JP2010097707A - Pre-doping method of lithium ion, electrode, and storage capacitor using the same - Google Patents

Pre-doping method of lithium ion, electrode, and storage capacitor using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for pre-doping lithium ions, while preventing the crystal structure collapse of an insertion-based substance. <P>SOLUTION: An electrode configuration A consists of a lithium electrode 10, a positive electrode 20, and a negative electrode 30. In the electrode configuration A, the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 are electrically connected through a charge/discharge device 40a. Through charging, a pillar element P, included in an active material 21 of the positive electrode 20, is dedoped to the lithium electrode 10 side. After that, the mode is switched to discharging for pre-doping lithium ion into the active material 21, after dedoping of pillar element P from the lithium electrode 10. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はリチウムイオン二次電池等の蓄電体の技術に関し、特に正極活物質等に使用されるインサーション系物質に対するリチウムイオンのプレドープ方法に適用して有効な技術である。   The present invention relates to a technology of a power storage unit such as a lithium ion secondary battery, and is particularly effective when applied to a lithium ion pre-doping method for an insertion material used for a positive electrode active material or the like.

以下に説明する技術は、本発明を完成するに際し、本発明者によって検討されたものであり、その概要は次のとおりである。   The technology described below has been studied by the present inventors in completing the present invention, and the outline thereof is as follows.

電気自動車(EV)の本格的な普及のためには航続距離の伸長が不可欠である。リチウムイオン電池(Lithium Ion Battery,LIB)は高いエネルギー密度を有するため、電気自動車用の蓄電源の最有力候補の一つとして取り上げられている。かかるリチウムイオン電池では、現在よりも更なるエネルギー密度の向上が求められている。また、電気自動車への搭載に際しては、リチウムイオン電池は安全性にも優れたものでなければならない。   In order to spread electric vehicles (EV) in earnest, it is essential to extend the cruising range. Lithium ion batteries (LIBs) are taken as one of the most promising candidates for storage power sources for electric vehicles because of their high energy density. In such a lithium ion battery, there is a demand for further improvement in energy density. In addition, when mounted on an electric vehicle, the lithium ion battery must be excellent in safety.

かかるリチウムイオン電池では、例えば、酸化バナジウム系化合物を電極の活物質に用いた開発が行われている。酸化バナジウム系化合物では、その層状結晶構造の層間に、リチウムイオンを取り込む特性が高い。そのため、高エネルギーを取り出すことが出来るとして注目されている。   Such lithium ion batteries have been developed using, for example, vanadium oxide compounds as electrode active materials. A vanadium oxide compound has a high characteristic of incorporating lithium ions between layers of the layered crystal structure. Therefore, it is attracting attention because it can extract high energy.

さらに、酸化バナジウム系化合物の中でも、五酸化バナジウム(V)が特に注目を集めている。五酸化バナジウムを電極の活物質に用いることで、リチウムイオン電池の大型化、大容量化が可能となる。併せて、高いエネルギー密度を有する安全な電池として、電気自動車用の蓄電源として有望視されている。 Further, among vanadium oxide compounds, vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) has attracted particular attention. By using vanadium pentoxide as an electrode active material, it is possible to increase the size and capacity of the lithium ion battery. In addition, it is considered promising as a storage battery for electric vehicles as a safe battery having a high energy density.

例えば、特許文献1には、かかる五酸化バナジウムを活物質として用いる提案がなされている。かかる活物質の五酸化バナジウムは、正確には化学式M・nHOで示されることが記載されている。Mはカチオン、Aはアニオンを示している。特に製造に際して強無機酸を用いることから、Aは硝酸イオン、あるいは硫酸イオン、あるいは塩素イオンであると記載されている。
特公表2004−511407号公報
For example, Patent Document 1 proposes to use such vanadium pentoxide as an active material. It is described that vanadium pentoxide, which is an active material, is represented by the chemical formula M x V 2 O 5 A y · nH 2 O. M represents a cation, and A represents an anion. In particular, since a strong inorganic acid is used in production, A is described as a nitrate ion, a sulfate ion, or a chlorine ion.
Japanese Patent Publication No. 2004-511407

本発明者は、リチウムイオンがドープ、脱ドープし易い酸化バナジウム系材料の研究を行っている。かかる中、酸化バナジウム系材料の結晶構造の層長を短くした。かかる結果、リチウムイオンのドープ、脱ドープのし易さを向上させ得ることを見出し、先に出願した。   The inventor has been researching a vanadium oxide-based material that is easily doped or dedoped with lithium ions. Under such circumstances, the layer length of the crystal structure of the vanadium oxide material was shortened. As a result, it has been found that the ease of doping and dedoping of lithium ions can be improved, and an earlier application was filed.

かかる提案は、層長をある程度の長さ以下に規定することで、リチウムイオンのパス長(通過距離)を短くした。かかるバス長を短くすることで、層状結晶構造への出入りの円滑性を確保する発想である。しかし、層長を変化させなくても、かかるリチウムイオンの層状結晶構造への出入りの円滑性を確保する手段があれば好ましい。   This proposal shortens the path length (passage distance) of lithium ions by defining the layer length to a certain length or less. The idea is to ensure smoothness of entering and exiting the layered crystal structure by shortening the bus length. However, it is preferable if there is a means for ensuring smoothness of entry and exit of the lithium ions into the layered crystal structure without changing the layer length.

一般に、リチウムイオンがドープされるインサーション系物質(ホスト物質)では、脱ドープに際して、その結晶構造が崩壊すると指摘されている。かかる崩壊により、再度のリチウムイオンのドープが行い難くなる。また、ドープされたとしても、当然に、脱ドープが行い難くなる。   In general, it has been pointed out that the crystal structure of an insertion material (host material) doped with lithium ions collapses upon dedoping. Such collapse makes it difficult to dope lithium ions again. Moreover, even if it is doped, it is naturally difficult to dope.

そこで、本発明者は、先の出願で、層状結晶構造内に層間確保部材をドープさせる提案を行った。層間確保部材のドープで、結晶構造の崩壊を防止するのである。すなわち、五酸化バナジウム等の層状結晶構造において、リチウムイオンのドープ、脱ドープに基づく結晶構造の崩壊を回避した。かかる提案により、サイクル安定性等の改善が図られた。   Therefore, the present inventor made a proposal in the previous application to dope the interlayer securing member into the layered crystal structure. The dope of the interlayer securing member prevents the crystal structure from collapsing. That is, in the layered crystal structure such as vanadium pentoxide, the collapse of the crystal structure due to lithium ion doping and dedoping was avoided. Such proposals have improved cycle stability and the like.

しかし、さらなるサイクル安定性の改善が求められている。また、さらなるエネルギー密度の向上も求められている。エネルギー密度の向上には、一つの手段として、リチウムイオンのドープ、脱ドープ量を増やすことが求められる。   However, further improvement in cycle stability is required. There is also a demand for further improvement in energy density. In order to improve the energy density, it is required to increase the amount of lithium ion doping and dedoping as one means.

リチウムイオンのドープ量が多い場合は、リチウムイオンのドープ量が少ない場合に比べて、上記ホスト物質の結晶構造がより崩壊し易い。そこで、酸化バナジウム等のインサーション系物質のさらなる結晶構造の崩壊を抑制して、リチウムイオンのドープ量を増やす技術が求められる。因みに、先の出願では、層間確保部材のドープ量は、バナジウム酸化物1モル当り0.5モル以下に制限していた。   When the doping amount of lithium ions is large, the crystal structure of the host material is more easily collapsed than when the doping amount of lithium ions is small. Therefore, there is a need for a technique that suppresses the further collapse of the crystal structure of an insertion material such as vanadium oxide and increases the doping amount of lithium ions. Incidentally, in the previous application, the dope amount of the interlayer securing member was limited to 0.5 mol or less per mol of vanadium oxide.

本発明の目的は、インサーション系物質の結晶構造の崩壊を抑制しつつ、リチウムイオンをドープする技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique for doping lithium ions while suppressing the collapse of the crystal structure of an insertion material.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、リチウムイオンのインサーション系物質であるホスト物質の結晶構造内に、リチウムイオンよりイオン半径が大きく電気的に脱ドープ可能な元素を予め含ませておく。かかる元素のイオンを、リチウムイオンと交換してリチウムイオンをドープする。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows. That is, an element that has an ion radius larger than that of lithium ions and can be electrically dedoped is previously included in the crystal structure of the host material that is an insertion material of lithium ions. The ions of such elements are exchanged for lithium ions to dope lithium ions.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

すなわち、本発明では、リチウムイオンをドープするインサーション系物質の結晶構造内には、リチウムイオンよりイオン半径が大きく電気的に脱ドープ可能な元素が含まれている。かかる元素が、リチウムイオンのドープ等の際の結晶構造の崩壊を抑制する。また、かかる元素が、リチウムイオンとイオン交換して、リチウムイオンのプレドープ量の確保が行われる。その結果、かかる電極を用いた蓄電体の容量維持率、高率放電性能等が改善される。   In other words, in the present invention, the insertion structure material doped with lithium ions contains an element that has an ionic radius larger than that of lithium ions and can be electrically dedoped. Such an element suppresses the collapse of the crystal structure at the time of lithium ion doping or the like. Further, the element exchanges ions with lithium ions to ensure the pre-doping amount of lithium ions. As a result, the capacity retention rate, high rate discharge performance, and the like of the power storage unit using such electrodes are improved.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、リチウムイオン二次電池等の蓄電体に関する技術である。特に、リチウムイオン二次電池等の蓄電体で使用される電極に適用できる技術である。電極に使用される活物質へのリチウムイオンのドープ技術である。すなわち、正極等に使用されるインサーション系物質に、リチウムイオンを予めドープ(インサーション)する、所謂プレドープ技術に適用して有効である。かかる技術は、例えば、五酸化バナジウム等を含むバナジウム酸化物等のインサーション系物質に適用できる。かかる活物質として用いられるインサーション系物質に対して、高濃度のリチウムイオンのプレドープ、脱ドープを行えるようにした技術である。その結果、例えば、容量維持率の向上、高率放電特性等が改善される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention relates to a power storage unit such as a lithium ion secondary battery. In particular, it is a technique applicable to an electrode used in a power storage unit such as a lithium ion secondary battery. This is a technique of doping lithium ions into an active material used for an electrode. That is, the present invention is effective when applied to a so-called pre-doping technique in which an insertion material used for a positive electrode or the like is doped (inserted) with lithium ions in advance. Such a technique can be applied to an insertion material such as vanadium oxide containing vanadium pentoxide or the like. This is a technique that enables pre-doping and dedoping of a high concentration of lithium ions to an insertion material used as such an active material. As a result, for example, the capacity retention rate is improved and the high rate discharge characteristics are improved.

本発明が適用できるインサーション系物質としては、例えば、遷移金属の酸化物、硫化物等が挙げられる。かかる物質は、層間にリチウムイオンをプレドープできる結晶構造を有している。   Examples of insertion materials to which the present invention can be applied include oxides and sulfides of transition metals. Such a substance has a crystal structure capable of pre-doping lithium ions between layers.

具体的には、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウムを含有した遷移金属酸化物や、リン酸鉄リチウムやケイ酸リチウム等の、いわゆるポリアニオン系のリチウム含有化合物が挙げられる。また、本来の材料中にリチウムイオンを含まない物質に対してもリチウムのインサーションは可能である。バナジウムやマンガンなどの遷移金属酸化物等が公知である。   Specific examples include lithium-containing transition metal oxides such as lithium cobalt oxide and lithium manganese oxide, and so-called polyanionic lithium-containing compounds such as lithium iron phosphate and lithium silicate. In addition, lithium can be inserted into a substance that does not contain lithium ions in the original material. Transition metal oxides such as vanadium and manganese are known.

上記インサーション系物質に対して、リチウムイオンをプレドープする。本発明では、リチウムイオンのプレドープに際しては、予め、インサーション系物質に対して、リチウム元素とは異なる元素(ピラー元素)を含有させておく。かかるリチウムイオンとは異なる元素とは、リチウムイオンよりもイオン半径が大きいことが求められる。かかる要請を満足させることで、リチウムイオンより大きい空間確保ができる。併せて、リチウムイオンの出入りの円滑性を確保することもできる。これにより、リチウムイオンのプレドープ、脱ドープが行い易くなる。さらには、予めピラー元素を含有させておくことで、含有させた結晶構造自体も強化され、リチウムイオンのドープ、脱ドープ時のホスト構造の崩壊が抑制される。すなわち、ホスト構造が強化されるのである。   The insertion material is pre-doped with lithium ions. In the present invention, when lithium ions are pre-doped, an element (pillar element) different from the lithium element is previously contained in the insertion material. Such an element different from lithium ions is required to have an ion radius larger than that of lithium ions. By satisfying such a requirement, a space larger than lithium ions can be secured. In addition, the smoothness of entering and exiting lithium ions can be ensured. This facilitates pre-doping and dedoping of lithium ions. Furthermore, by including a pillar element in advance, the included crystal structure itself is strengthened, and the collapse of the host structure during lithium ion doping and dedoping is suppressed. That is, the host structure is strengthened.

かかるホスト構造の強化については、次のように説明することができる。リチウムイオンのようなイオン半径の小さい元素を用いてホスト物質を合成すると、リチウムイオンサイズの小ささ故にホスト構造中の、例えば酸素等のアニオンの反発を内在させた状態で構造が形成されることになる。一度、構造内に反発を内在した母体構造はその状態で記憶されてしまい、充放電に伴ってリチウムイオンが挿入/脱離を繰り返した時に、それが顕在化して構造崩壊へと繋がる。他方、イオン半径の大きな元素を用いてホスト物質を合成すると前記反発が緩和され、かつ緩和された状態が母体構造に記憶されるので、充放電に対して崩壊が抑制された強固なホスト構造が形成されるのである。   Such enhancement of the host structure can be explained as follows. When a host material is synthesized using an element having a small ion radius such as lithium ion, the structure is formed in a state in which repulsion of anions such as oxygen in the host structure is inherent because of the small lithium ion size. become. Once the matrix structure with repulsion in the structure is memorized in that state, when lithium ions are repeatedly inserted / extracted with charge / discharge, it becomes apparent and leads to structural collapse. On the other hand, when a host material is synthesized using an element having a large ionic radius, the repulsion is relaxed and the relaxed state is stored in the host structure, so that a strong host structure in which collapse is suppressed against charge / discharge is obtained. It is formed.

かかる元素は、例えば、層間で、結晶構造の崩壊を防ぐ支柱の役割も果たすものと思われる。いわば、ピラー(支柱)としての役割を担っている。かかる元素を、以下ピラー元素と呼ぶことにする。   Such an element is considered to play a role of a strut that prevents the collapse of the crystal structure between layers, for example. In other words, it plays a role as a pillar. Such an element is hereinafter referred to as a pillar element.

かかるピラー元素として使用できるものは、例えば、図1に示すように、周期律表の11、12番、19番〜34番、37番〜52番、55番〜84陣、87番〜109番までの元素が考えられ。勿論、57番〜71番までのランタノイド系列元素、89番〜103番までのアクチノイド系列元素も含めて構わない。上記使用可能な元素は、図1では、周期表の太線枠内に囲われた元素である。基本的には、カチオンが好ましい。しかし、反応等が起きなければ、リチウムイオンよりイオン半径が大きなアニオンでも構わない。さらに、場合によっては、複数の原子で構成される原子団でも構わない。   As such pillar elements, for example, as shown in FIG. 1, 11, 12, 19 to 34, 37 to 52, 55 to 84, 87 to 109 in the periodic table Up to the element can be considered. Of course, lanthanoid series elements from 57 to 71 and actinoid series elements from 89 to 103 may also be included. In FIG. 1, the usable elements are elements enclosed within a bold frame in the periodic table. Basically, cations are preferred. However, as long as no reaction occurs, an anion having an ionic radius larger than that of lithium ions may be used. Further, in some cases, an atomic group composed of a plurality of atoms may be used.

また、本発明では、かかるピラー元素は、インサーション系物質に対して含ませるようにしている。ホスト構造を強化するため、インサーション系物質1モル当り、0.2モル以上を含ませている。インサーション系物質の結晶強度をより強固にするためには0.5モル以上含ませることがより望ましい。0.2モル未満では、ホスト構造の強化が果たせない場合がある。   In the present invention, the pillar element is included in the insertion material. In order to strengthen the host structure, 0.2 mol or more is included per 1 mol of the insertion material. In order to further strengthen the crystal strength of the insertion material, it is more desirable to include 0.5 mol or more. If the amount is less than 0.2 mol, the host structure may not be strengthened.

かかるピラー元素は可能な限り多い方がよいが、1.5モル以下とすることが望ましい。固相合成法、液相合成法、気相析出法等、通常の工業的製造方法においては、1.5モル程度が上限値となるためである。インサーション系物質の製造方法として、固相合成法や液相合成法等を使用することが出来る。固相合成法が任意のピラー元素を熱反応によってインサーション系物質中に取り込ませやすいため望ましい。   The number of such pillar elements is preferably as much as possible, but is preferably 1.5 mol or less. This is because in an ordinary industrial production method such as a solid phase synthesis method, a liquid phase synthesis method, or a gas phase deposition method, about 1.5 mol is the upper limit. As a method for producing an insertion material, a solid phase synthesis method, a liquid phase synthesis method, or the like can be used. The solid phase synthesis method is desirable because any pillar element can be easily incorporated into the insertion material by thermal reaction.

また、かかるピラー元素は、電気的にインサーション系物質から脱ドープできることが求められる。本発明では、インサーション系物質に対して、ピラー元素を含ませインサーション系物質の崩壊を抑制した。また、含ませたピラー元素を脱ドープすることで、その空位にリチウムイオンをプレドープできるようにした。これにより、リチウムイオンをより高濃度にプレドープすることができる。ドープされたピラー元素を脱ドープするためには、強制力が必要である。電気的な強制力で、脱ドープを推進することが是非とも望ましい。すなわち、電気的に脱ドープを強制するのである。その後、ピラー元素が脱ドープされる過程でも、ホスト構造は記憶されており維持される。ピラー元素を取り除くことにより、リチウムイオンの占有サイトを発現させることが可能となる。すなわち、ピラー元素がドープされていた箇所にも、リチウムイオンをドープさせることが可能となる。   Further, such a pillar element is required to be able to be electrically dedoped from an insertion material. In the present invention, a pillar element is included in the insertion material to suppress the collapse of the insertion material. In addition, by de-doping the included pillar element, lithium ions can be pre-doped in the vacancies. Thereby, lithium ions can be pre-doped at a higher concentration. In order to dedope the doped pillar element, a forcing force is required. It is highly desirable to promote dedoping with electrical forcing. That is, undoping is forcibly forced. Thereafter, the host structure is stored and maintained even in the process of dedoping the pillar element. By removing the pillar element, it is possible to develop lithium ion occupation sites. That is, it is possible to dope lithium ions even in the portion where the pillar element is doped.

インサーション系物質に含有されたピラー元素の種類に応じて、標準電極電位等の値を参考にして所定電圧を印加して充電する。かかる電圧印加により、脱ドープを行えばよい。かかる電圧印加は、通常3.5V〜4.5Vで行うことが望ましい。また、脱ドープは、電流値が減衰しきるまで行うことが望ましい。途中で脱ドープを止めてしまうと、以降の充電で断続的にピラー元素の脱離が発生し、セル性能が低下するためである。もちろん、結晶構造の強化を目的として規定量のピラー元素を残してもよい。その際には、脱ドープ量を規定して、脱ドープを行うが、脱ドープは電圧印加により所定容量の充電電流を流すことで行えばよい。ピラー元素が脱離しても構造は維持されるので、合成の段階で充分に強固なホスト構造となっている場合には、引続き、リチウムイオンのインサーションを円滑に行うことが可能である。そのため、脱ドープ時に、含有させたピラー元素の全量あるいは全量に近い量を脱ドープしてもよい。   In accordance with the type of pillar element contained in the insertion material, charging is performed by applying a predetermined voltage with reference to a value such as a standard electrode potential. De-doping may be performed by applying such a voltage. Such voltage application is usually preferably performed at 3.5V to 4.5V. Further, it is desirable that the dedoping is performed until the current value is completely attenuated. If de-doping is stopped in the middle, pillar elements are detached intermittently during subsequent charging, and the cell performance deteriorates. Of course, a prescribed amount of pillar elements may be left for the purpose of strengthening the crystal structure. In this case, the dedoping is performed by defining the dedoping amount. However, the dedoping may be performed by applying a predetermined capacity of charging current by applying a voltage. Since the structure is maintained even if the pillar element is desorbed, if a sufficiently strong host structure is obtained at the synthesis stage, it is possible to continue the insertion of lithium ions smoothly. Therefore, at the time of dedoping, the total amount of pillar elements contained or an amount close to the total amount may be dedope.

したがって、ピラー元素の含有量の制御は、ホスト構造の強度が十分に確保できるように行われる。例えば、インサーション系物質1モル当りのピラー元素の含有モル数の制御を行えばよい。   Therefore, the content of the pillar element is controlled so that the strength of the host structure can be sufficiently secured. For example, the number of moles of pillar elements contained per mole of the insertion material may be controlled.

かかるインサーション系物質に人為的に含有させたピラー元素を、上記の如く印加電圧を制御して脱ドープし引き抜く。かかる引き抜きによりできたインサーション系物質の結晶構造内の空位に、リチウムイオンをプレドープする。リチウムイオンは、例えば、リチウム極から供給される。   The pillar element artificially contained in the insertion material is dedoped and extracted by controlling the applied voltage as described above. Lithium ions are pre-doped into vacancies in the crystal structure of the insertion material formed by such extraction. Lithium ions are supplied from, for example, a lithium electrode.

尚、本発明では、ドープとは、吸蔵、担持、吸着または挿入を意味し、正極等のインサーション系物質である電極活物質にリチウムイオン等のイオン種が入る現象を意味する。また、脱ドープとは、かかるドープとは逆の現象を意味する。リチウムイオン等のイオン種が出る現象を意味する。プレドープとは、正負極間を通電させ使用するのに先立って、電極の活物質にリチウムイオン等のイオン種を予めドープすることを意味する。例えば、インサーション系物質を電極の活物質として用いたリチウムイオン電池等の蓄電体では、正負極間を通電させ使用するに際して、正極、負極の活物質の間で、リチウムイオンがドープ、脱ドープを繰り返す。かかる蓄電体では、組立当初、インサーション系物質を活物質として用いた電極にリチウムイオンが予めドープされた状態で提供される。かかるリチウムイオンのドープを、特にプレドープと呼んでいる。   In the present invention, dope means occlusion, support, adsorption or insertion, and means a phenomenon in which ion species such as lithium ions enter an electrode active material which is an insertion material such as a positive electrode. Further, undoping means a phenomenon opposite to such doping. It means a phenomenon in which ionic species such as lithium ions appear. Pre-doping means that an ionic species such as lithium ion is pre-doped into an active material of an electrode prior to energization between the positive and negative electrodes. For example, in a power storage unit such as a lithium ion battery using an insertion material as an active material for an electrode, when the positive and negative electrodes are energized and used, lithium ions are doped or dedoped between the positive and negative electrode active materials. repeat. In such a power storage unit, an electrode using an insertion material as an active material is provided in a state where lithium ions are pre-doped at the beginning of assembly. Such doping of lithium ions is particularly called pre-doping.

本発明に係わるリチウムイオンのプレドープ方法は、例えば、図2(a)に示す電極構成で実施できる。図2(a)には、説明が分かりやすいように、電極構成のみを模式的に示した。かかる電極構成Aは、図2(a)に示すように、リチウム極10、正極20、負極30を有している。すなわち、電極構成Aは、3極構成となっている。リチウム極10は、例えば、リチウム金属等で構成されている。かかるリチウム極10は、正極20に対向して設けられている。正極20は、例えば、五酸化バナジウム等のインサーション系物質が活物質として用いられている。かかる正極20は、負極30と対向して設けられている。かかる負極30では、例えばカーボン材料等が活物質として用いられている。   The lithium ion pre-doping method according to the present invention can be carried out, for example, with the electrode configuration shown in FIG. In FIG. 2A, only the electrode configuration is schematically shown for easy understanding. The electrode configuration A has a lithium electrode 10, a positive electrode 20, and a negative electrode 30, as shown in FIG. That is, the electrode configuration A is a three-pole configuration. The lithium electrode 10 is made of, for example, lithium metal. The lithium electrode 10 is provided to face the positive electrode 20. For the positive electrode 20, for example, an insertion material such as vanadium pentoxide is used as an active material. The positive electrode 20 is provided to face the negative electrode 30. In the negative electrode 30, for example, a carbon material or the like is used as an active material.

正極20の活物質21として使用されるインサーション系物質21aには、予め、ピラー元素Pが含有されている。かかるピラー元素Pの含有は、前述の如く、固相合成法や液相合成法等によりインサーション系物質の合成で行われる。かかる状態の電極構成Aで、図2(b)に示すように、リチウム極10と正極20とを、外部負荷40を介して電気的に接続する。例えば、充放電装置40a等を接続して結線する。この状態で、充放電装置40aを用いてリチウム極10と正極20との間で充電を行う。充電により、正極20の活物質21からピラー元素Pがイオン状態で電気的に脱ドープされる。電気的に強制されて脱ドープされたピラー元素Pは、リチウム極10に移動する。   The insertion material 21a used as the active material 21 of the positive electrode 20 contains the pillar element P in advance. As described above, the inclusion of the pillar element P is performed by synthesis of an insertion material by a solid phase synthesis method, a liquid phase synthesis method, or the like. In the electrode configuration A in this state, the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 are electrically connected via an external load 40 as shown in FIG. For example, the charging / discharging device 40a or the like is connected and connected. In this state, charging is performed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 using the charging / discharging device 40a. By the charge, the pillar element P is electrically dedope from the active material 21 of the positive electrode 20 in an ionic state. The pillar element P that is electrically forced and dedoped moves to the lithium electrode 10.

図2(a)、(b)に示すように、脱ドープされるピラー元素Pは、活物質21に含有されたピラー元素Pの一部である。残りは、図2(b)に示すように、活物質21内に残っている。残ったピラー元素Pが、その後に行われるリチウムイオンのプレドープのし易さを確保している。勿論、プレドープ後の電極使用に際しての繰り返し行われるリチウムイオンのドープのし易さも確保している。併せて、プレドープされたリチウムイオンの脱ドープのし易さも確保している。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the pillar element P to be dedoped is a part of the pillar element P contained in the active material 21. The rest remains in the active material 21 as shown in FIG. The remaining pillar element P ensures the ease of pre-doping of lithium ions performed thereafter. Of course, the ease of doping lithium ions that is repeatedly performed when the electrode after pre-doping is used is also ensured. In addition, the ease of dedoping of predoped lithium ions is ensured.

すなわち、かかる活物質21内に残されたピラー元素Pが、リチウムイオンの出入りがし易いように、結晶構造の崩壊を防いでいる。ピラー元素Pが、結晶構造内で支柱の役目を果たして崩壊を防ぐものと推定される。先ほども述べたように、ピラー元素の全量またはそれに近い量が脱ドープされても、結晶構造が強固であれば特に問題はない。また、目的によっては、かかるピラー元素Pの脱ドープ量を、充放電装置40aを用いて流す充電電流量で制御しても良い。充電電流の容量、あるいは所定容量の充電電流を流す時間等で、ピラー元素Pの脱ドープ量の制御ができる。   That is, the pillar structure P left in the active material 21 prevents the crystal structure from collapsing so that lithium ions can easily enter and exit. It is presumed that the pillar element P plays a role of a support in the crystal structure and prevents collapse. As described above, even if the entire amount of the pillar element or an amount close thereto is dedope, there is no particular problem as long as the crystal structure is strong. Further, depending on the purpose, the dedoping amount of the pillar element P may be controlled by the amount of charging current that flows using the charging / discharging device 40a. The amount of de-doping of the pillar element P can be controlled by the charging current capacity or the time for which a predetermined capacity of charging current is passed.

このようにしてピラー元素Pを正極20から脱ドープした後に、リチウムイオンをプレドープする。プレドープに際しては、リチウム極10と正極20とを結線したままで、充放電装置40aを放電モードに切り換える。図2(c)に示すように、リチウム極10からリチウムイオンが正極20に移動する。リチウムイオンは、正極20の活物質21の結晶構造内にプレドープされる。すなわち、脱ドープされたピラー元素Pに替わって、リチウムイオンがその空位にプレドープされる。ここでピラー元素Pは、図2(b)に示す脱ドープで、リチウム極の表面に形成された固体電解質界面相(solid electrolyte interface、SEIと略記)の被膜内に主として取り込まれる。そこで、図2(c)に示す放電操作で、再度ピラー元素Pが正極20内の活物質21内に取り込まれることは殆どない。このようにして、リチウムイオンの正極20内へのプレドープが完成される。すなわち、正極20の活物質21であるインサーション系物質21a内へ、リチウムイオンのプレドープを完了させることができる。上記の方法に限られることは無く、もちろん、正極20へのリチウムイオンのプレドープは正極とリチウム極を電気的に短絡させるなどして行っても良い。   In this way, after the pillar element P is dedoped from the positive electrode 20, lithium ions are predoped. In pre-doping, the charge / discharge device 40a is switched to the discharge mode while the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 are connected. As shown in FIG. 2C, lithium ions move from the lithium electrode 10 to the positive electrode 20. Lithium ions are pre-doped in the crystal structure of the active material 21 of the positive electrode 20. In other words, lithium ions are pre-doped in the vacancies in place of the dedoped pillar elements P. Here, the pillar element P is mainly incorporated into the coating of the solid electrolyte interface phase (abbreviated as SEI) formed on the surface of the lithium electrode by dedoping as shown in FIG. Therefore, the pillar element P is hardly taken into the active material 21 in the positive electrode 20 again by the discharge operation shown in FIG. In this way, pre-doping of lithium ions into the positive electrode 20 is completed. That is, the lithium ion pre-doping can be completed in the insertion material 21 a which is the active material 21 of the positive electrode 20. The method is not limited to the above method. Of course, pre-doping of lithium ions into the positive electrode 20 may be performed by electrically short-circuiting the positive electrode and the lithium electrode.

上記説明では、ピラー元素を含有する活物質を用いた正極20とリチウム極10との間で、充電操作してピラー元素Pを脱ドープし、脱ドープ後、放電操作して、脱ドープしたピラー元素Pに替わってリチウムイオンをプレドープした。しかし、かかる方法以外でも、リチウムイオンのプレドープは行える。   In the above description, between the positive electrode 20 using the active material containing a pillar element and the lithium electrode 10, the pillar element P is dedoped by performing a charging operation, and after the dedoping, the discharging operation is performed to perform the dedoping pillar. Instead of the element P, lithium ions were pre-doped. However, pre-doping of lithium ions can be performed by other methods.

図3には、図2に述べた方法とは異なるリチウムイオンのプレドープ方法を示した。図3(a)に模式的に示す電極構成は、図2(a)に示す電極構成Aと同一である。すなわち、電極構成Aは、リチウム極10、正極20、負極30とで、図2(a)に示すと同様に3極に構成されている。かかる正極20の活物質21には、ピラー元素Pが図2(a)と同様にドープされている。   FIG. 3 shows a lithium ion pre-doping method different from the method described in FIG. The electrode configuration schematically shown in FIG. 3A is the same as the electrode configuration A shown in FIG. That is, the electrode configuration A is composed of the lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30, and is configured to have three electrodes as shown in FIG. The active material 21 of the positive electrode 20 is doped with the pillar element P as in FIG.

かかるピラー元素Pは、図3(b)に示すように、正極20と負極30との間で脱ドープされる。すなわち、正極20と負極30とを、外部負荷40を介して電気的に接続する。例えば、充放電装置40a等を接続して結線する。かかる状態で、充放電装置40aを用いて正極20と負極30との間で充電を行う。充電により、正極20の活物質21からピラー元素Pが電気的にイオン状態で脱ドープされる。電気的に強制されて脱ドープされたピラー元素Pは、負極30に移動する。図3(b)に示す場合には、図2(b)と同様に、脱ドープされるピラー元素Pは、活物質21に保持されたピラー元素Pの一部である。残りは、図3(b)に示すように、活物質21内に残っている。   The pillar element P is dedoped between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 as shown in FIG. That is, the positive electrode 20 and the negative electrode 30 are electrically connected via the external load 40. For example, the charging / discharging device 40a or the like is connected and connected. In this state, charging is performed between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 using the charge / discharge device 40a. By the charging, the pillar element P is electrically dedoped from the active material 21 of the positive electrode 20 in an ionic state. The electrically forced and dedoped pillar element P moves to the negative electrode 30. In the case shown in FIG. 3B, the pillar element P to be dedoped is a part of the pillar element P held in the active material 21, as in FIG. The rest remains in the active material 21 as shown in FIG.

残ったピラー元素Pが、その後のリチウムイオンのプレドープをも含めたドープのし易さを確保している。併せて、プレドープされたリチウムイオンの脱ドープのし易さも確保している。活物質21内に残されたピラー元素Pが、リチウムイオンの出入りがし易いように、結晶構造の崩壊を防いでいる。かかる場合にも、ピラー元素Pが、結晶構造内で支柱の役目を果たして崩壊を防ぐものと推定される。先ほども述べたように、ピラー元素が全量またはそれに近い量が脱ドープされても、結晶構造が強固であれば特に問題はない。また、目的によっては、かかるピラー元素Pの脱ドープ量を、前例の如く、充放電装置40aを用いて流す充電電流量で制御しても良い。充電電流の容量、あるいは所定容量の充電電流を流す時間等で、ピラー元素Pの脱ドープ量の制御ができる。   The remaining pillar element P ensures the ease of doping including the subsequent pre-doping of lithium ions. In addition, the ease of dedoping of predoped lithium ions is ensured. The pillar element P left in the active material 21 prevents the crystal structure from collapsing so that lithium ions can easily enter and exit. Also in such a case, it is presumed that the pillar element P plays a role of a support in the crystal structure and prevents collapse. As described above, even if the entire amount of the pillar element or an amount close thereto is dedoped, there is no particular problem as long as the crystal structure is strong. Further, depending on the purpose, the dedoping amount of the pillar element P may be controlled by the amount of charging current that flows using the charging / discharging device 40a as in the previous example. The amount of de-doping of the pillar element P can be controlled by the charging current capacity or the time for which a predetermined capacity of charging current is passed.

このようにしてピラー元素Pを正極20から負極30へ脱ドープした後に、リチウムイオンをプレドープする。プレドープに際しては、リチウム極10と正極20とを、外部負荷40を介して電気的に接続する。例えば、充放電装置40a等を接続して結線する。この状態で、充放電装置40aを用いてリチウム極10と正極20との間で放電を行う。放電により、リチウム極10からリチウムイオンが、正極20にプレドープされる。すなわち、脱ドープされたピラー元素Pに替わって、リチウムイオンがその空位にプレドープされる。プレドープ方法は上記放電に限らず、電気的短絡等が選択可能である。   In this way, after the pillar element P is dedoped from the positive electrode 20 to the negative electrode 30, lithium ions are pre-doped. At the time of pre-doping, the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 are electrically connected via the external load 40. For example, the charging / discharging device 40a or the like is connected and connected. In this state, discharge is performed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 using the charge / discharge device 40a. Lithium ions are pre-doped from the lithium electrode 10 to the positive electrode 20 by the discharge. In other words, lithium ions are pre-doped in the vacancies in place of the dedoped pillar elements P. The pre-doping method is not limited to the above discharge, and an electrical short circuit or the like can be selected.

ここでピラー元素Pは、図3(b)に示す脱ドープで、負極30の表面に形成された固体電解質界面相(SEI)の被膜内に取り込まれる。そのため、例えば、リチウムイオン二次電池等の蓄電体の使用に際して繰り返されるリチウムイオンのドープ、脱ドープのみが選択的に行われる。ピラー元素Pは、上記ドープ、脱ドープには、殆ど関与しない。このようにして、リチウムイオンの正極20内へのプレドープが完成される。すなわち、正極20の活物質21であるインサーション系物質21a内へ、リチウムイオンのプレドープを完了させることができる。   Here, the pillar element P is taken into the solid electrolyte interface phase (SEI) film formed on the surface of the negative electrode 30 by dedoping as shown in FIG. Therefore, for example, only lithium ion doping and dedoping are selectively performed when a power storage unit such as a lithium ion secondary battery is used. The pillar element P hardly participates in the doping and dedoping. In this way, pre-doping of lithium ions into the positive electrode 20 is completed. That is, the lithium ion pre-doping can be completed in the insertion material 21 a which is the active material 21 of the positive electrode 20.

以上説明したリチウムイオンのプレドープの方法では、電極構成Aが3極構成となっていた。しかし、2極構成の電極構成でも構わない。かかる場合を、図4に模式的に説明した。すなわち、図4(a)に示す構成では、電極構成Bは、リチウム極10と電気的に短絡された負極30と、正極20とから構成されている。かかる電極構成Bでは、リチウム極10と負極30とが予め電気的に接続されて短絡されているので、実質的には一つの電極と考えることができる。その意味で、2極構成ということができる。   In the lithium ion pre-doping method described above, the electrode configuration A has a tripolar configuration. However, a two-pole electrode configuration may be used. Such a case has been schematically illustrated in FIG. That is, in the configuration illustrated in FIG. 4A, the electrode configuration B includes the negative electrode 30 that is electrically short-circuited with the lithium electrode 10 and the positive electrode 20. In such an electrode configuration B, the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 are electrically connected in advance and short-circuited, so that it can be considered substantially one electrode. In that sense, it can be said to be a two-pole configuration.

かかる電極構成Bは、図4(a)に示すように、リチウム極10に対向して負極30が設けられている。かかるリチウム極10と負極30とは、予め、結線等により電気的に短絡接続されている。一方、正極20は、リチウム極10と電気的に接続されている負極30と、対向配置されている。正極20のインサーション系物質21aである活物質21には、図2、3に示すと同様に、ピラー元素Pがその結晶構造内に含有されている。かかる電極構成Bでは、図4(a)に示すように、図示は省略したが電解液を注入すると、予め電気的に接続されているので、短絡モードで負極30内にリチウム極10からリチウムイオンのドープが起きている。   In this electrode configuration B, as shown in FIG. 4A, the negative electrode 30 is provided so as to face the lithium electrode 10. The lithium electrode 10 and the negative electrode 30 are electrically short-circuited in advance by connection or the like. On the other hand, the positive electrode 20 is disposed to face the negative electrode 30 that is electrically connected to the lithium electrode 10. As shown in FIGS. 2 and 3, the active material 21 that is the insertion material 21a of the positive electrode 20 contains the pillar element P in its crystal structure. In this electrode configuration B, as shown in FIG. 4 (a), although not shown in the figure, when an electrolyte is injected, the electrode is electrically connected in advance. The dope is happening.

かかる状態の電極構成Bを、その後、図4(b)に示すように、電気的に接続したリチウム極10、負極30と、外部負荷40を介して、正極20と電気的に接続する。例えば、充放電装置40a等を介して結線する。この状態で、電気的に接続したリチウム極10、負極30と、正極20との間で、充電を行う。かかる充電により、正極20の活物質21からピラー元素Pが電気的にイオン状態で脱ドープされる。電気的に強制されて脱ドープされたピラー元素Pは、リチウム極10、負極30側に移動する。図4(b)に示すように、正極20の対極としてのリチウム極10、負極30の電位に応じて、リチウム極10、負極30に移動したピラー元素Pは、正極20にドープされていたピラー元素Pの一部である。残りは、図4(b)に示すように、活物質21内に残っている。   The electrode configuration B in this state is then electrically connected to the positive electrode 20 via the electrically connected lithium electrode 10 and negative electrode 30 and the external load 40 as shown in FIG. For example, the connection is made via the charging / discharging device 40a or the like. In this state, charging is performed between the electrically connected lithium electrode 10, negative electrode 30, and positive electrode 20. By such charging, the pillar element P is electrically dedoped from the active material 21 of the positive electrode 20 in an ionic state. The pillar element P that is electrically forced and dedoped moves to the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 side. As shown in FIG. 4B, the pillar element P moved to the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 in accordance with the potentials of the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 as the counter electrode of the positive electrode 20 is a pillar doped in the positive electrode 20. Part of the element P. The rest remains in the active material 21 as shown in FIG.

残ったピラー元素Pが、その後のリチウムイオンのプレドープをも含めたドープのし易さを確保している。併せて、プレドープされたリチウムイオンの脱ドープのし易さも確保している。活物質21内に残されたピラー元素Pが、リチウムイオンの出入りがし易いように、結晶構造の崩壊を防いでいる。かかる場合にも、ピラー元素Pが、結晶構造内で支柱の役目を果たして崩壊を防ぐものと推定される。先ほども述べたように、ピラー元素の全量またはそれに近い量が脱ドープされても、結晶構造が強固であれば特に問題はない。また、目的によっては、かかるピラー元素Pの脱ドープ量を、前述の2例の如く、充放電装置40aを用いて流す充電電流量で制御してもよい。充電電流の容量、あるいは所定容量の充電電流を流す時間等で、ピラー元素Pの脱ドープ量の制御ができる。   The remaining pillar element P ensures the ease of doping including the subsequent pre-doping of lithium ions. In addition, the ease of dedoping of predoped lithium ions is ensured. The pillar element P left in the active material 21 prevents the crystal structure from collapsing so that lithium ions can easily enter and exit. Also in such a case, it is presumed that the pillar element P plays a role of a support in the crystal structure and prevents collapse. As described above, even if the entire amount of the pillar element or an amount close thereto is dedope, there is no particular problem as long as the crystal structure is strong. Further, depending on the purpose, the dedoping amount of the pillar element P may be controlled by the amount of charging current that flows using the charging / discharging device 40a as in the above two examples. The amount of de-doping of the pillar element P can be controlled by the charging current capacity or the time for which a predetermined capacity of charging current is passed.

このようにしてピラー元素Pを正極20から脱ドープした後に、リチウムイオンをプレドープする。プレドープに際しては、図4(b)の結線状態を維持したまま、充放電装置40aを、放電モードに切り換える。かかる操作により、図4(c)に示すように、リチウム極10から、正極20にリチウムイオンのプレドープが行われる。すなわち、脱ドープされたピラー元素Pに替わって、リチウムイオンがその空位にプレドープされる。ピラー元素Pは、図4(b)に示す脱ドープに際して、リチウム極10、負極30の表面に形成された固体電解質界面相(SEI)の被膜内に取り込まれる。そのため、例えば、リチウムイオン二次電池等の蓄電体の使用に際して繰り返されるリチウムイオンのドープ、脱ドープと、競合することはない。リチウムイオンのみが選択的に、ドープ、脱ドープされる。ピラー元素Pは、上記ドープ、脱ドープには、殆ど関与しない。このようにして、正極20の活物質21であるインサーション系物質21a内へ、リチウムイオンのプレドープが完了する。上記においても、プレドープ方法は、電気的短絡が選択可能である。   In this way, after the pillar element P is dedoped from the positive electrode 20, lithium ions are predoped. At the time of pre-doping, the charge / discharge device 40a is switched to the discharge mode while maintaining the connection state of FIG. By this operation, as shown in FIG. 4C, lithium ions are pre-doped from the lithium electrode 10 to the positive electrode 20. In other words, lithium ions are pre-doped in the vacancies in place of the dedoped pillar elements P. The pillar element P is taken into the solid electrolyte interface phase (SEI) film formed on the surfaces of the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 during the dedoping shown in FIG. Therefore, for example, there is no competition with lithium ion doping and dedoping that are repeated when a power storage unit such as a lithium ion secondary battery is used. Only lithium ions are selectively doped and undoped. The pillar element P hardly participates in the doping and dedoping. In this way, the lithium ion pre-doping is completed in the insertion material 21 a which is the active material 21 of the positive electrode 20. Also in the above, an electrical short circuit can be selected for the pre-doping method.

次に、上記電極構成A、Bを有する蓄電体について説明する。上記電極構成Aを有した蓄電体100は、例えば、図5(a)に模式的に示すような構成となる。すなわち、蓄電体100には、リチウム極10、正極20、負極30がセパレータ50を介してそれぞれ設けられている。セパレータ50を介して設けたリチウム極10、正極20、負極30は、電解液に浸されている。リチウム極10は、リチウム供給源11として例えば金属リチウム11aが、所定層厚で集電体12上に設けられている。正極20は、インサーション系物質21aである正極用の活物質21が、集電体22に所定層厚で設けられている。負極30も、負極用の活物質31が、集電体32上に所定層厚に設けられている。   Next, a power storage unit having the electrode configurations A and B will be described. The power storage unit 100 having the electrode configuration A has, for example, a configuration schematically shown in FIG. That is, the power storage unit 100 is provided with the lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 via the separator 50. The lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 provided via the separator 50 are immersed in the electrolytic solution. In the lithium electrode 10, for example, metallic lithium 11 a is provided on the current collector 12 as a lithium supply source 11 with a predetermined layer thickness. In the positive electrode 20, a positive electrode active material 21, which is an insertion material 21 a, is provided on a current collector 22 with a predetermined layer thickness. Also in the negative electrode 30, a negative electrode active material 31 is provided on the current collector 32 in a predetermined layer thickness.

また、正極20では、集電体22から引き出されて正極端子23が設けられている。負極30では、集電体32から引き出されて負極端子33が設けられている。蓄電体100の使用に際しては、かかる正極端子23、負極端子33を使用する。このようにして、正極20と負極30を一対有する単一型ユニットとしての蓄電体100が構成されている。かかる蓄電体100は、例えば、ラミネートフィルム等の外装容器であるパッケージに入れられて製品とされる。   In the positive electrode 20, a positive electrode terminal 23 is provided by being drawn from the current collector 22. In the negative electrode 30, a negative electrode terminal 33 is provided by being drawn from the current collector 32. When the power storage unit 100 is used, the positive terminal 23 and the negative terminal 33 are used. Thus, the electrical storage body 100 as a single unit having a pair of the positive electrode 20 and the negative electrode 30 is configured. Such a power storage unit 100 is put into a package which is an exterior container such as a laminate film, for example, to be a product.

このように構成される蓄電体100では、製品とする前に、リチウムイオンのプレドープが行われる。すなわち、蓄電体100の組立工程で、プレドープが行われる。かかるプレドープは、図5(b)に示すように、先ず、リチウム極10の集電体12と、正極20の集電体22から引き出された正極端子23とを接続しておく。破線で示すように、例えば結線aで電気的に接続しておく。かかる接続に際しては、図5(b)に示すように、充放電装置40aを介在させておく。   In the power storage unit 100 configured as described above, pre-doping with lithium ions is performed before making the product. That is, pre-doping is performed in the assembly process of the power storage unit 100. In the pre-doping, as shown in FIG. 5B, first, the current collector 12 of the lithium electrode 10 and the positive electrode terminal 23 drawn from the current collector 22 of the positive electrode 20 are connected. As shown by a broken line, for example, the connection is established by connection a. At the time of such connection, as shown in FIG. 5B, a charge / discharge device 40a is interposed.

かかる外部負荷40としての充放電装置40aを、充電モードにする。充電モードにより、リチウム極10と正極20との間で充電が行われる。かかる充電により、前掲の図2(b)に示すように、正極20の活物質21から、リチウム極10へ一部のピラー元素Pが脱ドープされる。ピラー元素Pの脱ドープ後に、前掲の図2(c)にも示すように、充放電装置40aを放電モードに切り換え、リチウム極10と正極20との間で放電を行う。かかる放電により、リチウムイオンを正極20にプレドープする。この操作は、電気的な短絡に置き換えることも可能である。その際には、充放電装置40aを取り外し、リチウム極10と正極20を短絡させればよい。かかるプレドープが終了したら、破線で示したリチウム極10と正極20との間の結線aを、充放電装置40aと共に除去する。蓄電体100は、図5(a)に示すように、集電体22からは正極端子23が出ている元の状態にされる。   The charging / discharging device 40a as the external load 40 is set to the charging mode. Charging is performed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 in the charging mode. With this charging, as shown in FIG. 2B, a part of the pillar element P is dedoped from the active material 21 of the positive electrode 20 to the lithium electrode 10. After the de-doping of the pillar element P, the charge / discharge device 40a is switched to the discharge mode and discharge is performed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 as shown in FIG. By this discharge, lithium ions are pre-doped into the positive electrode 20. This operation can be replaced with an electrical short circuit. In that case, the charging / discharging device 40a may be removed and the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 may be short-circuited. When the pre-doping is completed, the connection a between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 indicated by the broken line is removed together with the charge / discharge device 40a. As shown in FIG. 5A, the power storage unit 100 is brought into the original state in which the positive electrode terminal 23 protrudes from the current collector 22.

かかるリチウムイオンのプレドープは、電解液を入れた状態で行う。そのため、蓄電体100の組立工程で、例えば、蓄電体100の外装容器であるパッケージ内に、図5(a)に示す単一型ユニットの構成を電解液と共に入れる。入れた状態で、最初にピラー元素の脱ドープを行う。それに続いて、リチウムイオンのプレドープを行えばよい。その後、プレドープ終了後、上述の如く、結線aを除去して、パッケージを閉じ製品とすればよい。   Such lithium ion pre-doping is performed in a state where an electrolytic solution is put. Therefore, in the assembly process of the power storage unit 100, for example, the configuration of the single unit shown in FIG. In the inserted state, the pillar element is first dedoped. Subsequently, lithium ion pre-doping may be performed. Then, after the end of pre-doping, the connection a may be removed as described above to close the package and make a product.

尚、図5(a)では、リチウム極10の集電体12は、電気的にどこにも接続されていない。これは、図5(a)に示す蓄電体100が、リチウムイオンのプレドープ前の状態、あるいはリチウムイオンのプレドープ終了後の状態を示しているためである。   In FIG. 5A, the current collector 12 of the lithium electrode 10 is not electrically connected anywhere. This is because the power storage unit 100 shown in FIG. 5A shows a state before pre-doping with lithium ions or a state after pre-doping with lithium ions.

かかる構成の蓄電体100は、例えば、図6に示すように、積層型ユニットの蓄電体110とすることもできる。かかる積層型ユニットの場合には、複数の正極20、負極30がセパレータ50を介して交互に積層されている。かかる積層した正極20、負極30の外側に、図6に示すように、リチウム極10が設けられている。リチウム極10は、正極20に対向して設けられている。リチウム極10と、正極20との間には、セパレータ50が介在されている。複数の各々の正極20は、それぞれの集電体22が電気的に結線bで接続されている。かかる結線bからは、正極端子23が出されている。複数の負極30も結線cで、電気的に接続されている。結線cからは、負極端子33が出されている。かかるリチウム極10、正極20、負極30は、図5(a)に示す説明と同様に構成しておけばよい。また、蓄電体110では、リチウムイオンのプレドープ前後では、図6に示すように、リチウム極10の集電体12は電気的にどこにも接続されていない。   The power storage unit 100 having such a configuration can be a power storage unit 110 of a stacked unit, for example, as shown in FIG. In the case of such a stacked unit, a plurality of positive electrodes 20 and negative electrodes 30 are alternately stacked via separators 50. As shown in FIG. 6, a lithium electrode 10 is provided outside the stacked positive electrode 20 and negative electrode 30. The lithium electrode 10 is provided to face the positive electrode 20. A separator 50 is interposed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20. Each of the plurality of positive electrodes 20 has a current collector 22 electrically connected by a connection b. From this connection b, a positive terminal 23 is provided. The plurality of negative electrodes 30 are also electrically connected by connection c. A negative terminal 33 is provided from the connection c. The lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 may be configured in the same manner as described in FIG. In the power storage unit 110, the current collector 12 of the lithium electrode 10 is not electrically connected anywhere before and after pre-doping with lithium ions, as shown in FIG.

リチウムイオンをプレドープするに際しては、上記蓄電体110は、図7に示すように、リチウム極10と正極20とを電気的に接続する。すなわち、正極20の正極端子23と、積層型ユニットの両サイドに設けたリチウム極10とを、破線で示した結線aで電気的に接続する。電気的な接続に際しては、図7に示すように、正極端子23との間に充放電装置40aを介しておく。かかる状態で、外部負荷40である充放電装置40aを充電モードにして、活物質21からピラー元素Pを一部脱ドープする。その後、脱ドープ終了後の正極20の活物質21内に、リチウム極10からリチウムイオンをプレドープする。この操作は前述のように短絡と置き換えることが可能である。かかるプレドープ終了後に、結線aを充放電装置40aと共に蓄電体110から取り外す。かかる蓄電体110のプレドープの要領は、上記説明の単一型ユニットの蓄電体100に対しての場合と同様である。   When pre-doping with lithium ions, the power storage unit 110 electrically connects the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 as shown in FIG. That is, the positive electrode terminal 23 of the positive electrode 20 and the lithium electrode 10 provided on both sides of the multilayer unit are electrically connected by the connection a shown by a broken line. In electrical connection, as shown in FIG. 7, a charge / discharge device 40 a is interposed between the positive electrode terminal 23 and the battery. In this state, the charge / discharge device 40a, which is the external load 40, is set to the charge mode, and the pillar element P is partially dedoped from the active material 21. Thereafter, lithium ions are pre-doped from the lithium electrode 10 into the active material 21 of the positive electrode 20 after completion of the dedoping. This operation can be replaced with a short circuit as described above. After completion of the pre-doping, the connection a is removed from the power storage unit 110 together with the charge / discharge device 40a. The pre-doping procedure of the power storage unit 110 is the same as that for the power storage unit 100 of the single unit described above.

図5(a)に示す蓄電体100では、集電体12、22、32に、孔が設けられていない孔無し集電体を使用した。図6に示す蓄電体110の構成では、集電体12、22、32に、孔開きの集電体を用いている。積層タイプなので、プレドープがより速やかに行えるように配慮した。しかし、単一型ユニットの蓄電体100でも、集電体12、22、32の少なくともいずれかに孔開きの集電体を用いても構わない。また、プレドープ完了までの時間は長くなるが、蓄電体110の集電体12、22、32の少なくともいずれかに孔無しの集電体を用いても勿論構わない。   In the power storage unit 100 illustrated in FIG. 5A, the current collectors 12, 22, and 32 are non-hole current collectors that are not provided with holes. In the configuration of the power storage unit 110 illustrated in FIG. 6, perforated current collectors are used for the current collectors 12, 22, and 32. Since it is a laminated type, consideration was given so that pre-doping could be performed more quickly. However, even in the single unit power storage unit 100, a perforated current collector may be used for at least one of the current collectors 12, 22, and 32. In addition, although the time until completion of pre-doping becomes longer, it is needless to say that a current collector without holes may be used for at least one of the current collectors 12, 22, and 32 of the power storage unit 110.

次に、前掲の図3で説明したリチウムイオンのプレドープ方法を採用する蓄電体200について説明する。かかる蓄電体200は、図2(a)に示すと同様の電極構成Aを有している。すなわち、蓄電体200は、図5(a)に示すと同一の構成が採用されている。蓄電体200には、リチウム極10、正極20、負極30がセパレータ50を介してそれぞれ設けられている。セパレータ50を介して設けたリチウム極10、正極20、負極30は、電解液に浸されている。リチウム極10は、リチウム供給源11として例えば金属リチウム11aが、所定層厚で集電体12上に設けられている。正極20は、インサーション系物質21aである正極用の活物質21が、集電体22に所定層厚で設けられている。負極30も、負極用の活物質31が、集電体32上に所定層厚で設けられている。   Next, a power storage unit 200 that employs the lithium ion pre-doping method described with reference to FIG. 3 will be described. The power storage unit 200 has the same electrode configuration A as shown in FIG. That is, the power storage unit 200 has the same configuration as shown in FIG. The power storage unit 200 is provided with a lithium electrode 10, a positive electrode 20, and a negative electrode 30 with a separator 50 interposed therebetween. The lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 provided via the separator 50 are immersed in the electrolytic solution. In the lithium electrode 10, for example, metallic lithium 11 a is provided on the current collector 12 as a lithium supply source 11 with a predetermined layer thickness. In the positive electrode 20, a positive electrode active material 21, which is an insertion material 21 a, is provided on a current collector 22 with a predetermined layer thickness. Also in the negative electrode 30, a negative electrode active material 31 is provided on the current collector 32 with a predetermined layer thickness.

また、正極20では、集電体22から正極端子23が引き出されている。負極30では、集電体32から負極端子33が引き出されている。蓄電体200の使用に際しては、かかる正極端子23、負極端子33を使用すればよい。このようにして、正極20と負極30を一対有する単一型ユニットとして、蓄電体200は構成されている。かかる蓄電体200は、例えば、ラミネートフィルム等の外装容器であるパッケージに入れて製品とされる。   In the positive electrode 20, a positive electrode terminal 23 is drawn from the current collector 22. In the negative electrode 30, the negative electrode terminal 33 is drawn from the current collector 32. When the power storage unit 200 is used, the positive electrode terminal 23 and the negative electrode terminal 33 may be used. In this way, the power storage unit 200 is configured as a single unit having a pair of the positive electrode 20 and the negative electrode 30. Such a power storage unit 200 is made into a product, for example, in a package which is an exterior container such as a laminate film.

かかる構成の蓄電体200では、製品とする前に、蓄電体100と同様に、リチウムイオンのプレドープが行われる。かかるプレドープは、図8(a)に示すように、先ず、負極30の集電体32と、正極20の集電体22とを電気的に接続しておく。正極端子23と負極端子33を接続しておけばよい。例えば、破線で示すように結線dで、接続されている。かかる接続に際しては、図8(a)に示すように、充放電装置40aが介在されている。かかる外部負荷40としての充放電装置40aを、充電モードにする。充電モードにより、正極20と負極30との間で充電が行われる。かかる充電により、前掲の図3(b)に示すように、正極20の活物質21から、負極30へ一部のピラー元素Pが脱ドープされる。脱ドープが完了したら、結線dを外部負荷40と共に除去し、正極20と負極30との電気的接続を解除する。   In the power storage unit 200 having such a configuration, pre-doping with lithium ions is performed in the same manner as the power storage unit 100 before making a product. In the pre-doping, as shown in FIG. 8A, first, the current collector 32 of the negative electrode 30 and the current collector 22 of the positive electrode 20 are electrically connected. The positive terminal 23 and the negative terminal 33 may be connected. For example, as shown by a broken line, they are connected by a connection d. At the time of such connection, as shown in FIG. 8A, a charge / discharge device 40a is interposed. The charging / discharging device 40a as the external load 40 is set to the charging mode. Charging is performed between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 in the charging mode. With this charging, as shown in FIG. 3B, a part of the pillar element P is dedoped from the active material 21 of the positive electrode 20 to the negative electrode 30. When the dedoping is completed, the connection d is removed together with the external load 40, and the electrical connection between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 is released.

上記結線dの除去後、図8(b)に示すように、リチウム極10と正極20を結線aで電気的に接続する。かかる接続に際しては、外部負荷40としての充放電装置40aを介在させる。かかる充放電装置40aを放電モードにして、リチウム極10と正極20との間で放電を行う。放電により、前掲の図3(c)で説明したように、リチウム極10からリチウムイオンが正極20の活物質21内にプレドープされる。もちろん、この操作は前述のように電気的短絡と置き換えることが可能である。ピラー元素の脱ドープ、リチウムイオンのプレドープは、電解液を入れた状態で行われる。そのため、蓄電体200の組立工程で、例えば、蓄電体200の外装容器であるパッケージ内に、図5(a)に示す単一型ユニットの構成を電解液と共に入れる。入れた状態で、図8(a)に説明する脱ドープ、図8(b)に説明するプレドープを順次行う。プレドープ終了後、結線aを除去して、パッケージを閉じて製品とすればよい。   After the connection d is removed, the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 are electrically connected by the connection a as shown in FIG. For such connection, a charging / discharging device 40a as an external load 40 is interposed. The charging / discharging device 40 a is set to a discharge mode, and discharging is performed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20. As described with reference to FIG. 3C, lithium ions are pre-doped from the lithium electrode 10 into the active material 21 of the positive electrode 20 by the discharge. Of course, this operation can be replaced with an electrical short as described above. The pillar element de-doping and the lithium ion pre-doping are performed in a state where an electrolytic solution is put. Therefore, in the assembly process of the power storage unit 200, for example, the configuration of the single unit shown in FIG. In this state, the dedoping described in FIG. 8A and the pre-doping described in FIG. 8B are sequentially performed. After pre-doping is completed, the connection a may be removed and the package may be closed to obtain a product.

かかる蓄電体200も、積層型ユニットに構成することができる。積層型ユニットに構成された蓄電体210は、図6に示す蓄電体110の構成と同様である。すなわち、複数の正極20、負極30がセパレータ50を介して交互に積層されている。かかる積層した正極20、負極30の外側に、図6に示すように、リチウム極10が設けられている。リチウム極10は、正極20に対向して、間にセパレータ50を介して設けられている。リチウム極10、正極20、負極30は、蓄電体200のように、前掲の図6で説明した蓄電体110の場合と同様に構成されている。重複するため、その説明は省略する。   Such a power storage unit 200 can also be configured as a stacked unit. The power storage unit 210 configured in the stacked unit is the same as the configuration of the power storage unit 110 illustrated in FIG. 6. That is, a plurality of positive electrodes 20 and negative electrodes 30 are alternately stacked with separators 50 interposed therebetween. As shown in FIG. 6, a lithium electrode 10 is provided outside the stacked positive electrode 20 and negative electrode 30. The lithium electrode 10 is provided opposite to the positive electrode 20 with a separator 50 interposed therebetween. The lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 are configured in the same manner as the power storage unit 110 described with reference to FIG. Since it overlaps, the description is abbreviate | omitted.

かかる蓄電体210では、リチウムイオンのプレドープを行う。かかるリチウムイオンのプレドープに際しては、図9に示すように、先ず正極端子23と負極端子33とを電気的に接続しておく。すなわち、複数の正極20同士が結線bで接続され、複数の負極30同士も結線cで接続されている。かかる結線bから引き出された正極端子23と、結線cから引き出された負極端子33とを、結線dで電気的に接続する。結線dによる接続では、外部負荷40としての充放電装置40aが介在させられる。かかる状態で、充放電装置40aを充電モードにして、正極20と負極30との間で充電を行う。かかる充電により、正極20の活物質21内のピラー元素Pの一部が、脱ドープされる。脱ドープされたピラー元素Pは、負極30側に移動する。かかる脱ドープが完了したら、充電を終了する。結線dを充放電装置40aと共に取り外し、正極20と負極30との電気的接続を解除する。   In this power storage unit 210, lithium ions are pre-doped. In such lithium ion pre-doping, first, the positive electrode terminal 23 and the negative electrode terminal 33 are electrically connected as shown in FIG. That is, the plurality of positive electrodes 20 are connected by the connection b, and the plurality of negative electrodes 30 are also connected by the connection c. The positive terminal 23 drawn from the connection b and the negative terminal 33 drawn from the connection c are electrically connected by the connection d. In the connection by the connection d, a charging / discharging device 40a as an external load 40 is interposed. In this state, the charging / discharging device 40a is set to the charging mode, and charging is performed between the positive electrode 20 and the negative electrode 30. By this charging, a part of the pillar element P in the active material 21 of the positive electrode 20 is dedope. The dedoped pillar element P moves to the negative electrode 30 side. When such dedoping is completed, charging is terminated. The connection d is removed together with the charge / discharge device 40a, and the electrical connection between the positive electrode 20 and the negative electrode 30 is released.

充電解除後に、リチウムイオンのプレドープを行う。リチウムイオンのプレドープに際しては、図10に示すように、図9で示す結線状態を変更する。すなわち、リチウム極10と、正極20とを、図10に示すように結線aで電気的に接続する。すなわち、結線bで接続された複数の正極20と、積層型ユニットの両サイドに配置したリチウム極10とを、結線aで正極端子23に接続する。結線aで接続するに際しては、正極端子23とリチウム極10の集電体12との間に充放電装置40aを介在させておく。充放電装置40aを放電モードにして、リチウム極10と正極20との間で放電を行う。かかる放電により、リチウム極10から正極21の活物質21内へ、リチウムイオンのドープが行われる。もちろん、この操作は前述のように電気的短絡と置き換えることが可能である。リチウムイオンのドープが終了したら、結線aと充放電装置40aを共に外して、リチウム極10と正極20との電気的接続を解除する。   After the charge is released, lithium ion pre-doping is performed. In the pre-doping of lithium ions, the connection state shown in FIG. 9 is changed as shown in FIG. That is, the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 are electrically connected by the connection a as shown in FIG. That is, the plurality of positive electrodes 20 connected by the connection b and the lithium electrodes 10 arranged on both sides of the stacked unit are connected to the positive terminal 23 by the connection a. When connecting with the connection a, the charging / discharging device 40 a is interposed between the positive electrode terminal 23 and the current collector 12 of the lithium electrode 10. The charging / discharging device 40a is set to a discharging mode, and discharging is performed between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20. By this discharge, lithium ions are doped from the lithium electrode 10 into the active material 21 of the positive electrode 21. Of course, this operation can be replaced with an electrical short as described above. When the doping of lithium ions is completed, the connection a and the charge / discharge device 40a are both disconnected, and the electrical connection between the lithium electrode 10 and the positive electrode 20 is released.

次に、前掲の図4に示したリチウムイオンのプレドープ方法を採用する蓄電体300について説明する。かかる蓄電体300は、図4に示す電極構成Bを有している。蓄電体300は、図11(a)に示すように、リチウム極10、正極20、負極30が設けられている。かかるリチウム極10と、負極30が、当初より、一点鎖線で示す結線eで短絡するように接続されている。かかる電極構成Bのリチウム極10、正極20、負極30は、図11(a)に示すように、セパレータ50を介してそれぞれ設けられている。セパレータ50を介して設けたリチウム極10は、リチウム供給源11として例えば金属リチウム11aが、所定層厚で集電体12上に設けられている。正極20は、インサーション系物質21aである正極用の活物質21が、集電体22に所定層厚で設けられている。負極30も、負極用の活物質31が、集電体32上に所定層厚で設けられている。   Next, a power storage unit 300 that employs the lithium ion pre-doping method shown in FIG. 4 will be described. Such a power storage unit 300 has an electrode configuration B shown in FIG. As shown in FIG. 11A, the power storage unit 300 is provided with a lithium electrode 10, a positive electrode 20, and a negative electrode 30. From the beginning, the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 are connected so as to be short-circuited by a connection e indicated by a one-dot chain line. The lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 of the electrode configuration B are provided via a separator 50 as shown in FIG. In the lithium electrode 10 provided via the separator 50, for example, a metal lithium 11 a as a lithium supply source 11 is provided on the current collector 12 with a predetermined layer thickness. In the positive electrode 20, a positive electrode active material 21, which is an insertion material 21 a, is provided on a current collector 22 with a predetermined layer thickness. Also in the negative electrode 30, a negative electrode active material 31 is provided on the current collector 32 with a predetermined layer thickness.

かかる構成のリチウム極10、正極20、負極30は、電解液に浸されている。一方、上記の如く、リチウム極10、負極30は短絡されているため、電解液に浸された状態では、前掲の図4(a)で説明したように、負極30に対して、リチウム極10からリチウムイオンのドープが行われている。   The lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 having such a configuration are immersed in an electrolytic solution. On the other hand, since the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 are short-circuited as described above, the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 with respect to the negative electrode 30 as described above with reference to FIG. To dope lithium ions.

また、正極20では、集電体22から正極端子23が引き出されている。負極30では、集電体32から負極端子33が引き出されている。蓄電体300の使用に際しては、かかる正極端子23、負極端子33が使用される。このようにして、正極20と負極30を一対有する単一型ユニットとして、蓄電体300が構成されている。かかる蓄電体300は、例えば、ラミネートフィルム等の外装容器であるパッケージに入れて製品とされる。   In the positive electrode 20, a positive electrode terminal 23 is drawn from the current collector 22. In the negative electrode 30, the negative electrode terminal 33 is drawn from the current collector 32. When the power storage unit 300 is used, the positive terminal 23 and the negative terminal 33 are used. In this way, the power storage unit 300 is configured as a single unit having a pair of the positive electrode 20 and the negative electrode 30. Such a power storage unit 300 is made into a product, for example, in a package which is an exterior container such as a laminate film.

かかる構成の蓄電体300では、製品とする前に、蓄電体100、200と同様に、正極20に対して、リチウムイオンのプレドープが行われる。かかるプレドープは、図11(b)に示すように、正極端子23と、負極端子33とを、電気的に充放電装置40aを介して接続する。すなわち、外部負荷40としての充放電装置40aにより、正極端子23と、予めリチウム極10が負極30と結線eで短絡された負極端子33とが、結線fにより接続されている。かかる状態で、充放電装置40aを充電モードにして、正極20と、リチウム極10、負極30との間で充電を行う。かかる充電により、前掲の図4(b)に示すように、正極20の活物質21から、一部のピラー元素Pがリチウム極10、負極30へ脱ドープされる。   In the power storage unit 300 having such a configuration, lithium ion pre-doping is performed on the positive electrode 20 in the same manner as the power storage units 100 and 200 before making the product. As shown in FIG. 11B, such pre-doping electrically connects the positive electrode terminal 23 and the negative electrode terminal 33 via the charge / discharge device 40a. That is, the positive electrode terminal 23 and the negative electrode terminal 33 in which the lithium electrode 10 is previously short-circuited to the negative electrode 30 by the connection e are connected by the connection f by the charging / discharging device 40 a as the external load 40. In this state, the charging / discharging device 40a is set to the charging mode, and charging is performed between the positive electrode 20, the lithium electrode 10, and the negative electrode 30. With this charging, as shown in FIG. 4B, a part of the pillar element P is dedoped from the active material 21 of the positive electrode 20 into the lithium electrode 10 and the negative electrode 30.

このようにしてピラー元素の脱ドープが完了したら、リチウムイオンのプレドープを行う。すなわち、図11(b)に示す結線e、fの状態を維持したまま、充放電装置40aを放電モードに切り換える。放電モードへの切り換えにより、今度は、リチウム極10、負極30側から、正極20に対してリチウムイオンのプレドープが行われる。この操作は前述のように電気的短絡と置き換えることが可能である。かかるリチウムイオンのプレドープにより、リチウムイオンが正極20の活物質21内に取り込まれる。かかるリチウムイオンのプレドープ完了後、結線fを充放電装置40aと共に外す。   When de-doping of the pillar element is completed in this manner, lithium ions are pre-doped. That is, the charging / discharging device 40a is switched to the discharge mode while maintaining the states of the connections e and f shown in FIG. By switching to the discharge mode, pre-doping of lithium ions is performed on the positive electrode 20 from the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 side. This operation can be replaced with an electrical short as described above. Due to the pre-doping of lithium ions, lithium ions are taken into the active material 21 of the positive electrode 20. After completion of the lithium ion pre-doping, the connection f is removed together with the charge / discharge device 40a.

かかるピラー元素の脱ドープ、リチウムイオンのプレドープは、電解液を入れた状態で行われる。そのため、蓄電体300の組立工程で、例えば、蓄電体300の外装容器であるパッケージ内に、図11(a)に示す単一型ユニットの構成を電解液と共に入れる。入れた状態で、図11(b)に説明する脱ドープ、リチウムイオンのプレドープを順次行えばよい。その後、プレドープ終了後、結線fを除去して、パッケージを閉じて製品とすればよい。一点鎖線で示した結線fは、蓄電体300の構成からは外さなくても使用上特段支障はないが、外しておいて構わない。   Such de-doping of pillar elements and pre-doping of lithium ions are performed in a state where an electrolytic solution is put. For this reason, in the assembly process of the power storage unit 300, for example, the configuration of the single unit shown in FIG. In this state, dedoping and pre-doping with lithium ions described in FIG. Thereafter, after completion of pre-doping, the connection f may be removed and the package may be closed to obtain a product. The connection f indicated by the alternate long and short dash line is not particularly troublesome in use even if it is not removed from the configuration of the power storage unit 300, but may be removed.

かかる構成の蓄電体300は、積層型ユニットとして構成することもできる。図12には、積層型ユニットに構成した蓄電体310を示した。かかる蓄電体310も、複数の正極20、負極30がセパレータ50を介して交互に積層されている。かかる積層した正極20、負極30の外側に、図12に示すように、リチウム極10が設けられている。リチウム極10は、負極30に対向して、間にセパレータ50を介して設けられている。尚、リチウム極10、正極20、負極30は、前掲の図5(a)で説明した蓄電体100、あるいは蓄電体200の場合と同様に構成しておけばよい。重複するため、その説明は省略する。   The power storage unit 300 having such a configuration can also be configured as a stacked unit. FIG. 12 shows a power storage unit 310 configured in a stacked unit. In this power storage unit 310, a plurality of positive electrodes 20 and negative electrodes 30 are alternately stacked with separators 50 interposed therebetween. As shown in FIG. 12, a lithium electrode 10 is provided outside the stacked positive electrode 20 and negative electrode 30. The lithium electrode 10 is disposed opposite to the negative electrode 30 with a separator 50 interposed therebetween. Note that the lithium electrode 10, the positive electrode 20, and the negative electrode 30 may be configured in the same manner as the power storage unit 100 or the power storage unit 200 described with reference to FIG. Since it overlaps, the description is abbreviate | omitted.

かかる蓄電体310では、当初よりリチウム極10と負極30とが、一点鎖線で示される結線eで短絡されている。そのため、蓄電体310の電極構成Bが電解液に浸されると、リチウム極10から負極30に、一部リチウムイオンがドープされることとなる。かかる状態で、図13に示すように、正極端子23と負極端子33を電気的に接続する。接続に際しては、外部負荷40としての充放電装置40aを介在させて、結線fで接続すればよい。   In such a power storage unit 310, the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 are short-circuited by a connection e indicated by a one-dot chain line from the beginning. Therefore, when the electrode configuration B of the power storage unit 310 is immersed in the electrolytic solution, the lithium electrode 10 is partially doped with lithium ions from the lithium electrode 10. In this state, as shown in FIG. 13, the positive terminal 23 and the negative terminal 33 are electrically connected. In connection, the charging / discharging device 40a as the external load 40 may be interposed, and the connection may be made by the connection f.

この状態で充放電装置40aを充電モードにすると、正極20と、リチウム極10、負極30との間で充電が行われる。充電により、正極20の活物質21から、ピラー元素が一部脱ドープされる。かかる脱ドープが終了したら、図13に示す結線状態を維持したまま、充放電装置40aを放電モードに切り換える。放電モードにより、リチウム極10及び負極30から、リチウムイオンのプレドープが、正極20に対して行われる。かかるプレドープにより、リチウムイオンは活物質21の結晶構造内に挿入されることとなる。リチウムイオンのプレドープが終了したら、結線fと充放電装置40aを外して、正極20と、リチウム極10及び負極30との電気的接続を解除する。   When the charging / discharging device 40a is set to the charging mode in this state, charging is performed between the positive electrode 20, the lithium electrode 10, and the negative electrode 30. The pillar element is partially dedoped from the active material 21 of the positive electrode 20 by charging. When the dedoping is completed, the charge / discharge device 40a is switched to the discharge mode while maintaining the connection state shown in FIG. In the discharge mode, lithium ions are predoped from the lithium electrode 10 and the negative electrode 30 with respect to the positive electrode 20. By such pre-doping, lithium ions are inserted into the crystal structure of the active material 21. When the pre-doping of lithium ions is completed, the connection f and the charge / discharge device 40a are removed, and the electrical connection between the positive electrode 20, the lithium electrode 10, and the negative electrode 30 is released.

以上説明した蓄電体100、110、200、210、300、310では、適用できる部材について、前記記載と一部重複するが、次に示すようになる。すなわち、リチウム極10としては、金属リチウムを使用することができる。金属リチウム以外にも、リチウムイオンの供給源となるものであれば使用できる。例えば、リチウム合金の使用が考えられる。例えば、Li−Al合金等を挙げることができる。かかるリチウム供給源は、リチウムイオンのプレドープ量に応じて、その層厚、面積等を調整して、所定の集電体に設けておけばよい。   In the power storage units 100, 110, 200, 210, 300, and 310 described above, applicable members partially overlap with the above description, but are as follows. That is, lithium metal can be used as the lithium electrode 10. In addition to metallic lithium, any lithium ion source can be used. For example, use of a lithium alloy can be considered. For example, a Li-Al alloy etc. can be mentioned. Such a lithium supply source may be provided in a predetermined current collector by adjusting the layer thickness, area, etc. according to the pre-doping amount of lithium ions.

本発明では、正極20の活物質21としてインサーション系物質21aが適用される。インサーション系物質としては、例えば、2次元方向にリチウムイオンの拡散チャンネルを有する層状結晶構造を有する物質が適用できる。あるいは、一次元、三次元のリチウムイオンの拡散チャンネルを有する結晶構造の物質も適用できる。   In the present invention, the insertion material 21 a is applied as the active material 21 of the positive electrode 20. As the insertion material, for example, a material having a layered crystal structure having a lithium ion diffusion channel in a two-dimensional direction can be applied. Alternatively, a substance having a crystal structure having a one-dimensional or three-dimensional lithium ion diffusion channel can also be applied.

層状結晶構造を有する物質としては、例えば、バナジウム系化合物が挙げられる。例えば、バナジウム酸化物が適用できる。かかるバナジウム酸化物は、例えば、VyOxなる化学式で、x、yは、0を含まない実数として示すことができる。かかる化学式で、例えば、yは1〜9までのいずれかの実数である。xは、0.2〜9.0までのいずれかの実数である。図14には、これらの内、文献等に見られるバナジウム酸化物の一部を示した。また、y=1とした場合、x=0.11〜2.5までのバナジウム酸化物が知られている。   Examples of the substance having a layered crystal structure include vanadium compounds. For example, vanadium oxide can be applied. Such vanadium oxide has a chemical formula of VyOx, for example, and x and y can be expressed as real numbers not including 0. In this chemical formula, for example, y is any real number from 1 to 9. x is any real number from 0.2 to 9.0. FIG. 14 shows some of these vanadium oxides found in the literature. When y = 1, vanadium oxides with x = 0.11 to 2.5 are known.

バナジウム酸化物以外には、例えば、LiMO(M=Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Zr、Nb、Mo、W)、LiMnで表記される酸化物やLiFePOやLiCoSiOなどに代表されるポリアニオン型材料がある。 Other than vanadium oxide, for example, LiMO 2 (M = Al, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Zr, Nb, Mo, W), LiMn 2 O 4 There are polyanion type materials typified by oxides such as LiFePO 4 and Li 2 CoSiO 4 .

正極21の活物質21aの上記結晶構造内に予めドープするピラー元素Pとしては、より実用的なものとしては、例えは、ナトリウム、セシウム等がある。しかし、かかるピラー元素に適用できる元素としては、前述の如く、図1の周期律表に示す太線の枠内の元素も可能と思われる。   More practical examples of the pillar element P doped in advance in the crystal structure of the active material 21a of the positive electrode 21 include sodium and cesium. However, as an element applicable to such a pillar element, as described above, an element within the bold frame shown in the periodic table of FIG. 1 is also possible.

負極30に使用する活物質31としては、通常使用される活物質を使用すればよいが、例えば、非水系リチウムイオン二次電池では、リチウム電位近傍でリチウムをインサーション可能である物質として、錫や珪素などの金属とリチウムの合金、錫酸化物、珪素酸化物、リチウムインターカレーション炭素材料等を挙げることができる。リチウムインターカレーション炭素材料としては、例えば、黒鉛、非黒鉛質炭素材料、ポリアセン系物質等を使用することができる。非黒鉛質炭素材料としては、例えば、難黒鉛化炭素材料等が挙げられる。ポリアセン系物質としては、例えば、ポリアセン系骨格を有する不溶不融性基体であるPAS等が挙げられる。かかる負極活物質は、いずれもリチウムイオンを可逆的にドープ可能な物質である。   As the active material 31 used for the negative electrode 30, a commonly used active material may be used. For example, in a non-aqueous lithium ion secondary battery, as a material capable of inserting lithium near a lithium potential, tin is used. And alloys of metals such as silicon and lithium, tin oxide, silicon oxide, and lithium intercalation carbon materials. As the lithium intercalation carbon material, for example, graphite, non-graphitic carbon material, polyacene-based material, or the like can be used. Examples of non-graphitic carbon materials include non-graphitizable carbon materials. Examples of the polyacene-based substance include PAS that is an insoluble and infusible substrate having a polyacene-based skeleton. Any of the negative electrode active materials can be reversibly doped with lithium ions.

上記正極、負極等の電極製造に際しては、一般的には、一旦活物質のスラリー等が形成される。かかるスラリーを、ダイコーター等を用いて、所定層厚で集電体上に塗布し、乾燥することで電極が製造される。かかる活物質のスラリーを形成する際には、必要に応じて、バインダー(結着剤)や導電性助材等が使用される。   In manufacturing the electrodes such as the positive electrode and the negative electrode, generally, a slurry of the active material is once formed. An electrode is manufactured by applying this slurry onto a current collector with a predetermined layer thickness using a die coater or the like, and drying. When forming such an active material slurry, a binder (binder) or a conductive aid is used as necessary.

上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等が使用できる。かかるバインダを、好ましくは以下に説明する導電性粒子と共に混合してスラリーを形成する。かかるスラリーを、下記に説明する集電体である導電性基体上に所定層厚で塗布すれば電極の形成が行える。   As the binder, polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like can be used. Such a binder is preferably mixed with conductive particles described below to form a slurry. An electrode can be formed by applying the slurry in a predetermined layer thickness onto a conductive substrate which is a current collector described below.

上記導電性助材としては、例えば、次のような導電性粒子が使用できる。すなわち、ケッチェンブラック等の導電性カーボン、銅、鉄、銀、ニッケル、パラジウム、金、白金、インジウム、タングステン等の金属、酸化インジウム、酸化スズ等の導電性金属酸化物等が挙げられる。かかる導電性粒子は、例えば、前記活物質の重量の1〜30%の割合で含まれていればよい。   As the conductive aid, for example, the following conductive particles can be used. That is, conductive carbon such as ketjen black, metals such as copper, iron, silver, nickel, palladium, gold, platinum, indium and tungsten, conductive metal oxides such as indium oxide and tin oxide, and the like. Such conductive particles may be contained at a ratio of 1 to 30% of the weight of the active material, for example.

また、集電体には、例えば、少なくとも正極、負極の活物質と接する表面において導電性を示す導電性基体が使用される。かかる基体としては、金属、導電性金属酸化物、導電性カーボン等の導電性材料が使用できる。特に、銅、金、アルミニウム、あるいはそれらの合金または導電性カーボンで形成すればよい。また、基体を非導電性材料で形成した場合には、その基体を導電性材料で被覆すれば使用することができる。また、孔開きの集電体を構成するには、例えば、開口率が10%以上、30%以下の範囲で、多孔性に孔を設けておけばよい。因みに、開口率とは、集電体の開口面の総面積の集電体金属部の面積に対する割合である。   For the current collector, for example, a conductive substrate showing conductivity at least on the surface in contact with the active material of the positive electrode and the negative electrode is used. As such a substrate, a conductive material such as a metal, a conductive metal oxide, or conductive carbon can be used. In particular, copper, gold, aluminum, an alloy thereof, or conductive carbon may be used. Further, when the base is formed of a non-conductive material, it can be used if the base is covered with a conductive material. Moreover, in order to construct a perforated current collector, for example, a porous hole may be provided in an opening ratio of 10% or more and 30% or less. Incidentally, the aperture ratio is a ratio of the total area of the opening surface of the current collector to the area of the current collector metal portion.

また、電解液には、例えば、次のような非水系溶媒が使用できる。すなわち、非水系溶媒としては、鎖状カーボネート、環状カーボネート、環状エステル、ニトリル化合物、酸無水物、アミド化合物、ホスフェート化合物、アミン化合物等が挙げられる。さらに、非水系溶媒の具体例を挙げると、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、N−メチルピロリドン、N,N’−ジメチルアセトアミド、アセトニトリル、あるいはプロピレンカーボネートとジメトキシエタンとの混合物、スルホランとテトラヒドロフランとの混合物等で適用できる。   Moreover, the following non-aqueous solvent can be used for electrolyte solution, for example. That is, examples of the non-aqueous solvent include chain carbonates, cyclic carbonates, cyclic esters, nitrile compounds, acid anhydrides, amide compounds, phosphate compounds, amine compounds, and the like. Furthermore, specific examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, N-methylpyrrolidone, N, N′-dimethylacetamide, acetonitrile, or propylene carbonate. It can be applied as a mixture with dimethoxyethane, a mixture of sulfolane and tetrahydrofuran, or the like.

かかる電解液に溶かす電解質としては、例えば、次のようなものが使用できる。すなわち、電解質としては、CFSOLi、CSOLi、(CFSONLi、(CFSOCLi、LiBF、LiPF、LiClO等のリチウム塩を使用することができる。かかる電解質を溶解する溶媒は非水系溶媒である。さらには、正極と負極との問に介挿される電解質層としては、上記電解質の非水溶液を含むポリマーゲル(ポリマーゲル電解質)であってもよい。 As the electrolyte dissolved in the electrolytic solution, for example, the following can be used. That is, as the electrolyte, CF 3 SO 3 Li, C 4 F 9 SO 8 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, (CF 3 SO 2) 3 CLi, LiBF 4, LiPF 6, lithium salts LiClO 4, etc. Can be used. The solvent that dissolves the electrolyte is a non-aqueous solvent. Furthermore, the electrolyte layer inserted between the positive electrode and the negative electrode may be a polymer gel (polymer gel electrolyte) containing a non-aqueous solution of the electrolyte.

上記実施の形態の説明の効果を確認すべく、バナジン酸ナトリウム、バナジン酸リチウムを例に挙げて実験を行った。すなわち、ピラー元素としてナトリウムを含む場合と、ピラー元素を含まないバナジン酸リチウムとを比較検証した。   In order to confirm the effect of the description of the above embodiment, an experiment was conducted by taking sodium vanadate and lithium vanadate as examples. That is, the case where sodium was included as a pillar element and the lithium vanadate not containing the pillar element were compared and verified.

[正極の作製]本実施例では、固相法により、ピラー元素を含有するインサーション系物質を製造した。前記インサーション系物質には、MV、MV(M=NaLi 1≦x+y≦1.5、x≧0、y≧0の範囲の組成を取ることができる。)を選んだ。また、ピラー元素Mとしては、ナトリウム元素を選んだ。比較として、ピラー元素を含まないバナジン酸リチウムを選んだ。 [Production of Positive Electrode] In this example, an insertion material containing a pillar element was produced by a solid phase method. The insertion materials include MV 2 O 5 , MV 3 O 8 (M = Na x Li y , The composition can be in the range of 1 ≦ x + y ≦ 1.5, x ≧ 0, y ≧ 0. ) Was selected. As the pillar element M, a sodium element was selected. For comparison, lithium vanadate that did not contain pillar elements was selected.

NaVの合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gと水酸化ナトリウム(NaOH)17.1gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れて10%Hと90%Arの混合アルゴン流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、NaV相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して1モルということになる。 The synthesis of NaV 2 O 5 was performed as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 17.1 g of sodium hydroxide (NaOH) were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was put in an alumina pot and reacted at 400 ° C. for 6 hours under a mixed argon flow of 10% H 2 and 90% Ar. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a NaV 2 O 5 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 1 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 2 O 5 .

NaVの合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gと水酸化ナトリウム(NaOH)11.4gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れてエアー流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、NaV相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して1モルということになる。 The synthesis of NaV 3 O 8 was performed as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 11.4 g of sodium hydroxide (NaOH) were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was placed in an alumina bowl and reacted at 400 ° C. for 6 hours under air flow. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a NaV 3 O 8 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 1 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 3 O 8 .

Na1.5の合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gと水酸化ナトリウム(NaOH)25.7gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れて10%Hと90%Arの混合アルゴン流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、NaV相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して1.5モルということになる。 The synthesis of Na 1.5 V 2 O 5 was performed as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 25.7 g of sodium hydroxide (NaOH) were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was put in an alumina pot and reacted at 400 ° C. for 6 hours under a mixed argon flow of 10% H 2 and 90% Ar. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a NaV 2 O 5 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 1.5 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 2 O 5 .

Na1.5の合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gと水酸化ナトリウム(NaOH)17.1gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れてエアー流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、NaV相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して1.5モルということになる。 The synthesis of Na 1.5 V 3 O 8 was performed as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 17.1 g of sodium hydroxide (NaOH) were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was placed in an alumina bowl and reacted at 400 ° C. for 6 hours under air flow. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a NaV 2 O 5 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 1.5 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 3 O 8 .

Na0.2Li0.8の合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gとLiOH3.6g、NaOH17.1gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れて10%Hと90%Arの混合アルゴン流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、Na0.2Li0.8相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して0.2モルということになる。 The synthesis of Na 0.2 Li 0.8 V 2 O 5 was performed as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), 3.6 g of LiOH and 17.1 g of NaOH were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was put in an alumina pot and reacted at 400 ° C. for 6 hours under a mixed argon flow of 10% H 2 and 90% Ar. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a Na 0.2 Li 0.8 V 2 O 5 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 0.2 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 2 O 5 .

Na0.2Li0.8の合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gとLiOH2.4g、NaOH9.1gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れてエアー流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、Na0.2Li0.8相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して0.2モルということになる。 The synthesis of Na 0.2 Li 0.8 V 3 O 8 was performed as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), 2.4 g of LiOH, and 9.1 g of NaOH were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was placed in an alumina bowl and reacted at 400 ° C. for 6 hours under air flow. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a Na 0.2 Li 0.8 V 3 O 8 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 0.2 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 3 O 8 .

LiVの合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gと水酸化リチウム(LiOH)17.9gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れて10%Hと90%Arの混合アルゴン流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、LiV相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して0モルということになる。 LiV 2 O 5 was synthesized as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 17.9 g of lithium hydroxide (LiOH) were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was put in an alumina pot and reacted at 400 ° C. for 6 hours under a mixed argon flow of 10% H 2 and 90% Ar. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, the LiV 2 O 5 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 0 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 2 O 5 .

LiVの合成は次の通り実施した。メタバナジン酸アンモニウム(NHVO)100gと水酸化リチウム(LiOH)12.0gとを混合し予め粉砕混合した。次いでそれをアルミナ鉢に入れてエアー流通下400℃で6時間反応させた。得られた粗結晶を再び粉砕して目的とする材料を合成した。XRD及びICPによる元素組成分析の結果、LiV相を確認した。ピラー元素量は、インサーション系物質V1モルに対して0モルということになる。 LiV 3 O 8 was synthesized as follows. 100 g of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and 12.0 g of lithium hydroxide (LiOH) were mixed and pulverized and mixed in advance. Next, it was placed in an alumina bowl and reacted at 400 ° C. for 6 hours under air flow. The obtained crude crystals were pulverized again to synthesize the target material. As a result of elemental composition analysis by XRD and ICP, a LiV 3 O 8 phase was confirmed. The amount of the pillar element is 0 mol with respect to 1 mol of the insertion material V 3 O 8 .

このようにして得られたバナジン酸ナトリウム、バナジン酸塩リチウムを活物質として用いて、正極を作成した。正極活物質としてのNaVを90重量%を、導電性カーボンブラック5重量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%と混合した。溶媒には、例えば、N−メチルピロリドン(NMP)を用いてスラリーを形成した。かかるスラリーを、片面当たりの合材密度2g/cmとなるように、貫通孔を有する銅製集電体両面にドクターブレード法によって塗布、プレス成型した。かかる乾燥体を、24×36mm四方に裁断して正極とした。 A positive electrode was prepared using the sodium vanadate and lithium vanadate thus obtained as active materials. 90% by weight of NaV 2 O 5 as a positive electrode active material was mixed with 5% by weight of conductive carbon black and 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF). For example, N-methylpyrrolidone (NMP) was used as the solvent to form a slurry. The slurry was applied and press-molded by a doctor blade method on both sides of a copper current collector having through holes so that the mixture density per side was 2 g / cm 3 . This dried body was cut into a 24 × 36 mm square to form a positive electrode.

同様に、NaV、Na1.5、Na1.5、Na0.2Li0.8、Na0.2Li0.8、LiV、LiVを活物質として、活物質が異なる以外は、NaVと同様にして電極を製造した。かかる製造した活物質をNMPを溶媒にしてスラリーを形成した。かかるスラリーを、乾燥により正極を比較例も含めて作成し、合材密度が2g/cmとなるようプレス成型した。 Similarly, NaV 3 O 8 , Na 1.5 V 2 O 5 , Na 1.5 V 3 O 8 , Na 0.2 Li 0.8 V 2 O 5 , Na 0.2 Li 0.8 V 3 O 8 , LiV 2 O 5 and LiV 3 O 8 were used as active materials, and electrodes were manufactured in the same manner as NaV 2 O 5 except that the active materials were different. A slurry was formed from the produced active material using NMP as a solvent. Such a slurry was prepared by drying to form a positive electrode including a comparative example, and press-molded so that the mixture density was 2 g / cm 3 .

[負極の作製]負極の活物質としては、黒鉛を使用した。かかる活物質の黒鉛と、バインダとしてPVdFを、90:10の割合で混合した。NMPで希釈して、スラリーを調製した。かかるスラリーを、貫通孔を有する銅製集電体両面に塗布し、合材密度が1.5g/cmとなるようプレス成型した。かかる構成の集電体を、26×38mm四方に裁断して負極とした。 [Preparation of Negative Electrode] Graphite was used as the negative electrode active material. The active material graphite and PVdF as a binder were mixed at a ratio of 90:10. A slurry was prepared by diluting with NMP. This slurry was applied to both surfaces of a copper current collector having through-holes, and press-molded so that the composite material density was 1.5 g / cm 3 . The current collector having such a configuration was cut into a 26 × 38 mm square to form a negative electrode.

[電池(蓄電体)の作成]上記のように作製した正極、負極を用いて、実施の形態の説明にそって、電極構成A、Bを有する蓄電体を作成した。電極構成Aの場合には、前記実施の形態で説明した二つの異なるリチウムのプレドープ方法に基づき2種形成した。セパレータとしてポリエチレン系微多孔膜を使用した。そして、さらにセパレータを介して、ステンレス多孔箔に金属リチウムを貼り付けたリチウム極を正極に対向して配置した。このようにして、正極、負極、リチウム極およびセパレータからなる三極積層ユニットを作製した。この三極積層ユニットを、溶媒としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを1:3で混合し、テトラフルオロほう酸リチウムを1mol/Lとなるように溶解して電解液を作成した。電極構成Bの場合も、当初からリチウム極と負極とを短絡させておく以外は、上記電極構成Aの場合と同様にして蓄電体を構成した。   [Preparation of Battery (Accumulator)] Using the positive electrode and the negative electrode manufactured as described above, an electric storage body having electrode configurations A and B was prepared in accordance with the description of the embodiment. In the case of the electrode configuration A, two types were formed based on the two different lithium pre-doping methods described in the above embodiment. A polyethylene microporous membrane was used as a separator. And the lithium electrode which affixed metallic lithium on stainless steel porous foil was further arrange | positioned facing the positive electrode through the separator. In this way, a three-electrode laminate unit composed of a positive electrode, a negative electrode, a lithium electrode, and a separator was produced. Using this triode laminate unit, ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a ratio of 1: 3 as a solvent, and lithium tetrafluoroborate was dissolved to a concentration of 1 mol / L to prepare an electrolytic solution. In the case of the electrode configuration B, a power storage unit was configured in the same manner as in the case of the electrode configuration A except that the lithium electrode and the negative electrode were short-circuited from the beginning.

かかる構成の蓄電体で、上記2種の電極構成Aを有する一方の場合には、0.1C、4.1Vの定電流―定電圧(CC−CV)充電方式で、含有させたピラー元素を脱ドープさせた。また、他の一方の場合の電極構成Aでも、0.1C、4.1Vの定電流―定電圧(CC−CV)充電方式で、含有させたピラー元素を脱ドープさせた。かかる構成の蓄電体に、放電させることでリチウムイオンのプレドープを行った。電極構成Bについても、0.1C、4.1Vの定電流―定電圧(CC−CV)充電方式で、ピラー元素の脱ドープを行った。さらに、その後、リチウムイオンのプレドープを行った。   In the case of the power storage unit having such a configuration and having one of the above two types of electrode configurations A, the contained pillar element is contained in a constant current-constant voltage (CC-CV) charging method of 0.1 C, 4.1 V. Dedoped. In addition, in the electrode configuration A in the other case, the incorporated pillar element was dedoped by a constant current-constant voltage (CC-CV) charging method of 0.1 C and 4.1 V. The power storage unit having such a configuration was pre-doped with lithium ions by discharging. Also for the electrode configuration B, the pillar element was dedopeed by a constant current-constant voltage (CC-CV) charging method of 0.1 C and 4.1 V. Further, lithium ion pre-doping was then performed.

[容量維持率の測定]上記の如く作成した電極構成Aを有する2種、電極構成Bを有する1種の蓄電体では、充電は0.1C、4.1Vの定電流―定電圧(CC−CV)充電方式で30時間カットし、放電は0.05Cで1.35Vカットの定電流(CC)放電方式とし、容量維持率を測定した。   [Measurement of Capacity Retention Ratio] In the two types having the electrode configuration A prepared as described above and the one type of power storage unit having the electrode configuration B, charging was performed at a constant current-constant voltage (CC− of 0.1 C, 4.1 V). CV) The battery was cut for 30 hours by the charging method, and the discharge was a constant current (CC) discharging method of 0.05C at 1.35 V cut, and the capacity retention rate was measured.

[高率放電性能の測定]上記作成した電極構成Aを有する2種、電極構成Bを有する1種の蓄電体で、充電は0.1C、4.1Vの定電流―定電圧(CC−CV)充電方式で30時間カットとし、放電は、4.0Cで1.35Vカットの定電流(CC)放電方式とし、高率放電性能を測定した。   [Measurement of High Rate Discharge Performance] Two types of the above-prepared electrode configuration A and one type of power storage unit having electrode configuration B were charged at a constant current-constant voltage (CC-CV of 0.1 C, 4.1 V). ) The charging method was cut for 30 hours, and the discharge was a constant current (CC) discharge method of 1.35 V cut at 4.0 C, and high rate discharge performance was measured.

上記のように構成した電池構成の蓄電体に対して、前記実施の形態で説明した3種のリチウムイオンのプレドープ方法を行った。このようにして3種のプレドープ方法で製作されたそれぞれ3種の蓄電体に対して、容量維持率、高率放電性能をそれぞれ測定した。本実施例で得られた数値結果を、図15(a)で表形式にして示した。図15(b)では、その数値結果を分かりやすいように視覚化して示した。   The three types of lithium ion pre-doping methods described in the above embodiment were performed on the battery unit configured as described above. Thus, the capacity maintenance rate and the high rate discharge performance were measured for each of the three types of power storage devices manufactured by the three types of pre-doping methods. The numerical results obtained in this example are shown in tabular form in FIG. In FIG. 15B, the numerical results are visualized for easy understanding.

尚、図15(a)、(b)からも分かるように、電極構成A、Bに基づく前記実施の形態で示した3種のプレドープ方法による結果は、同一であった。   As can be seen from FIGS. 15A and 15B, the results of the three pre-doping methods shown in the above-described embodiment based on the electrode configurations A and B were the same.

図15(b)から明らかなようにNaV、NaV、Na1.5、Na1.5、Na0.2Li0.8、Na0.2Li0.8を活物質として使用したリチウムイオンのプレドープの場合の方が、比較例として示したLiV、LiVを用いてプレドープを行った場合よりも、容量維持率、高率放電性能が共に良好であった。 As is apparent from FIG. 15B, NaV 2 O 5 , NaV 3 O 8 , Na 1.5 V 2 O 5 , Na 1.5 V 3 O 8 , Na 0.2 Li 0.8 V 2 O 5 In the case of lithium ion pre-doping using Na 0.2 Li 0.8 V 3 O 8 as an active material, pre-doping was performed using LiV 2 O 5 and LiV 3 O 8 shown as comparative examples. Both the capacity retention rate and the high rate discharge performance were better than the case.

容量維持率では、本発明に係わるNaV、Na1.5を用いた電池の方が、従来例としてのLiVよりも、約1.4倍も向上していることが確認された。併せて、高率放電性能も約1.3倍も向上していた。Na0.2Li0.8の場合にも、従来例としてのLiVと比較して、容量維持率が約1.3倍、高率放電性能が約1.2倍向上することが確認された。 In the capacity maintenance rate, the battery using NaV 2 O 5 and Na 1.5 V 2 O 5 according to the present invention is about 1.4 times better than LiV 2 O 5 as the conventional example. It was confirmed that At the same time, the high rate discharge performance was improved about 1.3 times. Also in the case of Na 0.2 Li 0.8 V 2 O 5 , the capacity retention rate is about 1.3 times and the high rate discharge performance is about 1.2 times compared to LiV 2 O 5 as the conventional example. It was confirmed to improve.

一方、本発明に係わるNaV、Na1.5についても、従来例のLiVに比して、容量維持率で約1.3倍、高率放電性能で約1.4倍も向上していることが確認された。Na0.2Li0.8についても、従来例のLiVに比して、容量維持率で約1.2倍、高率放電性能で約1.3倍も向上していることが確認された。 On the other hand, the NaV 3 O 8 and Na 1.5 V 3 O 8 according to the present invention are also about 1.3 times the capacity retention rate and about the high rate discharge performance compared to the LiV 3 O 8 of the conventional example. It was confirmed that it was improved by 1.4 times. For even Na 0.2 Li 0.8 V 3 O 8 , compared with the LiV 3 O 8 in the conventional example, about 1.2 times the capacity retention ratio, also increased by about 1.3 times in high rate discharge performance It was confirmed that

また、Na0.2Li0.8、Na0.2Li0.8の場合に明らかに示されるように、活物質1モル当りピラー元素としてのナトリウムが0.2モル含まれていれば、少なくとも容量維持率を約1.3〜1.2倍も向上させることができる。併せて、かかる場合には、さらに高率放電性能も、約1.2倍〜1.3倍も向上させ得ることが確認された。 Further, as clearly shown in the case of Na 0.2 Li 0.8 V 2 O 5 and Na 0.2 Li 0.8 V 3 O 8 , sodium as a pillar element is 0.1 % per mol of the active material. If 2 mol is contained, the capacity retention rate can be improved at least about 1.3 to 1.2 times. In addition, in such a case, it was confirmed that the high-rate discharge performance can be improved by about 1.2 to 1.3 times.

以上の結果から、本願発明の如く、電極の活物質に当初からピラー元素を含ませておき、そのピラー元素を脱ドープして、その後にピラー元素の代りにリチウムをプレドープする構成が、蓄電体の容量維持率、高率放電性能の両者の向上に有効であることが確認された。   From the above results, the structure in which the pillar active element is included in the electrode active material from the beginning as in the present invention, the pillar element is dedoped, and then lithium is pre-doped instead of the pillar element. It was confirmed that it is effective in improving both the capacity retention rate and the high rate discharge performance.

本発明は、リチウムイオンのプレドープを行うリチウムイオン二次電池等の蓄電体の分野で有効に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used in the field of power storage units such as lithium ion secondary batteries that perform lithium ion pre-doping.

本発明におけるピラー元素としての使用可能性の範囲を周期律表で示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the range of the usability as a pillar element in this invention with the periodic table. (a)、(b)、(c)は、本発明に係わる電極構成の一例のみを模式的に示した説明図である。(A), (b), (c) is explanatory drawing which showed typically only an example of the electrode structure concerning this invention. (a)、(b)、(c)は、本発明に係わる電極構成の一例のみを模式的に示した説明図である。(A), (b), (c) is explanatory drawing which showed typically only an example of the electrode structure concerning this invention. (a)、(b)、(c)は、本発明に係わる電極構成の一例のみを模式的に示した説明図である。(A), (b), (c) is explanatory drawing which showed typically only an example of the electrode structure concerning this invention. (a)、(b)は、図2に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。(A), (b) is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. 図2に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. 図2に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. (a)、(b)は、図3に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。(A), (b) is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. 図3に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. 図3に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. (a)、(b)は、図4に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。(A), (b) is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. 図4に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. 図4に対応した電極構成を有する本発明に係わる蓄電体の一例を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically an example of the electrical storage body concerning this invention which has an electrode structure corresponding to FIG. インサーション系物質として使用できるバナジン酸化物の一例を表形式で示した説明図である。It is explanatory drawing which showed an example of the vanadium oxide which can be used as an insertion type material in a tabular form. (a)は容量維持率、高率放電性能を表形式で示す説明図であり、(b)は(a)を視覚化した説明図である。(A) is explanatory drawing which shows a capacity | capacitance maintenance factor and high rate discharge performance in a table | surface form, (b) is explanatory drawing which visualized (a).

符号の説明Explanation of symbols

10 リチウム極
11 リチウム供給源
11a 金属リチウム
12 集電体
20 正極
21 活物質
21a インサーション系物質
22 集電体
23 正極端子
30 負極
31 活物質
32 集電体
33 負極端子
40 外部負荷
40a 充放電装置
50 セパレータ
100 蓄電体
110 蓄電体
200 蓄電体
210 蓄電体
300 蓄電体
310 蓄電体
A 電極構成
a 結線
B 電極構成
b 結線
c 結線
d 結線
e 結線
f 結線
P ピラー元素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Lithium electrode 11 Lithium supply source 11a Metal lithium 12 Current collector 20 Positive electrode 21 Active material 21a Insertion type material 22 Current collector 23 Positive electrode terminal 30 Negative electrode 31 Active material 32 Current collector 33 Negative electrode terminal 40 External load 40a Charge / Discharge device 50 separator 100 power storage unit 110 power storage unit 200 power storage unit 210 power storage unit 300 power storage unit 310 power storage unit A electrode configuration a connection B electrode configuration b connection c connection d connection e connection f connection P pillar element

Claims (11)

正負極間を通電させ使用する前に電極に用いる活物質へリチウムイオンを予めドープするプレドープ方法であって、
前記活物質の結晶構造内に保持された前記リチウムイオンよりイオン半径が大きく前記リチウムイオンとイオン交換される電気的に脱ドープ可能な元素を、充電により前記活物質から脱ドープし、
前記脱ドープで空位になった前記活物質の結晶構造内に、前記リチウムイオンを電気的にドープすることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
A pre-doping method in which lithium ions are pre-doped into an active material used for an electrode before being used between a positive electrode and a negative electrode
An electrically dedopeable element ion-exchanged with the lithium ion having a larger ionic radius than the lithium ion held in the crystal structure of the active material is dedoped from the active material by charging,
A lithium ion pre-doping method, wherein the lithium ion is electrically doped into the crystal structure of the active material which has become vacant by the dedoping.
請求項1に記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記リチウムイオンのドープは放電により行われることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
The lithium ion pre-doping method according to claim 1,
The lithium ion pre-doping method is characterized in that the lithium ion doping is performed by discharging.
請求項1に記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記リチウムイオンのドープは短絡により行われることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
The lithium ion pre-doping method according to claim 1,
The lithium ion pre-doping method is characterized in that the lithium ion doping is performed by a short circuit.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記元素は最初の前記脱ドープが行われる前は、前記活物質1モルに対して、0.2モル以上、1.5モル以下含まれていることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
The lithium ion pre-doping method according to any one of claims 1 to 3,
The element is contained in an amount of 0.2 mol or more and 1.5 mol or less with respect to 1 mol of the active material before the first undoping.
請求項4に記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記元素は最初の前記脱ドープが行われる前は、前記活物質1モルに対して0.5モル以上含まれていることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
The lithium ion pre-doping method according to claim 4,
The element is contained in an amount of 0.5 mol or more with respect to 1 mol of the active material before the first undoping.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記充電は、前記元素を含有する活物質を用いた正極と、リチウム極との間で行われ、
前記リチウムイオンのドープは、前記元素が脱ドープされた後の前記正極と、前記リチウム極との間で行われることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
In the lithium ion pre-doping method according to any one of claims 1 to 5,
The charging is performed between a positive electrode using an active material containing the element and a lithium electrode,
The lithium ion pre-doping method is performed between the positive electrode after the element is dedope and the lithium electrode.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記充電は、前記元素を含有する活物質を用いた正極と、負極との間で行われ、
前記リチウムイオンのドープは、前記元素が脱ドープされた後の前記正極と、リチウム極との間で行われることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
In the lithium ion pre-doping method according to any one of claims 1 to 5,
The charging is performed between a positive electrode using an active material containing the element and a negative electrode,
The lithium ion pre-doping method is characterized in that the lithium ion doping is performed between the positive electrode after the element is dedope and the lithium electrode.
請求項1〜5のいずれか1項記載のリチウムイオンのプレドープ方法において、
前記充電は、リチウム極と電気的に短絡した負極と、前記元素を含有する活物質を用いた正極との間で行われ、
前記リチウムイオンのドープは、前記負極と電気的に短絡したリチウム極と、前記元素の脱ドープされた後の前記正極との間で行われることを特徴とするリチウムイオンのプレドープ方法。
In the lithium ion pre-doping method according to any one of claims 1 to 5,
The charging is performed between a negative electrode electrically short-circuited with a lithium electrode and a positive electrode using an active material containing the element,
The lithium ion pre-doping method is performed between a lithium electrode electrically short-circuited with the negative electrode and the positive electrode after the element is dedoped.
正負極間を通電させ使用するに予めリチウムイオンをプレドープする活物質を有する電極であって、
請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウムイオンのプレドープ方法によって、前記リチウムイオンがドープされることを特徴とする電極。
An electrode having an active material pre-doped with lithium ions in advance for use between a positive electrode and a negative electrode,
The said lithium ion is doped by the pre-doping method of the lithium ion of any one of Claims 1-8, The electrode characterized by the above-mentioned.
正負極間を通電させ使用する前に活物質に予めリチウムイオンをプレドープする前記電極を有する蓄電体であって、
請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウムイオンのプレドープ方法により、前記電極には前記リチウムイオンがドープされることを特徴とする蓄電体。
A power storage unit having the above-mentioned electrode pre-doped with lithium ions in an active material before energization between the positive and negative electrodes,
The electric storage body, wherein the lithium ion is doped into the electrode by the lithium ion pre-doping method according to claim 1.
請求項10記載の蓄電体において、
負極に形成される固体電解質界面相には、正極で使用する前記活物質の結晶構造内にリチウムイオンよりイオン半径が大きく前記リチウムイオンとイオン交換される電気的に脱ドープ可能な元素が、正極から脱ドープされた量以下含まれていることを特徴とする蓄電体。
The power storage unit according to claim 10,
The solid electrolyte interfacial phase formed in the negative electrode contains an electrically dedopeable element that has a larger ion radius than lithium ions and is ion-exchanged with the lithium ions in the crystal structure of the active material used in the positive electrode. A power storage unit characterized in that it is contained in an amount less than or equal to the amount of dedope.
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