JP2004342595A - Electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置に用いられる電気化学セルと、これに好適な電極に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical cell used for a power storage device such as a secondary battery and an electric double layer capacitor, and an electrode suitable for the electrochemical cell.
プロトン伝導型高分子を電極活物質として用いた二次電池やキャパシタなどの蓄電装置が提案され、実用に供されている。図1は、従来の電気化学セルの断面を示す図である。 A power storage device such as a secondary battery or a capacitor using a proton conductive polymer as an electrode active material has been proposed and put into practical use. FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a conventional electrochemical cell.
図1に示したように、従来の電気化学セルは、プロトン伝導型高分子等を電極活物質として含む正極電極3、負極電極4を、正極集電体1上、負極集電体2上に、それぞれ形成し、これらをセパレータ5を介して貼り合わせた構成を有し、プロトンのみが電荷キャリアとして機能するものである。また、電解液としてプロトンを与える電解質を含む水溶液または非水溶液が充填されており、ガスケット6により封止されている。
As shown in FIG. 1, a conventional electrochemical cell includes a
正極電極3と負極電極4は、ドーパント添加またはドーパント無添加のプロトン伝導型高分子の粉末などを主成分とする電極活物質、導電補助剤、結着剤を含む電極材料を用いて調製する。電極の形成方法としては、電極材料を所定サイズの金型に充填して、熱プレス機によって電極を形成する方法(1)、及び電極材料のスラリーを集電体表面へスクリーン印刷により成膜し、この膜を乾燥して電極を形成する方法(2)がある。このように形成した正極電極と負極電極を、セパレータを介して対向配置し、電気化学セルを構成する。
The
電極活物質として使用されるプロトン伝導型化合物としては、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリペリナフタレン、ポリフラン、ポリフルラン、ポリチエニレン、ポリピリジンジイル、ポリイソチアナフテン、ポリキノキサリン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリインドール、ポリアミノアントラキノン、ポリイミダゾール及びこれらの誘導体などのπ共役系高分子、インドール三量体化合物等のインドール系π共役化合物、ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン等のキノン系化合物、ポリアントラキノン、ポリナフトキノン、ポリベンゾキノン等のキノン系高分子(キノン酸素が共役によりヒドロキシル基になり得るもの)、前記高分子を与えるモノマーの2種以上の共重合で得られるプロトン伝導型高分子などが挙げられる。これらの化合物にドーパントを加えることにより、レドックス対が形成され、導電性が発現する。これらの化合物は、その酸化還元電位の差を適宜調整することによって正極及び負極活物質として選択使用される。 Examples of the proton conductive compound used as the electrode active material include polyaniline, polythiophene, polypyrrole, polyacetylene, poly-p-phenylene, polyphenylenevinylene, polyperinaphthalene, polyfuran, polyflurane, polythienylene, polypyridinediyl, polyisothianaphthene, Π-conjugated polymers such as polyquinoxaline, polypyridine, polypyrimidine, polyindole, polyaminoanthraquinone, polyimidazole and derivatives thereof, indole π-conjugated compounds such as indole trimer compounds, quinones such as benzoquinone, naphthoquinone and anthraquinone Compounds, quinone-based polymers such as polyanthraquinone, polynaphthoquinone, and polybenzoquinone (which can convert quinone oxygen into hydroxyl groups by conjugation); And a proton-conducting polymer obtained by copolymerization of two or more different monomers. By adding a dopant to these compounds, a redox pair is formed and conductivity is exhibited. These compounds are selectively used as a positive electrode and a negative electrode active material by appropriately adjusting the difference in the oxidation-reduction potential.
また、電解液としては、酸水溶液からなる水溶液電解液と、有機溶媒に電解質を加えた非水溶液電解液が知られており、プロトン伝導型化合物を用いた電極の場合では、前者の水溶液電解液が特に大容量の電気化学セルを提供できるという点から、多用されている。酸としては有機酸または無機酸が用いられ、無機酸として、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸、テトラフルオロほう酸、六フッ化リン酸、六フッ化ケイ酸などが挙げられ、有機酸として、飽和モノカルボン酸、脂肪族カルボン酸、オキシカルボン酸、p−トルエンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ラウリン酸などが挙げられる。 As the electrolyte, an aqueous electrolyte comprising an acid aqueous solution and a non-aqueous electrolyte obtained by adding an electrolyte to an organic solvent are known. In the case of an electrode using a proton conductive compound, the former aqueous electrolyte is used. Are widely used because they can provide a particularly large-capacity electrochemical cell. As the acid, an organic acid or an inorganic acid is used.Examples of the inorganic acid include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, and hexafluorosilicic acid. , Saturated monocarboxylic acid, aliphatic carboxylic acid, oxycarboxylic acid, p-toluenesulfonic acid, polyvinylsulfonic acid, lauric acid and the like.
このような構成の電気化学セルにおいては、電極活物質として、たとえばインドール三量体化合物を用いた場合、この電極活物質と電解液に含まれるイオンとの下記反応式(1)に示す電気化学的な酸化還元反応によってエネルギーが蓄積される。式中の1段目の反応は、ドーピングによる反応を示す。式中のX-はドーパントイオンを示し、例えば硫酸イオン、ハロゲン化物イオン等であり、プロトン伝導型化合物にドープし電気化学的活性を付与するものである。2段目の反応は、ドーピングされた化合物のプロトンの吸脱着を伴う電気化学反応(電極反応)を示す。 In the electrochemical cell having such a configuration, when, for example, an indole trimer compound is used as the electrode active material, the electrochemical reaction expressed by the following reaction formula (1) between the electrode active material and ions contained in the electrolytic solution is performed. Energy is accumulated by a typical redox reaction. The first-stage reaction in the formula indicates a reaction due to doping. In the formula, X − represents a dopant ion, for example, a sulfate ion, a halide ion or the like, which imparts electrochemical activity by doping a proton conductive compound. The second-stage reaction shows an electrochemical reaction (electrode reaction) accompanied by adsorption and desorption of protons of the doped compound.
上記の反応で問題となるのは、電極活物質とアニオンの反応が生じることにより、電極全体として膨潤や膨張が繰り返され、電極強度の経時的な低下に繋がることである。これに伴い、電極に割れやひびが生じ、電極活物質の電子伝導性低下により、電気化学セルの内部抵抗が増加し、サイクル寿命特性が低下することがある。 The problem with the above reaction is that the reaction between the electrode active material and the anion occurs, whereby the electrode as a whole repeatedly swells and expands, leading to a decrease in the strength of the electrode over time. As a result, cracks and cracks occur in the electrodes, and the electron conductivity of the electrode active material is reduced. As a result, the internal resistance of the electrochemical cell is increased, and the cycle life characteristics may be reduced.
これを検証するために、インドール三量体化合物を電極活物質として用いた電極を作製し、サイクリックボルタンメトリーによる、充放電サイクル試験を実施した。これは、電極活物質と電解液中のイオンとの反応回数が、サイクル寿命特性に及ぼす影響を検証する目的で実施したものである。 To verify this, an electrode using an indole trimer compound as an electrode active material was prepared, and a charge / discharge cycle test was performed by cyclic voltammetry. This was performed for the purpose of verifying the effect of the number of reactions between the electrode active material and the ions in the electrolyte on the cycle life characteristics.
この試験において、作用電極に、電極活物質と陰イオン交換樹脂の繊維を混合したスラリーを、導電性基材上に塗布、成膜したものを用いた。対電極にはPt電極を、参照電極にはAg/AgCl電極を用いた。試験は、定電流充放電と、定電流定電圧(定電圧時間:12時間)充放電をそれぞれ実施した。なお、試験温度は25℃である。 In this test, a working electrode formed by applying a slurry in which a fiber of an electrode active material and an anion exchange resin were mixed on a conductive substrate and forming a film was used. A Pt electrode was used as a counter electrode, and an Ag / AgCl electrode was used as a reference electrode. In the test, constant current charging and discharging and constant current and constant voltage (constant voltage time: 12 hours) charging and discharging were respectively performed. The test temperature is 25 ° C.
図2は、定電流試験(サイクル試験)と定電流定電圧試験(定電圧保持試験)の結果を示すグラフである。このグラフは、横軸を試験の総合時間、縦軸を残存容量としてプロットしたものである。この結果から、定電圧時間よりも、充放電の繰り返しの方が、サイクル寿命特性低下への影響が大きいことが明らかである。つまり、電極活物質とイオンとの相互作用が多いほど、サイクル寿命特性の低下が顕著であると言える。 FIG. 2 is a graph showing the results of a constant current test (cycle test) and a constant current constant voltage test (constant voltage holding test). In this graph, the horizontal axis is plotted as the total test time, and the vertical axis is plotted as the remaining capacity. From this result, it is clear that repetition of charge / discharge has a greater effect on cycle life characteristics deterioration than constant voltage time. In other words, it can be said that the more the interaction between the electrode active material and the ions, the more the cycle life characteristics decrease.
さらに、別途に行った試験結果からは、温度の上昇が、サイクル寿命特性低下を助長することが、確認されている。このように、電極活物質と電解液中のイオンとの相互作用は、サイクル寿命特性に大きく影響する因子の一つであるといえる。 Furthermore, the results of tests performed separately have confirmed that an increase in temperature promotes a decrease in cycle life characteristics. Thus, it can be said that the interaction between the electrode active material and the ions in the electrolytic solution is one of the factors that greatly affect the cycle life characteristics.
また、従来技術による電気化学セルにおいては、高速充放電特性に改善の余地がある。図3は、電圧走査速度を変化させた場合の、サイクリックボルタンメトリーの測定結果を示す図である。ここでは、正極電極活物質として、前記反応式中に示されるインドール三量体化合物である、5−シアノインドールの三量体を用いた。 Also, in the electrochemical cell according to the prior art, there is room for improvement in the high-speed charge and discharge characteristics. FIG. 3 is a diagram showing measurement results of cyclic voltammetry when the voltage scanning speed is changed. Here, a trimer of 5-cyanoindole, which is an indole trimer compound shown in the above reaction formula, was used as the positive electrode active material.
この結果によると、走査速度を速くすることで、ピークセパレーションが大きくなり、出現容量が大きく低下した。また、酸化還元電位のピークがブロードになることから、電極活物質とイオンとの反応が遅いことが分かり、高速充放電特性が不十分であることが示された。 According to this result, by increasing the scanning speed, the peak separation was increased, and the appearance capacity was greatly reduced. Further, since the peak of the oxidation-reduction potential became broad, it was found that the reaction between the electrode active material and the ions was slow, indicating that the high-speed charge / discharge characteristics were insufficient.
上述の問題に加えて、一対の電極とその間に挟まれたセパレータと電解質を有する構成を一単位とする基本素子(以下「単位セル」という)を積層し連結した電気化学セル積層体は、電圧バランスの悪化により、その電池特性が単位セルに比較して大幅に低下するという問題がある。この電気化学セル積層体における電圧バランス悪化の要因としては、単位セル内で起こる化学反応のバラツキが考えられる。 In addition to the above-described problems, an electrochemical cell laminate in which a basic element (hereinafter, referred to as a “unit cell”) having a structure including a pair of electrodes, a separator interposed therebetween, and an electrolyte as one unit (hereinafter referred to as “unit cell”) has Due to the deterioration of the balance, there is a problem that the battery characteristics are greatly reduced as compared with the unit cells. The cause of the deterioration of the voltage balance in the electrochemical cell stack may be a variation in the chemical reaction occurring in the unit cell.
これを検証するため、下記の電気化学セルを作製し、その充放電特性を測定した。 To verify this, the following electrochemical cell was fabricated and its charge / discharge characteristics were measured.
正極活物質として5−シアノインドール三量体、導電補助剤として気相成長カーボン(VGCF)、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(平均分子量:1100)を、この記載順で69/23/8の重量比となるように秤量し、ブレンダーで攪拌、混合した。この混合粉末を10mg秤取り、1mlのDMF中にて、常温で5分間、攪拌して均一に分散させたスラリーを得た。これを導電性ゴムからなる集電体上にスクリーン印刷法にて成膜した後、乾燥して、正極電極を得た。次に、負極活物質としてポリフェニルキノキサリン、導電補助剤としてケッチェンブラック(EC−600JD)を、この記載順で75/25の重量比となるように秤量し、ブレンダーで攪拌、混合した。そして、この混合物と溶媒としてm−クレゾールを用いて、正極電極と同じ方法にて負極電極を作製した。電解液として20重量%硫酸水溶液を用い、セパレータとして厚さ20μmのポリオレフィン系多孔質膜を用いた。このセパレータを介して、上記の正極電極と負極電極を成膜した面を対向させて貼り合わせ、電解液を含浸させ、ガスケットで外装封止し単位セルを得た。 5-Cyanoindole trimer as a positive electrode active material, vapor grown carbon (VGCF) as a conductive auxiliary, polyvinylidene fluoride (average molecular weight: 1100) as a binder, and a weight of 69/23/8 in the stated order. The mixture was weighed so as to obtain a ratio, and stirred and mixed with a blender. 10 mg of this mixed powder was weighed and stirred at room temperature for 5 minutes in 1 ml of DMF to obtain a slurry which was uniformly dispersed. This was formed into a film by a screen printing method on a current collector made of a conductive rubber, and then dried to obtain a positive electrode. Next, polyphenylquinoxaline as a negative electrode active material and ketjen black (EC-600JD) as a conductive auxiliary were weighed in the stated order so as to have a weight ratio of 75/25, followed by stirring and mixing with a blender. Then, using this mixture and m-cresol as a solvent, a negative electrode was prepared in the same manner as the positive electrode. A 20% by weight aqueous sulfuric acid solution was used as an electrolytic solution, and a 20-μm-thick polyolefin-based porous membrane was used as a separator. The surfaces on which the above-described positive electrode and negative electrode were formed were attached to each other with the separator interposed therebetween, impregnated with an electrolytic solution, and sealed with a gasket to obtain a unit cell.
この単位セルを5個(No.1〜5)作製し、それぞれの充放電特性を測定した。測定条件としては、温度25℃、定電流定電圧(CCCV、CV=10分間)にて充電し、定電流(CC)にて完全放電した。図4及び図5に、それぞれ充電時間に対する電圧変化(定電流充電中の電圧プロファイル)、放電時間に対する電圧変化(定電流放電中の電圧プロファイル)を示す。この測定結果から、同じ条件で作製されたにもかかわらず、単位セル間で電圧プロファイルにバラツキが生じていることがわかる。 Five unit cells (Nos. 1 to 5) were prepared, and their charge / discharge characteristics were measured. As measurement conditions, the battery was charged at a temperature of 25 ° C. and a constant current and a constant voltage (CCCV, CV = 10 minutes) and completely discharged at a constant current (CC). 4 and 5 show a voltage change (voltage profile during constant current charging) and a voltage change with respect to discharge time (voltage profile during constant current discharging) with respect to the charging time, respectively. From this measurement result, it can be seen that the voltage profile varies between the unit cells even though they were manufactured under the same conditions.
このような充放電時の電圧プロファイルにバラツキがある複数の単位セルを積層し直列に連結して作製した電気化学セルは、例えば、定格電圧1.2Vの単位セルを5個接続した定格電圧6Vの電気化学セル積層体の場合、次の問題が生じる。すなわち、電気化学セル積層体を構成する各単位セルは、電圧プロファイルが互いに異なるため、そのうちある単位セルでは定格電圧1.2Vを超え、ある単位セルでは定格電圧1.2Vを下回り、定格電圧を超えた単位セルには、過電圧が印加される。そのため、電解液や電極活物質が劣化しやすくなり、結果、単位セルの内部抵抗が増大し、当該単位セルが充電過程に負担する電圧が他の単位セルの負担電圧より大きくなり、電池特性の悪化に至る。そして、充放電を繰り返すに従って、電圧プロファイルの単位セル間の差が顕著になり、サイクル寿命が大きく低下するものと考えられる。 An electrochemical cell manufactured by stacking a plurality of unit cells having a variation in voltage profile at the time of charge and discharge and connecting them in series is, for example, a rated voltage of 6 V obtained by connecting five unit cells having a rated voltage of 1.2 V. In the case of the electrochemical cell laminate of (1), the following problem occurs. That is, since the unit cells constituting the electrochemical cell stacked body have different voltage profiles, some of the unit cells exceed the rated voltage of 1.2 V, and some of the unit cells fall below the rated voltage of 1.2 V. An overvoltage is applied to the unit cell exceeding the voltage. As a result, the electrolyte solution and the electrode active material tend to deteriorate, and as a result, the internal resistance of the unit cell increases, and the voltage that the unit cell bears during the charging process becomes higher than the voltage that other unit cells bear, and the battery characteristics deteriorate. Leads to deterioration. Then, it is considered that the difference between the unit cells in the voltage profile becomes remarkable as charging and discharging are repeated, and the cycle life is greatly reduced.
一方、非水電解液二次電池のサイクル寿命特性の向上に関する技術が、特許文献1(特開2000−195553号公報)に開示されている。特許文献1には、リチウムイオンの吸蔵、放出が可能な複合酸化物を電極活物質とする正極電極と、リチウムイオンの吸蔵、放出が可能な炭素粉末を電極活物質とする負極電極と、リチウム塩を溶解させた非水電解液を用いる二次電池における、高温におけるサイクル寿命特性を向上する技術が開示されている。 On the other hand, a technique for improving the cycle life characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-195553. Patent Document 1 discloses a positive electrode using a composite oxide capable of inserting and extracting lithium ions as an electrode active material, a negative electrode using carbon powder capable of inserting and extracting lithium ions as an electrode active material, There is disclosed a technique for improving the cycle life characteristics at high temperature in a secondary battery using a non-aqueous electrolyte in which a salt is dissolved.
この技術は、正極あるいは負極の少なくとも一方が、キレート剤、ポリイミド樹脂、キレート樹脂、イオン交換体及びアゾール類とその誘導体の群から選ばれる少なくとも一種類の添加剤を含有することを特徴としている。 This technique is characterized in that at least one of the positive electrode and the negative electrode contains at least one additive selected from the group consisting of a chelating agent, a polyimide resin, a chelating resin, an ion exchanger, and azoles and derivatives thereof.
このイオン交換体としては、マンガンイオンとキレート化合物を形成することが可能で、かつ非水電解液に不溶なものなら使用可能であり、陽イオン交換タイプまたは両性イオン交換タイプの、有機質あるいは無機質交換体を用いることができることが記載されている。そして、このようなイオン交換体を用いることで、正極側の電極活物質から溶出したマンガンイオンを捕捉し、負極へのマンガンの析出を抑制させることができるため、サイクル寿命特性を大幅に改善できることが開示されている。 As the ion exchanger, any one that can form a chelate compound with manganese ions and that is insoluble in a non-aqueous electrolyte can be used, and a cation exchange type or amphoteric ion exchange type organic or inorganic exchange It states that the body can be used. By using such an ion exchanger, manganese ions eluted from the electrode active material on the positive electrode side can be captured and manganese deposition on the negative electrode can be suppressed, so that cycle life characteristics can be significantly improved. Is disclosed.
また、特許文献2(特開2001−167795号公報)には、リチウムイオン二次電池に適した電解質として、マトリックスポリマー、非水溶媒、リチウム無機塩、イオン交換樹脂からなる繊維を含むゲル状電解質が開示されている。そして、電解質をこのような構成とすることで、リチウムイオン輸率やイオン伝導度を向上することができることが開示されている。
本発明の目的は、サイクル寿命特性および高速充放電特性が改善された電気化学セル、およびこのような電気化学セルに好適な電極を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electrochemical cell having improved cycle life characteristics and high-speed charge / discharge characteristics, and an electrode suitable for such an electrochemical cell.
本発明は、以下の(1)項〜(19)項にそれぞれ記載した態様が含まれる。 The present invention includes the embodiments described in the following items (1) to (19).
(1)電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する正極電極と、電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する負極電極と、プロトン源を含む電解質を含有する電気化学セルに用いられる電極であって、プロトン伝導型化合物と陰イオン交換樹脂を含む電気化学セル用の電極。 (1) A positive electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, and an electrode used in an electrochemical cell containing an electrolyte containing a proton source. And an electrode for an electrochemical cell comprising a proton conductive compound and an anion exchange resin.
(2)前記プロトン伝導型化合物は、電解質のイオンとの酸化還元反応により電気化学エネルギーを蓄積する化合物である1項に記載の電気化学セル用の電極。 (2) The electrode for an electrochemical cell according to item 1, wherein the proton conductive compound is a compound that stores electrochemical energy by a redox reaction with ions of an electrolyte.
(3)前記陰イオン交換樹脂は繊維状である1項又は2項に記載の電気化学セル用の電極。
(3) The electrode for an electrochemical cell according to
(4)前記陰イオン交換樹脂は、長さが10mm以下で長径が100μm以下の繊維状である1項、2項又は3項に記載の電気化学セル用の電極。
(4) The electrode for an electrochemical cell according to
(5)前記陰イオン交換樹脂は、陰イオン交換基を有するポリビニルアルコールからなる繊維である1〜4項のいずれか一項に記載の電気化学セル用の電極。 (5) The electrode for an electrochemical cell according to any one of (1) to (4), wherein the anion exchange resin is a fiber made of polyvinyl alcohol having an anion exchange group.
(6)電極活物質に対して0.01〜60重量%の陰イオン交換樹脂を含む1〜5項のいずれか一項に記載の電気化学セル用の電極。 (6) The electrode for an electrochemical cell according to any one of (1) to (5), comprising 0.01 to 60% by weight of an anion exchange resin with respect to the electrode active material.
(7)前記電解質は、プロトンを電離する電解質を含む電解液である1〜6項のいずれか一項に記載の電気化学セル用の電極。 (7) The electrode for an electrochemical cell according to any one of (1) to (6), wherein the electrolyte is an electrolyte containing an electrolyte that ionizes protons.
(8)前記陰イオン交換樹脂は、電極内に均一に分散して含有されている1〜7項のいずれか一項に記載の電気化学セル用の電極。 (8) The electrode for an electrochemical cell according to any one of items 1 to 7, wherein the anion exchange resin is uniformly dispersed and contained in the electrode.
(9)前記陰イオン交換樹脂は、電極表層に含有されている1〜7項のいずれか一項に記載の電気化学セル用の電極。 (9) The electrode for an electrochemical cell according to any one of Items 1 to 7, wherein the anion exchange resin is contained in an electrode surface layer.
(10)電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する正極電極と、電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する負極電極と、プロトン源を含む電解質を含有する電気化学セルであって、前記の少なくとも一方の電極として1〜9項のいずれか一項に記載の電極を有する電気化学セル。 (10) An electrochemical cell containing a positive electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, and an electrolyte containing a proton source, An electrochemical cell having the electrode according to any one of items 1 to 9 as at least one electrode.
(11)電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する正極電極と、電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する負極電極と、プロトン源を含む電解質を含有する電気化学セルであって、前記正極電極として1〜9項のいずれか一項に記載の電極を有する電気化学セル。 (11) An electrochemical cell including a positive electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, and an electrolyte containing a proton source. An electrochemical cell having the electrode according to any one of items 1 to 9 as an electrode.
(12)充放電に伴う両極の活物質の酸化還元反応において電荷キャリアとしてプロトンのみが関与するように動作し得る10又は11項に記載の電気化学セル。 (12) The electrochemical cell according to (10) or (11), wherein the electrochemical cell can operate so that only protons are involved as charge carriers in the oxidation-reduction reaction of the active material of both electrodes accompanying charge and discharge.
(13)前記電解質が酸を含有する水溶液である10、11又は12項に記載の電気化学セル。 (13) The electrochemical cell according to (10), (11) or (12), wherein the electrolyte is an aqueous solution containing an acid.
(14)電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する正極電極と、電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する負極電極と、プロトン源を含む電解質を含有する電気化学セルを備えた蓄電装置であって、
前記電気化学セルは、前記の少なくとも一方の電極として請求項1〜9のいずれか一項に記載の電極を有し、
複数の前記電気化学セルが電気的に連結されている蓄電装置。
(14) A power storage device provided with an electrochemical cell containing a positive electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, and an electrolyte containing a proton source. So,
The electrochemical cell has the electrode according to any one of claims 1 to 9 as the at least one electrode,
A power storage device in which a plurality of the electrochemical cells are electrically connected.
(15)電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する正極電極と、電極活物質としてプロトン伝導型化合物を含有する負極電極と、プロトン源を含む電解質を含有する電気化学セルを備えた蓄電装置であって、
前記電気化学セルは、前記正極電極として1〜9項のいずれか一項に記載の電極を有し、
複数の前記電気化学セルが電気的に連結されている蓄電装置。
(15) A power storage device including an electrochemical cell containing a positive electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conductive compound as an electrode active material, and an electrolyte containing a proton source. So,
The electrochemical cell has the electrode according to any one of 1 to 9 as the positive electrode,
A power storage device in which a plurality of the electrochemical cells are electrically connected.
(16)前記電気化学セルが直列に連結されている14又は15項に記載の蓄電装置。 (16) The power storage device according to (14) or (15), wherein the electrochemical cells are connected in series.
(17)前記電気化学セルが積層されている16項に記載の蓄電装置。 (17) The power storage device according to item 16, wherein the electrochemical cells are stacked.
(18)前記電気化学セルは、充放電に伴う両極の活物質の酸化還元反応において電荷キャリアとしてプロトンのみが関与するように動作し得る14〜17項のいずれか一項に記載の蓄電装置。 (18) The power storage device according to any one of (14) to (17), wherein the electrochemical cell is operable such that only protons are involved as charge carriers in an oxidation-reduction reaction of an active material of both electrodes accompanying charge and discharge.
(19)前記電気化学セルの前記電解質が酸を含有する水溶液である14〜18項のいずれか一項に記載の蓄電装置。 (19) The power storage device according to any one of items 14 to 18, wherein the electrolyte of the electrochemical cell is an aqueous solution containing an acid.
本発明の電気化学セル用の電極は、電極に含まれる陰イオン交換樹脂が電解液中の陰イオンを捕捉するので、電極活物質とドーパントである陰イオンとの反応を制御することができる。従って、電気化学的なイオンと電極活物質との反応によって起こる活物質の構造劣化を低減することができる。 In the electrode for an electrochemical cell of the present invention, the anion exchange resin contained in the electrode captures the anion in the electrolytic solution, so that the reaction between the electrode active material and the anion as the dopant can be controlled. Therefore, it is possible to reduce the structural deterioration of the active material caused by the reaction between the electrochemical ions and the electrode active material.
これにより電極活物質の電子伝導性の低下を防止し、セル内部抵抗の上昇を防止できるため、サイクル寿命特性が向上する。 As a result, a decrease in the electron conductivity of the electrode active material can be prevented, and an increase in the internal resistance of the cell can be prevented, so that the cycle life characteristics are improved.
また、陰イオン交換樹脂を含有することにより、電極活物質の反応部位の近傍において、イオン交換作用が機能するために、従来技術よりも電極活物質とイオンとの反応がより迅速になる。 Further, by containing an anion exchange resin, an ion exchange action is performed in the vicinity of the reaction site of the electrode active material, so that the reaction between the electrode active material and the ions becomes faster than in the related art.
さらに、親水性に優れた陰イオン交換樹脂を用いることで、陰イオン交換樹脂自体の含水率が高くなり、結果として電極内部における電解液含浸量が増加する。 Furthermore, by using an anion exchange resin having excellent hydrophilicity, the water content of the anion exchange resin itself increases, and as a result, the amount of the electrolyte impregnated inside the electrode increases.
これらにより、電極内部のイオン伝導性が向上するため、高速充放電特性が向上する。 As a result, the ion conductivity inside the electrode is improved, and the high-speed charge / discharge characteristics are improved.
また、陰イオン交換樹脂は、充放電の繰り返しによって増加する電極表面の滞留陰イオンを捕捉するため、電極表面抵抗の上昇を防止し、かつ電解液のイオン伝導度の低下を防止する。これによってカチオンの輸率が初期状態に維持されるため、結果としてセル内部抵抗の上昇が防止され、サイクル寿命特性が向上する。 In addition, the anion exchange resin traps anions remaining on the electrode surface, which increase due to repetition of charge and discharge, and thus prevents an increase in electrode surface resistance and a decrease in ionic conductivity of the electrolyte. As a result, the cation transport number is maintained in the initial state, and as a result, an increase in the cell internal resistance is prevented, and the cycle life characteristics are improved.
さらに、電極に含有された陰イオン交換樹脂によって、電極活物質に対する陰イオンのドープ/脱ドープ反応が制御され、充放電時の各単位セル間での電圧プロファイルのバラツキが低減される。これにより、複数の単位セルを連結した電気化学セルのサイクル寿命特性が向上する。 Further, the anion exchange resin contained in the electrode controls the doping / dedoping reaction of the anion with respect to the electrode active material, thereby reducing the variation of the voltage profile between the unit cells during charging and discharging. Thereby, the cycle life characteristic of the electrochemical cell in which the plurality of unit cells are connected is improved.
以上のとおり、本発明によれば、サイクル寿命特性および急速充放電特性が改善された電気化学セル、およびこのような電気化学セルに好適な電極を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an electrochemical cell having improved cycle life characteristics and rapid charge / discharge characteristics, and an electrode suitable for such an electrochemical cell.
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
本発明による電気化学セル用の電極の構成は、電極活物質としてのプロトン伝導型化合物および陰イオン交換樹脂を含有し、必要により導電補助材および結着材を含有する。 The configuration of the electrode for an electrochemical cell according to the present invention contains a proton conductive compound and an anion exchange resin as an electrode active material, and optionally contains a conductive auxiliary material and a binder.
以下に、正極側の電極活物質としてインドール三量体化合物を用い、負極側の電極活物質としてキノキサリン系ポリマー(ポリフェニルキノキサリン)を、それぞれ用いる場合について説明する。 Hereinafter, a case will be described in which an indole trimer compound is used as the electrode active material on the positive electrode side, and a quinoxaline-based polymer (polyphenylquinoxaline) is used as the electrode active material on the negative electrode side.
まず、正極側の電極の製造方法について説明する。正極側の導電補助剤として、例えば、気相成長法で得られる、平均直径が150nm、平均長さが10〜20μmの繊維状カーボン(昭和電工株式会社製:VGCF(商標)、以下繊維状カーボンと記す)を用いることができ、結着剤として、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと記す)を用いることができる。 First, a method for manufacturing the positive electrode will be described. For example, fibrous carbon having an average diameter of 150 nm and an average length of 10 to 20 μm (VGCF (trade name) manufactured by Showa Denko KK; And polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVDF) can be used as the binder.
電極活物質、繊維状カーボン、PVDFを、例えばこの記載順で69/23/8の重量比で秤量し、陰イオン交換樹脂を添加して、ブレンダーを用いて乾式混合する。電極活物質に対する陰イオン交換樹脂の使用量は0.01〜60重量%が好ましく、0.1〜30重量%がさらに好ましい。この混合物と、溶媒であるジメチルホルムアミド(以下、DMFと記す)をそれぞれ所定量秤量し、混合して、常温にて数分間、攪拌して均一に分散させたスラリーを得ることができる。 The electrode active material, fibrous carbon, and PVDF are weighed, for example, in the stated order at a weight ratio of 69/23/8, an anion exchange resin is added, and dry mixing is performed using a blender. The use amount of the anion exchange resin with respect to the electrode active material is preferably 0.01 to 60% by weight, and more preferably 0.1 to 30% by weight. A predetermined amount of each of the mixture and dimethylformamide (hereinafter, referred to as DMF) as a solvent is weighed, mixed, and stirred at room temperature for several minutes to obtain a uniformly dispersed slurry.
ここではDMFを用いたが、正極材料のうち使用する溶媒に溶解しない材料を分散させやすい有機溶媒であれば、DMFに限定されるものではない。 Although DMF is used here, the material is not limited to DMF as long as it is an organic solvent in which a material that does not dissolve in the solvent used among the positive electrode materials is easily dispersed.
このスラリーを集電体上にスクリーン印刷方法にて成膜した後、乾燥して正極側の電極を得ることができる。 After this slurry is formed into a film on a current collector by a screen printing method, the slurry is dried to obtain a positive electrode.
なお、電極の形成は、従来技術の説明に記した、熱プレスによる方法でも作製可能である。 The electrodes can be formed by a method using hot pressing as described in the description of the related art.
また、ここでは陰イオン交換樹脂を、成膜前に他の電極材料と混合しているが、電極表面に陰イオン交換樹脂層を設ける方法により電極を形成してもよい。この方法としては、電極活物質、導電補助材、結着材等を含有する電極材料を成形し、得られた成形体の表面に、陰イオン交換樹脂を分散させたスラリーを塗布し、乾燥する方法、成形用の金型に乾燥した電極材料の粉末を入れ、その上に乾燥した陰イオン交換樹脂を入れて、一括プレス成形する方法を利用することができる。 Although the anion exchange resin is mixed with another electrode material before film formation here, the electrode may be formed by a method of providing an anion exchange resin layer on the electrode surface. As this method, an electrode material containing an electrode active material, a conductive auxiliary material, a binder and the like is molded, and a slurry in which an anion exchange resin is dispersed is applied to the surface of the obtained molded body, and dried. A method can be used in which the powder of the dried electrode material is placed in a molding die, the dried anion-exchange resin is placed thereon, and batch press molding is performed.
陰イオン交換樹脂の電極活物質に対する使用量は、好ましくは上記の範囲において適宜設定することができるが、陰イオン交換樹脂を電極材料中に混合・分散して得られる電極、すなわち陰イオン交換樹脂を電極内に均一に分散して含有する電極の場合(形態A)は、0.01〜20重量%が好ましく、0.01〜10重量%がより好ましく、0.1〜10重量%がさらに好ましい。一方、陰イオン交換樹脂を電極材料表面に塗布あるいはプレスして得られる電極、すなわち陰イオン交換樹脂を電極表層にのみ含有する電極の場合(形態B)は、1〜60重量%が好ましく、1〜40重量%がより好ましく、1〜30重量%がさらに好ましい。 The amount of the anion exchange resin used for the electrode active material can be preferably set appropriately within the above range, but the electrode obtained by mixing and dispersing the anion exchange resin in the electrode material, that is, the anion exchange resin Is uniformly dispersed in the electrode (Form A), the amount is preferably 0.01 to 20% by weight, more preferably 0.01 to 10% by weight, and further preferably 0.1 to 10% by weight. preferable. On the other hand, in the case of an electrode obtained by applying or pressing an anion exchange resin on the surface of an electrode material, that is, an electrode containing an anion exchange resin only in the electrode surface layer (form B), the amount is preferably 1 to 60% by weight. -40% by weight is more preferable, and 1-30% by weight is further preferable.
電極の形態Aは、陰イオン交換樹脂を電極材料中に混合・分散しているため、電極活物質の反応部位の近傍に陰イオン交換樹脂を存在させることができ、結果、イオン交換効率が高くなるため、陰イオン交換樹脂の少量の添加でも大きな改善効果が得られる。 In the electrode form A, since the anion exchange resin is mixed and dispersed in the electrode material, the anion exchange resin can be present near the reaction site of the electrode active material, and as a result, the ion exchange efficiency is high. Therefore, even if a small amount of an anion exchange resin is added, a great improvement effect can be obtained.
一方、電極の形態Bは、形態Aと同様な効果を得るためには、陰イオン交換樹脂の使用量を多くする必要があるが、後述の実施例3が示すように適度な使用量に設定することにより比較的大きな改善効果を得ることができる。形態Aにおいて、より高い改善効果を得ようと過剰の陰イオン交換樹脂を添加すると、特に親水性の高い陰イオン交換樹脂を用いた場合は、電解液を含浸させた際の含水率が高くなりすぎ、電極が膨潤し、製造工程において取り扱いが困難になったり、電極抵抗が高くなったりする。形態Bにおいては、このような問題を抑えながら、高い改善効果を得ることができる。 On the other hand, in the form B of the electrode, to obtain the same effect as in the form A, it is necessary to use a large amount of the anion exchange resin. However, as shown in Example 3, which will be described later, the amount is set to an appropriate amount. By doing so, a relatively large improvement effect can be obtained. In Form A, if an excess of an anion exchange resin is added in order to obtain a higher improvement effect, particularly when a highly hydrophilic anion exchange resin is used, the water content when the electrolyte is impregnated increases. This causes the electrodes to swell, making handling difficult in the manufacturing process and increasing the electrode resistance. In the embodiment B, a high improvement effect can be obtained while suppressing such a problem.
次に、負極側の電極の製造方法について説明する。負極側の導電補助剤としては、例えばケッチェンブラックを用いることができる。ここでは陰イオン交換樹脂およぎ結着剤を用いることなく、電極活物質とケッチェンブラックを、例えばこの記載順で75/25の重量比で混合して、この混合物をm−クレゾールを溶媒に用いてスラリー化し、正極電極と同様な方法により集電体上に成膜することができる。 Next, a method for manufacturing the negative electrode will be described. For example, Ketjen black can be used as the conductive auxiliary on the negative electrode side. Here, without using an anion exchange resin and a binder, the electrode active material and Ketjen Black are mixed in a weight ratio of, for example, 75/25 in the order described, and this mixture is used as a solvent using m-cresol. Into a slurry, and a film can be formed on the current collector by the same method as that for the positive electrode.
本発明の電気化学セル用の電極に用いる陰イオン交換樹脂は、陰イオンを交換する機能を有するものであれば、特に限定されることはない。イオン交換基としては、トリメチルアンモニウム基、1〜3級アミノ基が挙げられ、交換イオン形は、−Cl、−OHのものが挙げられる。 The anion exchange resin used for the electrode for the electrochemical cell of the present invention is not particularly limited as long as it has a function of exchanging anions. Examples of the ion exchange group include a trimethylammonium group and a primary to tertiary amino group, and examples of the exchange ion form include —Cl and —OH.
陰イオン交換樹脂を構成する基体樹脂としては、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン−ポリエチレン複合樹脂、ポリスチレン−ポリプロピレン複合樹脂等が挙げられるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。また、これらの樹脂に、カーボン粒子等の導電補助材を複合させ、導電性を付与した導電性樹脂からなる陰イオン交換樹脂を用いることもできる。 Examples of the base resin constituting the anion exchange resin include an acrylic resin, a polystyrene resin, a polyvinyl alcohol resin, a nylon resin, a polyester resin, a polystyrene-polyethylene composite resin, and a polystyrene-polypropylene composite resin, but are not necessarily limited thereto. Not something. Further, an anion exchange resin made of a conductive resin provided with conductivity by combining a conductive auxiliary material such as carbon particles with these resins can also be used.
陰イオン交換樹脂の形状としては、粒状や繊維状等の種々の形状のものを用いることができるが、繊維状のものが好ましい。 As the shape of the anion exchange resin, various shapes such as a granular shape and a fibrous shape can be used, but a fibrous shape is preferable.
繊維状の陰イオン交換樹脂が好ましい理由は、比表面積が非常に大きく、イオン交換速度が非常に速いことにある。本発明では、急速充放電特性を向上するために、イオン交換速度の速さが要求されるので、繊維状の陰イオン交換樹脂が好適である。 The reason why the fibrous anion exchange resin is preferable is that the specific surface area is very large and the ion exchange rate is very high. In the present invention, a high ion exchange rate is required in order to improve the rapid charge / discharge characteristics. Therefore, a fibrous anion exchange resin is preferable.
繊維状陰イオン交換樹脂の繊維長は10mm以下が好ましく、繊維の長径は100μm以下が好ましい。 The fiber length of the fibrous anion exchange resin is preferably 10 mm or less, and the major axis of the fiber is preferably 100 μm or less.
繊維の長径が100μm以下の陰イオン交換繊維では、理論イオン交換容量の80%に達するイオン交換時間が、粒度が14〜50メッシュの粒状陰イオン交換樹脂に対して約1/8であり、粒度が200〜400メッシュの粒状陰イオン交換樹脂とほぼ同等の交換速度である。 In the case of an anion exchange fiber having a major fiber length of 100 μm or less, the ion exchange time to reach 80% of the theoretical ion exchange capacity is about 1/8 of the granular anion exchange resin having a particle size of 14 to 50 mesh. Has an exchange rate substantially equal to that of a granular anion exchange resin of 200 to 400 mesh.
繊維径が小さく、繊維長が短い方が、比表面積が大きくなるので、上記の繊維径および繊維長の範囲にある繊維を用いることが好ましい。また、このことは、電極材料中にイオン交換繊維を分散させる際、より均一に分散させることができ、陰イオン交換樹脂を電極活物質の各反応部位に対し、その近傍に均一にバランスよく存在させることができるため、イオン交換の効率が向上し、イオン交換反応のバラツキも低減され、電池特性の改善効果をより高めることができる。なお、入手の容易性あるいは調製の容易性、取り扱いの点から、繊維長は0.1mm以上が好ましく、繊維の長径は1μm以上が好ましい。 Since the smaller the fiber diameter and the shorter the fiber length, the larger the specific surface area, it is preferable to use fibers having the above-mentioned fiber diameter and fiber length. This also means that when the ion exchange fibers are dispersed in the electrode material, the ion exchange fibers can be more uniformly dispersed, and the anion exchange resin is uniformly distributed in the vicinity of each reaction site of the electrode active material in the vicinity thereof. Therefore, the efficiency of ion exchange is improved, the variation of the ion exchange reaction is reduced, and the effect of improving the battery characteristics can be further enhanced. In addition, the fiber length is preferably 0.1 mm or more, and the major axis of the fiber is preferably 1 μm or more from the viewpoint of availability, ease of preparation, and handling.
水系の電解液を用い、親水性に優れた陰イオン交換樹脂を用いた場合は、陰イオン交換樹脂自体の含水率が高くなり、結果として電極内部における電解液含浸量が増加する。これにより、電極内部のイオン伝導性が向上するため、高速充放電特性が向上する。また、イオン交換反応のバラツキも低減されるため、複数の単位セルを連結した電気化学セルのサイクル寿命特性も向上する。 When an aqueous electrolyte is used and an anion exchange resin having excellent hydrophilicity is used, the water content of the anion exchange resin itself increases, and as a result, the amount of the electrolyte impregnated inside the electrode increases. Thereby, the ionic conductivity inside the electrode is improved, and the high-speed charge / discharge characteristics are improved. Further, since the variation of the ion exchange reaction is reduced, the cycle life characteristics of the electrochemical cell in which a plurality of unit cells are connected is also improved.
本発明の電気化学セルは、例えば図1に示すように、正極集電体1上に設けられたプロトン伝導型化合物を電極活物質として含む正極電極3と、負極集電体2上に設けられたプロトン伝導型化合物を電極活物質として含む負極電極4をセパレータ5を介して対向配置した構成を有する。
For example, as shown in FIG. 1, the electrochemical cell of the present invention is provided on a
また、電解質として、プロトンを電離する電解質を含む溶液、好ましくは水溶液を含有し、ガスケット6により封止されている。また、電解液に陰イオン交換樹脂を添加してもよいが、直接、電極に含有させる場合と比較すると添加効果は小さい。
As an electrolyte, a solution containing an electrolyte for ionizing protons, preferably an aqueous solution, is contained, and is sealed by a
セパレータ5は、従来から用いられている例えば厚さ10〜50μmのポリオレフィン系多孔質膜もしくは陽イオン交換膜等を用いることができる。
As the
本発明の電気化学セルは、陰イオン交換樹脂を含有する本発明の電極を、正極電極および負極電極の少なくとも一方の電極として有することができ、電池特性の改善効果の点から正極電極として有することが好ましい。 The electrochemical cell of the present invention can have the electrode of the present invention containing an anion exchange resin as at least one of a positive electrode and a negative electrode, and has the positive electrode as a positive electrode from the viewpoint of improving battery characteristics. Is preferred.
本発明の電気化学セルは、例えば図1に示すように、一対の電極とその間に挟まれたセパレータと電解質を有する構成を一単位とする基本素子(以下「単位セル」という)を単独で有していてもよいし、複数の単位セルを電気的に連結して有していてもよい。単位セルの連結構造としては、複数の単位セルが積層され電気的に直列に接続された積層型構造、複数の単位セルが同一平面に配列され、電気的に直列に接続された平面型構造を挙げることができる。 The electrochemical cell of the present invention has, as shown in FIG. 1, for example, a single elementary element (hereinafter, referred to as a “unit cell”) that includes a pair of electrodes, a separator interposed therebetween, and an electrolyte as one unit. Or a plurality of unit cells may be electrically connected. As the connection structure of the unit cells, a stacked structure in which a plurality of unit cells are stacked and electrically connected in series, a planar structure in which a plurality of unit cells are arranged on the same plane and electrically connected in series, Can be mentioned.
積層型構造としては、例えば、図1に示す単位セル7を直接積層し、上下両端の単位セルの外側に加圧板8をそれぞれ積層配置した構造(図6)、各単位セル7の上下両側に加圧板8を積層配置し、これを積層した構造(図7)が挙げられる。
As the laminated structure, for example, a structure in which the
電気化学セルの外装形状は、コイン型、ラミネート型などの従来使用されている形状をとることができ、特に限定されるものではない。 The exterior shape of the electrochemical cell can be a conventionally used shape such as a coin type or a laminate type, and is not particularly limited.
所望の効果がより顕著に得られる電気化学セルとしては、充放電に伴う両極における酸化還元反応において電荷キャリアとしてプロトンのみが作用するように動作し得るもの、より具体的には、プロトン源を含む電解液を含有し、充放電に伴う両極における酸化還元反応に伴う電子授受において、電極活物質のプロトンの吸脱着のみが関与するように動作し得るように電解質のプロトン濃度と動作電圧が制御されているものが好ましい。 As an electrochemical cell in which the desired effect is more remarkably obtained, a cell capable of operating so that only protons act as charge carriers in a redox reaction in both electrodes accompanying charge and discharge, and more specifically, includes a proton source Containing an electrolyte, the proton concentration and operating voltage of the electrolyte are controlled so that it can operate so that only the adsorption and desorption of protons of the electrode active material is involved in electron transfer accompanying the oxidation-reduction reaction at both electrodes during charge and discharge. Are preferred.
前記反応式(1)は、プロトン伝導型化合物の一つであるインドール三量体化合物の反応を示す。1段目の反応は、ドーピングによる反応を示し、2段目の反応は、ドーピングされた化合物のプロトンの吸脱着を伴う電気化学反応(電極反応)を示す。このような電極反応を起こす電気化学セルは、酸化還元反応に伴う電子授受においてプロトンの吸脱着のみが関与するため、充放電時の移動物質がプロトンのみであり、その結果、反応に伴う電極の体積変化が少なくサイクル特性に優れ、また、プロトンの移動度が高く反応が速いため、ハイレート特性に優れる、すなわち急速充放電特性に優れる。 The reaction formula (1) shows a reaction of an indole trimer compound, which is one of the proton conductive compounds. The first-stage reaction shows a reaction by doping, and the second-stage reaction shows an electrochemical reaction (electrode reaction) accompanied by adsorption and desorption of protons of the doped compound. In an electrochemical cell that causes such an electrode reaction, only the absorption and desorption of protons are involved in the electron transfer involved in the oxidation-reduction reaction. Since the volume change is small and the cycle characteristics are excellent, and the proton mobility is high and the reaction is fast, the high rate characteristics are excellent, that is, the rapid charge and discharge characteristics are excellent.
本発明における電極活物質には上述のようにプロトン伝導型化合物が用いられ、このプロトン伝導型化合物は、電解質のイオンとの酸化還元反応により電気化学エネルギーを蓄積することができる有機化合物(高分子を含む)である。 As described above, a proton conductive compound is used as the electrode active material in the present invention, and the proton conductive compound is an organic compound (polymer) capable of accumulating electrochemical energy by a redox reaction with electrolyte ions. ).
このようなプロトン伝導型化合物としては、従来公知のものを用いることができ、例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリペリナフタレン、ポリフラン、ポリフルラン、ポリチエニレン、ポリピリジンジイル、ポリイソチアナフテン、ポリキノキサリン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリインドール、ポリアミノアントラキノン、ポリイミダゾール及びこれらの誘導体などのπ共役系高分子、インドール三量体化合物等のインドール系π共役化合物、ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン等のキノン系化合物、ポリアントラキノン、ポリナフトキノン、ポリベンゾキノン等のキノン系高分子(キノン酸素が共役によりヒドロキシル基になり得るもの)、前記高分子を与えるモノマーの2種以上の共重合で得られるプロトン伝導型高分子などが挙げられる。これらの化合物にドーピングを施すことによりレドックス対が形成され、導電性が発現する。これら化合物は、その酸化還元電位の差を適宜調整することによって正極活物質及び負極活物質として選択使用される。 As such a proton conductive compound, conventionally known compounds can be used.For example, polyaniline, polythiophene, polypyrrole, polyacetylene, poly-p-phenylene, polyphenylenevinylene, polyperinaphthalene, polyfuran, polyflurane, polythienylene, polythylene Π-conjugated polymers such as pyridinediyl, polyisothianaphthene, polyquinoxaline, polypyridine, polypyrimidine, polyindole, polyaminoanthraquinone, polyimidazole and derivatives thereof, indole-based conjugated compounds such as indole trimer compound, benzoquinone Quinone-based compounds such as naphthoquinone and anthraquinone, and quinone-based polymers such as polyanthraquinone, polynaphthoquinone, and polybenzoquinone (where quinone oxygen forms hydroxyl groups by conjugation) And a proton-conducting polymer obtained by copolymerization of two or more types of monomers that give the polymer. By doping these compounds, a redox pair is formed, and conductivity is exhibited. These compounds are selectively used as a positive electrode active material and a negative electrode active material by appropriately adjusting the difference in the oxidation-reduction potential.
プロトン伝導型化合物としては、窒素原子を有するπ共役系化合物またはπ共役系高分子、キノン系化合物またはキノン系高分子を好適なものとして用いることができる。 As the proton conductive compound, a π-conjugated compound or a π-conjugated polymer having a nitrogen atom, a quinone-based compound or a quinone-based polymer can be preferably used.
これらの中でも正極活物質としてインドール三量体化合物、負極活物質としてキノキサリン系高分子化合物が好ましい。 Among these, an indole trimer compound is preferable as the positive electrode active material, and a quinoxaline-based polymer compound is preferable as the negative electrode active material.
インドール三量体化合物は、3つのインドール環の2位および3位の原子で構成される六員環をもつ縮合多環構造を有するものである。このインドール三量体化合物は、インドール及びインドール誘導体あるいはインドリン及びその誘導体から選ばれる1種もしくは2種以上化合物から、公知の電気化学的または化学的手法により調製することができる。 The indole trimer compound has a fused polycyclic structure having a six-membered ring composed of atoms at the 2- and 3-positions of three indole rings. The indole trimer compound can be prepared from one or more compounds selected from indole and indole derivatives or indoline and its derivatives by a known electrochemical or chemical method.
このようなインドール三量体化合物としては、下記化学式で示されるものを挙げることができる。 Examples of such an indole trimer compound include those represented by the following chemical formula.
(式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシル基、カルボキシル基、ニトロ基、フェニル基、ビニル基、ハロゲン原子、アシル基、シアノ基、アミノ基、トリフルオロメチル基、スルホン酸基、トリフルオロメチルチオ基、カルボン酸エステル基、スルホン酸エステル基、アルコキシル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、これらの置換基を有していても良い炭素数1〜20のアルキル基、これらの置換基を有していても良い炭素数6〜20のアリール基、ヘテロ環式化合物残基を示す。)
上記の式中、Rのハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。また、式中、Rのアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、s−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基等が挙げられる。また、式中、Rのアシル基は、−COXで表される置換基であり、Xとしては上記アルキル基を挙げることができる。また、式中、Rのアルコキシル基は、−OXで表される置換基であり、Xとしては上記アルキル基を挙げることができる。また式中、Rのアリール基としては、フェニル基、ナフチル基、アントリル基等が挙げられる。また、式中、Rのアルキルチオ基のアルキル部分は上記のアルキル基を挙げることができる。また、式中、Rのアリールチオ基のアリール部分は上記のアリール基を挙げることができる。また、式中、Rのヘテロ環化合物残基としては、炭素数2〜20、ヘテロ原子数1〜5の3〜10員環の基を挙げることができ、ヘテロ原子としては、酸素、硫黄、窒素が挙げられる。
(Wherein R independently represents a hydrogen atom, a hydroxyl group, a carboxyl group, a nitro group, a phenyl group, a vinyl group, a halogen atom, an acyl group, a cyano group, an amino group, a trifluoromethyl group, a sulfonic acid group, A fluoromethylthio group, a carboxylic acid ester group, a sulfonic acid ester group, an alkoxyl group, an alkylthio group, an arylthio group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms which may have these substituents, and having these substituents Represents an aryl group having 6 to 20 carbon atoms and a heterocyclic compound residue which may be present.)
In the above formula, examples of the halogen atom for R include fluorine, chlorine, bromine and iodine. In the formula, as the alkyl group for R, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl, isobutyl, t-butyl, n-pentyl, n-hexyl Group, n-heptyl group, n-octyl group and the like. In the formula, the acyl group of R is a substituent represented by -COX, and X includes the above-mentioned alkyl group. In the formula, the alkoxyl group of R is a substituent represented by -OX, and X includes the above-mentioned alkyl group. In the formula, examples of the aryl group represented by R include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthryl group. In the formula, the alkyl portion of the alkylthio group represented by R may be the above-mentioned alkyl group. In the formula, the aryl portion of the arylthio group for R can be the above-mentioned aryl group. In the formula, as the heterocyclic compound residue of R, a 3 to 10-membered ring group having 2 to 20 carbon atoms and 1 to 5 heteroatoms can be mentioned. As the hetero atom, oxygen, sulfur, Nitrogen.
キノキサリン系高分子は、キノキサリン骨格を持つ単位を有する高分子であり、下記化学式で表されるキノキサリン骨格を有する重合体を用いることができる。 The quinoxaline-based polymer is a polymer having a unit having a quinoxaline skeleton, and a polymer having a quinoxaline skeleton represented by the following chemical formula can be used.
(式中のRは、重合体としたときに主鎖中に連結基として有してよいし、側鎖基として有していてもよい。式中のRは、それぞれ独立に、水素原子、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、ニトロ基、フェニル基、ビニル基、ハロゲン原子、アシル基、シアノ基、トリフルオロメチル基、スルホニル基、スルホン酸基、トリフルオロメチルチオ基、アルコキシル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、カルボン酸エステル基、スルホン酸エステル基、これらの置換基を有していても良い炭素数1〜20のアルキル基、これらの置換基を有していても良い炭素数6〜20のアリール基、ヘテロ環式化合物残基を示す。)
上記の式中、Rのハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。また、式中、Rのアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、s−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基等が挙げられる。また、式中、Rのアシル基は、−COXで表される置換基であり、Xとしては上記アルキル基を挙げることができる。また、式中、Rのアルコキシル基は、−OXで表される置換基であり、Xとしては上記アルキル基を挙げることができる。また式中、Rのアリール基としては、フェニル基、ナフチル基、アントリル基等が挙げられる。また、式中、Rのアルキルチオ基のアルキル部分は上記のアルキル基を挙げることができる。また、式中、Rのアリールチオ基のアリール部分は上記のアリール基を挙げることができる。また、式中、Rのヘテロ環化合物残基としては、炭素数2〜20、ヘテロ原子数1〜5の3〜10員環の基を挙げることができ、ヘテロ原子としては、酸素、硫黄、窒素が挙げられる。
(R in the formula may be contained as a linking group in the main chain of the polymer or may be contained as a side chain group. In the formula, Rs are each independently a hydrogen atom, Hydroxyl group, amino group, carboxyl group, nitro group, phenyl group, vinyl group, halogen atom, acyl group, cyano group, trifluoromethyl group, sulfonyl group, sulfonic acid group, trifluoromethylthio group, alkoxyl group, alkylthio group, Arylthio group, carboxylic acid ester group, sulfonic acid ester group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms which may have these substituents, an alkyl group having 6 to 20 carbon atoms which may have these substituents An aryl group and a heterocyclic compound residue are shown.)
In the above formula, examples of the halogen atom for R include fluorine, chlorine, bromine and iodine. In the formula, as the alkyl group for R, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl, isobutyl, t-butyl, n-pentyl, n-hexyl Group, n-heptyl group, n-octyl group and the like. In the formula, the acyl group of R is a substituent represented by -COX, and X includes the above-mentioned alkyl group. In the formula, the alkoxyl group of R is a substituent represented by -OX, and X includes the above-mentioned alkyl group. In the formula, examples of the aryl group represented by R include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthryl group. In the formula, the alkyl portion of the alkylthio group represented by R may be the above-mentioned alkyl group. In the formula, the aryl portion of the arylthio group for R can be the above-mentioned aryl group. In the formula, as the heterocyclic compound residue of R, a 3 to 10-membered ring group having 2 to 20 carbon atoms and 1 to 5 heteroatoms can be mentioned. As the hetero atom, oxygen, sulfur, Nitrogen.
このようなキノキサリン系高分子としては、2,2’−(p−フェニレン)ジキノキサリン骨格を有する高分子が好ましく、下記式で表されるポリフェニルキノキサリンを用いることができる。なお、式中のnは正の整数を示す。 As such a quinoxaline-based polymer, a polymer having a 2,2 '-(p-phenylene) diquinoxaline skeleton is preferable, and polyphenylquinoxaline represented by the following formula can be used. In addition, n in a formula shows a positive integer.
プロトン源を含む(プロトンを与えることができる)電解質のプロトン源としては、無機酸または有機酸を用いることができ、例えば、無機酸として、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸、テトラフルオロほう酸、六フッ化リン酸、六フッ化ケイ酸などが挙げられ、有機酸として、飽和モノカルボン酸、脂肪族カルボン酸、オキシカルボン酸、p−トルエンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ラウリン酸などが挙げられる。これらのプロトン源を含む電解質の中でも酸含有水溶液が好ましく、硫酸水溶液が特に好ましい。 An inorganic acid or an organic acid can be used as a proton source of an electrolyte containing a proton source (which can give a proton). For example, sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, tetrafluoroboric acid, Examples include fluorophosphoric acid and hexafluorosilicic acid, and examples of the organic acid include saturated monocarboxylic acid, aliphatic carboxylic acid, oxycarboxylic acid, p-toluenesulfonic acid, polyvinylsulfonic acid, and lauric acid. Among these electrolytes containing a proton source, an acid-containing aqueous solution is preferable, and a sulfuric acid aqueous solution is particularly preferable.
プロトン源を含む電解液中のプロトン濃度は、電極材料の反応性の点から10-3mol/l以上が好ましく、10-1mol/l以上がより好ましく、一方、電極材料の活性低下や溶出の防止の点から18mol/l以下が好ましく、7mol/l以下がより好ましい。 The proton concentration in the electrolyte solution containing the proton source is preferably at least 10 -3 mol / l, more preferably at least 10 -1 mol / l, from the viewpoint of the reactivity of the electrode material, and on the other hand, the activity of the electrode material is reduced or eluted. It is preferably 18 mol / l or less, more preferably 7 mol / l or less from the viewpoint of prevention of odor.
次に、二次電池用の電気化学セルについての実施例を挙げ、本発明について、さらに詳細に説明する。なお、上述の電気化学セルの基本構成を適宜設定することにより、キャパシタとして好適な構成にすることもできる。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples of an electrochemical cell for a secondary battery. In addition, by appropriately setting the basic configuration of the above-described electrochemical cell, a configuration suitable for a capacitor can also be obtained.
(実施例1)
正極活物質として5−シアノインドール三量体、導電補助材として繊維状カーボン、結着材としてPVDF(平均分子量:1100)を、この記載順で69/23/8の重量比となるように秤量し、そして、正極活物質に対して0.3重量%の陰イオン交換樹脂を秤量し、ブレンダーで攪拌、混合した。この陰イオン交換樹脂としては、イオン交換基としてトリメチルアンモニウム基を有し、交換イオン形が−OHタイプのポリビニルアルコールからなり、繊維長径が60μmの繊維((株)ニチビ製、IEF−SA(OH))を繊維長3mmにカットしたもの用いた。
(Example 1)
5-Cyanoindole trimer as a positive electrode active material, fibrous carbon as a conductive auxiliary material, and PVDF (average molecular weight: 1100) as a binder were weighed in the stated order so as to have a weight ratio of 69/23/8. Then, an anion exchange resin of 0.3% by weight with respect to the positive electrode active material was weighed, and stirred and mixed with a blender. As the anion exchange resin, a fiber having a trimethylammonium group as an ion exchange group, having an exchange ion form of -OH type polyvinyl alcohol, and having a fiber major axis of 60 µm (manufactured by Nichibi Corporation, IEF-SA (OH )) Was cut to a fiber length of 3 mm.
この混合粉末を10mg秤取り、1mlのDMF中にて、常温で5分間、攪拌して均一に分散させたスラリーを得た。これを集電体上にスクリーン印刷方法にて成膜した後、乾燥して、厚さが100μmの正極電極を得た。これを所定の形状に切断して使用した。 10 mg of this mixed powder was weighed and stirred at room temperature for 5 minutes in 1 ml of DMF to obtain a slurry which was uniformly dispersed. This was formed into a film on the current collector by a screen printing method, and then dried to obtain a positive electrode having a thickness of 100 μm. This was cut into a predetermined shape and used.
次に、負極側の電極活物質としてプロトン伝導型高分子であるポリフェニルキノキサリンを用い、負極側の導電補助剤としてケッチェンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製、EC−600JD)を用いた。これらをこの記載順で75/25の重量比で秤量し、ブレンダーで攪拌、混合した。そして、溶媒としてm−クレゾールを用いて、正極電極と同じ方法にて、厚さが100μmの負極電極を得た。ここでは、負極側には陰イオン交換樹脂の繊維は混合しなかった。 Next, polyphenylquinoxaline, which is a proton conductive polymer, was used as an electrode active material on the negative electrode side, and Ketjen Black (EC-600JD, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) was used as a conductive auxiliary on the negative electrode side. . These were weighed in the stated order at a weight ratio of 75/25 and stirred and mixed with a blender. Then, using m-cresol as a solvent, a negative electrode having a thickness of 100 μm was obtained in the same manner as the positive electrode. Here, the fibers of the anion exchange resin were not mixed on the negative electrode side.
電解液として、20重量%硫酸水溶液を用い、厚さが30μmのポリオレフィン系多孔質膜からなるセパレータを介して、上記正極電極と負極電極を成膜した面を対向させて貼り合わせ、ガスケット6で外装し、図1に示す断面構造を有する外径14mmのコイン型の電気化学セルを得た。 A 20 wt% sulfuric acid aqueous solution was used as an electrolytic solution, and the surfaces on which the positive electrode and the negative electrode were formed were attached to each other via a separator made of a polyolefin-based porous film having a thickness of 30 μm. A coin-shaped electrochemical cell having an outer diameter of 14 mm and having a cross section shown in FIG. 1 was obtained.
このようにして調製した電気化学セルについて、高温サイクル試験を実施した。試験の条件は、温度が45℃で、充放電レートが10C、充放電サイクルが5000である。評価項目は、初期出現容量と、5000サイクル後の残存容量である。 The electrochemical cell thus prepared was subjected to a high-temperature cycle test. The conditions for the test are a temperature of 45 ° C., a charge / discharge rate of 10 C, and a charge / discharge cycle of 5000. The evaluation items are the initial appearance capacity and the remaining capacity after 5000 cycles.
(実施例2)
実施例1と同様にして正極電極用および負極電極用の混合材料をそれぞれ用意し、各電極の形成を熱プレス成形で行った他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル特性を評価した。
(Example 2)
A mixed material for a positive electrode and a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, and an electrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that each electrode was formed by hot press molding. High temperature cycle characteristics were evaluated.
(実施例3)
実施例1と同様にして正極電極用の混合材料(陰イオン交換樹脂を除く)を用意し、熱プレス成形を行った。この成形体表面に、実施例1で用いた陰イオン交換樹脂を、5−シアノインドール三量体に対して20重量%となる厚さに成膜し、正極側の電極を得た。この成膜に際しては、陰イオン交換樹脂を分散させたスラリーの所定量を成形体表面に塗布し、乾燥を行った。
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, a mixed material for the positive electrode (excluding the anion exchange resin) was prepared, and hot press molding was performed. The anion exchange resin used in Example 1 was formed on the surface of the molded body to a thickness of 20% by weight based on the 5-cyanoindole trimer to obtain a positive electrode. At the time of film formation, a predetermined amount of a slurry in which an anion exchange resin was dispersed was applied to the surface of the molded body, and dried.
また、実施例1と同様にして負極電極用の混合材料を用意し、これを熱プレス成形して負極電極を得た。その後は実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。 Further, a mixed material for a negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, and was subjected to hot press molding to obtain a negative electrode. Thereafter, an electrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, and a high-temperature cycle test was performed.
(実施例4)
陰イオン交換樹脂の量を正極側の電極活物質に対して60重量%となるようにした他は、実施例3と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 4)
An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 3, except that the amount of the anion exchange resin was adjusted to 60% by weight based on the electrode active material on the positive electrode side.
(実施例5)
正極側の電極活物質に対する陰イオン交換樹脂の混合量を、6.5重量%とした他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 5)
An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 1 except that the mixing amount of the anion exchange resin with respect to the electrode active material on the positive electrode side was changed to 6.5% by weight.
(実施例6)
正極側の電極活物質に対する陰イオン交換樹脂の混合量を、0.005重量%とした他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 6)
An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 1, except that the mixing amount of the anion exchange resin with respect to the electrode active material on the positive electrode side was 0.005% by weight.
(実施例7)
陰イオン交換樹脂の繊維の長さを0.5mmにした他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 7)
An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 1 except that the length of the fiber of the anion exchange resin was changed to 0.5 mm.
(実施例8)
繊維長径が60μmのポリスチレン−ポリエチレン複合繊維からなる陰イオン交換樹脂(イオン交換基:トリメチルアンモニウム基、交換イオン形:−OHタイプ、東レ(株)製、商品名:アイオネックス、TIN-200)を選択し、繊維長を3mmにカットして用いた他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 8)
An anion exchange resin (ion exchange group: trimethylammonium group, exchange ion type: -OH type, manufactured by Toray Industries, Inc., trade name: IONEX, TIN-200) comprising a polystyrene-polyethylene composite fiber having a fiber major axis of 60 μm was used. An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 1, except that the cell was selected and the fiber length was cut to 3 mm.
(実施例9)
ナイロン6からなる基体樹脂にカーボンを導入した導電性繊維からなる陰イオン交換樹脂(イオン交換基:トリメチルアンモニウム基、交換イオン形:−OHタイプ、カネボウ(株)製、商品名:ベクトロン−961)を用いた他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 9)
Anion exchange resin composed of conductive fibers obtained by introducing carbon into a base resin composed of nylon 6 (ion exchange group: trimethylammonium group, exchange ion type: -OH type, manufactured by Kanebo Co., Ltd., trade name: Vectron-961) An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 1 except for using.
(実施例10)
粒度が14〜50メッシュの粒状の弱塩基性陰イオン交換樹脂(三菱化学製、ダイヤイオン(登録商標)SA10A)を用いた他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 10)
An electrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that a granular weakly basic anion exchange resin having a particle size of 14 to 50 mesh (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, Diaion (registered trademark) SA10A) was used. A cycle test was performed.
(実施例11)
実施例1で用いた陰イオン交換樹脂を、正極と負極の両方に、それぞれ電極活物質に対して0.3重量%混合した他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 11)
An electrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the anion exchange resin used in Example 1 was mixed in both the positive electrode and the negative electrode with 0.3% by weight based on the electrode active material, respectively. A high temperature cycle test was performed.
(実施例12)
粒度が200〜400メッシュの粒状の強塩基性陰イオン交換樹脂(ダウケミカル社製、商品名:ダウエックス1×8)を用いた他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Example 12)
An electrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a granular strong basic anion exchange resin (manufactured by Dow Chemical Company, trade name: Dowex 1 × 8) having a particle size of 200 to 400 mesh was used. And a high temperature cycle test.
(比較例1)
陰イオン交換樹脂を電極材料に添加しなかった他は、実施例1と同様にして電気化学セルを調製し、高温サイクル試験を行った。
(Comparative Example 1)
An electrochemical cell was prepared and subjected to a high-temperature cycle test in the same manner as in Example 1 except that the anion exchange resin was not added to the electrode material.
表1は、前記の実施例1〜12、並びに比較例1の電気化学セルについて実施した、高温サイクル試験の結果をまとめて示したものである。表1の結果から次のことが明らかである。 Table 1 summarizes the results of the high-temperature cycle tests performed on the electrochemical cells of Examples 1 to 12 and Comparative Example 1. The following is clear from the results in Table 1.
いずれの実施例も、比較例1に較べると、初期容量および残存容量ともに大きく、高温サイクル特性に優れた結果を示していて、陰イオン交換樹脂の効果が現れている。また、通常よりも大電流で、高温サイクル試験を実施しているにも関わらず、残存容量の顕著な低下が認められないことから、高速充放電特性が向上していることが分かる。 In each of the examples, as compared with Comparative Example 1, both the initial capacity and the remaining capacity were large, and the results showed excellent high-temperature cycle characteristics, and the effect of the anion exchange resin was exhibited. In addition, despite the fact that the high-temperature cycle test was carried out at a higher current than usual, no remarkable decrease in the remaining capacity was observed, indicating that the high-speed charge / discharge characteristics were improved.
実施例1と実施例2を比較すると初期容量が実施例2の方が大きい数値となっているが、これは、実施例1ではスクリーン印刷で電極を成膜しているのに対し、実施例2では、プレス成形で電極を形成しているため、電極の密度が実施例2の方が高くなり、それに応じて初期容量が大きくなったと解される。 Comparing Example 1 with Example 2, the initial capacity of Example 2 is larger than that of Example 2. This is because the electrode is formed by screen printing in Example 1, In Example 2, since the electrodes were formed by press molding, it is understood that the density of the electrodes was higher in Example 2 and the initial capacity was correspondingly increased.
実施例3は実施例1に比べて残存容量が大きくなっている。これは陰イオン交換樹脂の使用量が、電極活物質に対して20重量%と、多いためである。一方、実施例6においては、陰イオン交換樹脂の添加量を電極活物質に対して0.005重量%と少なくしているため、添加による効果は得られるものの、改善効果は小さくなっている。 The third embodiment has a larger remaining capacity than the first embodiment. This is because the amount of the anion exchange resin used is as large as 20% by weight based on the electrode active material. On the other hand, in Example 6, since the amount of the anion exchange resin added was reduced to 0.005% by weight based on the electrode active material, the effect of the addition was obtained, but the improvement effect was small.
実施例3においては、陰イオン交換樹脂を塗布により電極表層に設けたのに対し、実施例5では、電極材料中に混合している。つまり、電極材料中に陰イオン交換樹脂を過度に含有すると、陰イオン交換樹脂自体は電極活物質として機能しないので、特性の改善効果が低減することが分かる。 In Example 3, the anion exchange resin was provided on the electrode surface by coating, whereas in Example 5, it was mixed in the electrode material. That is, when the anion exchange resin is excessively contained in the electrode material, the anion exchange resin itself does not function as an electrode active material, so that the effect of improving the characteristics is reduced.
また、電極表層に陰イオン交換樹脂を塗布により設けた場合において、過剰量を用いても、特性向上には寄与しにくい。これは、陰イオン交換樹脂の使用量を60重量%とした実施例4と、実施例3の結果の比較から明らかである。 Further, when an anion exchange resin is provided on the electrode surface layer by coating, even if an excessive amount is used, it does not easily contribute to improvement in characteristics. This is clear from the comparison between the results of Example 4 and Example 3 in which the amount of the anion exchange resin used was 60% by weight.
実施例5では、陰イオン交換樹脂の添加量を、電極活物質に対して6.5重量%と、実施例1よりも多くしているため、実施例1よりも初期容量が低下しているものの、残存容量の低下がより抑えられている。 In Example 5, since the addition amount of the anion exchange resin was 6.5% by weight with respect to the electrode active material, which was larger than that in Example 1, the initial capacity was lower than that in Example 1. However, the decrease in the remaining capacity is further suppressed.
実施例7は、初期容量および残存容量ともに、他の実施例より大きな数値を示した。これは、陰イオン交換樹脂の繊維を、他の実施例の1/6の長さに調整することで陰イオン交換樹脂の比表面積が大きくなり、その添加効果が大きくなったためと解される。一方、特に数値を示さないが、10mmを超える長さの陰イオン交換樹脂の繊維を用いた場合では、特性の改善効果が低下する傾向が見られた。 In Example 7, both the initial capacity and the remaining capacity showed larger values than the other examples. It is understood that this is because the specific surface area of the anion exchange resin was increased by adjusting the length of the fibers of the anion exchange resin to 1/6 that of the other examples, and the effect of adding the fibers was increased. On the other hand, although no particular numerical value is shown, when an anion exchange resin fiber having a length exceeding 10 mm was used, the effect of improving the properties tended to decrease.
実施例8においては、陰イオン交換樹脂として、実施例1とは別のものを使用した。この場合も、特性的には、実施例1とほぼ同等の結果を示し、適当な陰イオン交換樹脂であれば、所望の効果が得られることを示している。 In Example 8, a different anion exchange resin from that of Example 1 was used. Also in this case, the characteristics are almost the same as those in Example 1, indicating that a desired effect can be obtained with a suitable anion exchange resin.
実施例9においては、実施例1とも、実施例8とも異なる陰イオン交換樹脂を使用している。この場合も実施例1と同等の特性が得られた。これは、陰イオン交換作用に加えて、陰イオン交換樹脂が導電性を備えていることで電極の抵抗率が低下したことも寄与していると考えられる。 In Example 9, an anion exchange resin different from Example 1 and Example 8 was used. Also in this case, the same characteristics as those in Example 1 were obtained. This is thought to be due to the fact that, in addition to the anion exchange action, the resistivity of the electrode was lowered due to the conductivity of the anion exchange resin.
実施例10においては、陰イオン交換樹脂として、粒状のものを用いた。試験結果は、繊維状の陰イオン交換樹脂を使用した場合よりも劣っている。これは、繊維状よりも粒状の方が比表面積が小さく、陰イオン交換樹脂の添加効果が比較的低かったためと考えられる。 In Example 10, a granular anion exchange resin was used. The test results are inferior to those using fibrous anion exchange resin. This is presumably because the granular form had a smaller specific surface area than the fibrous form, and the effect of adding the anion exchange resin was relatively low.
実施例11においては、陰イオン交換樹脂を正極および負極の両方に添加した点が他の実施例と異なる。試験結果は、負極には陰イオン交換樹脂を添加しなかった実施例1よりも、特性の改善効果が低かった。このことから、正極への陰イオン交換樹脂の添加が、特性向上に大きく寄与することが明らかである。 Example 11 is different from the other examples in that an anion exchange resin was added to both the positive electrode and the negative electrode. The test results showed that the effect of improving the characteristics was lower than in Example 1 in which the anion exchange resin was not added to the negative electrode. From this, it is clear that the addition of the anion exchange resin to the positive electrode greatly contributes to the improvement of the characteristics.
実施例12においては、200〜400メッシュの粒状の陰イオン交換樹脂を用いており、繊維状の陰イオン交換樹脂を用いている実施例1とほぼ同等の効果が得られている。 In Example 12, 200-400 mesh granular anion exchange resin was used, and almost the same effect as Example 1 using fibrous anion exchange resin was obtained.
(実施例13)
正極電極の作製において、電極活物質に対する陰イオン交換樹脂の含有量を10重量%とし、セパレータとして厚み20μmのポリオレフィン系多孔質膜を用いた以外は、実施例1と同様にして図1に示す断面構造を有する単位セルを作製した。
(Example 13)
In the preparation of the positive electrode, FIG. 1 shows in the same manner as in Example 1 except that the content of the anion exchange resin with respect to the electrode active material was 10% by weight, and a 20 μm-thick polyolefin-based porous membrane was used as a separator. A unit cell having a cross-sectional structure was manufactured.
図6に示すように、この単位セル7を5個、積層して直列に接続し、この積層体の上下最外部にそれぞれ加圧板8を配置した。そして、この積層体に加圧板8を介して5kgf/cm2(4.9×105Pa)の圧力を加え、かしめにより固定し、電気化学セル積層体を得た。
As shown in FIG. 6, five
この電気化学セル積層体、並びに下記の実施例および比較例のセル積層体について、25℃の環境下、定電流定電圧(5C、単位セル当たり1.2V)で10分間充電し、定電流(5C)で放電深度が100%になるまで放電し、この充放電を繰り返して電池特性を評価した。結果を表2に示す。表中の初期容量とは、比較例2のセル積層体の初期容量を1としたときの他のセル積層体の初期容量の相対値である。また、表中のサイクル指数とは、比較例2のセル積層体の充放電後の容量が初期容量の80%となった時のサイクル数を1としたときの、他のセル積層体の充放電後の容量が初期容量の80%となったときのサイクル数の相対値である。
The electrochemical cell laminate and the cell laminates of the following Examples and Comparative Examples were charged at a constant current and constant voltage (5 C, 1.2 V per unit cell) for 10 minutes in an environment of 25 ° C. At 5C), the battery was discharged until the depth of discharge reached 100%, and the charging and discharging were repeated to evaluate the battery characteristics. Table 2 shows the results. The initial capacity in the table is a relative value of the initial capacity of another cell stack when the initial capacity of the cell stack of Comparative Example 2 is 1. In addition, the cycle index in the table means that the number of cycles when the capacity after charge and discharge of the cell stack of Comparative Example 2
この結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From these results, it is understood that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例14)
実施例1と同様にして正極電極用の混合材料(陰イオン交換樹脂を除く)を用意し、熱プレス成形を行った。この成形体表面に、実施例1で用いた陰イオン交換樹脂を、5−シアノインドール三量体に対して10重量%となる厚さに成膜し、正極側の電極を得た。この成膜に際しては、陰イオン交換樹脂を分散させたスラリーの所定量を成形体表面に塗布し、乾燥を行った。そして、実施例1と同様にして負極電極を作製し、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 14)
In the same manner as in Example 1, a mixed material for the positive electrode (excluding the anion exchange resin) was prepared, and hot press molding was performed. The anion exchange resin used in Example 1 was formed on the surface of the molded body to a thickness of 10% by weight with respect to the 5-cyanoindole trimer to obtain a positive electrode. At the time of film formation, a predetermined amount of a slurry in which an anion exchange resin was dispersed was applied to the surface of the molded body, and dried. Then, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 1, and an electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例15)
粒度が14〜50メッシュの粒状の弱塩基性陰イオン交換樹脂(三菱化学製、ダイヤイオン(登録商標)SA10A)を用いた他は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 15)
An electrochemical cell laminate was prepared in the same manner as in Example 13 except that a granular weakly basic anion exchange resin having a particle size of 14 to 50 mesh (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, Diaion (registered trademark) SA10A) was used. .
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例16)
正極側の電極活物質に対する陰イオン交換樹脂の含有量を0.005重量%とした他は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 16)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13, except that the content of the anion exchange resin with respect to the electrode active material on the positive electrode side was 0.005% by weight.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例17)
正極側の電極活物質に対する陰イオン交換樹脂の含有量を60重量%とした他は、実施例14と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 17)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 14, except that the content of the anion exchange resin with respect to the electrode active material on the positive electrode side was changed to 60% by weight.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例18)
陰イオン交換樹脂の繊維の長さを10mmにした他は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 18)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13, except that the length of the fiber of the anion exchange resin was changed to 10 mm.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例19)
陰イオン交換樹脂の繊維の長さを1.5mmにした他は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 19)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13, except that the length of the fiber of the anion exchange resin was 1.5 mm.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例20)
繊維長径が60μmのポリスチレン−ポリエチレン複合繊維からなる陰イオン交換樹脂(イオン交換基:トリメチルアンモニウム基、交換イオン形:−OHタイプ、東レ(株)製、商品名:アイオネックス、TIN-200)を選択し、繊維長を3mmにカットして用いた他は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を調製した。
(Example 20)
An anion exchange resin (ion exchange group: trimethylammonium group, exchange ion type: -OH type, manufactured by Toray Industries, Inc., trade name: IONEX, TIN-200) comprising a polystyrene-polyethylene composite fiber having a fiber major axis of 60 μm was used. An electrochemical cell laminate was prepared in the same manner as in Example 13 except that the fiber length was cut to 3 mm and used.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例21)
図7に示すように、各単位セルの上下両側に加圧板を配置し、これを5個積層した以外は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 21)
As shown in FIG. 7, an electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13, except that pressure plates were arranged on the upper and lower sides of each unit cell, and five pressure plates were laminated.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例22)
単位セルを10個積層した以外は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 22)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13, except that ten unit cells were laminated.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(実施例23)
粒度が200〜400メッシュの粒状の強塩基性陰イオン交換樹脂(ダウケミカル社製、商品名:ダウエックス1×8)を用いた他は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Example 23)
An electrochemical cell laminate was prepared in the same manner as in Example 13 except that a granular strong basic anion exchange resin having a particle size of 200 to 400 mesh (manufactured by Dow Chemical Company, trade name: Dowex 1 × 8) was used. Produced.
表2に示す結果から、本発明によれば、電気化学セル積層体の容量およびサイクル寿命特性が向上することがわかる。 From the results shown in Table 2, it can be seen that according to the present invention, the capacity and cycle life characteristics of the electrochemical cell laminate are improved.
(比較例2)
陰イオン交換樹脂を電極材料に添加しなかった以外は、実施例13と同様にして電気化学セル積層体を作製した。なお、初期容量が実施例13と比較して小さい理由は、積層体における各単位セルの電圧プロファイルが異なるため、定格電圧に達していないセルが存在するためと考えられる。
(Comparative Example 2)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 13, except that the anion exchange resin was not added to the electrode material. The reason why the initial capacity is smaller than that in Example 13 is considered that the voltage profile of each unit cell in the stacked body is different, so that some cells do not reach the rated voltage.
(比較例3)
単位セルを10個積層した以外は、比較例2と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Comparative Example 3)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except that ten unit cells were laminated.
(比較例4)
陰イオン交換樹脂を電極材料に添加しなかった以外は、実施例21と同様にして電気化学セル積層体を作製した。
(Comparative Example 4)
An electrochemical cell laminate was produced in the same manner as in Example 21, except that the anion exchange resin was not added to the electrode material.
1 正極集電体
2 負極集電体
3 正極電極
4 負極電極
5 セパレータ
6 ガスケット
7 単位セル
8 加圧板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (19)
前記電気化学セルは、前記の少なくとも一方の電極として請求項1〜9のいずれか一項に記載の電極を有し、
複数の前記電気化学セルが電気的に連結されている蓄電装置。 A positive electrode containing a proton conducting compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conducting compound as an electrode active material, and a power storage device including an electrochemical cell containing an electrolyte containing a proton source,
The electrochemical cell has the electrode according to any one of claims 1 to 9 as the at least one electrode,
A power storage device in which a plurality of the electrochemical cells are electrically connected.
前記電気化学セルは、前記正極電極として請求項1〜9のいずれか一項に記載の電極を有し、
複数の前記電気化学セルが電気的に連結されている蓄電装置。 A positive electrode containing a proton conducting compound as an electrode active material, a negative electrode containing a proton conducting compound as an electrode active material, and a power storage device including an electrochemical cell containing an electrolyte containing a proton source,
The electrochemical cell has the electrode according to any one of claims 1 to 9 as the positive electrode,
A power storage device in which a plurality of the electrochemical cells are electrically connected.
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