DE112011102750T5

DE112011102750T5 - Elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE112011102750T5
Application number: DE112011102750T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Takemura; Tamae Morikawa
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-07-04
Also published as: WO2012023464A1; KR101892984B1; JP2012064571A; TWI597888B; JP6113309B2; US10044027B2; TW201244235A; JP2016105409A; US20140370184A1; CN103053055A; JP6456994B2; KR20120018075A; US20120045692A1; JP2017103257A; CN106207082A; CN103053055B

Abstract

Eine Aufgabe besteht darin, die Leitfähigkeit einer Elektrode zu erhöhen, die Teilchen aus aktivem Material und dergleichen enthält und für eine Batterie eingesetzt. Als ein Leitungs-Hilfsmittel wird zweidimensionaler Kohlenstoff, der 1 bis 10 Graphene enthält, anstelle eines herkömmlicherweise eingesetzten Leitungs-Hilfsmittels eingesetzt, das sich höchstens eindimensional erstreckt, wie beispielsweise Graphitteilchen, Acetylen-Ruß oder Kohlenstofffasern. Bei einem Leitungs-Hilfsmittel, das sich zweidimensional erstreckt, ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass es mit Teilchen aus aktivem Material oder anderen Leitungs-Hilfsmitteln in Kontakt ist, so dass die Leitfähigkeit verbessert werden kann.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vielzahl elektrischer Vorrichtungen, insbesondere eine Batterie, die ein Teilchenmaterial enthält.
2. Fehlt
Bei einer Mangan-Batterie, einer Alkali-Batterie, einer Nickel-Hydrid-Batterie, einer Lithiumionen-Sekundärbatterie und dergleichen wird ein Teilchenmaterial als ein aktives Material zum Speichern von Strom eingesetzt. In einigen Fällen wird, wenn Teilchenmaterial (Teilchen des aktiven Materials) geringe Leitfähigkeit hat, dem Material ein Leitungs-Zusatzmittel (conduction auxiliary agent), wie beispielsweise Acetylen-Ruß, Graphitteilchen oder Kohlenstofffasern, beigemischt, um die Leitfähigkeit zu erhöhen (siehe Patentdokument 1).
Das heißt, die Teilchen aus aktivem Material, das Leitungs-Zusatzmittel und ein Bindemittel werden gemischt, und das Gemisch wird auf einen Stromabnehmer aufgebracht, geformt und dann getrocknet, um als eine Elektrode, wie beispielsweise eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode, zu dienen.
Ein ähnlicher Vorgang wie der oben beschriebene wird bei anderen elektrischen Vorrichtungen, die ein Teilchenmaterial enthalten, ohne Einschränkung auf eine Batterie angewendet, um ihre Leitfähigkeit zu verbessern.
Verweis
Patentdokument

Patentdokument 1: japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. H6-60870
Patentdokument 2: veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2009/0110627
Patentdokument 3: veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2007/0131915

Nicht-Patentdokument

Nicht-Patentdokument 1: P. Blake et al., "Graphene-Based Liquid Crystal Device", Nano Lett. 8, 1704 (2008)

Zusammenfassung der Erfindung
Wenn Graphitteilchen als ein Leitungs-Hilfsmittel in einer Mangan-Trockenbatterie oder dergleichen eingesetzt werden, wird im Allgemeinen aus Kostengründen natürliches Graphit eingesetzt. In diesem Fall reagiert jedoch Eisen, Blei, Kupfer oder dergleichen, das in den Graphitteilchen als eine Verunreinigung enthalten ist, mit einem aktiven Material oder einem Stromsammler, so dass das Potential und die Kapazität der Batterie verringert werden. Weiterhin weist natürliches Graphit schlechte Elektrolytdichtigkeit (electrolyte retention characteristics) auf. Diese Faktoren stellen ein Problem hinsichtlich des Nutzungswirkungsgrades des aktiven Materials dar.
Des Weiteren besteht, wenn Graphit als ein Leitungs-Hilfsmittel für eine positive Elektrode einer Batterie, wie beispielsweise einer Lithiumionen-Batterie, eingesetzt wird, bei der Ladung und Entladung mittels Übertragung von Alkali-Ionen durchgeführt werden, ein Problem dahingehend, dass Graphitteilchen die Alkali-Ionen absorbieren und so der Nutzungswirkungsgrad von Strom verringert wird.
Acetylen-Ruß enthält hingegen weniger Verunreinigungen und verfügt über eine besser entwickelte Kettenstruktur auf als Graphitteilchen, so dass er ausgezeichnete Elektrolytdichtigkeit aufweist und damit der Nutzungswirkungsgrad eines aktiven Materials verbessert wird. Jedoch weist eine Batterie, die Acetylen-Ruß als ein Leitungs-Hilfsmittel enthält, einen Nachteil dahingehend auf, dass das Potential und die Entladungskapazität erheblich verringert werden, da eine funktionelle Gruppe mit einem hohen Reduktionsvermögen in Bezug auf ein aktives Material an einer Oberfläche von Acetylen-Ruß vorhanden ist.
Des Weiteren wird, da Acetylen-Ruß in Mikroteilchen mit Durchmessern von ungefähr 10 nm vorliegt, Strom von den Teilchen des aktiven Materials zu einem Stromsammler durch Überspringen, sog. Hopping, zwischen Teilchen aus Acetylen-Ruß geleitet. Daher wird bei jedem Überspringen Widerstand erzeugt. 2 stellt schematisch ein Beispiel dar, bei dem Acetylen-Ruß als ein Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt wird. In der Zeichnung sind Teilchen, die mit schrägen Linien dargestellt sind, Teilchen eines aktiven Materials, und schwarze Punkte sind Teilchen aus Acetylen-Ruß. Das oben beschriebene Problem tritt auch dann auf, wenn Graphitteilchen eingesetzt werden.
Wenn hingegen, wie in Patentdokument 1, Kohlenstofffasern als ein Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt werden, ist zu erwarten, dass eine Verringerung der Leitfähigkeit aufgrund des oben beschriebenen zu starken Hopping verhindert wird. Das aktive Material und der Stromsammler sind jedoch nicht über eine einzelne Kohlenstofffaser verbunden und daher wird Strom durch Springen zwischen einer Vielzahl von Kohlenstofffasern geleitet.
Selbst wenn alle der Kohlenstofffasern in einer Richtung ausgerichtet sind, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass Kohlenstofffasern in Kontakt miteinander (oder ausreichend nahe zueinander) sind, weniger als 50%, was hinsichtlich der Leitfähigkeit nicht ausreicht.
Des Weiteren ist es schwierig, alle Kohlenstofffasern in einer Elektrode, die mittels eines Gemischs mit einem Bindemittel geformt wird, in einer Richtung auszurichten, so dass die tatsächliche Leitfähigkeit geringer ist als bei der oben beschriebenen Annahme.
Die Leitfähigkeit kann unter Verwendung von zweidimensionalem Kohlenstoff verbessert werden, der 1 bis 100, vorzugsweise 1 bis 10 Graphene als ein Leitungs-Hilfsmittel enthält. Es ist zu bemerken, dass in der vorliegenden Patentbeschreibung ein Graphen eine Schicht aus Kohlenstoffmolekülen mit sp²-Bindungen mit einer Dicke einer Atomlage bezeichnet. 1 ist eine schematische Ansicht, die den Fall darstellt, in dem ein derartiges Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt wird, das sich zweidimensional erstreckt. Hierbei bilden drei Lagen aus zweidimensionalem Kohlenstoff und eine große Anzahl von Teilchen aus aktivem Material eine komplizierte Struktur, so dass die Leitfähigkeit verbessert werden kann.
Beim Einsatz eines Materials, das sich zweidimensional erstreckt und dessen Dicke ignoriert werden kann, als ein Leitungs-Hilfsmittel kann ein äquivalenter Effekt selbst dann erzielt werden, wenn das Volumen des Leitungs-Hilfsmittels verringert wird. So kann das Volumen des Leitungs-Hilfsmittels, das die Elektrode einnimmt, verringert werden, so dass das Volumen der Elektrode reduziert werden kann. Beispielsweise beträgt die Dicke von zweidimensionalem Kohlenstoff, der 10 Graphene enthält, ungefähr 3 nm.
Ein Graphen zeichnet sich dadurch aus, dass, nachdem es einer Dotierungsbehandlung unterzogen wurde, hohe Leitfähigkeit erreicht wird. Es wird ein Wert von 10⁶ S/cm oder mehr erzielt, der der Leitfähigkeit von Silber entspricht bzw. darüber liegt. Diese Tatsache erweist sich als Vorteil für den Einsatz des Graphens als ein Leitungs-Hilfsmittel. Dotieren kann durchgeführt werden, indem das Graphen teilweise oxidiert wird oder ein Alkalimetall, wie beispielsweise Kalium, zu dem Graphen hinzugefügt wird.
Wenn ein Leitungs-Hilfsmittel, das zweidimensionalen Kohlenstoff enthält, für eine elektrische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, eingesetzt wird, bei der Ladung und Entladung mittels Übertragung von Alkalimetall-Ionen oder Alkalierdmetall-Ionen durchgeführt werden, wird in bestimmten Fällen Dotieren mit dem zweidimensionalen Kohlenstoff automatisch durchgeführt, so dass die Leitfähigkeit verbessert wird.
Die Leitfähigkeit von zweidimensionalem Kohlenstoff wird durch Übereinanderschichten mehrerer Graphene verbessert. Jedoch ist eine Schichtanordnung von 101 oder mehr Graphenen nicht vorteilhaft, da sie zu starke graphitische Eigenschaften aufweist.
Wenn ein Material, das sich zweidimensional erstreckt, als ein Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt wird, kann seine typische Länge 100 nm oder mehr und 100 μm oder weniger betragen, vorzugsweise 1 μm oder mehr und 20 μm oder weniger. Insbesondere beim Einsatz von zweidimensionalem Kohlenstoff weist zweidimensionaler Kohlenstoff mit einer typischen Länge von 100 nm oder weniger Halbleitereigenschaften und damit geringe Leitfähigkeit auf. Hingegen weist zweidimensionaler Kohlenstoff mit einer typischen Länge von 100 nm oder mehr elektrische Eigenschaften auf, die äquivalent zu denen eines guten Leiters sind. Um jedoch die Häufigkeit von Leitung durch sogenanntes Hopping (Übertragung von Elektronen von zweidimensionalem Kohlenstoff zu einem anderen zweidimensionalen Kohlenstoff) zu verringern, beträgt die typische Länge vorzugsweise 1 μm oder mehr.
In der vorliegenden Beschreibung ist eine typische Länge als die Quadratwurzel aus der Fläche von zweidimensionalem Kohlenstoff definiert. Obwohl zweidimensionaler Kohlenstoff tatsächlich verschiedene Formen haben kann, wird die Länge in der Annahme definiert, dass der gesamte zweidimensionale Kohlenstoff rechteckige Formen hat. Dementsprechend beträgt eine typische Länge von rechteckigem zweidimensionalem Kohlenstoff mit einer langen Seite von 2 mm und einer kurzen Seite von 50 nm (diese Werte liegen nicht innerhalb des oben erwähnten bevorzugten Bereiches) beispielsweise 10 μm (dieser Wert liegt innerhalb des oben erwähnten bevorzugten Bereiches).
Es ist zu bemerken, dass ein Leitungs-Hilfsmittel zusätzlich zu zweidimensionalem Kohlenstoff Teilchen aus Acetylen-Ruß oder Kohlenstoffteilchen (wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanofasern), die sich eindimensional erstrecken, in einem Volumen enthalten kann, das das 0,1fache oder mehr und das 10fache oder weniger des zweidimensionalen Kohlenstoffs ausmacht.
Der Widerstand der elektrischen Vorrichtung kann mit der oben beschriebenen Struktur verringert werden. Insbesondere, wenn ein Leitungs-Hilfsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Primärbatterie oder eine Sekundärbatterie eingesetzt wird, ist der Widerstand (innerer Widerstand) einer Elektrode vorzugsweise niedriger, wobei sich dies für Anwendungszwecke eignet, bei denen eine große Menge an Energie sofort benötigt wird.
Beispielsweise verbraucht eine Energiequelle eines Elektrofahrzeugs relativ wenig Energie, wenn das Elektrofahrzeug auf ebenem Boden fährt. Jedoch wird bei starker Beschleunigung oder bei Bergauffahrt viel Energie verbracht. In diesem Fall muss die Energiequelle eine erhebliche Menge an Strom zuführen, jedoch kommt es, wenn der innere Widerstand hoch ist, zu einem erheblichen Spannungsabfall und auch einem Verlust aufgrund des inneren Widerstandes.
Dadurch geht ein Teil der Energie, die als verfügbar erwartet wird, verloren. Das heißt, obwohl gespeicherte Energie nahezu vollständig genutzt werden kann, wenn das Fahrzeug auf ebenem Boden fährt, geht ein Teil der Energie bei Bergauffahrt oder bei Beschleunigung verloren. Durch Verringerung des inneren Widerstandes kann dieser Verlust eingeschränkt werden.
Der Grund dafür, dass die Leitfähigkeit beim Einsatz eines Materials verbessert werden kann, das sich zweidimensional erstreckt und dessen Dicke ignoriert werden kann, wird unter Bezugnahme auf 3A bis 3F beschrieben.
3A bis 3D sind Ansichten, anhand derer denen der Grund dafür beschrieben wird, dass die Leitfähigkeit beim Einsatz eines Materials, das sich eindimensional erstreckt, beispielsweise Kohlenstofffasern, nicht ausreichend verbessert wird. 3A stellt Kohlenstofffasern 101 dar, die in einem bestimmten idealen Zustand angeordnet sind. Das heißt, die Vielzahl von Kohlenstofffasern 101 befinden sich geordnet in einem quadratischen Gittermuster. Die Längenrichtungen der Kohlenstofffasern 101 sind senkrecht zu dem Papier.
Ein Abstand zwischen einer Oberfläche einer Kohlenstofffaser und einer Oberfläche einer anderen Kohlenstofffaser beträgt x. Das heißt, ein Durchmesser einer Kohlenstofffaser wird mittels Subtraktion von x von einem Gitterintervall ermittelt. Es gibt einen optimalen Wert für x, der von einer Teilchengröße eines aktiven Materials oder dergleichen abhängt.
3B stellt die Kohlenstofffasern in einer mit einem Pfeil ”a” in 3A angedeuteten Richtung betrachtet dar. In 3B kennzeichnet ein Pfeil ”b” eine Richtung, in der die Kohlenstofffasern in 3A betrachtet werden. Es wird der Fall betrachtet, in dem die Kohlenstofffasern 101 in Kontakt mit oberen Kohlenstofffasern 102 sind. Beispielsweise scheint es bei einer in 3C dargestellten Anordnung, dass die Kohlenstofffasern 101 in engem Kontakt mit den oberen Kohlenstofffasern 102 sind, so dass der Widerstand zwischen ihnen minimal sein kann.
Es kann jedoch ein Fall vorliegen, in dem die Kohlenstofffasern 101 und die oberen Kohlenstofffasern 102, aus einem anderen Winkel (mit dem Pfeil ”b” angedeutet) betrachtet, einander überhaupt nicht überlappen (nicht in Kontakt miteinander sind), wie dies in 3D dargestellt ist. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein derartiges geordnet aufgebautes Kohlenstofffaser-Gitter mit einem ähnlichen oberen Kohlenstofffaser-Gitter überlappt, nicht hoch.
In 3A bis 3D sind die Durchmesser der Kohlenstofffasern 101 und 102 auf ein Zehntel der Gitterintervalle festgelegt. In diesem Fall beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Kohlenstofffasern 101 wenigstens teilweise mit den oberen Kohlenstofffasern 102 überlappen (mit ihnen in Kontakt sind) ungefähr 12,6%.
Dabei nimmt die Wahrscheinlichkeit erheblich zu, wenn ein Material eingesetzt wird, das sich zweidimensional erstreckt. Beispielsweise wird eine in 3E dargestellte Struktur (zweidimensionaler Kohlenstoff 103) angenommen, bei der ein Material, das sich zweidimensional erstreckt, in einem Bereich gebogen ist, der dem Bereich in 3A entspricht. Dabei wird die Biegegrenze auf x eingestellt. Dies dient dazu, einen ähnlichen Effekt wie den in 3A zu erzielen.
Es ist verständlich, dass es, wenn zweidimensionaler Kohlenstoff über dem zweidimensionalen Kohlenstoff 103 vorhanden ist, der auf ähnliche Weise gebogen ist, unmöglich ist, dass diese überhaupt nicht in Kontakt miteinander sind. 3C und 3D zeigen ein Beispiel für einen Fall, in dem Kohlenstofffasern, von einem bestimmten Winkel aus gesehen, in Kontakt miteinander sind, jedoch von einem anderen Winkel aus gesehen, nicht in Kontakt miteinander sind. Dabei scheint ein Material, das sich wie in 3E zweidimensional erstreckt, in einem beliebigen Winkel gesehen, in Kontakt mit einem oberen Material zu sein, wenn diese bei Betrachtung aus einem bestimmten Winkel miteinander in Kontakt sind, wobei sie tatsächlich in Kontakt miteinander sind.
Es ist anzumerken, dass hier besonderes Augenmerk auf das Volumen eines Materials gelegt wird, das sich zweidimensional erstreckt. Beispielsweise ist die Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs 103 in 3E 2,2-mal so groß wie eine Flächenausdehnung der Kohlenstofffasern 101 in dem entsprechenden Bereich in 3A, wenn jedoch die Dicke gering genug ist, ist das Volumen des zweidimensionalen Kohlenstoffs 103 kleiner als das aller Kohlenstofffasern 101 in 3A.
Beispielsweise beträgt, wenn der zweidimensionale Kohlenstoff 103 aus 10 Graphenen besteht, seine Dicke 3,4 nm, und wenn der zweidimensionale Kohlenstoff 103 aus einer geringeren Anzahl von Graphenen besteht, beträgt seine Dicke weniger als 3,4 nm. Dementsprechend ist, wenn die Radien der Kohlenstofffasern 101 3,86 nm oder mehr betragen, das Volumen beim Einsatz der Kohlenstofffasern größer. Der Radius einer Kohlenstofffaser oder eines beliebigen anderen Materials, das sich eindimensional erstreckt, ist tatsächlich größer als 5 nm, so dass noch größeres Volumen erforderlich ist.
Obwohl 3E den Fall darstellt, in dem das sich zweidimensional erstreckende Material eine in einer speziellen Form gebogene Struktur hat, erstreckt sich im Allgemeinen das Material innerhalb eines erheblichen Bereiches zweidimensional. Beispielsweise gibt es einen in 3F dargestellten Fall, in dem sich zweidimensionaler Kohlenstoff 104, der in gleichmäßigen Intervallen in der Richtung ”a” angeordnet ist, unendlich erstreckt. In diesem Fall wird, in der Annahme, dass zweidimensionaler Kohlenstoff, der sich auf ähnliche Weise zweidimensional erstreckt, über dem zweidimensionalen Kohlenstoff 104 vorhanden ist, ein Kontaktzustand zwischen ihnen untersucht.
Erstens wird in dem Fall, in dem der obere zweidimensionale Kohlenstoff in der gleichen Richtung angeordnet ist wie der zweidimensionale Kohlenstoff 104, Kontakt des oberen zweidimensionalen Kohlenstoffs mit dem zweidimensionalen Kohlenstoff 104 bis auf den Fall erschwert, in dem Überlappung mit dem zweidimensionalen Kohlenstoff 104 vorliegt. Jedoch tritt der Fall ein, dass der obere zweidimensionale Kohlenstoff in der gleichen Richtung angeordnet ist, wie der zweidimensionale Kohlenstoff 104, und normalerweise befinden sie sich in einem bestimmten Winkel zueinander. Dementsprechend ist in den meisten Fällen Kontakt zwischen dem oberen zweidimensionalen Kohlenstoff und dem zweidimensionalen Kohlenstoff 104 zu erwarten, wenn die Länge des zweidimensionalen Kohlenstoffs in der Richtung ”a” unendlich ist.
Des Weiteren ist, wenn die Länge des zweidimensionalen Kohlenstoffs 104 in der Richtung ”a” endlich ist, die Wahrscheinlichkeit, dass der obere zweidimensionale Kohlenstoff in Kontakt mit dem zweidimensionalen Kohlenstoff 104 ist, ausreichend hoch. Beispielsweise liegt in dem Fall, in dem die Länge des zweidimensionalen Kohlenstoffs 104 der Länge x gleich ist, keine Überlappung zwischen dem zweidimensionalen Kohlenstoff und dem oberen zweidimensionalen Kohlenstoff vor, wenn ein zwischen ihnen gebildeter Winkel 0° oder mehr und 45° oder weniger beträgt, jedoch liegt Überlappung zwischen ihnen vor, wenn der Winkel 45° oder mehr und 90° oder weniger beträgt. So beträgt die Wahrscheinlichkeit der Überlappung auch in diesem Fall 50%. Dieser Wert ist verglichen mit 12,6% bei Kohlenstofffasern, signifikant hoch.
Auf Basis der oben dargelegten Untersuchung kann geschlussfolgert werden, dass die Wahrscheinlichkeit von Überlappung nahezu 90% beträgt, wenn die Länge des zweidimensionalen Kohlenstoffs in der Richtung ”a” 5-mal so groß ist wie die Länge x oder mehr. vorzugsweise entspricht x dem 1fachen oder mehr und dem 5fachen oder weniger der Größe eines Teilchens aus aktivem Material, und die Länge des zweidimensionalen Kohlenstoffs kann entsprechend bestimmt werden. Das heißt, eine typische Länge von zweidimensionalem Kohlenstoff beträgt vorzugsweise das 1fache oder mehr und des Weiteren vorzugsweise das 5fache oder mehr eines Durchschnittswertes der Größen der Teilchen aus aktivem Material.
Bei der Beschreibung der obenstehenden Untersuchung werden außerordentlich verkürzte Modelle verwendet, jedoch wird damit gezeigt, dass hervorragende Eigenschaften erzielt werden können, wenn ein sich zweidimensional erstreckendes Material als ein Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt wird. Anhand dieser Modelle wird leicht verständlich, dass bei einem Leitungs-Hilfsmittel, das sich zweidimensional erstreckt, die Wahrscheinlichkeit von Kontakt mit Teilchen aus aktivem Material und anderen Leitungs-Hilfsmitteln hoch ist und dass eine Elektrode, die diese enthält, hohe Leitfähigkeit aufweist. Es versteht sich von selbst, dass die Verbesserung der Leitfähigkeit auf Basis des oben beschriebenen Prinzips nicht nur bei Teilchen aus aktivem Material, sondern auch bei anderen Teilchen mit niedriger Leitfähigkeit eingesetzt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht von zweidimensionalem Kohlenstoff und Teilchen aus aktivem Material.
2 ist eine schematische Ansicht von Teilchen aus Acetylen-Ruß und Teilchen aus aktivem Material.
3A bis 3F sind Ansichten, die der Beschreibung des Unterschiedes zwischen der Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern und der von zweidimensionalem Kohlenstoff dienen.
4 stellt ein Beispiel einer Sekundärbatterie dar.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsformen können jedoch auf verschiedene Weise umgesetzt werden. Dem Fachmann ist bewusst, dass Umsetzungsformen und Details auf verschiedene Weise geändert werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht so verstanden werden, dass sie auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen beschränkt ist.
Ausführungsform 1
In dieser Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lithiumionen-Sekundärbatterie beschrieben, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Zunächst wird zweidimensionaler Kohlenstoff hergestellt, der als ein Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt werden soll. Als Verfahren zum Herstellen des zweidimensionalen Kohlenstoffs können ein CVD-Verfahren (Patentdokument 2), ein Beschichtungsverfahren (Patentdokument 3) oder ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem zweidimensionaler Kohlenstoff chemisch aus Graphit abgeschieden wird (Nicht-Patentdokument 1).
Beispielsweise wird beim Einsatz eines CVD-Verfahrens eine Metallschicht aus Nickel, Eisen oder dergleichen, das als Katalysator dient, über einem Substrat ausgebildet, das Substrat wird eine Kammer eingebracht und bei einer Temperatur von 600°C bis 1100°C erhitzt, und ein Gas, das Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Methan oder Ethan, enthält, wird die in die Kammer eingeleitet, so dass eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht, die 1 bis 10 Graphen-Lagen enthält, über dem Substrat geschaffen wird.
Dann wird die Metallschicht mit Säure oder dergleichen geätzt, so dass eine in sich geschlossene zweidimensionale Kohlenstoffschicht gewonnen wird. Die gewonnene Schicht wird geschnitten und zu Rechtecken verarbeitet, bei denen die Länge einer Seite 1 μm bis 100 μm beträgt.
Wenn ein Beschichtungsverfahren eingesetzt wird, wird eine Schwefelsäurelösung von Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid-Wasser oder dergleichen einem Pulver aus Einkristall-Graphit beigemischt, um eine Oxidationsreaktion zu bewirken, und so wird eine wässrige Lösung von Graphen-Oxid gewonnen. Die so gewonnene wässrige Lösung von Graphen-Oxid wird auf ein geeignetes Substrat aufgebracht, das mit einer Trennschicht versehen ist und getrocknet. Als die Trennschicht kann eine Schicht aus Metall, das in Säure löslich ist, mit einer Dicke von 1 nm bis 100 nm verwendet werden.
Dann wird Graphen-Oxid mittels Hochtemperaturerhitzen im Vakuum, und Zusatz eines reduzierenden Wirkstoffs, wie beispielsweise Hydrazin oder dergleichen reduziert, so dass eine Schicht aus zweidimensionalem Kohlenstoff, die 1 bis 10 Graphen-Lagen enthält, gewonnen wird.
Dann wird die Trennschicht mit Säure oder dergleichen geätzt, so dass eine in sich geschlossene Schicht aus zweidimensionalem Kohlenstoff gewonnen wird. Die gewonnene Schicht wird geschnitten und zu Rechtecken verarbeitet, wobei die Länge einer Seite 1 μm bis 100 μm beträgt. Es ist zu bemerken, dass die Verarbeitung zu Rechtecken in der Phase durchgeführt werden kann, in der die wässrige Lösung von Graphen-Oxid auf das Substrat aufgebracht und getrocknet wird.
Bei einem Verfahren unter Einsatz eines reduzierenden Wirkstoffs findet eine Reduktionsreaktion von einer Oberfläche her statt, daher kann die Reduktionsreaktion in einer geeigneten Tiefe beendet werden, indem die Reaktionszeit gesteuert wird. In diesem Zustand wird reduzierter zweidimensionaler Kohlenstoff an der Oberfläche gewonnen, während in einem tieferen Abschnitt Graphen-Oxid verbleibt. Da Graphen-Oxid in Wasser suspendiert wird, kann eine in sich geschlossene Schicht aus zweidimensionalem Kohlenstoff (in Wasser nicht löslich) gewonnen werden, indem das Substrat in Wasser getaucht wird. Das in Wasser gelöste Graphen-Oxid kann aufgefangen und wiederum auf ein Substrat aufgebracht werden.
Wenn ein Verfahren des chemischen Ätzens zum Abscheiden von zweidimensionalem Kohlenstoff aus Graphit eingesetzt wird, wird Graphit in ein polares Lösungsmittel, wie beispielsweise Chloroform, N,N-Dimethylformamid (DMF) oder N-Methylpyrrolidon (NMP) gegeben und Bindung zwischen Graphitschichten wird mittels Ultraschallschwingung aufgebrochen, so dass zweidimensionaler Kohlenstoff gewonnen werden kann.
Gewinnung einer planen, zweidimensionalen Kohlenstoffschicht mit diesem Verfahren wird als schwierig erachtet. Da jedoch beim Einsatz von zweidimensionalem Kohlenstoff als ein Leitungs-Hilfsmittel Planheit nicht erforderlich ist, stellt unzureichende Planheit kein Problem dar. Vielmehr ist dieses Verfahren hinsichtlich der Produktivität effizienter als andere Verfahren.
Beim Schneiden der gewonnenen in sich geschlossenen Schicht aus zweidimensionalem Kohlenstoff wird vorzugsweise eine Schicht aus Material, das später mit dem zweidimensionalen Kohlenstoff gemischt werden soll, so beispielsweise Teilchen aus aktivem Material, vorzugsweise auf eine Fläche der in sich geschlossenen Schicht aus zweidimensionalem Kohlenstoff mit einer Dicke von 10 nm bis 100 nm aufgebracht. Obwohl es wahrscheinlich ist, dass der zweidimensionale Kohlenstoff Aggregate bildet, kann Aggregation verhindert werden, indem eine Schicht aus anderem Material an einer Oberfläche desselben geschaffen wird.
Der zweidimensionale Kohlenstoff mit einer geeigneten Oberfläche, der auf die oben beschriebene Weise hergestellt wird, wird mit einem aktivem Material einer positiven Elektrode und einem Bindemittel vermischt, so dass eine Aufschlämmung entsteht. Andere Leitungs-Hilfsmittel, wie beispielsweise Acetylen-Ruß, können gegebenenfalls zusätzlich beigemischt werden. Als das aktive Material der positiven Elektrode kann Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Mangan-Phosphat, Lithium-Mangan-Silikat, Lithium-Eisen-Silikat oder dergleichen eingesetzt werden, eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Teilchen des aktiven Materials der positiven Elektrode haben vorzugsweise Größen im Bereich von 20 nm bis 100 nm. Des Weiteren kann ein Kohlehydrat, wie beispielsweise Glukose, beim Brennen der Teilchen aus aktivem Material der positiven Elektrode beigemischt werden, so dass die Teilchen des Materials der positiven Elektrode mit Kohlenstoff überzogen sind. Durch diese Behandlung kann die Leitfähigkeit verbessert werden.
In der folgenden Beschreibung wird auf 4 Bezug genommen. 4 zeigt den Aufbau einer Knopf-Sekundärbatterie. Die oben beschriebene Aufschlämmung wird auf einen Stromsammler 228 der positiven Elektrode aufgebracht, geformt und dann getrocknet, so dass eine Schicht 230 aus aktivem Material der positiven Elektrode entsteht. Als ein Material für den Stromsammler 228 der positiven Elektrode wird vorzugsweise Aluminium eingesetzt.
Die Knopf-Sekundärbatterie enthält, wie in 4 dargestellt, eine negative Elektrode 204, eine positive Elektrode 232, einen Separator 210, einen Elektrolyt (nicht dargestellt), ein Gehäuse 206 und ein Gehäuse 244. Des Weiteren enthält die Knopf-Sekundärbatterie einen ringförmigen Isolator 220, einen Abstandshalter 240 und eine Scheibe 242. Als die positive Elektrode 232 wird die Elektrode eingesetzt, die in dem oben beschriebenen Schritt erzeugt wird, in dem die Schicht 230 aus aktivem Material der positiven Elektrode über dem Stromsammler 228 der positiven Elektrode ausgebildet wird.
Vorzugsweise wird der Elektrolyt eingesetzt, in dem LiPF₆ in einem gemischten Lösungsmittel aus Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) gelöst ist, jedoch ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt.
Die negative Elektrode 204 enthält eine Schicht 202 aus aktivem Material der negativen Elektrode über einem Stromsammler 200 der negativen Elektrode. Als der Stromsammler 200 der negativen Elektrode wird beispielsweise Kupfer eingesetzt. Als das aktive Material der negativen Elektrode wird Graphit, Polyacen oder dergleichen eingesetzt. Die Schicht 202 des aktiven Materials der negativen Elektrode wird vorzugsweise unter ausschließlicher Verwendung dieses Materials oder eines Gemischs des Materials mit einem Bindemittel ausgebildet. Als Alternative dazu kann zweidimensionaler Kohlenstoff, der mit einem der oben beschriebenen Verfahren gewonnen wird, als das aktive Material der negativen Elektrode eingesetzt werden.
Ein Isolator mit Röhren (beispielsweise Polypropylen) kann als der Separator (210) eingesetzt werden. Als Alternative dazu kann ein Festelektrolyt eingesetzt werden, der für Lithiumionen durchlässig ist.
Vorzugsweise werden das Gehäuse 206, das Gehäuse 244, der Abstandshalter 240 und die Scheibe 242 eingesetzt, die jeweils aus Metall (beispielsweise rostfreiem Stahl) bestehen. Die Funktion des Gehäuses 206 und des Gehäuses 244 besteht darin, die negative Elektrode und die positive Elektrode 232 elektrisch mit der Außenseite zu verbinden.
Die negative Elektrode 204, die positive Elektrode 232 und der Separator 210 werden mit dem Elektrolyt getränkt. Dann werden, wie in 4 dargestellt, die negative Elektrode 204, der Separator 210, der ringförmige Isolator 220, die positive Elektrode 232, der Abstandshalter 240, die Scheibe 242 und das Gehäuse 244 in dieser Reihenfolge im Inneren des Gehäuses 206 übereinander geschichtet. Das Gehäuse 206 und das Gehäuse 244 werden unter Druck verbunden. So wird die Knopf-Sekundärbatterie hergestellt.
Ausführungsform 2
Beispiele für eine elektrische Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Trockenbatterien, Speicherbatterien und dergleichen. Als ein Leitungs-Hilfsmittel für eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode dieser Batterien kann beispielsweise das Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt werden, das in Ausführungsform 1 beschriebenen zweidimensionalen Kohlenstoff enthält.
Weitere Beispiele für eine elektrische Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind Elektrofahrzeuge, Elektrowerkzeuge, Personal Computer, Mobiltelefone und dergleichen. Derartige elektrische Einrichtung bzw. Geräte werden nicht immer über Kabel mit Strom versorgt und enthalten daher eine Speicherbatterie. Als ein Leitungs-Hilfsmittel für eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode der Speicherbatterie kann beispielsweise das Leitungs-Hilfsmittel eingesetzt werden, das in Ausführungsform 1 beschriebenen zweidimensionalen Kohlenstoff enthält.
Eine Speicherbatterie mit niedrigem innerem Widerstand ist insbesondere für Einsatzzwecke erforderlich, bei denen eine große Strommenge sofort zugeführt werden muss oder ein erforderlicher Stromwert stark variiert. Daher kann mit der vorliegenden Erfindung ein ausreichender Effekt erzielt werden.
Bezugszeichenliste

101: Kohlenstofffasern
102: obere Kohlenstofffasern
103: zweidimensionaler Kohlenstoff
104: zweidimensionaler Kohlenstoff
200: Stromsammler der negativen Elektrode
202: Schicht aus aktivem Material der negativen Elektrode
204: negative Elektrode
206: Gehäuse
210: Separator
220: ringförmiger Isolator
228: Stromsammler der positiven Elektrode
230: Schicht aus aktivem Material der positiven Elektrode
232: positive Elektrode
240: Abstandshalter
242: Scheibe, und
244: Gehäuse.

Die vorliegende Anmeldung basiert auf der am 19. August 2010 eingereichten japanischen Patentanmeldung, mit der Seriennummer 2010-183888 , deren gesamter Inhalt hiermit durch Verweis einbezogen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 6-60870 [0005]
JP 2010-183888 [0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Blake et al., ”Graphene-Based Liquid Crystal Device”, Nano Lett. 8, 1704 (2008) [0006]

Claims

Elektrische Einrichtung, die eine Elektrode umfasst, wobei die Elektrode umfasst: ein Teilchen aus aktivem Material; ein Bindemittel; und ein Leitungs-Hilfsmittel, das zweidimensionalen Kohlenstoff umfasst.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Quadratwurzel einer Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs 100 nm oder mehr und 100 μm oder weniger beträgt.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Quadratwurzel einer Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs so groß ist wie oder größer als ein Durchschnittswert einer Teilchengröße des Teilchens aus aktivem Material.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche des Teilchens aus aktivem Material mit Kohlenstoff überzogen ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweidimensionale Kohlenstoff 1 bis 100 Graphene enthält.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode als eine Elektrode einer Batterie eingesetzt wird.
Elektrische Einrichtung, die eine Elektrode umfasst, wobei die Elektrode umfasst: ein Teilchen aus aktivem Material; ein Bindemittel; und ein Leitungs-Hilfsmittel, das zweidimensionalen Kohlenstoff umfasst; und einen Stromsammler.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Quadratwurzel einer Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs 100 nm oder mehr und 100 μm oder weniger beträgt.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Quadratwurzel einer Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs so groß ist wie oder größer als ein Durchschnittswert einer Teilchengröße des Teilchens aus aktivem Material.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Oberfläche des Teilchens aus aktivem Material mit Kohlenstoff überzogen ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweidimensionale Kohlenstoff 1 bis 100 Graphene enthält.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei der Stromsammler aus Aluminium besteht.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Elektrode als eine Elektrode einer Batterie eingesetzt wird.
Elektrische Einrichtung, die eine Elektrode umfasst, wobei die Elektrode umfasst: ein Teilchen aus aktivem Material; ein Bindemittel; und ein Leitungs-Hilfsmittel, das zweidimensionalen Kohlenstoff umfasst; eine zweite Elektrode; und einen Separator zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei eine Quadratwurzel einer Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs 100 nm oder mehr und 100 μm oder weniger beträgt.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei eine Quadratwurzel einer Fläche des zweidimensionalen Kohlenstoffs so groß ist wie oder größer als ein Durchschnittswert einer Teilchengröße des Teilchens aus aktivem Material.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei eine Oberfläche des Teilchens aus aktivem Material mit Kohlenstoff überzogen ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei der zweidimensionale Kohlenstoff 1 bis 100 Graphene enthält.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die zweite Elektrode Graphit oder/und Polyacen umfasst.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die zweite Elektrode Kupfer umfasst.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei der Separator ein Isolator mit Poren ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode als Elektroden einer Batterie dienen.