und das andere Ende ist offen. Für die Batteriedose 702 kann ein Metall mit Korrosionsbeständigkeit gegen eine Elektrolytlösung, wie z. B. Nickel, Aluminium oder Titan, eine Legierung solcher Metalle oder eine Legierung eines solchen Metalls und eines anderen Metalls (z. B. Edelstahl) verwendet werden. Alternativ ist die Batteriedose 702 vorzugsweise mit Nickel, Aluminium oder dergleichen beschichtet, um Korrosion infolge der Elektrolytlösung zu verhindern. Innerhalb der Batteriedose 702 liegt das Batterieelement, in dem die positive Elektrode, die negative Elektrode und der Separator aufgewickelt sind, zwischen einem Paar von Isolierplatten 708 und 709, die einander gegenüberstehen. Ferner ist die Batteriedose 702, die das Batterieelement beinhaltet, mit einer nicht-wässrigen Elektrolytlösung (nicht abgebildet) gefüllt. Als nicht-wässrige Elektrolytlösung kann eine nicht-wässrige Elektrolytlösung, die derjenigen der Knopfzellen-Speicherbatterie ähnlich ist, verwendet werden.
Obwohl die positive Elektrode 704 und die negative Elektrode 706 auf eine Weise, die derjenigen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der oben beschriebenen Knopfzellen-Speicherbatterie ähnlich ist, ausgebildet werden können, liegt der Unterschied darin, dass, da die positive Elektrode und die negative Elektrode der zylindrischen Speicherbatterie aufgewickelt sind, Aktivmaterialien an beiden Seiten der Stromkollektoren ausgebildet sind. Ein Positivelektrodenanschluss (Positivelektroden-Stromsammelleitung) 703 ist mit der positiven Elektrode 704 verbunden, und ein Negativelektrodenanschluss (Negativelektroden-Stromsammelleitung) 707 ist mit der negativen Elektrode 706 verbunden. Sowohl der Positivelektrodenanschluss 703 als auch der Negativelektrodenanschluss 707 können unter Verwendung eines Metallmaterials, wie z. B. Aluminium, ausgebildet sein. Der Positivelektrodenanschluss 703 und der Negativelektrodenanschluss 707 sind an einem Sicherheitsventilmechanismus 712 bzw. am Boden der Batteriedose 702 Widerstands-geschweißt. Der Sicherheitsventilmechanismus 712 ist über ein positives Temperaturkoeffizienten-(positive temperature coefficient, PTC-)Element 711 elektrisch mit der Positivelektrodenkappe 701 verbunden. Der Sicherheitsventilmechanismus 712 trennt die elektrische Verbindung zwischen der Positivelektrodenkappe 701 und der positiven Elektrode 704, wenn der Innendruck der Batterie einen vorbestimmten Schwellenwert übertrifft. Das PTC-Element 711 ist ein wärmeempfindlicher Widerstand, dessen Widerstand sich mit einem Temperaturanstieg erhöht, und beschränkt die Menge an Strom durch die Zunahme des Widerstands, um eine abnormale Wärmeerzeugung zu verhindern. Es kann auf Bariumtitanat (BaTiO₃) basierende Halbleiterkeramik oder dergleichen für das PTC-Element verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform die laminierte Speicherbatterie, die Knopfzellen-Speicherbatterie und die zylindrische Speicherbatterie als Beispiele für die Energiespeichervorrichtung angeführt werden; jedoch können Speicherbatterien mit verschiedenen Formen, wie z. B. eine verschlossene Speicherbatterie und eine quadratische Speicherbatterie, verwendet werden. Außerdem kann eine Struktur zum Einsatz kommen, bei der eine Vielzahl von positiven Elektroden, eine Vielzahl von negativen Elektroden und eine Vielzahl von Separatoren gestapelt oder aufgewickelt sind.
Für die negative Elektrode jeder der Energiespeichervorrichtungen 100, 300 und 700, welche bei dieser Ausführungsform beschrieben werden, wird die Negativelektrodenaktivmaterialschicht nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Somit kann die Entladekapazität der Energiespeichervorrichtungen 100, 300 und 700 erhöht werden.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
(Ausführungsform 2)
Bei dieser Ausführungsform wird eine ionische Flüssigkeit, die als Elektrolytlösung der Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, detailliert beschrieben.
Die ionische Flüssigkeit, die als Elektrolytlösung verwendet werden kann, besteht aus einem organischen Kation und einem Anion.
Beispiele für das organische Kation sind aliphatische Oniumkationen, wie z. B. ein quaternäres Ammoniumkation, ein tertiäres Sulfoniumkation und ein quaternäres Phosphoniumkation, und aromatische Kationen, wie z. B. ein Imidazoliumkation und ein Pyridiniumkation.
Beispiele für das Anion sind ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion, ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat, Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat und Perfluoralkylphosphat.
Als ionische Flüssigkeit kann das Folgende verwendet werden.
Als ionische Flüssigkeit kann beispielsweise eine ionische Flüssigkeit, die aus einem quaternären Ammoniumkation und einem einwertigen Anion besteht und durch die folgende allgemeine Formel (G1) dargestellt wird, verwendet werden. [Chemische Formel 4]
In der allgemeinen Formel (G1) stellen R¹ bis R⁶ getrennt eine Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 20 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine Methoxygruppe, eine Methoxymethylgruppe, eine Methoxyethylgruppe oder ein Wasserstoffatom dar.
Als ionische Flüssigkeit kann beispielsweise eine ionische Flüssigkeit, die aus einem quaternären Ammoniumkation und einem einwertigen Anion besteht und durch die folgende allgemeine Formel (G2) dargestellt wird, verwendet werden. [Chemische Formel 5]
In der allgemeinen Formel (G2) stellen R⁷ bis R¹³ getrennt eine Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 20 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine Methoxygruppe, eine Methoxymethylgruppe, eine Methoxyethylgruppe oder ein Wasserstoffatom dar.
Als ionische Flüssigkeit kann beispielsweise eine ionische Flüssigkeit, die aus einem quaternären Ammoniumkation und einem einwertigen Anion besteht und durch die folgende allgemeine Formel (G3) dargestellt wird, verwendet werden. [Chemische Formel 6]
In der allgemeinen Formel (G3) sind n und m jeweils größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 3, und α und β sind jeweils größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 6. Wenn n 1 ist, ist α größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4. Wenn n 2 ist, ist α größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5. Wenn n 3 ist, ist α größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 6. Wenn m 1 ist, ist β größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4. Wenn m 2 ist, ist β größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5. Wenn m 3 ist, ist β größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 6. Es sei angemerkt, dass „α oder ß ist 0” bedeutet, dass mindestens einer von zwei aliphatischen Ringen unsubstituiert ist. Dabei ist auszuschließen, dass sowohl α als auch β 0 sind. X oder Y ist ein Substituent, wie z. B. eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen. Zusätzlich stellt A^– ein einwertiges Amidanion, ein einwertiges Methidanion, ein Fluorsulfonatanion, ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat, Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat oder Perfluoralkylphosphat dar.
Bei einem quaternären Spiro-Ammoniumkation sind zwei aliphatische Ringe, die einen Spiro-Ring bilden, jeweils ein fünfgliedriger Ring, ein sechsgliedriger Ring oder ein siebengliedriger Ring.
Als Beispiel für das quaternäre Ammoniumkation, das in der allgemeinen Formel (G3) dargestellt ist, kann ein quaternäres Ammoniumkation mit einem Spiro-Ring, der einen fünfgliedrigen Ring aufweist, genannt werden. Eine ionische Flüssigkeit, die das quaternäre Ammoniumkation enthält, wird durch die folgende allgemeine Formel (G4) dargestellt. [Chemische Formel 7]
In der allgemeinen Formel (G4) stellen R¹⁴ bis R²¹ getrennt ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G5) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 8]
In der allgemeinen Formel (G5) stellen R²² bis R³⁰ getrennt ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G6) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 9]
In der allgemeinen Formel (G6) stellen R³¹ bis R⁴⁰ getrennt ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G7) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 10]
In der allgemeinen Formel (G7) stellen R⁴¹ bis R⁵⁰ getrennt ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G8) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 11]
In der allgemeinen Formel (G8) stellen R⁵¹ bis R⁶¹ getrennt ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen dar.
Zusätzlich kann eine ionische Flüssigkeit, die durch die folgende allgemeine Formel (G9) dargestellt wird, beispielsweise verwendet werden. [Chemische Formel 12]
In der allgemeinen Formel (G9) stellen R⁶² bis R⁷³ getrennt ein Wasserstoffatom, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen, eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxygruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige oder Seitenketten-Alkoxyalkylgruppe mit 1 oder mehr und 4 oder weniger Kohlenstoffatomen dar.
Beispiele für das Anion in den allgemeinen Formeln (G1) bis (G9) sind ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion (SO₃F^–), ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat (BF₄ ^–), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF₆ ^–) und Perfluoralkylphosphat. Ein Beispiel für ein einwertiges Amidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Amidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂N^–. Ein Beispiel für ein einwertiges Methidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₃C^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Methidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂C^–(CF₃SO₂).
Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonatanion ist (C_mF_2m+1SO₃)^– (m ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4). Ein Beispiel für Perfluoralkylborat ist {BF_n(C_mH_kF_2m+1-k)_4-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Ein Beispiel für Perfluoralkylphosphat ist {PF_n(C_mH_kF_2m+1-k)_6-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Konkrete Beispiele für die ionische Flüssigkeit sind organische Verbindungen, die durch Strukturformeln (101) bis (120), Strukturformeln (201) bis (230), Strukturformeln (301) bis (327), Strukturformeln (401) bis (457), Strukturformeln (501) bis (605) und Strukturformeln (701) bis (709) dargestellt werden.
Auf Pyrrolidinium basierende ionische Flüssigkeiten werden durch Strukturformeln (101) bis (120) dargestellt. [Chemische Formeln 13]
Auf Piperidinium basierende ionische Flüssigkeiten werden durch Strukturformeln (201) bis (230) dargestellt. [Chemische Formeln 14]
[Chemische Formeln 15]
Auf quaternärem Spiro-Ammonium basierende ionische Flüssigkeiten werden durch Strukturformeln (301) bis (327), Strukturformeln (401) bis (457), Strukturformeln (501) bis (605) und Strukturformeln (701) bis (709) dargestellt. [Chemische Formeln 16]
[Chemische Formeln 17]
[Chemische Formeln 18]
[Chemische Formeln 19]
[Chemische Formeln 20]
[Chemische Formeln 21]
[Chemische Formeln 22]
[Chemische Formeln 23]
[Chemische Formeln 24]
[Chemische Formeln 25]
[Chemische Formeln 26]
[Chemische Formeln 27]
[Chemische Formeln 28]
[Chemische Formeln 29]
[Chemische Formeln 30]
[Chemische Formeln 31]
[Chemische Formeln 32]
[Chemische Formeln 33]
[Chemische Formeln 34]
Beispiele für das Anion in Strukturformeln (101) bis (120), Strukturformeln (201) bis (230), Strukturformeln (301) bis (327), Strukturformeln (401) bis (457), Strukturformeln (501) bis (605) und Strukturformeln (701) bis (709) sind ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion (SO₃F^–), ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat (BF₄ ^–), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF₆ ^–) und Perfluoralkylphosphat. Ein Beispiel für ein einwertiges Amidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Amidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂N^–. Ein Beispiel für ein einwertiges Methidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₃C^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Methidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂C^–(CF₃SO₂). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonatanion ist (C_mF_2m+1SO₃)^– (m ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4). Ein Beispiel für Perfluoralkylborat ist {BF_n(C_mH_kF_2m+1–k)_4-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Ein Beispiel für Perfluoralkylphosphat ist {PF_n(C_mH_kF_2m+1–k)_6-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Bei der Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die ionische Flüssigkeit ein Stereoisomer einer der durch Strukturformeln (101) bis (120), Strukturformeln (201) bis (230), Strukturformeln (301) bis (327), Strukturformeln (401) bis (457), Strukturformeln (501) bis (605) und Strukturformeln (701) bis (709) dargestellten ionischen Flüssigkeiten sein. Isomere sind unterschiedliche Verbindungen mit der gleichen Molekülformel. Stereoisomere sind eine besondere Art von Isomeren, bei denen sich nur die räumliche Orientierung unterscheidet aber die Kupplung von Atomen gleich ist. Der Begriff „Stereoisomere” in dieser Beschreibung und dergleichen umfasst also Enantiomere, geometrische (cis-trans-)Isomere und Diastereomere, welche Isomere sind, die zwei oder mehr chirale Zentren aufweisen und bei denen es sich nicht um Enantiomere handelt.
Als ionische Flüssigkeit kann beispielsweise eine ionische Flüssigkeit, die aus einem aromatischen Kation und einem einwertigen Anion besteht, verwendet werden. Beispiele für das aromatische Kation sind ein Imidazoliumkation und ein Pyridiniumkation. Beispiele für das einwertige Anion sind ein einwertiges auf Amid basierendes Anion, ein einwertiges auf Methid basierendes Anion, ein Fluorsulfonatanion (SO₃F^–), ein Perfluoralkylsulfonatanion, Tetrafluorborat (BF₄ ^–), Perfluoralkylborat, Hexafluorphosphat (PF₆ ^–) und Perfluoralkylphosphat. Ein Beispiel für ein einwertiges Amidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Amidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂N^–. Ein Beispiel für ein einwertiges Methidanion ist (C_nF_2n+1SO₂)₃C^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3). Ein Beispiel für ein einwertiges cyclisches Methidanion ist CF₂(CF₂SO₂)₂C^–(CF₃SO₂). Ein Beispiel für das Perfluoralkylsulfonatanion ist (C_mF_2m+1SO₃)^– (m ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 4). Ein Beispiel für Perfluoralkylborat ist {BF_n(C_mH_kF_2m+1–k)_4-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Ein Beispiel für Perfluoralkylphosphat ist {PF_n(C_mH_kF_2m+1–k)_6-n}^– (n ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 5, m ist größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich 4, und k ist größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 2m). Es sei angemerkt, dass das Anion nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Wenn die ionische Flüssigkeit einen niedrigen Reduktionswiderstand aufweist und ein Niederpotential-Negativelektrodenmaterial, wie z. B. Graphit oder Silizium, für die negative Elektrode verwendet wird, wird die ionische Flüssigkeit reduziert, was zu einer Erhöhung der irreversiblen Anfangskapazität führt. Eine ionische Flüssigkeit, die ein aliphatisches quaternäres Ammoniumkation enthält, weist einen hohen Reduktionswiderstand auf. Deshalb kann ein Niederpotential-Negativelektrodenmaterial, wie z. B. Graphit oder Silizium, in vorteilhafter Weise verwendet werden. Jedoch gibt es auch in dem Fall, in dem das aliphatische quaternäre Ammoniumkation für die ionische Flüssigkeit verwendet wird, noch eine Nachfrage nach einer weiteren Verringerung der irreversiblen Anfangskapazität.
Beim Ausbilden einer Elektrodenpaste für eine Elektrode, die ein wasserlösliches Polymer enthält, können ein Aktivmaterial und das wasserlösliche Polymer gleichmäßig dispergiert werden. Dabei können das wasserlösliche Polymer und (gegebenenfalls) ein weiteres Bindemittel eine Oberfläche des Aktivmaterials bedecken. Daher kann man eine weitere Unterdrückung einer Zersetzung der Elektrolytlösung erwarten. Im Besonderen kann man in dem Fall, in dem ein Material mit einer geschichteten Struktur, wie z. B. Graphit, verwendet wird, erwarten, dass die Verwendung des wasserlöslichen Polymers verhindern kann, dass das Kation der ionischen Flüssigkeit zwischen Graphitschichten eingelagert wird.
Wie in Strukturformeln (101) bis (120), Strukturformeln (201) bis (230), Strukturformeln (301) bis (327), Strukturformeln (401) bis (457) und Strukturformeln (501) bis (605) gezeigt ist, kann eine Einführung eines Substituenten in das quaternäre Ammoniumkation den Grad an Symmetrie des Moleküls verringern. Dies verringert den Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit. Eine Einführung einer Methylgruppe in ein Pyrrolidin-Gerüst verringert beispielsweise den Schmelzpunkt auf –10°C oder niedriger, bevorzugt –30°C oder niedriger. Bei einer Temperatur, die niedriger als oder gleich dem Schmelzpunkt der ionischen Flüssigkeit ist, kann eine Zunahme des Widerstands infolge einer Erstarrung der ionischen Flüssigkeit unterdrückt werden. Die Verwendung einer Elektrolytlösung, die eine derartige ionische Flüssigkeit enthält, ermöglicht, dass eine Energiespeichervorrichtung auch in einer Umgebung mit niedriger Temperatur gut arbeitet.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
(Ausführungsform 3)
Bei dieser Ausführungsform werden Beispiele für ein elektronisches Gerät, das die bei der Ausführungsform 1 beschriebene laminierte Speicherbatterie als flexible laminierte Speicherbatterie beinhaltet, anhand von 17A bis 17E beschrieben. Beispiele für das elektronische Gerät, das eine flexible Energiespeichervorrichtung beinhaltet, sind Fernsehgeräte (auch als Fernseher oder Fernsehempfänger bezeichnet), Monitore von Computern oder dergleichen, Kameras, wie z. B. Digitalkameras oder Digitalvideokameras, digitale Fotorahmen, Mobiltelefone (auch als Handys oder Mobiltelefonvorrichtungen bezeichnet), tragbare Spielkonsolen, tragbare Informationsendgeräte, Audiowiedergabevorrichtungen und große Spielautomaten, wie z. B. Flipperautomaten.
Außerdem kann die flexible Energiespeichervorrichtung entlang einer gekrümmten Innenwandoberfläche/Außenwandoberfläche eines Hauses oder eines Gebäudes oder einer gekrümmten Oberfläche einer Innenausstattung/Außenausstattung eines Autos eingebaut werden.
17A zeigt ein Beispiel für ein Mobiltelefon. Ein Mobiltelefon 7400 ist mit einem Anzeigeabschnitt 7402, der in einem Gehäuse 7401 eingebaut ist, einem Bedienungsknopf 7403, einem externen Verbindungsanschluss 7404, einem Lautsprecher 7405, einem Mikrofon 7406 und dergleichen versehen. Es sei angemerkt, dass das Mobiltelefon 7400 eine Energiespeichervorrichtung 7407 beinhaltet.
Das Mobiltelefon 7400, das in 17B dargestellt ist, ist gebogen. Wenn das ganze Mobiltelefon 7400 durch äußere Kraft gebogen wird, wird auch die Energiespeichervorrichtung 7407 in dem Mobiltelefon 7400 gebogen. 17C stellt die gebogene Energiespeichervorrichtung 7407 dar. Es handelt sich bei der Energiespeichervorrichtung 7407 um eine laminierte Speicherbatterie.
17D zeigt ein Beispiel für ein Armband mit einer Anzeigevorrichtung. Eine tragbare Anzeigevorrichtung 7100 weist ein Gehäuse 7101, einen Anzeigeabschnitt 7102, einen Bedienungsknopf 7103 und eine Energiespeichervorrichtung 7104 auf. 17E stellt die gebogene Energiespeichervorrichtung 7104 dar.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
(Ausführungsform 4)
Strukturbeispiele für ein Energiespeichersystem werden anhand von 21A, 21B, 22A1, 22A2, 22B1, 22B2, 23A, 23B, 24A, 24B und 25 beschrieben.
21A und 21B zeigen Außenansichten eines Energiespeichersystems. Das Energiespeichersystem umfasst eine Leiterplatte 900 und eine Energiespeichervorrichtung 913. Ein Etikett 910 haftet an der Energiespeichervorrichtung 913. Wie in 21B gezeigt, umfasst das Energiespeichersystem weiter einen Anschluss 951, einen Anschluss 952 sowie eine Antenne 914 und eine Antenne 915, welche hinter dem Etikett 910 angeordnet sind.
Die Leiterplatte 900 weist Anschlüsse 911 und eine Schaltung 912 auf. Die Anschlüsse 911 sind mit den Anschlüssen 951 und 952, den Antennen 914 und 915 und der Schaltung 912 verbunden. Es sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Anschlüssen 911, die als Steuersignal-Eingangsanschluss, Energieversorgungsanschluss und dergleichen dienen, bereitgestellt sein kann.
Die Schaltung 912 kann auf der Rückseite der Leiterplatte 900 angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass die Form der Antennen 914 und 915 nicht auf die Form einer Spule beschränkt ist und beispielsweise eine lineare Form oder eine Plattenform sein kann. Darüber hinaus kann eine planare Antenne, eine Peilantenne, eine Wanderwellenantenne (traveling-wave antenna), eine EH-Antenne, eine magnetische Feld-Antenne (magnetic-field antenna), eine dielektrische Antenne oder dergleichen verwendet werden. Alternativ kann die Antenne 914 oder die Antenne 915 ein flacher Leiter sein. Der flache Leiter kann als einer von Leitern für elektrische Feldkopplung dienen. Das heißt, dass die Antenne 914 oder die Antenne 915 als einer von zwei Leitern eines Kondensators dienen kann. Elektrische Energie kann daher nicht nur durch ein elektromagnetisches Feld oder ein magnetisches Feld, sondern auch durch ein elektrisches Feld übertragen und empfangen werden.
Die Linienbreite der Antenne 914 ist vorzugsweise größer als diejenige der Antenne 915. Dies kann die Menge an elektrischer Energie, welche die Antenne 914 empfängt, erhöhen.
Das Energiespeichersystem umfasst eine Schicht 916 zwischen der Energiespeichervorrichtung 913 und den Antennen 914 und 915. Die Schicht 916 weist beispielsweise eine Funktion auf, um ein elektromagnetisches Feld der Energiespeichervorrichtung 913 zu blockieren. Als die Schicht 916 kann beispielsweise ein Magnetkörper verwendet werden. Die Schicht 916 kann als Abschirmungsschicht dienen.
Es sei angemerkt, dass die Struktur des Energiespeichersystems nicht auf diejenige in 21A und 21B beschränkt ist.
Zum Beispiel können, wie in 22A1 und 22A2 gezeigt, zwei entgegengesetzte Seiten der Energiespeichervorrichtung 913 in 21A und 21B mit den jeweiligen Antennen versehen sein. 22A1 ist eine Außenansicht, die eine der entgegengesetzten Seiten darstellt, und 22A2 ist eine Außenansicht, welche die andere der entgegengesetzten Seiten darstellt. Es sei angemerkt, dass man bezüglich der gleichen Teile wie das Energiespeichersystem in 21A und 21B wie erforderlich auf die Beschreibung des Energiespeichersystems in 21A und 21B Bezug nehmen kann.
Wie in 22A1 gezeigt, ist die Antenne 914 auf einer der entgegengesetzten Seiten der Energiespeichervorrichtung 913 angeordnet, wobei die Schicht 916 dazwischen liegt. Wie in 22A2 gezeigt, ist die Antenne 915 auf der anderen der entgegengesetzten Seiten der Energiespeichervorrichtung 913 angeordnet, wobei eine Schicht 917 dazwischen liegt. Die Schicht 917 weist beispielsweise eine Funktion auf, um ein elektromagnetisches Feld der Energiespeichervorrichtung 913 zu blockieren. Als die Schicht 917 kann beispielsweise ein Magnetkörper verwendet werden. Die Schicht 917 kann als Abschirmungsschicht dienen.
Mit der vorstehenden Struktur können sowohl die Antenne 914 als auch die Antenne 915 vergrößert werden.
Alternativ können, wie in 22B1 und 22B2 gezeigt, zwei entgegengesetzte Seiten der Energiespeichervorrichtung 913 in 21A und 21B mit verschiedenen Arten von Antennen versehen sein. 22B1 ist eine Außenansicht, die eine der entgegengesetzten Seiten darstellt, und 22B2 ist eine Außenansicht, welche die andere der entgegengesetzten Seiten darstellt. Es sei angemerkt, dass man bezüglich der gleichen Teile wie das Energiespeichersystem in 21A und 21B wie erforderlich auf die Beschreibung des Energiespeichersystems in 21A und 21B Bezug nehmen kann.
Wie in 22B1 gezeigt, sind die Antennen 914 und 915 auf einer der entgegengesetzten Seiten der Energiespeichervorrichtung 913 angeordnet, wobei die Schicht 916 dazwischen liegt. Wie in 22B2 gezeigt, ist eine Antenne 918 auf der anderen der entgegengesetzten Seiten der Energiespeichervorrichtung 913 angeordnet, wobei die Schicht 917 dazwischen liegt. Die Antenne 918 weist beispielsweise eine Funktion zur Datenkommunikation mit einem externen Gerät auf. Eine Antenne mit einer Form, die auf die Antennen 914 und 915 angewendet werden kann, kann beispielsweise als die Antenne 918 verwendet werden. Als Beispiel für eine Kommunikationsmethode zwischen dem Energiespeichersystem und einem weiteren Gerät über die Antenne 918 kann ein Antwortverfahren, das zwischen dem Energiespeichersystem und einem weiteren Gerät verwendet werden kann, wie z. B. NFC, zum Einsatz kommen.
Alternativ kann, wie in 23A gezeigt, die Energiespeichervorrichtung 913 in 21A und 21B mit einer Anzeigevorrichtung 920 versehen sein. Die Anzeigevorrichtung 920 ist über einen Anschluss 919 elektrisch mit dem Anschluss 911 verbunden. Es ist möglich, dass das Etikett 910 nicht in einem Bereich, in dem die Anzeigevorrichtung 920 angeordnet ist, bereitgestellt ist. Es sei angemerkt, dass man bezüglich der gleichen Teile wie das Energiespeichersystem in 21A und 21B wie erforderlich auf die Beschreibung des Energiespeichersystems in 21A und 21B Bezug nehmen kann.
Die Anzeigevorrichtung 920 kann beispielsweise ein Bild, das zeigt, ob ein Aufladen gegenwärtig durchgeführt wird oder nicht, oder ein Bild, das die Menge der gespeicherten Energie zeigt, anzeigen. Als die Anzeigevorrichtung 920 kann elektronisches Papier, eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, eine Elektrolumineszenz-(EL-)Anzeigevorrichtung oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise kann der Leistungsverbrauch der Anzeigevorrichtung 920 verringert werden, wenn elektronisches Papier verwendet wird.
Alternativ kann, wie in 23B gezeigt, die Energiespeichervorrichtung 913 in 21A und 21B mit einem Sensor 921 versehen sein. Der Sensor 921 ist über einen Anschluss 922 elektrisch mit dem Anschluss 911 verbunden. Es sei angemerkt, dass der Sensor 921 hinter dem Etikett 910 angeordnet sein kann. Es sei angemerkt, dass man bezüglich der gleichen Teile wie das Energiespeichersystem in 21A und 21B wie erforderlich auf die Beschreibung des Energiespeichersystems in 21A und 21B Bezug nehmen kann.
Der Sensor 921 kann beispielsweise eine Funktion zum Messen von Verschiebung, Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, Drehzahl, Abstand, Licht, Flüssigkeit, Magnetismus, Temperatur, chemischer Substanz, Ton, Zeit, Härte, elektrischem Feld, Strom, Spannung, elektrischer Energie, Strahlung, Durchflussmenge, Feuchtigkeit, Steigungsgrad, Schwingung, Geruch oder Infrarotstrahlen aufweisen. Mit dem Sensor 921 können beispielsweise Daten über die Umgebung (z. B. Temperatur), in der das Energiespeichersystem steht, erfasst und in einem Speicher in der Schaltung 912 gespeichert werden.
Ferner werden Strukturbeispiele für die Energiespeichervorrichtung 913 anhand von 24A, 24B und 25 beschrieben.
Bei der in 24A dargestellten Energiespeichervorrichtung 913 ist ein gewickeltes Teil 950 mit den Anschlüssen 951 und 952 in einem Gehäuse 930 angeordnet. Das gewickelte Teil 950 ist mit einer Elektrolytlösung innerhalb des Gehäuses 930 getränkt. Der Anschluss 952 steht in Kontakt mit dem Gehäuse 930. Ein Isolator oder dergleichen verhindert den Kontakt zwischen dem Anschluss 951 und dem Gehäuse 930. Es sei angemerkt, dass 24A das Gehäuse 930, der Einfachheit halber in zwei Stücke geteilt, darstellt; bei der realen Struktur ist jedoch das gewickelte Teil 950 mit dem Gehäuse 930 bedeckt und die Anschlüsse 951 und 952 erstrecken sich nach außerhalb des Gehäuses 930. Für das Gehäuse 930 kann ein Metallmaterial (z. B. Aluminium) oder ein Harzmaterial verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass das Gehäuse 930 in 24A unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien ausgebildet sein kann, wie in 24B gezeigt ist. Bei der Energiespeichervorrichtung 913 in 24B sind beispielsweise ein Gehäuse 930a und ein Gehäuse 930b aneinander befestigt, und das gewickelte Teil 950 ist in einem Bereich, der von dem Gehäuse 930a und dem Gehäuse 930b umschlossen ist, angeordnet.
Für das Gehäuse 930a kann ein isolierendes Material, wie z. B. ein organisches Harz, verwendet werden. Wenn im Besonderen ein Material, wie z. B. ein organisches Harz, für die Seite, auf der eine Antenne ausgebildet ist, verwendet wird, kann verhindert werden, dass ein elektrisches Feld von der Energiespeichervorrichtung 913 gestört wird. Wenn ein elektrisches Feld von dem Gehäuse 930a nicht wesentlich gestört wird, kann eine Antenne, wie z. B. die Antenne 914 oder die Antenne 915, innerhalb des Gehäuses 930 angeordnet sein. Für das Gehäuse 930b kann beispielsweise ein Metallmaterial verwendet werden.
25 zeigt eine Struktur des gewickelten Teils 950. Das gewickelte Teil 950 beinhaltet eine negative Elektrode 931, eine positive Elektrode 932 und einen Separator 933. Das gewickelte Teil 950 wird durch Aufwickeln einer Folienbahn eines Stapels erhalten, in dem die negative Elektrode 931 die positive Elektrode 932 überlappt, wobei der Separator 933 dazwischen liegt. Es sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Folienbahnen, die jeweils die negative Elektrode 931, die positive Elektrode 932 und den Separator 933 beinhalten, gestapelt werden kann.
Die negative Elektrode 931 ist über einen der Anschlüsse 951 und 952 mit dem Anschluss 911 in 21A und 21B verbunden. Die positive Elektrode 932 ist über den anderen der Anschlüsse 951 und 952 mit dem Anschluss 911 in 21A und 21B verbunden.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
(Ausführungsform 5)
Die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als Energiequelle verschiedener elektrischer Geräte, die durch elektrische Energie betrieben werden, verwendet werden.
Konkrete Beispiele für ein elektrisches Gerät, das die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, sind wie folgt: Anzeigevorrichtungen, wie z. B. Fernseher und Monitore, Beleuchtungseinrichtungen, Schreibtischcomputer, Laptops, Textverarbeitungsgeräte, Bildwiedergabevorrichtungen, die Standbilder und bewegte Bilder wiedergeben, welche in Aufzeichnungsmedien wie z. B. digitalen vielseitig verwendbaren Scheiben (digital versatile discs, DVDs) gespeichert sind, tragbare CD-Player, Radios, Tonbandgeräte, Stereokopfhörer, Stereo-Geräte, Tischuhren, Wanduhren, schnurlose Telefonhörer, Sendeempfänger, Mobiltelefone, Autotelefone, tragbare Spielkonsolen, Rechner, tragbare Informationsendgeräte, elektronische Notizbücher, E-Buch-Lesegeräte, elektronische Übersetzer, Audioeingabegeräte, Videokameras, digitale Fotokameras, elektrische Rasierer, Hochfrequenzheizgeräte, wie z. B. Mikrowellenöfen, elektrische Reiskocher, elektrische Waschmaschinen, elektrische Staubsauger, Warmwasserbereiter, elektrische Ventilatoren, Haartrockner, Klimatisierungssysteme, wie z. B. Klimaanlagen, Luftbefeuchter und Luftentfeuchter, Geschirrspüler, Geschirrtrockner, Wäschetrockner, Futontrockner, elektrische Kühlschränke, elektrische Gefrierschränke, elektrische Gefrier-Kühlschränke, Gefrierschränke zum Bewahren von DNS, Taschenlampen, Elektrowerkzeuge, wie z. B. Kettensägen, Rauchmelder und medizinische Geräte, wie z. B. Dialysegeräte. Die Beispiele umfassen auch industrielle Einrichtungen, wie z. B. Führungsleuchten, Ampeln, Bandförderer, Fahrstühle, Rolltreppen, Industrieroboter, Energiespeichersysteme und Energiespeichervorrichtungen zum Ausgleichen der Menge an zugeführter Energie und für intelligentes Stromnetz. Auch bewegte Objekte, die von Elektromotoren unter Verwendung elektrischer Energie aus Energiespeichervorrichtungen betrieben werden, sind in der Kategorie der elektrischen Geräte eingeschlossen. Beispiele für die bewegten Objekte sind Elektrofahrzeuge (electric vehicle, EV), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), die sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch einen Motor aufweisen, Einsteck-Hybrid-Elektrofahrzeuge (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV), Kettenfahrzeuge, bei denen Räder dieser Fahrzeuge durch Raupenketten ersetzt sind, motorisierte Fahrräder einschließlich motorgestützter Fahrräder, Motorräder, elektrische Rollstühle, Golfmobile, Boote, Schiffe, U-Boote, Hubschrauber, Flugzeuge, Raketen, künstliche Satelliten, Raumsonden, Planetensonden und Raumfahrzeuge.
Bei den obigen elektrischen Geräten kann die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Hauptenergiequelle zum Zuführen genügender elektrischer Energie für fast den ganzen Energieverbrauch verwendet werden. Alternativ kann bei den obigen elektrischen Geräten die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energiequelle verwendet werden, die den elektrischen Geräten elektrische Energie zuführen kann, wenn das Zuführen der elektrischen Energie aus der Hauptenergiequelle oder einer gewerblichen Energiequelle aufhört. Als weitere Alternative kann bei den obigen elektrischen Geräten die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Hilfsenergiequelle zum Zuführen elektrischer Energie zu den elektrischen Geräten gleichzeitig mit der Energiezuführung aus der Hauptenergiequelle oder einer gewerblichen Energiequelle verwendet werden.
18 zeigt konkrete Strukturen der elektrischen Geräte. In 18 ist eine Anzeigevorrichtung 8000 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 8004 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Insbesondere entspricht die Anzeigevorrichtung 8000 einer Anzeigevorrichtung zum Empfangen einer Fernsehübertragung und beinhaltet ein Gehäuse 8001, einen Anzeigeabschnitt 8002, Lautsprecherabschnitte 8003, die Energiespeichervorrichtung 8004 und dergleichen. Die Energiespeichervorrichtung 8004 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in dem Gehäuse 8001 bereitgestellt. Die Anzeigevorrichtung 8000 kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen oder elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 8004 gespeichert ist, verwenden. Somit kann die Anzeigevorrichtung 8000 unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 8004 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
Eine Halbleiteranzeigevorrichtung, wie z. B. eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, eine lichtemittierende Vorrichtung, in der ein lichtemittierendes Element wie ein organisches EL-Element in jedem Pixel bereitgestellt ist, eine Elektrophoreseanzeigevorrichtung, eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (digital micromirror device, DMD), ein Plasmabildschirm (plasma display panel, PDP) oder ein Feldemissionsbildschirm (field emission display, FED), kann für den Anzeigeabschnitt 8002 verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass die Kategorie der Anzeigevorrichtung alle Informationsanzeigevorrichtungen für Personal-Computer, Werbeanzeigen und dergleichen zusätzlich zu Vorrichtungen zum Empfangen einer Fernsehübertragung umfasst.
In 18 ist eine eingebaute Beleuchtungseinrichtung 8100 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 8103 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Insbesondere beinhaltet die Beleuchtungseinrichtung 8100 ein Gehäuse 8101, eine Lichtquelle 8102, die Energiespeichervorrichtung 8103 und dergleichen. Obwohl 18 den Fall zeigt, in dem die Energiespeichervorrichtung 8103 in einer Decke 8104, in der das Gehäuse 8101 und die Lichtquelle 8102 eingebaut sind, bereitgestellt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 8103 in dem Gehäuse 8101 bereitgestellt sein. Die Beleuchtungseinrichtung 8100 kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen oder elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 8103 gespeichert ist, verwenden. Somit kann die Beleuchtungseinrichtung 8100 unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 8103 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
Es sei angemerkt, dass zwar die eingebaute Beleuchtungseinrichtung 8100 in der Decke 8104 als Beispiel in 18 dargestellt ist, aber die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eingebaute Beleuchtungseinrichtung beispielsweise in einer Wand 8105, einem Fußboden 8106, einem Fenster 8107 oder dergleichen abgesehen von der Decke 8104 verwendet werden kann. Alternativ kann die Energiespeichervorrichtung in einer Tischlampe oder dergleichen verwendet werden.
Als die Lichtquelle 8102 kann eine künstliche Lichtquelle, die mittels elektrischer Energie künstlich Licht emittiert, verwendet werden. Insbesondere werden eine Glühlampe, eine Entladungslampe, wie z. B. eine Fluoreszenzlampe, und lichtemittierende Elemente, wie z. B. eine LED und ein organisches EL-Element, als Beispiele für die künstliche Lichtquelle angegeben.
In 18 ist eine Klimaanlage, die eine Inneneinheit 8200 und eine Außeneinheit 8204 beinhaltet, ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 8203 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Insbesondere beinhaltet die Inneneinheit 8200 ein Gehäuse 8201, einen Luftauslass 8202, die Energiespeichervorrichtung 8203 und dergleichen. Obwohl 18 den Fall zeigt, in dem die Energiespeichervorrichtung 8203 in der Inneneinheit 8200 bereitgestellt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 8203 in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt sein. Alternativ kann die Energiespeichervorrichtung 8203 sowohl in der Inneneinheit 8200 als auch in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt sein. Die Klimaanlage kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen oder elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 8203 gespeichert ist, verwenden. Besonders in dem Fall, in dem die Energiespeichervorrichtung 8203 sowohl in der Inneneinheit 8200 als auch in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt ist, kann die Klimaanlage unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 8203 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
Es sei angemerkt, dass zwar die in Teile aufgetrennte Klimaanlage, die die Inneneinheit und die Außeneinheit beinhaltet, als Beispiel in 18 dargestellt ist, aber die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Klimaanlage, bei der die Funktionen einer Inneneinheit und einer Außeneinheit in einem Gehäuse integriert sind, verwendet werden kann.
In 18 ist ein elektrischer Gefrier-Kühlschrank 8300 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das eine Energiespeichervorrichtung 8304 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Insbesondere beinhaltet der elektrische Gefrier-Kühlschrank 8300 ein Gehäuse 8301, eine Tür für einen Kühlschrank 8302, eine Tür für einen Gefrierschrank 8303, die Energiespeichervorrichtung 8304 und dergleichen. Die Energiespeichervorrichtung 8304 ist in dem Gehäuse 8301 in 18 bereitgestellt. Der elektrische Gefrier-Kühlschrank 8300 kann elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle empfangen oder elektrische Energie, die in der Energiespeichervorrichtung 8304 gespeichert ist, verwenden. Somit kann der elektrische Gefrier-Kühlschrank 8300 unter Verwendung der Energiespeichervorrichtung 8304 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als unterbrechungsfreie Energiequelle arbeiten, auch wenn keine elektrische Energie aus einer gewerblichen Energiequelle wegen eines Stromausfalls oder dergleichen zugeführt werden kann.
Es sei angemerkt, dass unter den oben beschriebenen elektrischen Geräten die Hochfrequenzheizgeräte, wie z. B. Mikrowellenöfen, die elektrischen Reiskocher und dergleichen hohe elektrische Energie in einer kurzen Zeit benötigen. Die Auslösung eines Stromunterbrechers einer gewerblichen Energiequelle beim Verwenden der elektrischen Geräte kann verhindert werden, indem die Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Hilfsenergiequelle verwendet wird, um das Defizit an elektrischer Energie, die aus einer gewerblichen Energiequelle zugeführt wird, auszugleichen.
Zusätzlich kann in einer Zeitperiode, in der elektrische Geräte nicht verwendet werden, insbesondere in der der Anteil der Menge an elektrischer Energie, die tatsächlich verbraucht wird, zur Summe der elektrischen Energie, die aus einer gewerblichen Energiequelle zugeführt werden kann (wobei ein solcher Anteil als Energieverbrauchsrate bezeichnet wird), niedrig ist, elektrische Energie in der Energiespeichervorrichtung gespeichert werden, wodurch die Energieverbrauchsrate in einer Zeitperiode, in der die elektrischen Geräte verwendet werden, verringert werden kann. Zum Beispiel kann im Fall des elektrischen Gefrier-Kühlschranks 8300 elektrische Energie in der Energiespeichervorrichtung 8304 nachtsüber gespeichert werden, wobei die Temperatur niedrig ist und die Tür für einen Kühlschrank 8302 und die Tür für einen Gefrierschrank 8303 nicht oft auf- oder zugemacht werden. Andererseits wird die Energiespeichervorrichtung 8304 tagsüber als Hilfsenergiequelle verwendet, wobei die Temperatur hoch ist und die Tür für einen Kühlschrank 8302 und die Tür für einen Gefrierschrank 8303 häufig auf- und zugemacht werden; daher kann die Energieverbrauchsrate in der Tageszeit verringert werden.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
(Ausführungsform 6)
Als nächstes wird ein tragbares Informationsendgerät, das ein Beispiel für ein elektrisches Gerät ist, anhand von 19A bis 19C beschrieben.
19A und 19B stellen einen zusammenklappbaren Tablet-Computer dar. In 19A ist der Tablet-Computer offen und beinhaltet ein Gehäuse 9630, einen Anzeigeabschnitt 9631a, einen Anzeigeabschnitt 9631b, einen Schalter 9034 zum Schalten von Anzeigemodi, einen Netzschalter 9035, einen Schalter 9036 zum Schalten in einen Stromsparmodus, eine Spange 9033 und einen Bedienungsschalter 9038.
Ein Teil des Anzeigeabschnitts 9631a kann ein Touchscreen-Bereich 9632a sein, und Daten können durch Berühren angezeigter Bedienungstasten 9638 eingegeben werden. Es sei angemerkt, dass 19A ein Beispiel zeigt, in dem ein halber Bereich des Anzeigeabschnitts 9631a nur eine Anzeigefunktion aufweist und der andere halbe Bereich eine Touchscreen-Funktion aufweist. Jedoch ist die Struktur des Anzeigeabschnitts 9631a nicht darauf beschränkt, und der ganze Anzeigeabschnitt 9631a kann eine Touchscreen-Funktion aufweisen. Beispielsweise kann der ganze Anzeigeabschnitt 9631a Tastaturknöpfe anzeigen und als Touchscreen dienen, während der Anzeigeabschnitt 9631b als Anzeigebildschirm verwendet werden kann.
Wie bei dem Anzeigeabschnitt 9631a kann ein Teil des Anzeigeabschnitts 9631b ein Touchscreen-Bereich 9632b sein. Wenn ein Knopf zum Schalten der Tastaturanzeige 9639, der auf dem Touchscreen angezeigt wird, mit einem Finger, einem Stift oder dergleichen berührt wird, können Tastaturknöpfe auf dem Anzeigeabschnitt 9631b angezeigt werden.
Eine berührungsempfindliche Eingabe kann auf den Touchscreen-Bereichen 9632a und 9632b zur gleichen Zeit durchgeführt werden.
Mit dem Schalter 9034 zum Schalten von Anzeigemodi kann die Anzeigeausrichtung (z. B. zwischen einem Hochformat und einem Querformat) umgeschaltet werden und ein Anzeigemodus (z. B. monochrome Anzeige oder Farbanzeige) kann ausgewählt werden. Mit dem Schalter 9036 zum Schalten in einen Stromsparmodus kann man die Leuchtdichte der Anzeige entsprechend der Menge an Außenlicht optimieren, das durch einen optischen Sensor in dem Tablet-Computer beim Verwenden gemessen wird. Der Tablet-Computer kann eine weitere Detektorvorrichtung, wie z. B. einen Sensor zum Bestimmen der Neigung (z. B. ein Kreiselinstrument oder einen Beschleunigungssensor) zusätzlich zu dem optischen Sensor beinhalten.
Es sei angemerkt, dass 19A zwar ein Beispiel zeigt, in dem der Anzeigeabschnitt 9631a und der Anzeigeabschnitt 9631b die gleiche Anzeigefläche haben, aber eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist. Einer der Anzeigeabschnitte kann anders sein als der andere Anzeigeabschnitt hinsichtlich der Größe und Anzeigequalität. Beispielsweise kann einer von ihnen ein Anzeigefeld sein, das Bilder mit höherer Auflösung anzeigen kann als das andere.
In 19B ist der Tablet-Computer zugeklappt und beinhaltet das Gehäuse 9630, eine Solarzelle 9633, eine Lade- und Entladesteuerschaltung 9634, eine Batterie 9635 und einen Gleichspannungswandler 9636. Es sei angemerkt, dass 19B ein Beispiel zeigt, in dem die Lade- und Entladesteuerschaltung 9634 die Batterie 9635 und den Gleichspannungswandler 9636 beinhaltet. Die bei der vorstehenden Ausführungsform beschriebene Energiespeichervorrichtung wird als die Batterie 9635 verwendet.
Da der Tablet-Computer zusammenklappbar ist, kann das Gehäuse 9630 geschlossen werden, wenn der Tablet-Computer nicht verwendet wird. Folglich können die Anzeigeabschnitte 9631a und 9631b geschützt werden, wodurch der Tablet-Computer ausgezeichnete Beständigkeit und hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der Langzeitverwendung aufweisen kann.
Der Tablet-Computer in 19A und 19B kann andere Funktionen, wie z. B. eine Funktion zum Anzeigen verschiedener Arten von Daten (z. B. eines Standbildes, eines bewegten Bildes und eines Textbildes), eine Funktion zum Anzeigen eines Kalenders, eines Datums, der Zeit oder dergleichen auf dem Anzeigeabschnitt, eine berührungsempfindliche Eingabefunktion zum Bedienen oder Bearbeiten der Daten, die auf dem Anzeigeabschnitt angezeigt werden, und eine Funktion zum Steuern der Verarbeitung mittels verschiedener Arten von Software (Programmen) aufweisen.
Die Solarzelle 9633, die an einer Oberfläche des Tablet-Computers angebaut ist, kann elektrische Energie zu einem Touchscreen, einem Anzeigeabschnitt, einem Bildsignalprozessor und dergleichen zuführen. Es sei angemerkt, dass die Solarzelle 9633 an einer oder beiden Oberflächen des Gehäuses 9630 bereitgestellt sein kann und dass die Batterie 9635 auf effiziente Weise aufgeladen werden kann. Die Verwendung der Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als die Batterie 9635 bringt einen Vorteil, wie z. B. eine Verringerung der Größe.
Die Struktur und der Betrieb der Lade- und Entladesteuerschaltung 9634 in 19B werden unter Bezugnahme auf ein Blockschema in 19C beschrieben. Die Solarzelle 9633, die Batterie 9635, der Gleichspannungswandler 9636, ein Wandler 9637, Schalter SW1 bis SW3 und der Anzeigeabschnitt 9631 sind in 19C dargestellt, und die Batterie 9635, der Gleichspannungswandler 9636, der Wandler 9637 und die Schalter SW1 bis SW3 entsprechen der Lade- und Entladesteuerschaltung 9634 in 19B.
Zuerst wird ein Beispiel für den Betrieb in dem Fall, in dem elektrische Energie von der Solarzelle 9633 unter Verwendung von Außenlicht erzeugt wird, beschrieben. Die Spannung der von der Solarzelle erzeugten elektrischen Energie wird durch den Gleichspannungswandler 9636 auf eine Spannung zum Aufladen der Batterie 9635 erhöht oder verringert. Wenn die elektrische Energie aus der Solarzelle 9633 für den Betrieb des Anzeigeabschnitts 9631 verwendet wird, wird dann der Schalter SW1 eingeschaltet, und die Spannung der elektrischen Energie wird durch den Wandler 9637 auf eine Spannung, die für den Anzeigeabschnitt 9631 erforderlich ist, erhöht oder verringert. Wenn keine Anzeige auf dem Anzeigeabschnitt 9631 erfolgt, wird der Schalter SW1 ausgeschaltet und der Schalter SW2 wird eingeschaltet, so dass die Batterie 9635 aufgeladen werden kann.
Es sei angemerkt, dass die Solarzelle 9633 als Beispiel für ein Mittel zur Energieerzeugung beschrieben wird; eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Batterie 9635 kann mittels eines anderen Mittels zur Energieerzeugung, wie z. B. eines piezoelektrischen Elements oder eines thermoelektrischen Wandlerelements (Peltier-Elements), aufgeladen werden. Die Batterie 9635 kann beispielsweise mittels eines kontaktfreien Energieübertragungsmoduls, der elektrische Energie drahtlos (kontaktlos) überträgt und empfängt, oder mittels eines anderen Lademittels in Kombination aufgeladen werden.
Es ist unnötig zu erwähnen, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf das elektronische Gerät in 19A bis 19C beschränkt ist, solange das elektrische Gerät mit der Energiespeichervorrichtung, die bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, ausstattet ist.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
(Ausführungsform 7)
Ein Beispiel für ein bewegtes Objekt, das ein Beispiel für ein elektrisches Gerät ist, wird anhand von 20A und 20B beschrieben.
Die Energiespeichervorrichtung, die bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, kann als Steuerbatterie verwendet werden. Die Steuerbatterie kann durch externe Energieversorgung unter Verwendung einer Technik zum Einstecken oder einer kontaktlosen Energiezuführung aufgeladen werden. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem das bewegte Objekt ein elektrisches Bahnfahrzeug ist, das elektrische Bahnfahrzeug durch Energieversorgung aus einem Überkopfkabel oder einer Leitschiene aufgeladen werden kann.
20A und 20B zeigen ein Beispiel für ein Elektrofahrzeug. Ein Elektrofahrzeug 9700 ist mit einer Energiespeichervorrichtung 9701 ausgestattet. Die Ausgabe der elektrischen Energie aus der Energiespeichervorrichtung 9701 wird durch eine Steuerschaltung 9702 gesteuert, und die elektrische Energie wird einer Antriebsvorrichtung 9703 zugeführt. Die Steuerschaltung 9702 wird durch eine Verarbeitungseinheit 9704 gesteuert, die ein ROM, ein RAM, einen Hauptprozessor oder dergleichen (nicht abgebildet) beinhaltet.
Die Antriebsvorrichtung 9703 beinhaltet einen Gleichstrommotor oder einen Wechselstrommotor allein oder zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verarbeitungseinheit 9704 gibt ein Steuersignal an die Steuerschaltung 9702 aufgrund von Eingabedaten, wie z. B. Daten über eine Bedienung (z. B. Beschleunigung, Abbremsung oder Halt) von einem Fahrer des Elektrofahrzeugs 9700 oder Daten beim Fahren (z. B. Daten über einen Anstieg oder einen Abfall oder Daten über eine Belastung eines Antriebrades) aus. Die Steuerschaltung 9702 reguliert die elektrische Energie aus der Energiespeichervorrichtung 9701 gemäß dem Steuersignal der Verarbeitungseinheit 9704, um die Ausgabe der Antriebsvorrichtung 9703 zu steuern. In dem Fall, in dem ein Wechselstrommotor montiert ist, der jedoch nicht abgebildet wird, ist auch ein Wechselrichter eingebaut, der einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
Die Energiespeichervorrichtung 9701 kann durch externe Energieversorgung mittels einer Technik zum Einstecken aufgeladen werden. Die Energiespeichervorrichtung 9701 wird beispielsweise mittels einer gewerblichen Energiequelle über einen Netzstecker aufgeladen. Die Energiespeichervorrichtung 9701 kann aufgeladen werden, indem die zugeführte Energie durch einen Wandler, wie z. B. einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler, in eine konstante Gleichspannung mit einem vorbestimmten Spannungspegel umgewandelt wird. Die Verwendung der Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als die Energiespeichervorrichtung 9701 kann zu einer Verringerung der Ladezeit oder dergleichen beitragen, so dass die Bequemlichkeit verbessert werden kann. Außerdem kann die höhere Lade- und Entladegeschwindigkeit der Energiespeichervorrichtung 9701 zu höherer Beschleunigung und ausgezeichneter Leistung des Elektrofahrzeugs 9700 beitragen. Wenn die Energiespeichervorrichtung 9701 selbst als Ergebnis der verbesserten Eigenschaften der Energiespeichervorrichtung 9701 kompakter und leichter werden kann, kann auch das Fahrzeug leicht werden, was zu einer Erhöhung der Kraftstoffeffizienz führt.
Diese Ausführungsform kann nach Bedarf in Kombination mit einer der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
[Beispiel 1]
In diesem Beispiel wurde eine Knopfzellen-Speicherbatterie basierend auf der Ausführungsform 1 hergestellt. Dieses Beispiel zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs der Lade- und Entlade-Eigenschaften zwischen einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, die CMC-Na und SBR als Bindemittel in einer Negativelektrodenaktivmaterialschicht enthält, und einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, die PVdF enthält.
Zuerst werden Knopfzellen-Speicherbatterien, die in diesem Beispiel hergestellt wurden, anhand von 2A und 2B beschrieben.
(Ausbilden einer positiven Elektrode)
Eine Positivelektrodenpaste wurde unter Verwendung von Graphen als Leitfähigkeitsadditiv ausgebildet. Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) wurde als Positivelektrodenaktivmaterial verwendet, und Polyvinylidenfluorid (PVdF) wurde als Bindemittel verwendet. Lithiumeisenphosphat, Graphenoxid und Polyvinylidenfluorid wurden in einem Verhältnis von 94,4:0,6:5 gemischt. NMP wurde als Dispersionsmittel zur Viskositätsregulierung hinzugefügt, und ein Mischen wurde durchgeführt. Auf diese Weise wurde die Positivelektrodenpaste ausgebildet.
Die Positivelektrodenpaste, die durch das obige Verfahren ausgebildet wurde, wurde auf einen Positivelektrodenstromkollektor (20 μm dickes Aluminium) aufgetragen.
Anschließend wurde die auf dem Stromkollektor bereitgestellte Paste mit einem Umlufttrockner getrocknet. Das Trocknen wurde 40 Minuten lang in einer Luftatmosphäre bei 80°C durchgeführt.
Graphenoxid wurde dann durch Reaktion in einem Lösungsmittel, das ein Reduktionsmittel enthielt, reduziert. Die Reduktionsbehandlung wurde 4,5 Stunden lang bei 60°C durchgeführt. Ascorbinsäure wurde als Reduktionsmittel verwendet. Als Lösungsmittel wurde Ethanol verwendet. Die Konzentration des Reduktionsmittels war 13,5 g/l.
Danach wurde ein Reinigen mit Ethanol durchgeführt, und ein Trocknen wurde 10 Stunden lang bei 70°C durchgeführt. Das Trocknen wurde in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt.
Anschließend wurde die Positivelektrodenaktivmaterialschicht durch ein Walzen-Press-Verfahren (roll press method) gepresst, um sich zu konsolidieren.
Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht wurde durch das obige Verfahren ausgebildet. Dabei wurde der Gehalt an Lithiumeisenphosphat in der positiven Elektrode gemessen. Der Gehalt in einer positiven Elektrode, die zusammen mit einer negativen Elektrode A, die später beschrieben wird, zu einer Knopfzellen-Speicherbatterie zusammengesetzt wurde, war 7,3 mg/cm², und der Gehalt in einer positiven Elektrode, die zusammen mit einer negativen Elektrode B, die später beschrieben wird, zu einer Knopfzellen-Speicherbatterie zusammengesetzt wurde, war 6,9 mg/cm².
(Herstellungsprozess 1 der negativen Elektrode A: Ausbilden einer Paste)
Als nächstes wurde die negative Elektrode A, die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthielt, ausgebildet. Eine Negativelektrodenpaste wurde zuerst unter Verwendung eines Negativelektrodenaktivmaterials, eines Bindemittels und eines Dispersionsmittels ausgebildet.
Hier wurde sphärischer natürlicher Graphit mit einem Partikeldurchmesser von 15 μm als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet, und Styrol-Butadien-Gummi (SBR) und Natriumcarboxymethylcellulose (CMC-Na) wurden als Bindemittel verwendet. Die Spezifikation des verwendeten CMC-Na ist wie folgt: der Polymerisationsgrad liegt in einem Bereich von 600 bis 800; die Viskosität der wässrigen Lösung im Fall einer 1% wässrigen Lösung liegt in einem Bereich von 300 mPa·s bis 500 mPa·s; und der Natriumgehalt nach dem Trocknen liegt in einem Bereich von 6,5% bis 8,5%.
Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste wurde auf Graphit:SBR:CMC-Na = 97:1,5:1,5 (Gewichtsverhältnis) eingestellt.
Nun wird ein Verfahren zum Ausbilden der Paste detailliert beschrieben. Zuerst wurde eine wässrige Lösung derart vorbereitet, dass CMC-Na, welches hohe Viskositäts-Modifizierungseigenschaften aufweist, gleichmäßig in reinem Wasser aufgelöst wurde. Dann wurde das Aktivmaterial gewogen und die wässrige CMC-Na-Lösung wurde dazu hinzugefügt.
Anschließend wurde das Gemisch dieser Materialien mit einem Mixer bei 1500 U/min zu einer dicken Paste geknetet.
Eine wässrige SBR-Dispersion wurde anschließend dem Gemisch hinzugefügt, und ein Mischen wurde 5 Minuten lang mit einem Mixer bei 1500 U/min durchgeführt. Reines Wasser, das als Dispersionsmittel diente, wurde dann dem Gemisch hinzugefügt, bis eine vorbestimmte Viskosität erhalten wurde, und ein Mischen wurde mit einem Mixer bei 1500 U/min durchgeführt. Durch die obigen Schritte wurde die Negativelektrodenpaste für die negative Elektrode A ausgebildet.
(Herstellungsprozess 2 der negativen Elektrode A: Auftragen und Trocknen)
Die Negativelektrodenpaste, die durch das obige Verfahren ausgebildet wurde, wurde mittels eines Spachtels auf einen Stromkollektor aufgetragen. Der Abstand zwischen dem Spachtel und dem Stromkollektor wurde auf 200 μm eingestellt. Eine 18 μm dicke gewalzte Kupferfolie wurde als Stromkollektor verwendet.
Anschließend wurde ein Trocknen auf einer Heizplatte in einer Luftatmosphäre durchgeführt. Der Trocknungsschritt begann bei 25°C bis 30°C, und die Temperatur wurde dann auf 70°C oder niedriger erhöht und über den Zeitraum von zirka 30 Minuten beibehalten, so dass Wasser, d. h. das Dispersionsmittel, verdampfte. Danach wurde ein Trocknen in einer Umgebung mit verringertem Druck bei 100°C über den Zeitraum von 10 Stunden durchgeführt. Auf diese Weise wurde die negative Elektrode A ausgebildet. Der Aktivmaterialgehalt in der erhaltenen negativen Elektrode A war 9,2 g/cm². Der Begriff „Aktivmaterialgehalt” bezeichnet hier das Gewicht eines Aktivmaterials pro Flächeneinheit einer Elektrode.
(Herstellungsprozess 1 der negativen Elektrode B (Vergleichsbeispiel): Ausbilden einer Paste)
Als nächstes wurde die negative Elektrode B als Vergleichsbeispiel für die negative Elektrode A ausgebildet. Die negative Elektrode B enthält PVdF als Bindemittel. Eine Negativelektrodenpaste wurde zuerst unter Verwendung eines Negativelektrodenaktivmaterials, eines Bindemittels und eines Dispersionsmittels ausgebildet.
Hier wurde sphärischer natürlicher Graphit mit einem Partikeldurchmesser von 15 μm als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet, und Polyvinylidenfluorid (PVdF) wurde als Bindemittel verwendet. Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste wurde auf Graphit:PVdF = 90:10 (Gewichtsverhältnis) eingestellt. Zuerst wurden Graphit und eine NMP-Lösung von PVdF mittels eines Mixers gemischt, und dann wurde NMP zur Viskositätsregulierung hinzugefügt und ein Mischen mit einem Mixer wurde wieder durchgeführt, so dass die Negativelektrodenpaste für die negative Elektrode B ausgebildet wurde.
(Herstellungsprozess 2 der negativen Elektrode B (Vergleichsbeispiel): Auftragen und Trocknen)
Die Negativelektrodenpaste, die durch das obige Verfahren ausgebildet wurde, wurde mittels eines Spachtels auf einen Stromkollektor (eine 18 μm dicke gewalzte Kupferfolie) aufgetragen. Der Abstand zwischen dem Spachtel und dem Stromkollektor wurde auf 200 μm eingestellt.
Anschließend wurde ein Trocknen mit einem Ofen in einer Luftatmosphäre bei 70°C über den Zeitraum von 30 Minuten durchgeführt.
Danach wurde ein Trocknen in einer Umgebung mit verringertem Druck bei 170°C über den Zeitraum von 10 Stunden durchgeführt. Auf diese Weise wurde die negative Elektrode B ausgebildet. Der Aktivmaterialgehalt in der erhaltenen negativen Elektrode B war 8,0 mg/cm².
(Herstellung einer Knopfzelle)
Knopfzellen (Knopfzellen-Speicherbatterien) wurden hergestellt, indem die ausgebildeten positiven Elektroden mit den jeweiligen negativen Elektroden, der negativen Elektrode A und der negativen Elektrode B, die ein Vergleichsbeispiel für die negative Elektrode A war, kombiniert wurden.
Bei einer Elektrolytlösung wurde 1,3-Dimethyl-1-propylpiperidinium-bis(fluorsulfonyl)amid (Abkürzung: 3mPP13-FSA) als nicht-wässriges Lösungsmittel verwendet und Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)amid (Abkürzung: LiTFSA) wurde als Elektrolyt verwendet. LiTFSA wurde in 3mPP13-FSA in einer Konzentration von 1 mol/l aufgelöst.
Für einen Separator wurde GF/C, welches ein Glasfaserfilter hergestellt von Whatman Ltd. ist, verwendet. Die Dicke von GF/C war 260 μm. Der Separator wurde in die Elektrolytlösung eingetaucht, um verwendet zu werden.
Eine Positivelektrodendose und eine Negativelektrodendose waren aus Edelstahl (SUS) ausgebildet. Als Dichtung wurde ein Abstandhalter oder ein Unterlegscheibe verwendet.
Die Positivelektrodendose, die positive Elektrode, der Separator, die negative Elektrode (die negative Elektrode A oder die negative Elektrode B), die Dichtung und die Negativelektrodendose wurden gestapelt, und die Positivelektrodendose und die Negativelektrodendose wurden mit einem „Knopfzellencrimper (coin cell crimper)” zusammengepresst. Auf diese Weise wurde die Knopfzellen-Speicherbatterie hergestellt. Die Knopfzellen-Speicherbatterie, die unter Verwendung der negativen Elektrode A hergestellt wurde, wird als Probe A bezeichnet, und die Knopfzellen-Speicherbatterie, die unter Verwendung der negativen Elektrode B, die ein Vergleichsbeispiel für die negative Elektrode A ist, hergestellt wurde, wird als Vergleichsprobe B bezeichnet.
(Lade- und Entlade-Eigenschaften)
8 zeigt die Messergebnisse der Lade- und Entlade-Eigenschaften der Probe A und der Vergleichsprobe B. Die durchgezogenen Linien stellen die Lade- und Entladekurven der Probe A dar, und die gestrichelten Linien stellen diejenigen der Vergleichsprobe B dar. Die Lade- und Entladetemperatur war 60°C, die Lade- und Entladerate war 0,1 C, das Aufladen wurde bei einem konstanten Strom durchgeführt, bis die Spannung eine Schlussspannung von 4 V erreichte, und das Entladen wurde bei einem konstanten Strom durchgeführt, bis die Spannung eine Schlussspannung von 2 V erreichte. Das erste Aufladen wurde von einem Entladen gefolgt, wobei eine 2 Stunden Pause dazwischen eingelegt wurde.
In dieser Beschreibung und dergleichen bezeichnet der Begriff „Rate” einen Index der Geschwindigkeit, mit der eine Batterie aufgeladen oder entladen wird. Das heißt, dass die „Rate”, mit der eine Batterie aufgeladen oder entladen wird, durch ein Vielfaches eines Stromwertes 1 C dargestellt wird, welcher erforderlich ist, um das Entladen der theoretischen Kapazität eines Aktivmaterials in 1 Stunde abzuschließen.
Die Vergleichsprobe B zeigte hohe irreversible Anfangskapazität: für die Ladekapazität von 145 mAh/g war die Entladekapazität nur 40 mAh/g (zirka 28% der Ladekapazität). Dagegen konnte für die Ladekapazität von zirka 153 mAh/g die Probe A eine Entladekapazität von zirka 110 mAh/g (zirka 72%) erzielen.
Als nächstes wurde eine Knopfzellen-Speicherbatterie unter Verwendung einer negativen Elektrode A-2, die unter den gleichen Bedingungen wie die negative Elektrode A ausgebildet wurde, hergestellt. Die hergestellte Knopfzellen-Speicherbatterie wird als Probe A-2 bezeichnet. Die Bedingungen aller Komponenten außer der negativen Elektrode waren gleich denjenigen der Probe A. 9 zeigt die zyklische Leistung (cycle performance) der Probe A-2 bei 60°C. Die Lade- und Entladetemperatur war 60°C, die Lade- und Entladerate im ersten Zyklus war 0,1 C, die Lade- und Entladerate in den zweiten und nachfolgenden Zyklen war 0,5 C, das Aufladen wurde bei einem konstanten Strom durchgeführt, bis die Spannung eine Schlussspannung von 4 V erreichte, und das Entladen wurde bei einem konstanten Strom durchgeführt, bis die Spannung eine Schlussspannung von 2 V erreichte.
Die Speicherbatterie wurde nach 80 Zyklen abgebaut, um die negative Elektrode zu beobachten. 10 zeigt die Ergebnisse der Querschnittsbeobachtung der negativen Elektrode der Probe A-2, die nach der Messung der zyklischen Leistung abgebaut wurde. Die Beobachtung wurde unter Verwendung eines hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskops (TEM) durchgeführt. Ein Beschichtungsfilm 722, der eine Oberfläche eines Graphitpartikels 721 bedeckte, wurde beobachtet.
[Beispiel 2]
Die im Beispiel 1 verwendete Elektrolytlösung wurde einer Cyclovoltammetrie-(CV-)Messung unterzogen. Bei der Elektrolytlösung wurde 1,3-Dimethyl-1-propylpiperidinium-bis(fluorsulfonyl)amid (Abkürzung: 3mPP13-FSA) als nicht-wässriges Lösungsmittel verwendet und Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)amid (Abkürzung: LiTFSA) wurde als Elektrolyt verwendet. LiTFSA wurde in 3mPP13-FSA in einer Konzentration von 1 mol/l aufgelöst. Zwei Elektroden, eine negative Elektrode A-3 und eine negative Elektrode B-2, wurden jeweils als Arbeitselektrode verwendet. Eine Paste für die negative Elektrode A-3 wurde unter den gleichen Bedingungen wie die Paste für die negative Elektrode A ausgebildet. Der Graphitgehalt in der negativen Elektrode A-3 war 2,4 mg/cm², welcher niedriger war als derjenige in der negativen Elektrode A. Eine Paste für die negative Elektrode B-2 wurde unter den gleichen Bedingungen wie die Paste für die negative Elektrode B ausgebildet. Der Graphitgehalt in der negativen Elektrode B-2 war 1,1 mg/cm², welcher niedriger war als derjenige in der negativen Elektrode B.
Verfahren zum Ausbilden der negativen Elektrode A-3 und der negativen Elektrode B-2 werden nachstehend beschrieben. Die Paste für die negative Elektrode A-3 wurde unter den gleichen Bedingungen wie die Paste für die negative Elektrode A ausgebildet. Die Paste für die negative Elektrode B-2 wurde unter den gleichen Bedingungen wie die Paste für die negative Elektrode B ausgebildet. Die Pasten wurden dann jeweils auf einen Stromkollektor aufgetragen. Beim Auftragen der negativen Elektrode A-3 wurde der Abstand zwischen einem Spachtel und dem Stromkollektor auf 50 μm eingestellt. Beim Auftragen der negativen Elektrode B-2 wurde der Abstand zwischen einem Spachtel und dem Stromkollektor auf 50 μm eingestellt.
Als nächstes wurden Knopfzellen-Speicherbatterien unter den folgenden Bedingungen hergestellt. Die zwei Elektroden, die negative Elektrode A-3 und die negative Elektrode B-2, wurden jeweils als Arbeitselektrode verwendet. Lithiummetall wurde für eine Referenzelektrode und eine Gegenelektrode verwendet. Als Elektrolytlösung wurde eine Lösung, die durch Auflösen von LiTFSA in 3mPP13-FSA in einer Konzentration von 1 mol/l gewonnen wurde, verwendet. Es sei angemerkt, dass in diesem Beispiel eine einzige Elektrode als Referenzelektrode und Gegenelektrode diente.
Drei Zyklen wurden in einem Abtastbereich von 2 V bis 0 V (gegen Li/Li⁺) durchgeführt, wobei die Abtastgeschwindigkeit 0,0167 mV/s war und die Messtemperatur 60°C war. Es sei angemerkt, dass das Abtasten im ersten Zyklus von einem Leerlaufpotential (open-circuit potential) an begann.
11A zeigt die Ergebnisse der Cyclovoltammetrie-(CV-)Messung im ersten Zyklus. Die Messergebnisse in den zweiten und dritten Zyklen werden weggelassen. Im Graphen stellt die durchgezogene Linie die Daten über die negative Elektrode A-3 dar und die gestrichelte Linie stellt die Daten über die negative Elektrode B-2 dar. Es sei angemerkt, dass der Stromwert durch den Maximalstromwert normalisiert wurde. Das Maximum des Absolutwertes des Stroms der Probe mit der negativen Elektrode A-3 war 20 mA/g (g stellt hier das Gewicht des Aktivmaterials dar) und dasjenige der Probe mit der negativen Elektrode B-2 war 34 mA/g (ebenfalls stellt g das Gewicht des Aktivmaterials dar). 11B zeigt eine vergrößerte Ansicht von 11A. Es sei angemerkt, dass ein berechneter gleitender Durchschnitt in 11B dargestellt wurde, um Rauschen wegen eines Messgeräts zu beseitigen. Im ersten Zyklus der negativen Elektrode B-2, die eine negative Graphitelektrode war, die PVdF als Bindemittel enthielt, wurden Peaks bei etwa 1,7 V und etwa 0,9 V beobachtet. Andererseits wurde kein deutlicher Peak in den entsprechenden Positionen in den Daten über die negative Elektrode A-3 beobachtet, die eine negative Graphitelektrode war, die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthielt.
Die zwei Peaks, die im ersten Zyklus der negativen Elektrode B-2 beobachtet wurden, sind wahrscheinlich ein Faktor der irreversiblen Kapazität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Grund, warum die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthaltende negative Graphitelektrode eine niedrigere irreversible Kapazität aufwies als die PVdF als Bindemittel enthaltende negative Graphitelektrode, wie in 8 im Beispiel 1 gezeigt, ist, dass Nebenreaktionen, die typischerweise durch diese zwei Peaks gezeigt werden, unterdrückt wurden. Als mögliche Nebenreaktionen gibt es beispielsweise Einlagerung eines Kations einer ionischen Flüssigkeit, die als Lösungsmittel einer Elektrolytlösung verwendet wird, und Zersetzung einer Elektrolytlösung.
[Beispiel 3]
In diesem Beispiel wurden die Probe A und die Vergleichsprobe B, welche die im Beispiel 1 hergestellten Knopfzellen-Speicherbatterien sind, abgebaut. Oberflächen der Negativelektrodenaktivmaterialschichten, die aus den Batterien herausgenommen wurden, wurden durch XPS analysiert.
(1. Zusammensetzung)
Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung, die durch XPS ermittelt wurde. Es sei angemerkt, dass die Menge an Cu unterhalb oder gleich der Nachweisgrenze lag. [Tabelle 1]
Man kann verstehen, dass der Fluoranteil und der Stickstoffanteil in der Probe A höher sind als diejenigen in der Vergleichsprobe B. Das Verhältnis des Sauerstoffanteils zum Fluoranteil (= O/F) ist vorzugsweise größer als oder gleich 0,1 und kleiner als oder gleich 2, stärker bevorzugt größer als oder gleich 0,3 und kleiner als oder gleich 2. Das Verhältnis des Sauerstoffanteils zum Stickstoffanteil (= O/N) ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 20, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 10, noch stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 5.
Ein solcher Unterschied im Anteil stammt wahrscheinlich aus dem Unterschied in Komponenten der Beschichtungsfilme, die an Graphitoberflächen ausgebildet sind. Es wird davon ausgegangen, dass der Beschichtungsfilm durch Abscheidung zersetzter Stoffe der Elektrolytlösung ausgebildet wird. Die Analyseergebnisse legen nahe, dass verschiedene Zersetzungsreaktionen der Elektrolytlösung stattfanden, wie im Beispiel 2 beschrieben. Daher wurde auch ein Unterschied zwischen den ausgebildeten Beschichtungsfilmen beobachtet.
(2. C1s-Spektrum)
12A und 12B zeigen C1s-Spektren der Probe A und der Vergleichsprobe B, die durch XPS gemessen wurden, und die Ergebnisse einer Wellenformtrennung (waveform separation) der Spektren. 12A zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode A, und 12B zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode B. Die Spektren in 12A und 12B wurden in sieben Peaks getrennt, nämlich C1, C2, C3, C4, C5, C6 und C7, welche dann einer Anpassung (fitting) unterzogen wurden. Tabelle 2 zeigt Daten über die Zuordnung von C1, C2, C3, C4, C5, C6 und C7, die Peakintensität, die durch die Anpassung ermittelt wurde, und dergleichen. 12A zeigt ein Spektrum 1261 (durch die dicke Linie dargestellt), das durch Messen der negativen Elektrode A erhalten wurde, und eine Summe 1262 (durch die dünne Linie dargestellt) der Spektren von C1 bis C7, die durch die Anpassung ermittelt wurden. 12B zeigt ein Spektrum 1263 (durch die dicke Linie dargestellt), das durch Messen der negativen Elektrode B erhalten wurde, und eine Summe 1264 (durch die dünne Linie dargestellt) der Spektren von C1 bis C7, die durch die Anpassung ermittelt wurden. [Tabelle 2]
In 12A ist im Vergleich zu dem Peak von C2 in Tabelle 2, der in einem Bereich von 285 eV bis 286 eV, jeweils einschließlich, liegt und aus einer C-C-Bindung, einer C-H-Bindung oder dergleichen stammt, ein Peak, der in einem Bereich von 290,5 eV bis 291,5 eV, jeweils einschließlich, liegt und aus einer -CF₂-Gruppe, einer -CO₃-Gruppe oder dergleichen stammt, sehr niedrig. In 12B ist im Gegensatz dazu die Intensität des Peaks von C6 im Bereich von 290,5 eV bis 291,5 eV, jeweils einschließlich, hoch. Im C1s-Spektrum, das durch XPS erhalten wurde, ist das Verhältnis der Maximalintensität in einem Bereich von 290 eV bis 292 eV, jeweils einschließlich, zur Maximalintensität in einem Bereich von 284,5 eV bis 286 eV, jeweils einschließlich, vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,3, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 0,1.
Der Peak von C6 in Tabelle 2, der im Bereich von 290,5 eV bis 291,5 eV, jeweils einschließlich, liegt, ist einer -CF₂-Gruppe oder einer -CO₃-Gruppe zugeordnet. Die -CF₂-Gruppe ist eine Komponente von PVdF. Die -CO₃-Gruppe ist nicht als Hauptkomponente der Elektrolytlösung, des Graphits oder des Bindemittels enthalten; deshalb könnte die -CO₃-Gruppe auf eine solche Weise erzeugt werden, dass eine ihrer Hauptkomponenten zersetzt wird und mit einer weiteren Komponente reagiert. Angenommen, dass eine Kohlenstoff enthaltende Komponente zersetzt werde, könnte die Erzeugung der -CO₃-Gruppe beispielsweise durch Zersetzung eines Kations verursacht werden, was auf eine Möglichkeit hindeutet, dass eine Oberfläche von Graphit mit CMC-Na oder SBR bedeckt wurde, so dass die Zersetzung in der Probe A im Vergleich zu derjenigen in der Vergleichsprobe B unterdrückt wurde.
Es sei angemerkt, dass die Detektionstiefe bei XPS zirka 5 nm ist und dass in einigen Fällen abhängig von der Dicke des Beschichtungsfilms ein Peak von Graphit, der unter dem an seinem Oberfläche ausgebildeten Beschichtungsfilm liegt, erkannt wird.
(3. O1s-Spektrum)
13A und 13B zeigen O1s-Spektren der Probe A und der Vergleichsprobe B, die durch XPS gemessen wurden, und die Ergebnisse einer Wellenformtrennung der Spektren. 13A zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode A, und 13B zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode B. Die Spektren in 13A und 13B wurden in vier Peaks getrennt, nämlich O1, O2, O3 und O4, welche dann einer Anpassung unterzogen wurden. Tabelle 3 zeigt Daten über die Zuordnung von O1, O2, O3 und O4, die Peakintensität, die durch die Anpassung ermittelt wurde, und dergleichen. 13A zeigt ein Spektrum 1361, das durch Messen der negativen Elektrode A erhalten wurde, und eine Summe 1362 der Spektren von O1 bis O4, die durch die Anpassung ermittelt wurden. 13B zeigt ein Spektrum 1363, das durch Messen der negativen Elektrode B erhalten wurde, und eine Summe 1364 der Spektren von O1 bis O4, die durch die Anpassung ermittelt wurden. [Tabelle 3]
Die Halbwertsbreite eines Peaks, der in der Nähe von 532,5 eV beobachtet wird, ist groß in 13A, während die Halbwertsbreite in 13B klein ist. Die Ergebnisse der Anpassung in 13A stellen zwei Peaks dar, nämlich einen Peak, der aus einer C-O-C-Bindung stammt (O3: in einem Bereich von 533 eV bis 534 eV, jeweils einschließlich, beobachtet), und einen Peak, der aus einer Metall-OH-Bindung, einer Metall-CO₃-Bindung, einer C=O-Bindung, einer S-O-Bindung oder dergleichen stammt (O2: in einem Bereich von 531 eV bis 533 eV, jeweils einschließlich, beobachtet). In 13B ist im Gegensatz dazu der Peak, der aus einer C-O-C-Bindung oder dergleichen stammt (O3: im Bereich von 533 eV bis 534 eV, jeweils einschließlich, beobachtet), relativ schwach. Unter Berücksichtigung auch der Ergebnisse im C1s-Spektrum besteht eine weitere Möglichkeit, dass beispielsweise Metall-CO₃ gebildet wird.
(4. F1s-Spektrum)
14A und 14B zeigen F1s-Spektren der Probe A und der Vergleichsprobe B, die durch XPS gemessen wurden, und die Ergebnisse einer Wellenformtrennung der Spektren.
14A zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode A, und 14B zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode B. Die Spektren in 14A und 14B wurden in drei Peaks getrennt, nämlich F1, F2 und F3, welche dann einer Anpassung unterzogen wurden. Tabelle 4 zeigt Daten über die Zuordnung von F1, F2 und F3, die Peakintensität, die durch die Anpassung ermittelt wurde, und dergleichen. 14A zeigt ein Spektrum 1461, das durch Messen der negativen Elektrode A erhalten wurde, und eine Summe 1462 der Spektren von F1 bis F3, die durch die Anpassung ermittelt wurden. 14B zeigt ein Spektrum 1463, das durch Messen der negativen Elektrode B erhalten wurde, und eine Summe 1464 der Spektren von F1 bis F3, die durch die Anpassung ermittelt wurden. [Tabelle 4]
Laut der Ergebnisse der Anpassung in 14A ist die Intensität des Peaks von F2 in Tabelle 4, der in einem Bereich von 687 eV bis 688 eV, jeweils einschließlich, liegt und aus LiPF_z (z > 0) oder dergleichen stammt, etwa das 0,17-Fache der Intensität des Peaks von F1 in Tabelle 4, der in einem Bereich von 685 eV bis 686 eV, jeweils einschließlich, oder in seiner Nähe liegt und aus einer Li-F-Bindung, einer N-F-Bindung oder dergleichen stammt.
(5. S2p-Spektrum)
15A und 15B zeigen S2p-Spektren der Probe A und der Vergleichsprobe B, die durch XPS gemessen wurden, und die Ergebnisse einer Wellenformtrennung der Spektren.
15A zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode A, und 15B zeigt die Messergebnisse der negativen Elektrode B. Die Spektren in 15A und 15B wurden in fünf Peaks getrennt, nämlich S1, S2, S3, S4 und S5, welche dann einer Anpassung unterzogen wurden. Tabelle 5 zeigt Daten über die Zuordnung von S1, S2, S3, S4 und S5, die Peakintensität, die durch die Anpassung ermittelt wurde, und dergleichen. 15A zeigt ein Spektrum 1561, das durch Messen der negativen Elektrode A erhalten wurde, und eine Summe 1562 der Spektren von S1 bis S5, die durch die Anpassung ermittelt wurden. 15B zeigt ein Spektrum 1563, das durch Messen der negativen Elektrode B erhalten wurde, und eine Summe 1564 der Spektren von S1 bis S5, die durch die Anpassung ermittelt wurden. [Tabelle 5]
Es sei angemerkt, dass, da auch SO_α (α > 0) oder eine S-N-Bindung eine Komponente eines Anions der ionischen Flüssigkeit ist, es/sie eine Komponente eines Rückstandes der ionischen Flüssigkeit sein könnte.
(6. Berechnung des bestehenden Anteils)
Hierbei wird der Wert, der ermittelt wird, indem die Fläche jedes der Peaks, die gemäß den Ergebnissen der Wellenformanalyse getrennt werden, mit dem Anteil jedes Elements multipliziert wird, als bestehender Anteil definiert. Zum Beispiel beträgt laut des C1s-Spektrums in 12A die Fläche des Peaks von C2 in Tabelle 2 64,82%. Dieser Wert wird mit 46,7%, d. h. dem Kohlenstoffanteil in der Probe A, multipliziert. Mit anderen Worten wird die Lösung von 0,6482 × 0,467 × 100 = 30,27% als bestehender Anteil an C2 definiert. Tabelle 2 zeigt die bestehenden Anteile der getrennten Peaks.
Bei der Vergleichsprobe B ist der bestehende Anteil des Peaks von 06 8,06% und der bestehende Anteil des Peaks von F1 ist 3,19%. Das Verhältnis C6/F1 ist 2,53. Andererseits wird herausgefunden, dass bei der Probe A der Peak von C6, der durch die Wellenformtrennung erhalten wird, sehr schwach ist.
Das Verhältnis des bestehenden Anteils von C6 zu demjenigen von F1 (C6/F1) ist bevorzugt kleiner als oder gleich 2, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 1, noch stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 0,5.
(7. Nach dem Zustand sortierter bestehender Anteil an Li)
Als nächstes zeigt Tabelle 6 den nach dem Zustand sortierten bestehenden Anteil an Li, welcher aus den Ergebnissen der Wellenformanalyse an C1s, O1s, F1s und S2p errechnet wurde. [Tabelle 6]
In der Annahme des Vorhandenseins der Verbindungen Li₂O, LiOH, Li₂O₃, LiF, Li₂SO₄ und LiSF_γ (γ > 0) sowie metallisches Li wurden die jeweiligen bestehenden Anteile an Li in den Zuständen der Verbindungen und des metallischen Li berechnet. In Bezug auf Li₂O wurde zuerst davon ausgegangen, dass alle Peaks von O1 im O1s-Spektrum aus Li₂O stammten. In Bezug auf Li₂O₃ wurde als nächstes davon ausgegangen, dass alle Peaks von C6 im C1s-Spektrum aus Li₂O₃ stammten. In Bezug auf Li₂SO₄ wurde davon ausgegangen, dass alle S4-Komponenten im S2p-Spektrum aus Li2SO4 stammten. In Bezug auf LiSF_γ (γ > 0) wurde davon ausgegangen, dass alle S5-Komponenten im S2p-Spektrum aus LiSF_γ (γ > 0) stammten. Der bestehende Anteil an LiOH wurde berechnet, indem die Anzahl der Komponenten von Li₂O₃ und Li₂SO₄ vom O2-Spektrum in der O1s-Analyse abgezogen wurde.
Der bestehende Anteil an LiF wurde ermittelt, indem die Anzahl der aus einer N-F-Bindung stammenden Komponenten vom F1-Spektrum abgezogen wurde. Die Anzahl der aus einer N-F-Bindung stammenden Komponenten wurde durch Analyse eines N1s-Spektrums ermittelt. 16A und 16B zeigen N1s-Spektren und die Ergebnisse einer Wellenformtrennung der Spektren. 16A zeigt die Ergebnisse der negativen Elektrode A, und 16B zeigt die Ergebnisse der negativen Elektrode B. Unter drei Peaks N1, N2 und N3 stammt der N3-Peak aus einer N-F-Bindung und einer N-SO-Bindung (Δ > 0). Man geht davon aus, dass in 16B die Anzahl der bestehenden N-F-Bindungen null ist, da der N3-Peak kaum beobachtet wird.
Nach den Ergebnissen der Wellenformanalyse in 16A betragen die geschätzten Flächen der N1-, N2- und N3-Peaks 17%, 35% bzw. 48%. Diese Werte wurden jeweils mit 6,8%, d. h. dem Stickstoffanteil, multipliziert, so dass 1,2%, 2,4% und 3,2% als bestehende Anteile der N1-, N2- bzw. N3-Peaks bestimmt wurden. Dabei wurde davon ausgegangen, dass alle N3-Peaks aus einer N-F-Bindung stammten, und 3,2%, d. h. der bestehende Anteil des N3-Peaks, wurde von 7,52%, d. h. vom bestehenden Anteil des F1-Peaks (der aus einer Li-F-Bindung und einer N-F-Bindung stammte) im F1 s-Spektrum, abgezogen, so dass festgestellt wurde, dass der bestehende Anteil an LiF 4,52% betrug. Es sei angemerkt, dass in Anwesenheit von N-SO_Δ (Δ > 0) der berechnete bestehende Anteil an LiF höher ist, obwohl hierbei angenommen wurde, dass alle N3-Peaks aus einer N-F-Bindung stammten. Präzise gesagt, konnte der bestehende Anteil an LiF auf wenigstens 4,52% ermittelt werden.
Der bestehende Anteil an metallischem Li wurde ermittelt, indem die Menge an Li in einer Verbindung vom Li-Anteil in Tabelle 1 abgezogen wurde.
Es sei angemerkt, dass Tabelle 6 den bestehenden Anteil an Li zeigt. Es wird angenommen, dass das Verhältnis des bestehenden Anteils an aus Lithiumcarbonat stammendem Li zum bestehenden Anteil an aus Lithiumfluorid stammendem Li, d. h. Li (Lithiumcarbonat):Li (Lithiumfluorid), 2:1 sei. In diesem Fall ist, da Lithiumcarbonat (Li₂CO₃) zwei Li-Atome aufweist, während Lithiumfluorid (LiF) ein Li-Atom aufweist, das Verhältnis der bestehenden Anteile dieser Verbindungen wie folgt: Lithiumcarbonat:Lithiumfluorid = (2/2):1 = 1:1.
Tabelle 6 zeigt eine Tendenz: in der Probe A ist der Anteil an Li im Zustand von Lithiumfluorid (LiF) hoch und der Anteil an Li im Zustand von Lithiumcarbonat (Li₂CO₃) ist niedrig, wenn sie mit denjenigen in der Vergleichsprobe B verglichen werden.
Das Verhältnis des Anteils an Lithiumcarbonat zum Anteil an Lithiumfluorid (Lithiumcarbonat/Lithiumfluorid) ist bevorzugt kleiner als oder gleich 2, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 0,5.
Das Fluorelement in LiF, die Bindung zwischen S und O in Li₂SO₄ und das Sauerstoffelement in Li₂CO₃ sind jeweils ein Element oder eine Bindung, das/die in dem Kation oder dem Anion der ionischen Flüssigkeit enthalten ist. Angenommen, dass Komponenten des Beschichtungsfilms hauptsächlich entstehende Produkte einer Reaktion zwischen einem zersetzen Stoff der Elektrolytlösung und einer weiteren Komponente seien, unterscheiden sich die Zersetzungsspannung, der Grad der Zersetzung und dergleichen beim Aufladen zwischen der Probe A und der Vergleichsprobe B; bei der Probe A ist der Grad der Zersetzung vielleicht niedrig und daher kann die Zersetzung auch bei einem niedrigen Potential unterdrückt werden. Überdies ist ebenfalls möglich, dass wie oben beschrieben, eine -CO₃-Gruppe oder dergleichen durch Zersetzung des Kations erzeugt wird. Des Weiteren wurden viele LiF-Komponenten in der Probe A beobachtet. Als Beispiel für eine Fluor enthaltende Komponente kann das Anion der ionischen Flüssigkeit angegeben werden. Der hohe LiF-Anteil deutet darauf hin, dass das Anion bei einem relativ niedrigen Potential zersetzt wird oder dass das Anion leicht durch langsame Zersetzung zersetzt wird.
[Beispiel 4]
In diesem Beispiel werden ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ihre Eigenschaften beschrieben.
(Ausbilden einer negativen Elektrode C)
Es wurden negative Elektroden C und E, die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthielten, ausgebildet.
Zuerst wird ein Verfahren zum Ausbilden der negativen Elektrode C beschrieben.
Unter Verwendung eines Negativelektrodenaktivmaterials, eines Bindemittels und eines Dispersionsmittels wurde eine Paste für eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht ausgebildet.
Sphärischer natürlicher Graphit mit einem Partikeldurchmesser von 15 μm wurde als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet. SBR und CMC-Na wurden als Bindemittel verwendet. Die Spezifikation des verwendeten CMC-Na ist wie folgt: der Polymerisationsgrad liegt in einem Bereich von 600 bis 800; die Viskosität der wässrigen Lösung im Fall einer 1% wässrigen Lösung liegt in einem Bereich von 300 mPa·s bis 500 mPa·s; und der Natriumgehalt nach dem Trocknen liegt in einem Bereich von 6,5% bis 8,5%. Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste wurde auf Graphit:SBR:CMC-Na = 97:1,5:1,5 (Gewichtsverhältnis) eingestellt.
Nun wird ein Verfahren zum Ausbilden der Paste beschrieben.
Ein Mischen wurde mit einem Planetenmixer durchgeführt. Ein Behälter mit einem Volumen von 1,4 l wurde zum Mischen verwendet.
Zuerst wurde das Aktivmaterial gewogen und Kohlenstofffasern und CMC-Na-Pulver wurden dazu hinzugefügt, so dass ein Gemisch A gewonnen wurde.
Wasser wurde dann dem Gemisch A hinzugefügt, und das Gemisch wurde zirka 40 Minuten lang mit einem Mixer zu einer dicken Paste geknetet; auf diese Weise wurde ein Gemisch B gewonnen. Das Gewicht vom hier hinzugefügten Wasser betrug 39% des Gesamtgewichts des Gemisches. „Etwas zu einer dicken Paste zu kneten” bedeutet hier „etwas mit einer hohen Viskosität zu mischen”.
Eine wässrige SBR-Dispersion wurde anschließend dem Gemisch B hinzugefügt, weiteres Wasser wurde hinzugefügt, und ein Mischen wurde 20 Minuten lang mit einem Mixer durchgeführt; auf diese Weise wurde ein Gemisch C gewonnen.
Reines Wasser, das als Dispersionsmittel diente, wurde dann dem Gemisch C hinzugefügt, bis eine vorbestimmte Viskosität erhalten wurde, und ein Mischen wurde 20 Minuten lang mit einem Mixer durchgeführt, so dass ein Gemisch D gewonnen wurde. Die vorbestimmte Viskosität bezeichnet hier beispielsweise eine zum Auftragen geeignete Viskosität.
Anschließend wurde das gewonnene Gemisch D unter verringertem Druck entgast. Der Druck im dieses Gemisch enthaltenden Mixer wurde verringert und die Entgasung wurde 20 Minuten lang durchgeführt. Der Druck wurde derart reguliert, dass ein Druckunterschied vom Atmosphärendruck 0,096 Mpa oder weniger war.
Durch die obigen Schritte wurde eine Paste für eine Aktivmaterialschicht der negativen Elektrode C ausgebildet.
Die Paste wurde dann mittels eines Geräts zum kontinuierlichen Auftragen (continuous coating device) auf einen Stromkollektor aufgetragen.
Eine 18 μm dicke gewalzte Kupferfolie wurde als Stromkollektor verwendet. Die Auftragsgeschwindigkeit wurde auf 0,5 m/min eingestellt.
Anschließend wurde die aufgetragene Elektrode unter Verwendung eines Trockenofens getrocknet. Das Trocknen wurde in einer Luftatmosphäre durchgeführt. Die Temperatur und die Zeit zum Trocknen betreffend wurde die Elektrode 180 Sekunden lang bei 50°C und dann 180 Sekunden lang bei 80°C getrocknet.
Nach dem Trocknen im Trockenofen wurde ein weiteres Trocknen in einer Umgebung mit verringertem Druck bei 100°C über den Zeitraum von 10 Stunden durchgeführt.
Durch die obigen Schritte wurde die negative Elektrode C ausgebildet.
(Ausbilden der negativen Elektrode E)
Als nächstes wurde die negative Elektrode E, die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthielt, ausgebildet. Eine Negativelektrodenpaste wurde zuerst unter Verwendung eines Negativelektrodenaktivmaterials, eines Bindemittels und eines Dispersionsmittels ausgebildet.
Hier wurde sphärischer natürlicher Graphit mit einem Partikeldurchmesser von 15 μm als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet, und Styrol-Butadien-Gummi (SBR) und Natriumcarboxymethylcellulose (CMC-Na) wurden als Bindemittel verwendet. Die Spezifikation des verwendeten CMC-Na ist wie folgt: der Polymerisationsgrad liegt in einem Bereich von 600 bis 800; die Viskosität der wässrigen Lösung im Fall einer 1% wässrigen Lösung liegt in einem Bereich von 300 mPa·s bis 500 mPa·s; und der Natriumgehalt nach dem Trocknen liegt in einem Bereich von 6,5% bis 8,5%. Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste wurde auf Graphit:SBR:CMC-Na = 97:1,5:1,5 (Gewichtsverhältnis) eingestellt.
Nun wird ein Verfahren zum Ausbilden der Paste detailliert beschrieben. Zuerst wurde eine wässrige Lösung derart vorbereitet, dass CMC-Na, welches hohe Viskositäts-Modifizierungseigenschaften aufweist, gleichmäßig in reinem Wasser aufgelöst wurde. Dann wurde das Aktivmaterial gewogen und die wässrige CMC-Na-Lösung wurde dazu hinzugefügt.
Anschließend wurde das Gemisch dieser Materialien mit einem Mixer bei 1500 U/min zu einer dicken Paste geknetet.
Eine wässrige SBR-Dispersion wurde anschließend dem Gemisch hinzugefügt, und ein Mischen wurde 5 Minuten lang mit einem Mixer bei 1500 U/min durchgeführt. Reines Wasser, das als Dispersionsmittel diente, wurde dann dem Gemisch hinzugefügt, bis eine vorbestimmte Viskosität erhalten wurde, und ein Mischen wurde mit einem Mixer bei 1500 U/min durchgeführt. Durch die obigen Schritte wurde die Negativelektrodenpaste für die negative Elektrode E ausgebildet.
Die Negativelektrodenpaste, die durch das obige Verfahren ausgebildet wurde, wurde mittels eines Spachtels auf einen Stromkollektor aufgetragen. Der Abstand zwischen dem Spachtel und dem Stromkollektor wurde auf 220 μm eingestellt. Eine 18 μm dicke gewalzte Kupferfolie wurde als Stromkollektor verwendet.
Anschließend wurde ein Trocknen auf einer Heizplatte in einer Luftatmosphäre durchgeführt. Der Trocknungsschritt begann bei 25°C bis 30°C, und die Temperatur wurde dann auf 50°C oder niedriger erhöht und über den Zeitraum von zirka 30 Minuten beibehalten, so dass Wasser, d. h. das Dispersionsmittel, verdampfte. Danach wurde ein Trocknen in einer Umgebung mit verringertem Druck bei 100°C über den Zeitraum von 10 Stunden durchgeführt. Auf diese Weise wurde die negative Elektrode E ausgebildet.
(Ausbilden einer negativen Vergleichselektrode D)
Als nächstes wurde eine negative Vergleichselektrode D, die PVdF als Bindemittel enthielt, als Vergleichsprobe ausgebildet. Zuerst wurde unter Verwendung eines Negativelektrodenaktivmaterials, eines Bindemittels und eines Dispersionsmittels eine Paste für eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht ausgebildet.
Sphärischer natürlicher Graphit mit einem Partikeldurchmesser von 15 μm wurde als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet. PVdF wurde als Bindemittel verwendet. Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste wurde auf Graphit:PVdF = 90:10 (Gewichtsverhältnis) eingestellt.
Nun wird ein Verfahren zum Ausbilden der Paste beschrieben.
Zuerst wurden Graphit und PVdF gewogen und mit einem Mixer gemischt, so dass ein Gemisch E gewonnen wurde. Dem Gemisch E wurde dann NMP hinzugefügt und ein Mischen wurde mit einem Mixer durchgeführt, um eine Paste auszubilden.
Die Paste wurde dann mittels eines Spachtels auf einen Stromkollektor aufgetragen. Eine 18 μm dicke gewalzte Kupferfolie wurde als Stromkollektor verwendet. Die Abtastgeschwindigkeit des Spachtels wurde auf 10 mm/s eingestellt.
Anschließend wurde die aufgetragene Elektrode unter Verwendung einer Heizplatte in einer Luftatmosphäre bei 50°C über den Zeitraum von 30 Minuten getrocknet, und dann wurde ein weiteres Trocknen in einer Umgebung mit verringertem Druck bei 100°C über den Zeitraum von 10 Stunden durchgeführt.
Durch die obigen Schritte wurde die negative Vergleichselektrode D ausgebildet.
(Herstellung der Speicherbatterie)
Als nächstes wurden unter Verwendung der ausgebildeten negativen Elektrode C, negativen Elektrode E und negativen Vergleichselektrode D die Knopfzellen-Speicherbatterien, die bei der Ausführungsform 1 beschrieben worden sind, hergestellt. Die Eigenschaften als einzelne Elektrode (single-electrode characteristics) der negativen Elektroden wurden unter Verwendung von Lithiummetall als Gegenelektroden gemessen.
Die Eigenschaften wurden unter Verwendung einer CR2032-Knopfzellen-Speicherbatterie (mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 3,2 mm) gemessen. Eine Positivelektrodendose und eine Negativelektrodendose waren aus Edelstahl (SUS) ausgebildet. Für einen Separator wurde ein Stapel aus Polypropylen und GF/C, welches ein Glasfaserfilter hergestellt von Whatman Ltd. ist, verwendet. Als Elektrolytlösung wurde entweder eine Elektrolytlösung A oder eine Elektrolytlösung B, welche unten gezeigt werden, verwendet.
Als nicht-wässriges Lösungsmittel der Elektrolytlösung A wurde 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(fluorsulfonyl)amid (Abkürzung: EMI-FSA), welches durch Strukturformel (51) dargestellt wird, verwendet, und LiTFSA, welches als Elektrolyt verwendet wurde, wurde in einer Konzentration von 1 mol/l aufgelöst. [Chemische Formel 35]
Als nicht-wässriges Lösungsmittel der Elektrolytlösung B wurde P13-FSA, welches durch Strukturformel (52) dargestellt wird, verwendet, und LiTFSA, welches als Elektrolyt verwendet wurde, wurde in einer Konzentration von 1 mol/l aufgelöst. [Chemische Formel 36]
Tabelle 7 zeigt die Bedingungen der negativen Elektroden und der Elektrolytlösungen, die für die jeweiligen Speicherbatterien verwendet wurden.

Tabelle 8 zeigt den Aktivmaterialgehalt, die Dicke und die Dichte der Negativelektrodenaktivmaterialschichten der in diesem Beispiel verwendeten negativen Elektroden. In Tabelle 7 wurde die negative Elektrode C als negative Elektroden von Speicherbatterien C-1-1, C-1-2, C-2-1 und C-2-2 verwendet, die negative Elektrode E wurde als negative Elektroden von Speicherbatterien E-1-1 und E-1-2 verwendet, und die negative Vergleichselektrode D wurde als negative Elektroden von Speicherbatterien D-1-1, D-1-2, D-2-1 und D-2-2 verwendet. Die Elektrolytlösung A wurde für die Speicherbatterien C-1-1, C-1-2, D-1-1 und D-1-2 verwendet, und die Elektrolytlösung B wurde für die Speicherbatterien C-2-1, C-2-2, D-2-1 und D-2-2 verwendet. [Tabelle 7]

	Negative Elektrode	Elektrolytlösung
Speicherbatterie C-1-1	Negative Elektrode C	Elektrolytlösung A
Speicherbatterie C-1-2
Speicherbatterie E-1-1	Negative Elektrode E
Speicherbatterie E-1-2
Speicherbatterie D-1-1	Negative Elektrode D
Speicherbatterie D-1-2
Speicherbatterie C-2-1	Negative Elektrode C	Elektrolytlösung B
Speicherbatterie C-2-2
Speicherbatterie D-2-1	Negative Elektrode D
Speicherbatterie D-2-2

[Tabelle 8]

	Aktivmaterialgehalt [mg/cm²]	Dicke [μm]	Dichte [g/cc]
Speicherbatterie C-1-1	5,5	71	0,81
Speicherbatterie C-1-2	5,1	65	0,81
Speicherbatterie E-1-1	8,7	93	0,96
Speicherbatterie E-1-2	8,6	104	0,85
Speicherbatterie D-1-1	8,4	99	0,94
Speicherbatterie D-1-2	8,3	95	0,97
Speicherbatterie C-2-1	4,5	49	0,95
Speicherbatterie C-2-2	4,5	49	0,95
Speicherbatterie D-2-1	7,2	72	1,12
Speicherbatterie D-2-2	7,2	79	1,02

(Lade- und Entlade-Eigenschaften)
Als nächstes wurden die Lade- und Entlade-Eigenschaften der hergestellten Speicherbatterien gemessen. Die Messtemperatur war 25°C. Das Entladen (Li-Einlagerung) wurde auf die folgende Weise durchgeführt: ein Entladen bei einem konstanten Strom wurde mit einer Rate von 0,1 C bis zu einer Untergrenze von 0,01 V durchgeführt, und ein Entladen bei einer konstanten Spannung wurde dann bei einer Spannung von 0,01 V bis zu einer Untergrenze eines Stromwertes, der 0,01 C entspricht, durchgeführt. Als Aufladen (Li-Auslagerung) wurde ein Aufladen bei einem konstanten Strom mit einer Rate von 0,1 C bis zu einer Obergrenze von 1 V durchgeführt.

Die Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz berechnet sich nach ([Ladekapazität]/[Entladekapazität]) × 100[%]. Die Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz der Speicherbatterien ist in Tabelle 9 und 31 gezeigt. [Tabelle 9]

	Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz [%]
Speicherbatterie C-1-1	91,5
Speicherbatterie C-1-2	90,6
Speicherbatterie E-1-1	92,1
Speicherbatterie E-1-2	92,1
Speicherbatterie D-1-1	75,7
Speicherbatterie D-1-2	76,5
Speicherbatterie C-2-1	90,3
Speicherbatterie C-2-2	87,5
Speicherbatterie D-2-1	76,9
Speicherbatterie D-2-2	77,5

Die Speicherbatterien mit der negativen Elektrode C, d. h. der Elektrode, die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthielt, konnten höhere Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz erzielen als die Speicherbatterien mit der negativen Vergleichselektrode D, d. h. der Elektrode, die PVdF als Bindemittel enthielt.
29A, 29B und 29C zeigen die Lade- und Entladekurven der Speicherbatterien C-1-1, E-1-1 bzw. D-1-1. 30A und 30B zeigen die Lade- und Entladekurven der Speicherbatterien C-2-1 bzw. D-2-1.
Als Beispiel werden 30A und 30B miteinander verglichen; man kann verstehen, dass unter den Bedingungen, unter denen die Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz niedrig war (30B), die Kapazität beim Entladen, d. h. bei der Li-Einlagerung, von 1 V bis zu zirka 0,15 V höher ist. Unter den Bedingungen, unter denen die Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz niedrig war, ist der Grad der Nebenreaktionen, d. h. Reaktionen verschieden von der Li-Einlagerung, wie z. B. Kationeneinlagerung oder Zersetzung der Elektrolytlösung, im Spannungsbereich wahrscheinlich hoch.
Die obigen Ergebnisse können bestätigen, dass die Verwendung der negativen Elektrode C, die CMC-Na und SBR als Bindemittel enthält, für eine Speicherbatterie eine Kapazitätsabnahme infolge einer Nebenreaktion oder dergleichen unterdrücken kann, so dass eine Speicherbatterie mit höherer Leistung erhalten werden kann. Außerdem kann eine Hochleistungsspeicherbatterie, bei der eine Kapazitätsabnahme infolge einer Nebenreaktion unterdrückt wird, erzielt werden, wenn eine Speicherbatterie hergestellt wird, indem die negative Elektrode C beispielsweise mit der positiven Elektrode, die das bei der Ausführungsform 1 beschriebene Positivelektrodenaktivmaterial oder dergleichen enthält, kombiniert wird.
Sowohl im Fall der Verwendung der Elektrolytlösung A als auch im Fall der Verwendung der Elektrolytlösung B führt die Verwendung der negativen Elektrode C zu hoher Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz. Dies deutet darauf hin, dass die Verwendung der negativen Elektrode C hohe Anfangs-Lade- und Entladeeffizienz in beiden Fällen erzielen kann: in dem Fall, in dem beispielsweise ein quaternäres Ammoniumkation, welches ein Kation mit einem aliphatischen Ring ist, als Kation in einem Lösungsmittel einer Elektrolytlösung verwendet wird, und in dem Fall, in dem ein Imidazoliumkation, welches ein Kation mit einem aromatischen Ring ist, verwendet wird.
[Beispiel 5]
In diesem Beispiel werden ein Verfahren zum Herstellen der bei der Ausführungsform 1 beschriebenen laminierten Speicherbatterie, die ein Beispiel für eine Energiespeichervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und ihre Eigenschaften beschrieben.
(Ausbilden einer positiven Elektrode)
Es werden das Zusammensetzungsverhältnis und die Herstellungsbedingungen einer positiven Elektrode beschrieben. LiFePO₄ mit einer spezifischen Oberfläche von 9,2 m²/g wurde als Aktivmaterial verwendet, PVdF wurde als Bindungsmittel verwendet, und Graphen wurde als Leitfähigkeitsadditiv verwendet. Es sei angemerkt, dass es sich beim Graphen zum Zeitpunkt der Ausbildung einer Paste ursprünglich um Graphenoxid handelt und dass es durch eine Reduktionsbehandlung nach dem Auftragen der Elektrode gewonnen wurde. Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste für die Elektrode wurde auf LiFePO₄:Graphenoxid:PVdF = 94,4:0,6:5,0 (Gew.-%) eingestellt.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden der Paste für die positive Elektrode beschrieben.
Zuerst wurden Graphenoxidpulver und NMP, welches als Lösungsmittel diente, mit einem Mixer gemischt, so dass ein Gemisch 1 gewonnen wurde.
Das Aktivmaterial wurde anschließend dem Gemisch 1 hinzugefügt und das Gemisch wurde mit einem Mixer zu einer dicken Paste geknetet, so dass ein Gemisch 2 gewonnen wurde. Durch Kneten des Gemisches zu einer dicken Paste kann die Kohäsion des Aktivmaterials geschwächt werden, und Graphenoxid kann sehr gleichmäßig dispergiert werden.
Dem Gemisch 2 wurde dann PVdF hinzugefügt und ein Mischen wurde mit einem Mixer durchgeführt, so dass ein Gemisch 3 gewonnen wurde.
Das Lösungsmittel NMP wurde dann dem Gemisch 3 hinzugefügt, und ein Mischen wurde mit einem Mixer durchgeführt. Durch die obigen Schritte wurde die Paste ausgebildet.
Die ausgebildete Paste wurde anschließend auf einen Aluminium-Stromkollektor (20 μm), der mit einer Grundierung bedeckt worden war, aufgetragen. Das Auftragen wurde mittels eines Geräts zum kontinuierlichen Auftragen mit einer Auftragsgeschwindigkeit von 1 m/s durchgeführt. Danach wurde ein Trocknen unter Verwendung eines Trockenofens durchgeführt. Das Trocknen wurde 4 Minuten lang bei 80°C durchgeführt. Die Elektrode wurde dann reduziert.
Als Reduktion wurde eine chemische Reduktion zuerst durchgeführt, die von einer thermischen Reduktion gefolgt wurde. Erst einmal werden Bedingungen der chemischen Reduktion beschrieben. Eine für die Reduktion verwendete Lösung wurde wie folgt vorbereitet: ein Lösungsmittel, in dem NMP und Wasser in 9:1 gemischt waren, wurde verwendet, und Ascorbinsäure und LiOH wurden dem Lösungsmittel in einer Konzentration von 77 mmol/l bzw. 73 mmol/l hinzugefügt. Die Reduktionsbehandlung wurde 1 Stunde lang bei 60°C durchgeführt. Danach wurde ein Reinigen mit Ethanol durchgeführt, und ein Trocknen wurde in einer Atmosphäre mit verringertem Druck bei Raumtemperatur durchgeführt. Als nächstes werden Bedingungen der thermischen Reduktion beschrieben. Nach der chemischen Reduktion wurde die thermische Reduktion durchgeführt. Die thermische Reduktion wurde 10 Stunden lang in einer Atmosphäre mit verringertem Druck bei 170°C durchgeführt.
Anschließend wurde die Positivelektrodenaktivmaterialschicht durch ein Walzen-Press-Verfahren (roll press method) gepresst, um sich zu konsolidieren. Durch die obigen Schritte wurde die positive Elektrode ausgebildet.
(Ausbilden einer negativen Elektrode)
Als nächstes wurde eine negative Elektrode durch Schritte, die denjenigen der im Beispiel 1 beschriebenen negativen Elektrode A ähnlich sind, ausgebildet. Sphärischer natürlicher Graphit mit einem Partikeldurchmesser von 15 μm wurde als Negativelektrodenaktivmaterial verwendet, und SBR und CMC-Na wurden als Bindemittel verwendet. Das Zusammensetzungsverhältnis in der Paste wurde auf Graphit:SBR:CMC-Na = 97:1,5:1,5 (Gewichtsverhältnis) eingestellt.
(Herstellung einer laminierten Speicherbatterie)
Als nächstes wurden unter Verwendung der ausgebildeten positiven Elektrode und negativen Elektrode eine laminierte Speicherbatterie X und eine laminierte Speicherbatterie Y hergestellt. Ein Aluminiumfilm, der mit einem Heißsiegelharz (heat sealing resin) bedeckt war, wurde als Außenteil verwendet. Die Fläche der positiven Elektrode war 8,194 cm², und die Fläche der negativen Elektrode war 9,891 cm². Als Separator wurde eine aus Lösungsmittel gesponnene regenerierte Cellulosefaser (solvent-spun regenerated cellulosic fiber) (TF40, hergestellt von NIPPON KODOSHI CORPORATION) mit einer Dicke von 50 μm verwendet.
Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht der positiven Elektrode, die für die Speicherbatterie verwendet wurde, hatte einen Aktivmaterialgehalt von höher als oder gleich 9,0 mg/cm² und niedriger als oder gleich 9,1 mg/cm², eine Dicke von größer als oder gleich 54 μm und kleiner als oder gleich 62 μm und eine Dichte von höher als oder gleich 1,6 g/cc und niedriger als oder gleich 1,8 g/cc. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht der negativen Elektrode, die für die Speicherbatterie verwendet wurde, hatte einen Aktivmaterialgehalt von höher als oder gleich 4,9 mg/cm² und niedriger als oder gleich 5,3 mg/cm², eine Dicke von größer als oder gleich 51 μm und kleiner als oder gleich 68 μm und eine Dichte von höher als oder gleich 0,8 g/cc und niedriger als oder gleich 1,0 g/cc.
Eine positive Elektrode und eine negative Elektrode C wurden als Elektroden einer einzelnen Speicherbatterie verwendet und derart angeordnet, dass Oberflächen, an denen ihre jeweiligen Aktivmaterialschichten ausgebildet waren, einander zugewandt waren, wobei der Separator dazwischen lag.
Als Elektrolytlösung der Speicherbatterie X wurde eine im Folgenden angegebene Elektrolytlösung C verwendet; als Elektrolytlösung der Speicherbatterie Y wurde eine im Folgenden angegebene Elektrolytlösung D verwendet.
Als nicht-wässriges Lösungsmittel der Elektrolytlösung C wurde 1,3-Dimethyl-1-propylpiperidinium-bis(fluorsulfonyl)amid (Abkürzung: 3mPP13-FSA), welches durch Strukturformel (53) dargestellt wird, verwendet, und LiTFSA, welches als Elektrolyt verwendet wurde, wurde in einer Konzentration von 1 mol/l aufgelöst. [Chemische Formel 37]
Als nicht-wässriges Lösungsmittel der Elektrolytlösung D wurde 1-Butyl-3-methylimidazolium-bis(fluorsulfonyl)amid (Abkürzung: BMI-FSA), welches durch Strukturformel (54) dargestellt wird, verwendet, und LiTFSA, welches als Elektrolyt verwendet wurde, wurde in einer Konzentration von 1 mol/l aufgelöst. [Chemische Formel 38]
Als nächstes wurden die hergestellten Speicherbatterien X und Y einer Alterung unterzogen. Es sei angemerkt, dass 1 C auf 170 mA/g, welches dem Stromwert pro Gewicht des Positivelektrodenaktivmaterials entspricht, eingestellt wurde, um die Rate zu berechnen.
32 zeigt ein Ablaufdiagramm der Alterung. Zunächst wurde ein Aufladen bei 25°C mit einer Rate von 0,01 C bis zu einer oberen Spannungsgrenze von 3,2 V durchgeführt (Schritt 1).
Anschließend wurde eine Entgasung durchgeführt, und dann wurden die Batterien wieder abgedichtet (Schritt 2). Besonders beim ersten Aufladen könnte eine große Menge an Gas erzeugt werden. Wenn das erzeugte Gas beispielsweise das Vorhandensein der Elektrolytlösung an einer Elektrodenoberfläche örtlich behindert, kann kein normales Aufladen und Entladen durchgeführt werden. Aus diesem Grund wird die Entgasung vorzugsweise durchgeführt.
Danach wurde ein Aufladen bei 25°C mit einer Rate von 0,05 C bis zu einer oberen Spannungsgrenze von 4 V durchgeführt, und ein Entladen wurde dann mit einer Rate von 0,2 C bis zu einer unteren Spannungsgrenze von 2 V durchgeführt (Schritt 3).
Anschließend wurden ein Aufladen und ein Entladen jeweils zweimal bei 25°C durchgeführt. Als Ladebedingungen wurde die obere Spannungsgrenze auf 4 V eingestellt und die Rate wurde auf 0,2 C eingestellt. Als Entladebedingungen wurde die untere Spannungsgrenze auf 2 V eingestellt und die Rate wurde auf 0,2 C eingestellt (Schritt 4).
Als nächstes wurde eine Lade- und Entladezyklen-Prüfung (charge-discharge cycle test) der hergestellten Speicherbatterien X und Y durchgeführt. Die Messtemperatur war 60°C. Die Lade- und Entladezyklen-Prüfung bedeutet hier eine Wiederholung von Zyklen, wobei ein Zyklus einem Aufladen und einem Entladen nach dem Aufladen entspricht. Im ersten Zyklus wurden ein Aufladen und ein Entladen mit einer Rate von 0,1 C durchgeführt. Anschließend wurden 200 Zyklen eines Aufladens und Entladens mit einer Rate von 0,5 C durchgeführt, welche von einem Lade- und Entladezyklus mit einer Rate von 0,10 gefolgt wurde. Ein Lade- und Entladezyklus mit einer Rate von 0,1 C wurde dann alle 200 Zyklen mit einer Rate von 0,5 C durchgeführt, und dieses Verfahren wurde wiederholt.
33A zeigt die Lade- und Entladekurven der Speicherbatterie X im zweiten Zyklus. 33B stellt die Veränderung der Entladekapazität der Speicherbatterie X in Bezug auf die Anzahl der Zyklen dar. Die Entladekapazität im 600-ten Zyklus war 92 mAh/g; es wurde 70% oder mehr der Entladekapazität im zweiten Zyklus, 128 mAh/g, behalten, und vorteilhafte Eigenschaften konnten erzielt werden.
34 stellt die Veränderung der Entladekapazität der Speicherbatterie Y in Bezug auf die Anzahl der Zyklen dar. Als Entladekapazität im 600-ten Zyklus wurde 70% oder mehr der Entladekapazität im zweiten Zyklus behalten, und vorteilhafte Eigenschaften konnten erzielt werden.
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2013-200405 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 26. September 2013, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003-331918 [0006]
JP 2013-200405 [0415]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hajime Matsumoto et al., Fast cycling of Li/LiCoO2 cell with low-viscosity ionic liquids based on bis(fluorosulfonyl)imide [FSI]– (Schneller Zyklus einer Li/LiCoO2-Zelle mit niedrigviskosen ionischen Flüssigkeiten basierend auf Bis(fluorsulfonyl)imid [FSI]–), Journal of Power Sources 160, 2006, S. 1308–1313. [0007]

Claims

Energiespeichervorrichtung, die umfasst: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode, die ein Negativelektrodenaktivmaterial und ein wasserlösliches Polymer umfasst; und eine Elektrolytlösung zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, die eine ionische Flüssigkeit umfasst, wobei die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein einwertiges Amidanion umfasst.
Energiespeichervorrichtung, die umfasst: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode, die ein Negativelektrodenaktivmaterial, ein erstes Material und ein zweites Material umfasst; und eine Elektrolytlösung, zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, die eine ionische Flüssigkeit umfasst, wobei das erste Material ein Material mit Gummielastizität umfasst, wobei das zweite Material ein wasserlösliches Polymer umfasst, und wobei die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein einwertiges Amidanion umfasst.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem wasserlöslichen Polymer um Polysaccharid handelt.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem wasserlöslichen Polymer um Polysaccharid handelt.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Material mit Gummielastizität um ein Polymer, das eine Styrolmonomereinheit oder eine Butadienmonomereinheit enthält, handelt.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem einwertigen Amidanion um ein Anion, das durch (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– oder CF₂(CF₂SO₂)₂N^– dargestellt wird, handelt, wobei n größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3 ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem einwertigen Amidanion um ein Anion, das durch (C_nF_2n+1SO₂)₂N^– oder CF₂(CF₂SO₂)₂N^– dargestellt wird, handelt, wobei n größer als oder gleich 0 und kleiner als oder gleich 3 ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Beschichtungsfilm an einer Oberfläche der negativen Elektrode umfasst, wobei ein Verhältnis eines Sauerstoffanteils zu einem Fluoranteil (O/F) in dem Beschichtungsfilm größer als oder gleich 0,1 und kleiner als oder gleich 2 ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen Beschichtungsfilm an einer Oberfläche der negativen Elektrode umfasst, wobei ein Verhältnis eines Sauerstoffanteils zu einem Fluoranteil (O/F) in dem Beschichtungsfilm größer als oder gleich 0,1 und kleiner als oder gleich 2 ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Beschichtungsfilm an einer Oberfläche der negativen Elektrode umfasst, wobei die Elektrolytlösung ein Lithiumion umfasst, wobei der Beschichtungsfilm Lithiumfluorid und Lithiumcarbonat umfasst, und wobei ein Gewichtsverhältnis des Lithiumcarbonats zu dem Lithiumfluorid (Lithiumcarbonat/Lithiumfluorid) in dem Beschichtungsfilm kleiner als oder gleich 2 ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen Beschichtungsfilm an einer Oberfläche der negativen Elektrode umfasst, wobei die Elektrolytlösung ein Lithiumion umfasst, wobei der Beschichtungsfilm Lithiumfluorid und Lithiumcarbonat umfasst, und wobei ein Gewichtsverhältnis des Lithiumcarbonats zu dem Lithiumfluorid (Lithiumcarbonat/Lithiumfluorid) in dem Beschichtungsfilm kleiner als oder gleich 2 ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei in einem durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie erhaltenen C1s-Spektrum ein Maximalwert in einem Bereich von 290 eV bis 292 eV, jeweils einschließlich, kleiner oder gleich dem 0,3-Fachen eines Maximalwertes in einem Bereich von 284,5 eV bis 286 eV, jeweils einschließlich, ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei in einem durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie erhaltenen C1s-Spektrum ein Maximalwert in einem Bereich von 290 eV bis 292 eV, jeweils einschließlich, kleiner oder gleich dem 0,3-Fachen eines Maximalwertes in einem Bereich von 284,5 eV bis 286 eV, jeweils einschließlich, ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Negativelektrodenaktivmaterial um ein Kohlenstoffmaterial handelt.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Negativelektrodenaktivmaterial um ein Kohlenstoffmaterial handelt.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Kohlenstoffmaterial mindestens eines ist, das aus natürlichem Graphit, Kunstgraphit, einer auf Mesophasenpech basierenden Kohlenstofffaser, einer auf isotropem Pech basierenden Kohlenstofffaser und Graphen ausgewählt wird.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Kohlenstoffmaterial mindestens eines ist, das aus natürlichem Graphit, Kunstgraphit, einer auf Mesophasenpech basierenden Kohlenstofffaser, einer auf isotropem Pech basierenden Kohlenstofffaser und Graphen ausgewählt wird.