JP2009135540A - Nonaqueous lithium power storage element and manufacturing method - Google Patents

Nonaqueous lithium power storage element and manufacturing method Download PDF

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Toshio Tsubata
敏男 津端
Tomoko Shimoyamada
倫子 下山田
Hisashi Satake
久史 佐竹
Yukiko Okano
夕紀子 岡野
Shizukuni Yada
静邦 矢田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous lithium power storage element having all of a high energy density, high output and high reliability. <P>SOLUTION: The nonaqueous lithium power storage element includes a positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer and a negative electrode collector, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a nonaqueous electrolyte, and a packing body. The positive electrode active material layer contains activated carbon, and the negative electrode active material layer contains lithium ion storable carbon material. The separator has a film thickness of 15 μm to 50 μm and has a liquid resistance of ≤2.5 Ωcm<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、高容量、高出力、高信頼性を兼ね備えた非水系リチウム型蓄電素子に関する。   The present invention relates to a non-aqueous lithium storage element having high capacity, high output, and high reliability.

近年、地球環境の保全および省資源を目指したエネルギーの有効利用を目的として、自動車において、内燃機関または燃料電池、モーター、及び蓄電素子を組み合わせたハイブリット駆動システム(以下、単に駆動システムという。)が注目を集めている。上記駆動システム向けの蓄電素子が果たす役割のひとつとして、内燃機関または燃料電池が最大効率を発揮できる一定出力で運転させたまま、該駆動システムの負荷の増減を吸収することが挙げられる。すなわち、加速時には内燃機関または燃料電池からの駆動だけでは不足するパワーを、蓄電素子からモーターに電力を供給して補い、減速時にはモーターを発電機として用いて余剰に発生した電力を蓄電素子に回収するという役割である。
上記駆動システムに使用される蓄電素子に求められる第一の要求は、入出力特性が優れていることである。これは、自動車における減速や加速が継続する時間は、通常、長くても1分程度であり、短時間の間に蓄電素子がどれだけの量のエネルギーを吸収、放出できるかが重要であるためである。
2. Description of the Related Art In recent years, a hybrid drive system (hereinafter simply referred to as a drive system) that combines an internal combustion engine or a fuel cell, a motor, and a power storage element in an automobile for the purpose of protecting the global environment and effectively using energy for resource saving. It attracts attention. One of the roles played by the power storage element for the drive system is to absorb the increase and decrease of the load of the drive system while the internal combustion engine or the fuel cell is operated at a constant output that can achieve the maximum efficiency. In other words, power that is insufficient when driven by an internal combustion engine or fuel cell alone during acceleration is supplied by supplying power from the storage element to the motor, and during deceleration, the motor is used as a generator to recover excess generated power to the storage element. It is a role to do.
The first requirement for an electric storage element used in the drive system is that input / output characteristics are excellent. This is because the duration of deceleration and acceleration in an automobile is usually about 1 minute at most, and it is important how much energy the energy storage element can absorb and release in a short time. It is.

また、これらの蓄電素子に求められる第二の要求は、エネルギー密度が高いことである。エネルギー密度が低いと、自動車両の加速に必要な電力を供給したり、減速で発生したエネルギーを余すことなく回生したりするために必要な蓄電素子の重量、体積が大きくなってしまい、自動車という限られた空間に効率よく収納することが困難になるためである。
現在、このような駆動システムに向けた蓄電素子としては、ニッケル水素電池が主流であり、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池が試験的に採用されつつある。上述の電気二重層キャパシタとしては電解液が水系のもの(以下、水系キャパシタという。)と非水系のもの(以下、非水系キャパシタという。)が知られている。水系キャパシタは入出力特性に優れるものの、電解液である水が電気分解するために蓄電素子あたりの耐圧が低くなり、エネルギー密度を高くできないという問題点がある。また、非水系キャパシタは耐圧が高いために、水系キャパシタと比較してエネルギー密度は高くできるものの、入出力特性が水系キャパシタよりも劣るという問題点がある。また、非水系キャパシタは水系キャパシタよりはエネルギー密度は高いものの、電池と比べるとエネルギー密度は十分ではない。
In addition, a second requirement for these power storage elements is high energy density. If the energy density is low, the weight and volume of the electricity storage element required to supply the electric power necessary to accelerate the motor vehicle and regenerate the energy generated by the deceleration will increase, which is called an automobile. This is because it becomes difficult to efficiently store in a limited space.
Currently, nickel-metal hydride batteries are the mainstream as storage elements for such drive systems, and electric double layer capacitors and lithium ion batteries are being experimentally adopted. As the above-mentioned electric double layer capacitor, there are known an aqueous electrolyte (hereinafter referred to as an aqueous capacitor) and a non-aqueous electrolyte (hereinafter referred to as a non-aqueous capacitor). Although the water-based capacitor is excellent in input / output characteristics, there is a problem that the withstand voltage per power storage element is lowered because water as an electrolytic solution is electrolyzed and the energy density cannot be increased. In addition, since the non-aqueous capacitor has a high breakdown voltage, the energy density can be higher than that of the water-based capacitor, but the input / output characteristics are inferior to those of the water-based capacitor. Further, although the non-aqueous capacitor has a higher energy density than the water-based capacitor, the energy density is not sufficient as compared with the battery.

一方、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池も入出力特性、エネルギー密度、信頼性のすべてを満足できるものではないため、高入出力、高エネルギー密度、高信頼性のすべてを兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。
非水系キャパシタのエネルギー密度を更に向上させる手段のひとつとして、電極間に介在するセパレータを薄膜化することが挙げられる。
電気二重層キャパシタ用のセパレータは、イオン伝導性が高いことを要するために、通常は紙製のセパレータが使用されており、その厚みは60〜150μmの範囲である。ところが、高エネルギー密度化するために該セパレータを薄膜化すると、マイクロショートが起こりやすくなり、見かけの自己放電が大きくなるという問題が発生する。
On the other hand, nickel-metal hydride batteries and lithium-ion batteries do not satisfy all of the input / output characteristics, energy density, and reliability, so the practical use of energy storage devices that combine high input / output, high energy density, and high reliability Is strongly demanded.
One means for further improving the energy density of the non-aqueous capacitor is to thin the separator interposed between the electrodes.
Since a separator for an electric double layer capacitor needs to have high ion conductivity, a paper separator is usually used, and its thickness is in the range of 60 to 150 μm. However, if the separator is made thin to increase the energy density, a micro short circuit is likely to occur, resulting in a problem that apparent self-discharge increases.

ここでいうマイクロショートとは、蓄電素子内部の電極間の微小な短絡のことを指す。マイクロショートがある蓄電素子は、ショートした蓄電素子のように通常の充放電が不可能であるというほどではないが、内部に発生した微小な短絡部で常に微小な短絡電流が流れている。このため、蓄電素子を充電状態で保存した場合に、マイクロショートが無い蓄電素子では活物質そのものの自己放電によって蓄電素子に蓄積されたエネルギーが減少して蓄電素子の電圧が徐々に低下していくが、マイクロショートがある蓄電素子では、自己放電に加えて内部短絡によっても蓄積されたエネルギーが減少するため、見かけの自己放電が大きくなる。このことは蓄電素子の信頼性を著しく低減させるものである。マイクロショートの原因は、抄紙されたセパレータには粗密があり、セパレータが粗の所で正極と負極の活物質同士がミクロな短絡を起こすためであると考えられる。   The micro-short here refers to a minute short-circuit between the electrodes inside the power storage element. A power storage element with a micro short circuit is not so incapable of normal charge and discharge as a power storage element with a short circuit, but a small short circuit current always flows through a small short circuit portion generated inside. For this reason, when the storage element is stored in a charged state, the energy stored in the storage element is reduced by the self-discharge of the active material itself in the storage element without a micro short, and the voltage of the storage element gradually decreases. However, in an energy storage device having a micro short circuit, the energy stored by an internal short circuit in addition to the self discharge is reduced, so that the apparent self discharge is increased. This significantly reduces the reliability of the storage element. The cause of the micro short-circuit is considered to be that the paper-made separator is coarse and dense, and the positive electrode and negative electrode active materials cause a micro short circuit when the separator is rough.

そこで特定の厚み、かさ密度、及び引張り強さを有する紙製セパレータを用いることで電極間のマイクロショートによる自己放電を減少させると共に高容量化を達成する試みが提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、該特許文献1においても、紙製セパレータの厚みは60〜90μmが特に好ましいとされており、エネルギー密度の向上のためには更なる薄膜化が望まれていた。
一方、薄膜セパレータとしては、リチウムイオン二次電池(以下、LIBと省略する。)において使用されているポリオレフィン系のセパレータが知られており、LIBの高容量化と安全性の確保(例えば、特許文献2参照)に寄与している。該薄膜セパレータにおいてマイクロショートを防ぐための強度を得るためには、セパレータの空隙を低減させる必要があるが、LIBでは上述のように大電流を流すことができない。そのため、空隙の少ないセパレータを使用しても実用上の問題は発生していなかった。
Thus, attempts have been made to reduce self-discharge due to microshorts between electrodes and achieve high capacity by using a paper separator having a specific thickness, bulk density, and tensile strength (for example, Patent Documents). 1). However, also in this patent document 1, it is considered that the thickness of the paper separator is particularly preferably 60 to 90 [mu] m, and further thinning has been desired in order to improve the energy density.
On the other hand, as a thin film separator, a polyolefin-based separator used in a lithium ion secondary battery (hereinafter abbreviated as LIB) is known, and LIB has a high capacity and ensures safety (for example, patents). (Ref. 2). In order to obtain the strength for preventing the micro-short in the thin film separator, it is necessary to reduce the gap of the separator. However, as described above, a large current cannot be flowed in the LIB. Therefore, no practical problem has occurred even when a separator having a small gap is used.

上述したように、電気二重層キャパシタにおいてはイオン導電性は高いが厚いセパレータが使用されており、エネルギー密度の向上の観点では問題を残していた。一方、LIBにおいては薄いがイオン導電性の低いセパレータが使用されており、入出力特性の向上の観点では問題を残していた。ところで、上述した電気二重層キャパシタよりも容量が大きく、LIBよりも出力特性が高い蓄電素子としては、正極に活性炭、負極に黒鉛などの炭素質材料を用いた蓄電素子が提案されている(例えば、特許文献3参照)。また、正極に活性炭、負極に活性炭表面に炭素質材料を被覆した複合多孔性材料を使用する蓄電素子が提案されている(例えば、特許文献4参照)。しかしながら、これらの蓄電素子の出力特性を良好に保ち、かつ自己放電特性も良好であるような、該蓄電素子に最適なセパレータの特性は知られてなかった。   As described above, in the electric double layer capacitor, a thick separator having high ionic conductivity is used, and there remains a problem in terms of improving the energy density. On the other hand, a thin separator with low ionic conductivity is used in LIB, leaving a problem in terms of improving input / output characteristics. By the way, as a power storage element having a larger capacity than the above-described electric double layer capacitor and higher output characteristics than LIB, a power storage element using activated carbon for the positive electrode and carbonaceous material such as graphite for the negative electrode has been proposed (for example, And Patent Document 3). In addition, there has been proposed a power storage element using a composite porous material in which activated carbon is used for the positive electrode and a carbonaceous material is coated on the surface of the active carbon for the negative electrode (see, for example, Patent Document 4). However, a separator characteristic optimal for the electricity storage element that maintains the output characteristics of these electricity storage elements and also has good self-discharge characteristics has not been known.

特開2002−231580号公報JP 2002-231580 A 特許第2642206号公報Japanese Patent No. 2642206 特開平08−107048号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-1007048 特開2001−229926号公報JP 2001-229926 A

本発明は、高エネルギー密度、高出力、及び高信頼性を有する非水系リチウム型蓄電素子、及びその製造方法を提供する事を目的とする。   An object of the present invention is to provide a non-aqueous lithium storage element having high energy density, high output, and high reliability, and a method for manufacturing the same.

以下において、「リチウムイオン吸蔵可能炭素材料」とは、炭素質材料のうち、リチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素材料をいうものとする。また、前述した特許文献4に記載された蓄電素子の負極に使用されている活物質であって、活性炭表面に炭素質材料を被覆した複合多孔性材料を、単に「複合多孔性材料」というものとする。
本発明者らは、正極、負極、セパレータ、非水系電解液、及び外装体からなる蓄電素子において、高容量、高出力かつ、信頼性を向上させる手段について鋭意検討した結果、特定の条件を満たすセパレータを使用することで、これらの特性を両立させることができることを見出した。
Hereinafter, the “lithium ion storable carbon material” refers to a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions among carbonaceous materials. Further, an active material used in the negative electrode of the electricity storage element described in Patent Document 4 described above, and a composite porous material in which a carbonaceous material is coated on the surface of activated carbon is simply referred to as “composite porous material”. And
As a result of earnestly examining the means for improving the capacity, the high output, and the reliability in the electric storage element composed of the positive electrode, the negative electrode, the separator, the non-aqueous electrolyte solution, and the exterior body, the present inventors have satisfied specific conditions. It has been found that these characteristics can be achieved by using a separator.

すなわち、本発明は、
1.正極活物質層と正極集電体とを有する正極と、負極活物質層と負極集電体とを有する負極と、正極と負極の間に介在するセパレータと、非水系電解液、及び外装体からなる蓄電素子であって、正極活物質層が活性炭を含有し、負極活物質層がリチウムイオン吸蔵可能炭素材料を含有し、セパレータはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリアミドからなる群から選択されるいずれかを原料とし、該セパレータの膜厚が15μm以上50μm以下、かつ該セパレータの液抵抗が2.5Ωcm以下であることを特徴とする非水系リチウム型蓄電素子、
2.セパレータの密度が0.35g/cc以上0.55g/cc以下であることを特徴とする上記1に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
3.リチウムイオン吸蔵可能炭素材料が、活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔性材料であることを特徴とする上記1又は2に記載の非水系リチウム型蓄電素子、
4.正極活物質層と正極集電体とを有する正極、負極活物質層と負極集電体とを有する負極、正極と負極の間に介在するセパレータ、非水系電解液、及び外装体からなる蓄電素子の製造方法であって、正極活物質層に活性炭を含有する正極、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリアミドからなる群から選択されるいずれかを原料とし膜厚が15μm以上50μm以下であり液抵抗が2.5Ωcm以下であるセパレータ、及び負極活物質層にリチウムイオン吸蔵可能炭素材料を含有する負極を、積層または捲回して外装体の中に入れ、該セパレータの耐熱温度以下の温度で加熱乾燥した後に、非水系電解液を注液することを特徴とする非水系リチウム型蓄電素子の製造方法、
である。
That is, the present invention
1. From a positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and an exterior body The positive electrode active material layer contains activated carbon, the negative electrode active material layer contains a lithium ion storable carbon material, and the separator is any one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polyimide, and polyamide. A non-aqueous lithium storage element, wherein the separator has a film thickness of 15 μm or more and 50 μm or less, and the liquid resistance of the separator is 2.5 Ωcm 2 or less,
2. 2. The nonaqueous lithium storage element according to 1 above, wherein the separator has a density of 0.35 g / cc or more and 0.55 g / cc or less.
3. 3. The non-aqueous lithium storage element according to 1 or 2 above, wherein the lithium ion storable carbon material is a composite porous material in which a carbonaceous material is deposited on the surface of activated carbon.
4). A positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and an exterior body The material has a film resistance of 15 μm to 50 μm and a liquid resistance of any one selected from the group consisting of a positive electrode containing activated carbon in the positive electrode active material layer, polyethylene, polypropylene, polyimide, and polyamide. A separator having a resistance of 2.5 Ωcm 2 or less and a negative electrode containing a carbon material capable of occluding lithium ions in the negative electrode active material layer are stacked or wound into an outer package, and dried by heating at a temperature not higher than the heat resistance temperature of the separator. After that, a method for producing a non-aqueous lithium storage element, characterized by injecting a non-aqueous electrolyte solution,
It is.

本発明により、高エネルギー密度、高出力、及び高信頼性を兼ね備えた、非水系リチウム型蓄電素子、及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous lithium storage element that has high energy density, high output, and high reliability, and a method for manufacturing the same.

以下、本発明の実施の形態につき詳細に説明する。
一般に、蓄電素子は、正極・セパレータ・負極・電解液・外装体を主な構成要素とするが、本発明の蓄電素子は、リチウム塩を溶解させた有機溶媒を電解液とする、非水系リチウム型蓄電素子である。
本発明の蓄電素子に用いられる正極は、正極集電体上に正極活物質層を設けたものである。正極集電体は金属箔であることが好ましく、さらに好ましくは、1〜100μmの厚みのアルミニウム箔である。
正極活物質層は正極活物質と結着剤を含有し、必要に応じて導電性フィラーを含有する。正極活物質としては、活性炭が好ましく使用される。該活性炭は、所望の特性を発揮する限りその原料などに特に制限はなく、石油系、石炭系、植物系、高分子系などの各種の原料から得られた市販品を使用することができ、平均粒径1〜500μm程度、より好ましくは1〜50μmの活性炭粉末を用いる事が好ましい。粒径が大きいと、塗布法による電極作成が困難になり、粒径が小さいと塗布、固着させるために必要な結着剤が多く必要になるため、体積エネルギー密度が低下する。該結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、などを使用することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
In general, a power storage element includes a positive electrode, a separator, a negative electrode, an electrolytic solution, and an exterior body as main components. However, the power storage element of the present invention is a non-aqueous lithium that uses an organic solvent in which a lithium salt is dissolved as an electrolytic solution. Type storage element.
The positive electrode used in the electricity storage device of the present invention is obtained by providing a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector. The positive electrode current collector is preferably a metal foil, and more preferably an aluminum foil having a thickness of 1 to 100 μm.
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material and a binder, and optionally contains a conductive filler. Activated carbon is preferably used as the positive electrode active material. The activated carbon is not particularly limited as long as it exhibits desired characteristics, and commercial products obtained from various raw materials such as petroleum-based, coal-based, plant-based, and polymer-based can be used. It is preferable to use activated carbon powder having an average particle size of about 1 to 500 μm, more preferably 1 to 50 μm. When the particle size is large, it becomes difficult to produce an electrode by a coating method, and when the particle size is small, a large amount of binder is required for coating and fixing, so that the volume energy density is lowered. As the binder, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, styrene-butadiene copolymer, and the like can be used.

上記正極活物質層には、活性炭及び結着剤以外に、必要に応じて正極活物質よりも導電性の高い導電性炭素質材料からなる導電性フィラーを混合することができる。このような導電性フィラーとしては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、気相成長炭素繊維、黒鉛、これらの混合物などが好ましい。正極活物質層における導電性フィラーの混合量は、正極活物質に対して0〜20質量%が好ましく、1〜15質量%の範囲がさらに好ましい。導電性フィラーは高入力の観点からは混合したほうが好ましいが、混合量が20質量%よりも多いと正極活物質層における正極活物質の含有量が少なくなるために、体積あたりのエネルギー密度が低下するので好ましくない。正極活物質層の厚みは、通常50〜200μm程度である。 正極は、正極活物質と結着剤(必要に応じて導電性フィラー)とを溶媒に分散させたペーストを作成し、このペーストを正極集電体上に塗布し、乾燥し、必要に応じてプレスすることにより得られる。塗布方法を例示すれば、バーコート法、転写ロール法、Tダイ法、スクリーン印刷法などを挙げることができ、ペーストの物性と塗布厚に応じた塗布方法を適宜選択できる。   In addition to the activated carbon and the binder, a conductive filler made of a conductive carbonaceous material having higher conductivity than the positive electrode active material can be mixed in the positive electrode active material layer as necessary. As such a conductive filler, ketjen black, acetylene black, vapor grown carbon fiber, graphite, a mixture thereof and the like are preferable. 0-20 mass% is preferable with respect to a positive electrode active material, and, as for the mixing amount of the conductive filler in a positive electrode active material layer, the range of 1-15 mass% is more preferable. The conductive filler is preferably mixed from the viewpoint of high input, but if the mixing amount is more than 20% by mass, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is reduced, so that the energy density per volume decreases. This is not preferable. The thickness of the positive electrode active material layer is usually about 50 to 200 μm. For the positive electrode, a paste in which a positive electrode active material and a binder (conductive filler as necessary) are dispersed in a solvent is prepared, this paste is applied onto the positive electrode current collector, dried, and if necessary It is obtained by pressing. Examples of the coating method include a bar coating method, a transfer roll method, a T-die method, a screen printing method, and the like, and a coating method according to the physical properties and coating thickness of the paste can be appropriately selected.

本発明の蓄電素子に用いられる負極は、負極集電体上に負極活物質層を設けたものである。負極集電体は金属箔であることが好ましく、さらに好ましくは、1〜100μmの厚みの銅箔である。
負極活物質層は負極活物質と結着剤を含有し、必要に応じて導電性フィラーを含有する。負極活物質は、リチウムイオン吸蔵可能炭素材料である。該リチウムイオン吸蔵可能炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、難黒鉛性カーボン、および、複合多孔性材料などのBET法による比表面積が1〜1500m2 /gの炭素質材料を好適に用いることができる。アセチレンブラック、カーボンブラック、活性炭のように、BET法による比表面積が1500m2 /gを超える炭素質材料は本発明の負極活物質としては好ましくない。該リチウムイオン吸蔵可能炭素材料の中でも、複合多孔性材料を最も好適に用いることができる。
上記リチウムイオン吸蔵可能炭素材料の形状は、平均粒径が1〜500μm程度が好ましく、1〜50μmのものがより好ましい。
The negative electrode used in the electricity storage device of the present invention is obtained by providing a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector. The negative electrode current collector is preferably a metal foil, more preferably a copper foil having a thickness of 1 to 100 μm.
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material and a binder, and optionally contains a conductive filler. The negative electrode active material is a lithium ion storable carbon material. As the lithium ion storable carbon material, a carbonaceous material having a specific surface area of 1 to 1500 m 2 / g by BET method such as natural graphite, artificial graphite, coke, non-graphite carbon, and composite porous material is preferably used. Can be used. A carbonaceous material having a specific surface area exceeding 1500 m 2 / g by the BET method, such as acetylene black, carbon black, and activated carbon, is not preferable as the negative electrode active material of the present invention. Among the lithium ion storable carbon materials, a composite porous material can be most preferably used.
The shape of the lithium ion storable carbon material preferably has an average particle size of about 1 to 500 μm, more preferably 1 to 50 μm.

上記リチウムイオン吸蔵可能炭素材料が、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、および難黒鉛性カーボンのいずれかの場合は、BET法による比表面積は1〜200m2 /gが好ましく、3〜100m2 /gが更に好ましい。比表面積が1m2 /gより小さいと大電流による放電や充電ができなくなるという問題が発生し、比表面積が200m2 /gより大きいと粒径が細かくなりすぎるために電極化が困難になるという問題が発生する。
一方、上記リチウムイオン吸蔵可能炭素材料が、複合多孔性材料の場合は、比表面積が10〜1500m2 /gであることが好ましく、10〜1000m2 /gがより好ましく、20〜800m2 /gがさらに好ましい。比表面積が10m2 /gより小さいと、大電流による放電や充電ができなくなるという問題が発生し、比表面積が1500m2 /gより大きいと電解液中のリチウムイオンと該複合多孔性材料の反応が大きくなり、蓄電素子の高エネルギー密度化が困難になる。
The lithium-ion storable carbon material, natural graphite, artificial graphite, coke, and for any of the non-graphitizable carbon has a specific surface area by BET method is preferably 1~200m 2 / g, 3~100m 2 / g Is more preferable. If the specific surface area is less than 1 m 2 / g, there will be a problem that discharging and charging with a large current will not be possible, and if the specific surface area is greater than 200 m 2 / g, the particle size will be too fine and it will be difficult to make an electrode. A problem occurs.
On the other hand, the lithium ion storable carbon material, in the case of composite porous material preferably has a specific surface area of 10~1500m 2 / g, more preferably 10~1000m 2 / g, 20~800m 2 / g Is more preferable. When the specific surface area is less than 10 m 2 / g, there arises a problem that discharging and charging due to a large current cannot be performed. When the specific surface area is more than 1500 m 2 / g, the reaction between lithium ions in the electrolyte and the composite porous material occurs. Increases, and it is difficult to increase the energy density of the energy storage device.

上記負極活物質層には、上記リチウムイオン吸蔵可能炭素材料及び結着剤以外に、必要に応じて負極活物質より導電性の高い炭素質材料からなる導電性フィラーを混合することができる。該導電性フィラーとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維、これらの混合物を挙げることができる。該導電性フィラーの混合量は、負極活物質に対して0〜20質量%が好ましく、1〜15質量%の範囲がさらに好ましい。導電性フィラーは高入力の観点からは混合したほうが好ましいが、混合量が20質量%よりも多いと負極活物質層における負極活物質の含有量が少なくなるために、体積あたりのエネルギー密度が低下するので好ましくない。
負極は、リチウムイオン吸蔵可能炭素材料と結着剤(必要に応じ、導電性フィラー)とを溶媒に分散させたペーストを作成し、このペーストを負極集電体上に塗布し、乾燥し、必要に応じてプレスすることにより得られる。塗布方法としては、正極と同様の方法が使用可能であり、ペーストの物性と塗布厚に応じた塗布方法を適宜選択できる。上記負極活物質層の厚みは、通常50〜200μm程度である。
In addition to the lithium ion storable carbon material and the binder, a conductive filler made of a carbonaceous material having higher conductivity than the negative electrode active material can be mixed in the negative electrode active material layer as necessary. Examples of the conductive filler include acetylene black, ketjen black, vapor grown carbon fiber, and mixtures thereof. The mixed amount of the conductive filler is preferably 0 to 20% by mass, more preferably 1 to 15% by mass with respect to the negative electrode active material. The conductive filler is preferably mixed from the viewpoint of high input, but if the mixing amount is more than 20% by mass, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer decreases, so the energy density per volume decreases. This is not preferable.
For the negative electrode, create a paste in which a lithium ion storable carbon material and a binder (conductive filler, if necessary) are dispersed in a solvent, apply this paste on the negative electrode current collector, dry it, and then Can be obtained by pressing according to the above. As a coating method, the same method as that for the positive electrode can be used, and a coating method according to the physical properties and coating thickness of the paste can be appropriately selected. The thickness of the negative electrode active material layer is usually about 50 to 200 μm.

本発明の蓄電素子に用いられるセパレータは、正極と負極が直接電気的に接触しないように絶縁すると共に、その内部の空隙に電解液を保持して電極間のリチウムイオンの伝導経路を形成する役割を担う。セパレータを形成する原料を例示すれば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリイミド、ポリアミドなどを挙げることができる。これらの原料からセパレータを製造する方法としては公知の方法を用いることができる。例示すれば、破砕された繊維状の原料を抄紙する方法、成膜後延伸によって孔を開ける方法、無機物または有機物と混合して成膜した後に、無機物または有機物を溶出して孔を開ける方法などを挙げることができる。
セパレータの膜厚は、15μm以上50μm以下であることが必要である。15μm未満であると、正極と負極を電気的に絶縁する能力が低下し、その結果生じるマイクロショートを防止できずに自己放電が大きい蓄電素子になりやすくなる。また、50μmを超えると、セパレータ自身はエネルギーを発生しないので無駄な体積を消費して蓄電素子のエネルギー密度が小さくなるばかりでなく、電極間距離が離れることで蓄電素子の内部抵抗が上昇し、高出力特性が得られにくくなる。
The separator used in the electricity storage device of the present invention insulates the positive electrode and the negative electrode from being in direct electrical contact with each other, and retains the electrolytic solution in the internal gap to form a lithium ion conduction path between the electrodes. Take on. Examples of raw materials for forming the separator include polyethylene, polypropylene, cellulose, polyimide, polyamide and the like. As a method for producing a separator from these raw materials, a known method can be used. For example, a method of making a crushed fibrous material, a method of opening a hole by stretching after film formation, a method of forming a film by mixing with an inorganic substance or an organic substance, and then eluting the inorganic substance or organic substance to open a hole, etc. Can be mentioned.
The film thickness of the separator needs to be 15 μm or more and 50 μm or less. When the thickness is less than 15 μm, the ability to electrically insulate the positive electrode and the negative electrode is lowered, and the resulting micro short circuit cannot be prevented, and a self-discharge large storage element is likely to occur. In addition, if it exceeds 50 μm, the separator itself does not generate energy, so not only the wasteful volume is consumed and the energy density of the electricity storage device is reduced, but also the internal resistance of the electricity storage device increases due to the distance between the electrodes being increased, High output characteristics are difficult to obtain.

また、セパレータの液抵抗は2.5Ωcm2 以下、好ましくは2.0Ωcm2 以下であることが重要である。液抵抗が2.5Ωcm2 より大きいセパレータは、電解液を保持するための空隙、すなわち孔が小さかったり孔の数が少なかったりするために、マイクロショートが起こりにくく自己放電に対する信頼性は向上するが、蓄電素子の内部抵抗が増加するために出力特性は低下する。
なお、本発明でいうところのセパレータの液抵抗(Ωcm2 )とは次のようにして算出される抵抗値と定義される。
厚み0.5〜1mm、幅1.5cm、高さ5cmのSUS板を2枚用意して電極とする。一方の板の片面について、下部を端部より1cm残して厚み50μmのテープで覆い、電気的に絶縁する。次に、テープで覆われた電極と覆われていない電極をテープが間にくるように重ねて固定し、電極対とする。すると、テープで覆われていない1.5cm2 が通電可能な実効電極面積となる。上記電極対を、炭酸プロピレン:炭酸エチレン:γ−ブチロラクトンを1:1:2の体積比で混合した溶媒にLiBF4 を1mol/Lの濃度に溶解した電解液に漬けて、1kHzの周波数での交流抵抗を測定する。このときの測定値を抵抗値R1とする(図1−(イ)参照)。
Further, it is important that the liquid resistance of the separator is 2.5 Ωcm 2 or less, preferably 2.0 Ωcm 2 or less. A separator having a liquid resistance larger than 2.5 Ωcm 2 has a small gap for holding the electrolyte, ie, a small number of holes or a small number of holes. Since the internal resistance of the electricity storage element increases, the output characteristics deteriorate.
The separator liquid resistance (Ωcm 2 ) in the present invention is defined as a resistance value calculated as follows.
Two SUS plates having a thickness of 0.5 to 1 mm, a width of 1.5 cm, and a height of 5 cm are prepared as electrodes. One side of one plate is covered with a tape having a thickness of 50 μm while leaving the lower part 1 cm from the end, and is electrically insulated. Next, the electrode covered with the tape and the electrode not covered with the tape are overlapped and fixed so that the tape is interposed therebetween, thereby forming an electrode pair. Then, 1.5 cm 2 that is not covered with the tape is an effective electrode area that can be energized. The electrode pair is immersed in an electrolytic solution in which LiBF 4 is dissolved at a concentration of 1 mol / L in a solvent in which propylene carbonate: ethylene carbonate: γ-butyrolactone is mixed at a volume ratio of 1: 1: 2, and the frequency is 1 kHz. Measure AC resistance. The measured value at this time is defined as a resistance value R1 (see FIG. 1- (A)).

次に、上記の測定で使用した電極対の固定をはずし、液抵抗を測定するセパレータを電極をカバーする大きさに切断し、電極となる2枚の板で挟み、再度固定する。このセパレータを含む電極対を、上記の測定で使用したものと同じ組成の電解液に漬けて、1kHzの周波数で交流抵抗を測定する。このときの測定値を抵抗値R2とする(図1−(ロ)参照)。
セパレータの液抵抗(Ωcm2 )はこれらの測定値から以下のように計算される。
セパレータの厚みをxμmとすると、電極面積が1.5cm2 で電極間距離が(50+x)μmのときの該電極間の電解液の抵抗値Rxは、電極間距離に比例するから、電極間距離が50μmのときの抵抗値R1から、抵抗値Rx=〔(50+x)/50〕×抵抗値R1と比例的に算出される。
そして、この算出値(Rx)と実際にセパレータをはさんだ時の抵抗値R2との差(R2−Rx)が、セパレータが電解液に代えて存在することによる抵抗増加である。
該抵抗増加値に実効電極面積である1.5cm2 をかけることによって、セパレータの液抵抗をΩcm2 の単位で求めることができる。
Next, the electrode pair used in the above measurement is unfixed, the separator for measuring the liquid resistance is cut into a size that covers the electrode, sandwiched between the two plates to be the electrode, and fixed again. The electrode pair including this separator is immersed in an electrolytic solution having the same composition as that used in the above measurement, and the AC resistance is measured at a frequency of 1 kHz. The measured value at this time is defined as a resistance value R2 (see FIG. 1- (B)).
The liquid resistance (Ωcm 2 ) of the separator is calculated from these measured values as follows.
When the thickness of the separator is x μm, the resistance value Rx of the electrolyte solution between the electrodes when the electrode area is 1.5 cm 2 and the distance between the electrodes is (50 + x) μm is proportional to the distance between the electrodes. Is calculated in proportion to the resistance value Rx = [(50 + x) / 50] × resistance value R1.
The difference (R2-Rx) between the calculated value (Rx) and the resistance value R2 when the separator is actually sandwiched is an increase in resistance due to the presence of the separator instead of the electrolyte.
By multiplying the resistance increase value by 1.5 cm 2 which is an effective electrode area, the liquid resistance of the separator can be determined in units of Ωcm 2 .

なお、セパレータの液抵抗(Ωcm2 )を測定するために蓄電素子からセパレータを取り出す時には、付着している電解液をジメトキシエタンとメタノールでよく洗浄し、室温で送風乾燥させたセパレータを使用することができる。
セパレータの密度は、0.35g/cc以上0.55g/cc以下が好ましい(なお、ここでいう密度とはかさ密度のことをいう。)。セパレータを形成する材料の真比重は約1g/cc程度であるため、この密度であれば、十分電解液を保持するための空隙を有していることになる。セパレータの膜厚とも関係するが、セパレータの密度が0.55g/ccより大きい場合はセパレータ中に含浸されている電解液の量が少なくなるためにセパレータの液抵抗が増加して出力特性が低下してしまう。同様に、セパレータの密度が0.35g/cc未満の場合はセパレータ中の空隙が多すぎてマイクロショートしやすくなり、自己放電特性が悪くなる。
When removing the separator from the electricity storage device to measure the liquid resistance (Ωcm 2 ) of the separator, use a separator that is thoroughly washed with dimethoxyethane and methanol and blown dry at room temperature. Can do.
The density of the separator is preferably 0.35 g / cc or more and 0.55 g / cc or less (the density here refers to the bulk density). Since the true specific gravity of the material forming the separator is about 1 g / cc, at this density, there is a gap for holding the electrolyte sufficiently. Although related to the film thickness of the separator, if the density of the separator is greater than 0.55 g / cc, the amount of electrolyte impregnated in the separator decreases, resulting in an increase in the liquid resistance of the separator and a decrease in output characteristics. Resulting in. Similarly, when the density of the separator is less than 0.35 g / cc, there are too many voids in the separator, and micro short-circuiting easily occurs, and the self-discharge characteristics are deteriorated.

また、セパレータの耐熱温度は70℃以上、好ましくは80℃以上、さらに好ましくは100℃以上であると蓄電素子の信頼性が向上する。セパレータの耐熱温度が70℃未満では、該蓄電素子の製造工程において加熱による十分な乾燥が行えない可能性があり好ましくない。セパレータの耐熱温度には上限の制限はないが、例えばポリプロピレン−アルミニウムのラミネートフィルムを外装体として使用する場合には、外装体の耐熱温度によって加熱乾燥の温度制限を受けるので、外装体の耐熱温度以上にする必要はない。
なお、本発明で言うところのセパレータの耐熱温度とは、セパレータを10分間加熱した後に室温に戻した時の、加熱前後での該セパレータのガーレー抵抗度(JIS P8117:1998に規定された透気抵抗度(ガーレー)(面積642mm2 の紙又は板紙を空気100mlが通過する時間)を意味し、以下、単に「抵抗度」ともいう。)の増加が20%以下となる最大の温度を意味するものとする。すなわち、耐熱温度が100℃以上という場合には、100℃以上で10分間加熱処した後の抵抗度が、加熱前の抵抗度の1.2倍以内であることを意味する。例えば、加熱前のガーレー抵抗度が600秒のセパレータの場合には、加熱処理後に600〜720秒であればよい。
Further, when the heat resistant temperature of the separator is 70 ° C. or higher, preferably 80 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher, the reliability of the power storage element is improved. If the heat resistant temperature of the separator is less than 70 ° C., there is a possibility that sufficient drying cannot be performed by heating in the production process of the electricity storage device, which is not preferable. There is no upper limit on the heat-resistant temperature of the separator, but for example, when a polypropylene-aluminum laminate film is used as the exterior body, the heat-resistant temperature of the exterior body is limited by the heat-resistant temperature of the exterior body. There is no need for more.
The heat resistant temperature of the separator in the present invention refers to the Gurley resistance of the separator before and after heating when the separator is returned to room temperature for 10 minutes (the air permeability specified in JIS P8117: 1998). Means the resistance (Gurley) (the time required for 100 ml of air to pass through a paper or paperboard with an area of 642 mm 2 , hereinafter, also simply referred to as “resistance”) and means the maximum temperature at which the increase is 20% or less. Shall. That is, when the heat resistant temperature is 100 ° C. or higher, it means that the resistance after the heat treatment at 100 ° C. or higher for 10 minutes is within 1.2 times the resistance before heating. For example, in the case of a separator having a Gurley resistance before heating of 600 seconds, it may be 600 to 720 seconds after the heat treatment.

本発明の蓄電素子は、正極と負極とをセパレータを介して巻回または積層した電極体を作成し、該電極体に缶またはポリプロピレン−アルミニウムのラミネートフィルム等の外装体を装着して、セパレータの耐熱温度以下の温度に設定された乾燥機によって加熱乾燥し、電解液を注入する。あるいは、上記電極体を事前に加熱乾燥させた後に外装体を装着して電解液を注入してもよい。加熱乾燥をさせる時には、減圧条件下で加熱乾燥することが、乾燥時間を短くすることができるのでより好ましい。
例えば、LIBに使用されているセパレータは主にポリエチレンであり、このようなセパレータを本発明の蓄電素子に使用する場合は80℃で加熱乾燥すればよい。また、セルロース系のセパレータ、いわゆる紙セパレータであれば、120℃以上の温度で加熱乾燥することが可能である。このような温度条件に設定することで、電解液を注入する前の電極体の加熱によって、セパレータに開いている細孔を閉塞させることなく乾燥することができ、蓄電素子の出力特性を維持したまま信頼性を向上させることができる。注液前の電極体の加熱乾燥によって蓄電素子の信頼性が向上する理由の詳細は、明らかではないが、正極や負極に含有される水分量を低減させることができるためと考えられる。
The electricity storage device of the present invention is prepared by preparing an electrode body in which a positive electrode and a negative electrode are wound or laminated with a separator interposed therebetween, and mounting an exterior body such as a can or a polypropylene-aluminum laminate film on the electrode body. It heat-drys with the dryer set to the temperature below heat-resistant temperature, and inject | pours electrolyte solution. Alternatively, after the electrode body is heated and dried in advance, an exterior body may be attached and the electrolytic solution may be injected. When performing heat drying, it is more preferable to heat dry under reduced pressure conditions because the drying time can be shortened.
For example, the separator used in LIB is mainly polyethylene, and when such a separator is used for the electricity storage device of the present invention, it may be heated and dried at 80 ° C. Moreover, if it is a cellulose-type separator, what is called a paper separator, it can be heat-dried at the temperature of 120 degreeC or more. By setting such temperature conditions, the electrode body before injecting the electrolyte solution can be dried without blocking the pores opened in the separator, and the output characteristics of the storage element are maintained. Reliability can be improved. Although the details of the reason why the reliability of the electricity storage element is improved by heating and drying the electrode body before injection is not clear, it is considered that the amount of water contained in the positive electrode and the negative electrode can be reduced.

本発明の蓄電素子に用いられる非水系電解液の溶媒としては、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)に代表される環状炭酸エステル、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(MEC)に代表される鎖状炭酸エステル、γ−ブチロラクトン(γBL)などのラクトン類、ならびにこれらの混合溶媒を用いることができる。
これら溶媒に溶解する塩としては、LiBF4 、LiPF6 などのリチウム塩を用いることができる。電解液の塩濃度は、0.5〜2.0mol/Lの範囲が好ましい。0.5mol/L未満ではアニオンが不足して蓄電素子の容量が低下する。また、2.0mol/Lを超えると未溶解の塩が電解液中に残ることがあったり、電解液の粘度が高くなり伝導度が低下したりする。本発明の蓄電素子に用いられる負極には、あらかじめリチウムをドープしておくことができる。リチウムをドープしておくことにより、蓄電素子の初期効率、容量および出力特性を制御することが可能である。
Examples of the solvent for the non-aqueous electrolyte used in the electricity storage device of the present invention include cyclic carbonates represented by ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl carbonate. A chain carbonate represented by methyl (MEC), lactones such as γ-butyrolactone (γBL), and a mixed solvent thereof can be used.
As a salt dissolved in these solvents, lithium salts such as LiBF 4 and LiPF 6 can be used. The salt concentration of the electrolytic solution is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mol / L. If it is less than 0.5 mol / L, the anion is insufficient and the capacity of the electricity storage device decreases. On the other hand, if it exceeds 2.0 mol / L, undissolved salt may remain in the electrolytic solution, or the viscosity of the electrolytic solution increases and the conductivity decreases. The negative electrode used in the electricity storage device of the present invention can be doped with lithium in advance. By doping with lithium, it is possible to control the initial efficiency, capacity, and output characteristics of the power storage element.

以下に、参考例、実施例、比較例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明確にする。
<参考例1>
市販のピッチ系活性炭(BET比表面積1955m2 /g)150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ300gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱処理を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、670℃まで4時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出した。
得られた生成物はBET比表面積240m2 /gであった。
次いで、上記で得た複合多孔性材料83.4質量部、アセチレンブラック8.3質量部およびPVdF(ポリフッ化ビニリデン)8.3質量部とNMP(N−メチルピロリドン)を混合して、スラリーを得た。次いで、得られたスラリーを厚さ14μmの銅箔の片面に塗布し、乾燥し、プレスして、厚さ約87μmの負極を得た。
Reference examples, examples, and comparative examples are shown below to further clarify the features of the present invention.
<Reference Example 1>
150 g of commercially available pitch-based activated carbon (BET specific surface area 1955 m 2 / g) is placed in a stainless steel mesh basket and placed on a stainless steel bat containing 300 g of coal-based pitch, and an electric furnace (effective size in the furnace 300 mm × 300 mm) × 300 mm) and heat treatment was performed. In the heat treatment, the temperature was raised to 670 ° C. in 4 hours in a nitrogen atmosphere, maintained at the same temperature for 4 hours, then cooled to 60 ° C. by natural cooling, and then taken out from the furnace.
The obtained product had a BET specific surface area of 240 m 2 / g.
Next, 83.4 parts by mass of the composite porous material obtained above, 8.3 parts by mass of acetylene black, 8.3 parts by mass of PVdF (polyvinylidene fluoride) and NMP (N-methylpyrrolidone) were mixed, and the slurry was mixed. Obtained. Next, the obtained slurry was applied to one side of a copper foil having a thickness of 14 μm, dried, and pressed to obtain a negative electrode having a thickness of about 87 μm.

次いで、負極の複合多孔性材料の原料と同一の市販のピッチ系活性炭81.6質量部、ケッチェンブラック6.1質量部およびPVdF12.3質量部とNMPを混合したものを、厚み30μmのAl箔の両面に塗布、乾燥し、厚さ約340μmの正極を得た。
上記で得られた電極を、その活物質が塗布されている部分の幾何面積が3cm2 になるように、正極は1枚、負極は2枚切り出した。2枚の負極の複合多孔性材料に接するように同面積で厚み20μmのリチウム金属を圧着し、正極を中心として正極と2枚の負極の間に、各々厚み30μmのセルロース製のセパレータ(ニッポン高度紙工業製 商品名:TF40−30)をはさみ込み、電極体を作成した。なお、このセパレータの液抵抗は1.17Ωcm2 であり、密度は0.40g/ccであった。作成した電極体をPP(ポリプロピレン)とアルミニウムからなるラミネートフィルムで形成した容器に入れ、真空乾燥器で減圧条件下110℃で10分間加熱乾燥した後に、EC、DECを3:7の体積比で混合した溶媒に1mol/Lの濃度でLiPF6 を溶解した非水電解液を注入して密閉し、蓄電素子を作成した。なお、この加熱乾燥前後でのセパレータの抵抗度の変化がないことは、別に準備したセパレータのみのサンプルを測定することで確認した。
Next, 81.6 parts by mass of commercially available pitch-based activated carbon identical to the raw material of the composite porous material of the negative electrode, 6.1 parts by mass of Ketjen black and 12.3 parts by mass of PVdF and NMP were mixed with Al having a thickness of 30 μm. The foil was coated on both sides and dried to obtain a positive electrode having a thickness of about 340 μm.
One of the positive electrodes and two of the negative electrodes were cut out from the electrode obtained above so that the geometric area of the portion where the active material was applied was 3 cm 2 . A lithium metal having the same area and a thickness of 20 μm is pressed so as to contact the composite porous material of the two negative electrodes, and a cellulose separator (Nippon Advanced Co., Ltd.) having a thickness of 30 μm between the positive electrode and the two negative electrodes with the positive electrode as the center. A product name: TF40-30) made by paper industry was sandwiched to prepare an electrode body. The separator had a liquid resistance of 1.17 Ωcm 2 and a density of 0.40 g / cc. The prepared electrode body is put into a container formed of a laminate film made of PP (polypropylene) and aluminum, and heated and dried at 110 ° C. for 10 minutes under a reduced pressure condition in a vacuum dryer, and then EC and DEC are in a volume ratio of 3: 7. A nonaqueous electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / L was injected into the mixed solvent and sealed to prepare an electricity storage device. In addition, it was confirmed by measuring the sample of only the separator prepared separately that there was no change of the resistance of the separator before and behind this heat drying.

作成した蓄電素子に対し、25℃に設定した恒温槽内で、最大電流3mA、最大電圧4.0Vで2時間定電流定電圧充電を行い、放電電流を3mAとして蓄電素子の電圧が2Vを示すまで一定電流で放電して、基準となる容量を確認した。
次いで、最大電流を50mA、最大電圧4.0Vで10分間定電流定電圧充電を行い、放電電流を200mAとして蓄電素子の電圧が2Vを示すまで一定電流で放電し、この時の容量と3mAで放電したときの容量の比から出力特性を計算した。
次いで最大電流を50mA、最大電圧4.0Vで2時間定電流定電圧充電を行い、充電終了後、60℃の恒温槽に蓄電素子を移動した。このときの蓄電素子の開放端子電圧(OCV)は4.0Vであった。100時間後に蓄電素子を恒温槽から取り出して、開放端子電圧を測定したところ3.85Vであった。以上の結果を表1にまとめた。
尚、表1では、上記出力特性及び100時間後の開放端子を、夫々「200mA/3mA出力維持率(%)」、「100時間後のOCV(V)」と表記する。
The created storage element is charged with constant current and constant voltage for 2 hours at a maximum current of 3 mA and a maximum voltage of 4.0 V in a thermostatic chamber set at 25 ° C., the discharge current is 3 mA, and the voltage of the storage element is 2 V. The battery was discharged at a constant current until a reference capacity was confirmed.
Next, constant current and constant voltage charging is performed at a maximum current of 50 mA and a maximum voltage of 4.0 V for 10 minutes. The discharge current is set to 200 mA and discharged at a constant current until the voltage of the storage element shows 2 V. At this time, the capacity is 3 mA. The output characteristics were calculated from the ratio of capacity when discharged.
Next, constant current and constant voltage charging was performed for 2 hours at a maximum current of 50 mA and a maximum voltage of 4.0 V. After the charging was completed, the storage element was moved to a constant temperature bath at 60 ° C. At this time, the open terminal voltage (OCV) of the electricity storage element was 4.0V. The storage element was taken out of the thermostat after 100 hours and the open terminal voltage was measured and found to be 3.85V. The above results are summarized in Table 1.
In Table 1, the output characteristics and the open terminals after 100 hours are expressed as “200 mA / 3 mA output maintenance rate (%)” and “OCV (V) after 100 hours”, respectively.

<実施例1>
厚みが22μm、液抵抗が1.86Ωcm2 、密度は0.50g/ccであるポリエチレン製のセパレータ(旭化成株式会社製 試作品)を使用し、加熱乾燥温度を80℃とした以外は、参考例1と同様にして蓄電素子を作成して評価した。結果を表1にまとめた。なお、加熱乾燥前後でのセパレータの抵抗度の変化がないことは、参考例1と同様にして確認した。
<実施例2>
厚みが25μm、液抵抗が2.13Ωcm2 、密度は0.56g/ccであるポリエチレン製のセパレータ(旭化成株式会社製 試作品)を使用し、加熱乾燥温度を80℃とした以外は、参考例1と同様にして蓄電素子を作成して評価した。結果を表1にまとめた。なお、加熱乾燥前後でのセパレータの抵抗度の変化がないことは、参考例1と同様にして確認した。
<参考例2>
厚みが50μm、液抵抗が1.53Ωcm2 、密度は0.42g/ccであるセルロース製のセパレータ(ニッポン高度紙工業製 商品名:TF40−50)を使用した以外は、参考例1と同様にして蓄電素子を作成して評価した。結果を表1にまとめた。なお、加熱乾燥前後でのセパレータの抵抗度の変化がないことは、参考例1と同様にして確認した。
<Example 1>
Reference Example, except that a polyethylene separator (prototype manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) having a thickness of 22 μm, a liquid resistance of 1.86 Ωcm 2 and a density of 0.50 g / cc was used, and the heating and drying temperature was set to 80 ° C. A power storage device was prepared and evaluated in the same manner as in 1. The results are summarized in Table 1. It was confirmed in the same manner as in Reference Example 1 that there was no change in the resistance of the separator before and after heat drying.
<Example 2>
Reference Example, except that a polyethylene separator having a thickness of 25 μm, a liquid resistance of 2.13 Ωcm 2 , and a density of 0.56 g / cc (prototype manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) was used and the heating and drying temperature was 80 ° C. A power storage device was prepared and evaluated in the same manner as in 1. The results are summarized in Table 1. It was confirmed in the same manner as in Reference Example 1 that there was no change in the resistance of the separator before and after heat drying.
<Reference Example 2>
The same as Reference Example 1 except that a cellulose separator (trade name: TF40-50, manufactured by Nippon Kogyo Paper Industries Co., Ltd.) having a thickness of 50 μm, a liquid resistance of 1.53 Ωcm 2 and a density of 0.42 g / cc was used. A storage element was created and evaluated. The results are summarized in Table 1. It was confirmed in the same manner as in Reference Example 1 that there was no change in the resistance of the separator before and after heat drying.

<比較例1>
膜厚が55μm、液抵抗が3.15Ωcm2 、密度は0.61g/ccであるセルロース製のセパレータ(ニッポン高度紙工業製 商品名:CTW57−55)を用いた以外は、参考例1と同様にして蓄電素子を作成して評価した。結果を表1にまとめた。表1から明らかなように、蓄電素子の出力特性が良好ではなかった。なお、加熱乾燥前後でのセパレータの抵抗度の変化がないことは、参考例1と同様にして確認した。
<比較例2>
膜厚が14μm、液抵抗が1.33Ωcm2 、密度は0.51g/ccである ポリエチレン製のセパレータ(旭化成株式会社製 試作品)を使用し、加熱乾燥温度を80℃とした以外は、参考例1と同様にして素子を作成して評価した。結果を表1にまとめた。表1から明らかなように、蓄電素子の保存特性が良好ではなかった。なお、加熱乾燥前後でのセパレータの抵抗度の変化がないことは、参考例1と同様にして確認した。
<Comparative Example 1>
The same as Reference Example 1 except that a cellulose separator (trade name: CTW57-55 manufactured by Nippon Kogyo Paper Industries Co., Ltd.) having a film thickness of 55 μm, a liquid resistance of 3.15 Ωcm 2 and a density of 0.61 g / cc was used. A power storage device was prepared and evaluated. The results are summarized in Table 1. As is clear from Table 1, the output characteristics of the electricity storage device were not good. It was confirmed in the same manner as in Reference Example 1 that there was no change in the resistance of the separator before and after heat drying.
<Comparative example 2>
The film thickness is 14 μm, the liquid resistance is 1.33 Ωcm 2 , and the density is 0.51 g / cc. A polyethylene separator (prototype manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) is used. A device was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are summarized in Table 1. As is clear from Table 1, the storage characteristics of the electricity storage device were not good. It was confirmed in the same manner as in Reference Example 1 that there was no change in the resistance of the separator before and after heat drying.

以上の結果を表1にまとめた。また、表1には蓄電素子の容積と、擬似エネルギー密度として、素子の単位容積あたりの出力維持率(A)/(B)を計算した。これは、3mAという小さな電流値では蓄電素子間のエネルギー密度に大きな違いはないように見えるが、実際に使用される条件である200mAという大きな電流になると蓄電素子間のエネルギー密度への影響が大きいため、このような指標を算出したものである。
表1から、実施例の蓄電素子はいずれも出力特性が良好であり、擬似エネルギー密度(A)/(B)も大きいことがわかる。それに対して、比較例1では液抵抗が大きく膜厚も厚く、出力特性が低下して、擬似エネルギー密度も低い。一方、比較例2のように液抵抗が低いものは出力特性が良好であるが、膜厚が薄くてマイクロショートが発生し、自己放電特性(100時間後のOCV)が低下することがわかる。
The above results are summarized in Table 1. In Table 1, the output retention ratio (A) / (B) per unit volume of the element was calculated as the volume of the electricity storage element and the pseudo energy density. This seems that there is no significant difference in the energy density between the electricity storage elements at a current value as small as 3 mA, but when the current is as large as 200 mA, which is actually used, the influence on the energy density between the electricity storage elements is large. Therefore, such an index is calculated.
From Table 1, it can be seen that the power storage elements of the examples all have good output characteristics and a large pseudo energy density (A) / (B). On the other hand, in Comparative Example 1, the liquid resistance is large and the film thickness is large, the output characteristics are lowered, and the pseudo energy density is also low. On the other hand, it can be seen that the liquid resistance as in Comparative Example 2 has good output characteristics, but the film thickness is small and micro-shorts occur, and the self-discharge characteristics (OCV after 100 hours) decrease.

Figure 2009135540
Figure 2009135540

本発明の非水系リチウム型蓄電素子は、ハイブリット駆動システム向けの蓄電素子として、好適に利用できる。   The non-aqueous lithium storage element of the present invention can be suitably used as a storage element for a hybrid drive system.

セパレータの液抵抗(Ωcm2 )を算出するための抵抗値R1と抵抗値R2の測定方法を説明する図である。It is a diagram for explaining a method of measuring the resistance value R1 and the resistance value R2 for calculating the liquid resistance of the separator (Ωcm 2).

Claims (4)

正極活物質層と正極集電体とを有する正極と、負極活物質層と負極集電体とを有する負極と、正極と負極の間に介在するセパレータと、非水系電解液、及び外装体からなる蓄電素子であって、正極活物質層が活性炭を含有し、負極活物質層がリチウムイオン吸蔵可能炭素材料を含有し、セパレータはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリアミドからなる群から選択されるいずれかを原料とし、該セパレータの膜厚が15μm以上50μm以下、かつ該セパレータの液抵抗が2.5Ωcm以下であることを特徴とする非水系リチウム型蓄電素子。 From a positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and an exterior body The positive electrode active material layer contains activated carbon, the negative electrode active material layer contains a lithium ion storable carbon material, and the separator is any one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polyimide, and polyamide. A non-aqueous lithium storage element, characterized in that the material of the separator is 15 μm or more and 50 μm or less and the liquid resistance of the separator is 2.5 Ωcm 2 or less. セパレータの密度が0.35g/cc以上0.55g/cc以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水系リチウム型蓄電素子。   The density of a separator is 0.35 g / cc or more and 0.55 g / cc or less, The nonaqueous lithium storage element according to claim 1 characterized by things. リチウムイオン吸蔵可能炭素材料が、活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔性材料であることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系リチウム型蓄電素子。   3. The non-aqueous lithium storage element according to claim 1, wherein the lithium ion storable carbon material is a composite porous material in which a carbonaceous material is deposited on the surface of activated carbon. 正極活物質層と正極集電体とを有する正極、負極活物質層と負極集電体とを有する負極、正極と負極の間に介在するセパレータ、非水系電解液、及び外装体からなる蓄電素子の製造方法であって、正極活物質層に活性炭を含有する正極、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリアミドからなる群から選択されるいずれかを原料とし膜厚が15μm以上50μm以下であり液抵抗が2.5Ωcm以下であるセパレータ、及び負極活物質層にリチウムイオン吸蔵可能炭素材料を含有する負極を、積層または捲回して外装体の中に入れ、該セパレータの耐熱温度以下の温度で加熱乾燥した後に、非水系電解液を注液することを特徴とする非水系リチウム型蓄電素子の製造方法。 A positive electrode having a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and an exterior body The material has a film resistance of 15 μm to 50 μm and a liquid resistance of any one selected from the group consisting of a positive electrode containing activated carbon in the positive electrode active material layer, polyethylene, polypropylene, polyimide, and polyamide. A separator having a resistance of 2.5 Ωcm 2 or less and a negative electrode containing a carbon material capable of occluding lithium ions in the negative electrode active material layer are stacked or wound into an outer package, and dried by heating at a temperature not higher than the heat resistance temperature of the separator. And then injecting a non-aqueous electrolyte solution, a method for producing a non-aqueous lithium storage element.
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