JP2014103146A - Electricity storage device, and electrode and porous sheet used in the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は蓄電デバイスおよびそれに用いる電極ならびに多孔質シートに関し、詳しくは、電気二重層キャパシタの優れた特性と、リチウムイオン二次電池の優れた特性を併せ持つ、新規な電気二重層キャパシタ型の蓄電デバイスおよびそれに用いる電極ならびに多孔質シートに関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electricity storage device, an electrode used therefor, and a porous sheet, and more particularly, a novel electric double layer capacitor type electricity storage device having both excellent characteristics of an electric double layer capacitor and excellent characteristics of a lithium ion secondary battery. And an electrode used therefor and a porous sheet.
近年、低炭素社会実現のための技術開発が活発に行われており、特に、自動車市場では、ガソリン自動車に代わって、ハイブリッド自動車や電気自動車の需要が急増している。ハイブリッド自動車や電気自動車の蓄電デバイスとしては、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が主として用いられている。このような自動車用の蓄電デバイスにおいては、エネルギー密度が高いだけでは充分でなく、加速に対応し得る高い出力密度を有することが求められる。 In recent years, technology development for realizing a low-carbon society has been actively carried out. In particular, in the automobile market, demand for hybrid cars and electric cars is rapidly increasing in place of gasoline cars. Lithium ion secondary batteries having high energy density are mainly used as power storage devices for hybrid vehicles and electric vehicles. In such a power storage device for automobiles, it is not sufficient that the energy density is high, but it is required to have a high output density that can cope with acceleration.
しかし、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度は高いものの、出力密度はそれほど高くないという問題を有している。そこで、自動車用のリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度を犠牲にして、出力密度を高めるための様々な工夫がなされている。このため、自動車用のリチウムイオン二次電池の出力密度を1000W/kgを超える領域まで高めると、そのエネルギー密度は数十kWh/kgというレベルにまで低下しているという現状にある。 However, although the lithium ion secondary battery has a high energy density, it has a problem that the output density is not so high. In view of this, lithium ion secondary batteries for automobiles have been devised in various ways to increase output density at the expense of energy density. For this reason, when the output density of the lithium ion secondary battery for automobiles is increased to an area exceeding 1000 W / kg, the energy density is reduced to a level of several tens of kWh / kg.
一方、高い出力特性と長寿命を有するエネルギー貯蓄デバイスとして、多孔性セパレータと、この多孔性セパレータを挟んで対向して配設された一対の分極性電極と、多孔性セパレータと分極性電極に含浸させた電解液を有する電気二重層キャパシタが注目されている。電気二重層キャパシタは、出力密度が非常に高く、容易に数千W/kgにも達することができ、しかも、サイクル特性にも優れているため、蓄電デバイスとして極めて優れている。しかしながら、エネルギー密度が低いという欠点も有するため、そのままでは自動車用の蓄電デバイスには適用することはできない。 On the other hand, as an energy storage device with high output characteristics and long life, a porous separator, a pair of polarizable electrodes arranged opposite to each other with the porous separator interposed therebetween, and impregnating the porous separator and polarizable electrode Attention has been focused on electric double layer capacitors having an electrolyte solution. An electric double layer capacitor has a very high output density, can easily reach several thousand W / kg, and is excellent in cycle characteristics, and thus is extremely excellent as an electricity storage device. However, since it also has a drawback of low energy density, it cannot be applied as it is to a power storage device for automobiles.
すなわち、電気二重層キャパシタは、通常、粉末活性炭や繊維状活性炭等の導電性多孔性炭素材料からなる分極性電極を用い、電解液中の支持電解質イオンの物理的吸着特性を利用して電気を貯蔵するデバイスであるため、酸化還元反応という化学反応を利用して電気を貯蔵するデバイスに比べて、エネルギー密度が極めて小さく、長時間にわたる放電を持続することができない。 That is, an electric double layer capacitor usually uses a polarizable electrode made of a conductive porous carbon material such as powdered activated carbon or fibrous activated carbon, and uses the physical adsorption characteristics of supporting electrolyte ions in the electrolyte solution to generate electricity. Since it is a storage device, it has an extremely low energy density and cannot sustain discharge over a long period of time compared to a device that stores electricity using a chemical reaction called a redox reaction.
このような電気二重層キャパシタの欠点を改良するには、電極に用いる活性炭の高比表面積化が必須となっている。したがって、活性炭の高比表面積化実現のために、様々な研究がなされている。例えば、石炭の溶剤抽出物(無灰炭)を不活性雰囲気下で800〜950℃の温度で加熱し、得られた固体残渣をアルカリ賦活することが行なわれている(特許文献1)。また、石炭系ピッチを400〜600℃および600〜900℃の二段階の温度で熱処理し、熱処理した石炭系ピッチをアルカリ賦活すること(特許文献2)や、粒状の等方性ピッチを不融化した後、薬剤で賦活(特許文献3)などの処理が検討されている。そして、活性炭の表面に、酸化還元特性を有する導電性ポリマーなどをコーティングする化学的修飾を行うという試みもなされている(特許文献4、5、6)。 In order to improve the drawbacks of such electric double layer capacitors, it is essential to increase the specific surface area of activated carbon used for the electrodes. Therefore, various studies have been made to realize a high specific surface area of activated carbon. For example, a solvent extract of coal (ashless coal) is heated at a temperature of 800 to 950 ° C. in an inert atmosphere, and the resulting solid residue is alkali activated (Patent Document 1). In addition, heat treatment is performed on the coal-based pitch at two stages of 400 to 600 ° C. and 600 to 900 ° C., and the heat-treated coal-based pitch is alkali-activated (Patent Document 2), and the granular isotropic pitch is infusible. After that, treatment such as activation with a drug (Patent Document 3) has been studied. Attempts have also been made to chemically modify the surface of the activated carbon with a conductive polymer having redox properties (Patent Documents 4, 5, and 6).
しかし、これらの改良がなされても、エネルギー密度の改善は未だ充分ではない。さらには、導電性ポリマー系において、ポリマーアニオンを利用したロッキングチェア型の開発も試みられているが、その特性は充分ではない(特許文献7)。 However, even with these improvements, the improvement in energy density is still not sufficient. Furthermore, in the conductive polymer system, the development of a rocking chair type using a polymer anion has been attempted, but its characteristics are not sufficient (Patent Document 7).
このように、電気二重層キャパシタは、様々な改良がなされているものの、リチウム二次電池と同様、性能において未だ充分ではないという現状にある。 As described above, although various improvements have been made to the electric double layer capacitor, the current state is that the performance is still not sufficient as in the case of the lithium secondary battery.
本発明は、このような問題を解決し、容量密度だけでなく、サイクル特性等にも優れる新規な蓄電デバイスおよびそれに用いる電極ならびに多孔質シートを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such problems and to provide a novel electricity storage device that is excellent not only in capacity density but also in cycle characteristics and the like, an electrode used therefor, and a porous sheet.
上記目的を達成するため、本発明は、電解質層と、これを挟んで設けられる正極と負極とを有する蓄電デバイスであって、上記正極および負極の少なくとも一方に用いる電極が、下記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその電極内部に下記(B)が固定されている蓄電デバイスを、第一の要旨とする。
(A)導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料。
(B)ポリ(メタ)アクリル酸。
In order to achieve the above object, the present invention provides an electricity storage device having an electrolyte layer, a positive electrode and a negative electrode provided therebetween, and the electrode used for at least one of the positive electrode and the negative electrode is the following (A) and An electrical storage device comprising a composite containing (B) and having the following (B) fixed inside the electrode is taken as a first gist.
(A) A porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer.
(B) Poly (meth) acrylic acid.
また、上記正極および負極の少なくとも一方に用いる電極であって、上記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその電極内部に上記(B)が固定されている蓄電デバイス用電極を、第二の要旨とする。 An electrode for an electricity storage device, which is an electrode used for at least one of the positive electrode and the negative electrode, and is made of a composite containing the above (A) and (B), and (B) is fixed inside the electrode, This is the second gist.
さらに、上記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその複合体内部に上記(B)が固定されている蓄電デバイス電極用多孔質シートを、第三の要旨とする。 Furthermore, let the 3rd summary be the porous sheet for electrical storage device electrodes which consists of a composite containing said (A) and (B), and said (B) is being fixed inside the composite.
すなわち、本発明者らは、容量密度やサイクル特性等に優れる蓄電デバイスを得るため、鋭意検討を重ねた。その過程で、リチウム二次電池および電気二重層キャパシタそれぞれの優れた特性を兼ね備えるようにすると、目的とする蓄電デバイスを得ることができるのではないかと想起し、検討を重ねた。その結果、特殊な処理を行った多孔質炭素材料を電極材料として用いるとともに、その電極内にポリ(メタ)アクリル酸を固定させて用いようにすると、蓄電デバイスの容量密度が予想に反して大幅に向上することを見出し本発明に到達した。 That is, the present inventors have intensively studied in order to obtain an electricity storage device having excellent capacity density and cycle characteristics. In the process, the inventors of the present invention recalled that the target power storage device could be obtained by combining the excellent characteristics of the lithium secondary battery and the electric double layer capacitor. As a result, when a porous carbon material that has been specially treated is used as an electrode material and poly (meth) acrylic acid is fixed in the electrode, the capacity density of the electricity storage device is significantly larger than expected. As a result, the present invention has been found.
なお、本発明において、「ポリ(メタ)アクリル酸」とは、ポリアクリル酸およびポリメタクリル酸のいずれであってもよいことを意味する。 In the present invention, “poly (meth) acrylic acid” means that either polyacrylic acid or polymethacrylic acid may be used.
また、本発明において、「ポリ(メタ)アクリル酸(B)が電極の内部に固定される」とは、特殊な多孔質炭素材料(A)を含む正極形成材料との関係において、正極形成材料より形成された複合体内に固定されることをいい、これにより、ポリ(メタ)アクリル酸(B)というアニオン性材料が固定され動かないことにより、対するカチオンが移動する性質を有するようになり、ひいては、これを用いた蓄電デバイスがロッキングチェア型の機構を有するようになることを意味する。 In the present invention, “poly (meth) acrylic acid (B) is fixed inside the electrode” means that the positive electrode forming material is related to the positive electrode forming material including the special porous carbon material (A). It is said that it is fixed in a more formed complex, and by this, an anionic material called poly (meth) acrylic acid (B) is fixed and does not move, so that it has a property that the cation moves. As a result, this means that an electricity storage device using the same has a rocking chair type mechanism.
このように、本発明の蓄電デバイスは、上記正極および負極の少なくとも一方に用いる電極が、下記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその電極内部に下記(B)が固定されている。このため、エネルギー密度および容量密度のいずれにも優れるようになっている。
(A)導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料。
(B)ポリ(メタ)アクリル酸。
Thus, in the electricity storage device of the present invention, the electrode used for at least one of the positive electrode and the negative electrode is composed of a composite containing the following (A) and (B), and the following (B) is fixed inside the electrode. Yes. For this reason, both energy density and capacity density are excellent.
(A) A porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer.
(B) Poly (meth) acrylic acid.
すなわち、電極の材料として、導電性ポリマーによってその表面が被覆されている多孔質炭素材料を用いるとともに、その電極内部にポリ(メタ)アクリル酸を固定するようにしているため、ポリ(メタ)アクリル酸がロッキングチェア型の機能を有するだけでなくバインダーの機能を有し、電極形成のために他のバインダーを用いる必要がなくなるか、もしくは減量することができる。したがって、電極の内部抵抗を小さくすることができ、高エネルギー密度を有する蓄電デバイスを得ることができる。さらに、電極の材料の多孔質炭素材料の表面が導電性ポリマーで被覆されているため、電極の導電性が向上して蓄電デバイスの高速充放電が可能となるとともに、その容量密度を大幅に向上させることができる。 That is, as the electrode material, a porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer is used, and poly (meth) acrylic acid is fixed inside the electrode. The acid has not only a rocking chair type function but also a binder function, which eliminates or reduces the need to use another binder for electrode formation. Therefore, the internal resistance of the electrode can be reduced, and an electricity storage device having a high energy density can be obtained. Furthermore, since the surface of the porous carbon material of the electrode material is coated with a conductive polymer, the conductivity of the electrode is improved, enabling high-speed charge / discharge of the electricity storage device, and greatly increasing its capacity density. Can be made.
また、電解質層とこれを挟んで設けられる正極と負極とを有する蓄電デバイスにおいて、上記正極および負極の少なくとも一方に用いる電極であって、上記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその電極内部に上記(B)が固定されている蓄電デバイス用電極であると、これを用いた蓄電デバイスは充放電特性に優れ、容量密度に優れるようになる。 Further, in an electricity storage device having an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode provided therebetween, the electrode is used for at least one of the positive electrode and the negative electrode, and is made of a composite containing the above (A) and (B). When the electrode for an electricity storage device in which (B) is fixed inside the electrode, the electricity storage device using the electrode has excellent charge / discharge characteristics and excellent capacity density.
そして、これらの蓄電デバイスの正極および負極の少なくとも一方に用いる電極が、多孔質に形成されていると、表面積が大きくなり、より多くのイオンを吸着することができるため、蓄電デバイスの高容量密度化を一層実現することができる。 If the electrode used for at least one of the positive electrode and the negative electrode of these electricity storage devices is formed to be porous, the surface area becomes large and more ions can be adsorbed, so the high capacity density of the electricity storage device Can be realized further.
さらに、下記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその複合体内部に下記(B)が固定されている蓄電デバイス電極用多孔質シートであると、これを用いた蓄電デバイスは充放電特性に優れ、容量密度に優れるようになる。 Furthermore, when the porous sheet for an electricity storage device electrode is composed of a composite containing the following (A) and (B) and the following (B) is fixed inside the composite, the electricity storage device using this is charged. Excellent discharge characteristics and excellent capacity density.
本発明の実施の形態について、以下に詳細に説明する。本発明の蓄電デバイスは、正極および負極の少なくとも一方に用いる電極が、上記(A)および(B)を構成要素として有する複合体からなることに最大の特徴がある。以下に、この特徴点である電極を正極として用いた本発明の蓄電デバイスの構成を順に説明する。しかし、以下に記載する説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明は、以下の内容に限定されない。 Embodiments of the present invention will be described in detail below. The electric storage device of the present invention is most characterized in that an electrode used for at least one of a positive electrode and a negative electrode is composed of a composite having the above (A) and (B) as constituent elements. Below, the structure of the electrical storage device of this invention which used the electrode which is this feature point as a positive electrode is demonstrated in order. However, the description described below is an example of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following contents.
本発明の蓄電デバイスは、図1に示すように、電解質層3と、これを挟んで設けられる正極2と負極4とを有し、少なくとも一方の電極が、下記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその電極内部に下記(B)が固定されている。なお、1は集電体(正極用)である。また、図1は、蓄電デバイスの構造を模式的に示したものであり、各層の厚み等は実際とは異なっている。
(A)導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料。
(B)ポリ(メタ)アクリル酸。
As shown in FIG. 1, the electricity storage device of the present invention has an
(A) A porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer.
(B) Poly (meth) acrylic acid.
<正極について>
上記正極2は、上記(A)および(B)を含む複合体からなるとともにその電極内部に上記(B)が固定されており、とりわけ、多孔質に形成されたものが好ましく用いられる。このような電極の厚みは、1〜1000μmであることが好ましく、10〜700μmであることがより好ましい。すなわち、厚みが薄すぎると、充分な容量が得られない蓄電デバイスとなる傾向があり、逆に、厚みが厚すぎると、正極2内部におけるイオンの拡散がしにくくなり、所望の出力が得られない傾向がみられるためである。
<About positive electrode>
The positive electrode 2 is made of a composite containing the above (A) and (B) and the above (B) is fixed inside the electrode, and in particular, a porous one is preferably used. The thickness of such an electrode is preferably 1-1000 μm, more preferably 10-700 μm. That is, if the thickness is too thin, there is a tendency that an electric storage device cannot obtain a sufficient capacity. Conversely, if the thickness is too thick, it becomes difficult for ions to diffuse inside the positive electrode 2 and a desired output is obtained. This is because there is no tendency.
上記正極2の厚みは、先端が直径5mmの平板形状のダイヤルゲージ(矢崎製作所社製)を用い、正極2の面に対して測定を行い、その10点の平均値を求めることにより得たものである。集電体1上に正極2が設けられ、これらが一体化し複合物となっている場合には、その複合物の厚みを上記と同様に測定し、その10点の平均値を求めた後、集電体1の厚みを差し引くことにより、その値を求めることができる。
The thickness of the positive electrode 2 was obtained by measuring the surface of the positive electrode 2 using a flat dial gauge (manufactured by Yazaki Mfg. Co., Ltd.) having a tip of 5 mm in diameter, and obtaining the average value of the 10 points. It is. When the positive electrode 2 is provided on the
上記正極2は、前記のように、導電性ポリマーによって表面が被覆された 多孔質炭素材料(A)およびポリ(メタ)アクリル酸(B)を含有する複合体からなり、以下、これらの材料について順に説明する。 As described above, the positive electrode 2 is composed of a composite containing the porous carbon material (A) and the poly (meth) acrylic acid (B) whose surfaces are coated with a conductive polymer. These will be described in order.
〔導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)〕
上記導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料とは、導電性ポリマーが、多孔質炭素材料の細孔の内周壁に入り込み、その内周壁に沿って薄膜に被覆しているものである。すなわち、多孔質炭素材料の細孔が、導電性ポリマーによって塞がれていないため、比表面積の大きい、導電性ポリマー/多孔質炭素材料の複合体に形成されている。なお、多孔質炭素材料の細孔の内周壁とは、多孔質炭素材料の表面から内部に延びる細孔の内側表面を意味する。
[Porous carbon material (A) whose surface is coated with a conductive polymer]
The porous carbon material whose surface is coated with the conductive polymer is one in which the conductive polymer enters the inner peripheral wall of the pores of the porous carbon material and coats a thin film along the inner peripheral wall. . That is, since the pores of the porous carbon material are not blocked by the conductive polymer, the porous carbon material is formed into a conductive polymer / porous carbon material composite having a large specific surface area. In addition, the inner peripheral wall of the pore of the porous carbon material means the inner surface of the pore extending inward from the surface of the porous carbon material.
上記多孔質炭素材料表面を被覆する導電性ポリマーの厚みは、0.1〜500nmであることが好ましく、0.5〜50nmであることがより好ましい。導電性ポリマーの被覆が薄すぎると、容量密度の高い蓄電デバイスを得ることができない傾向がみられ、また、導電性ポリマーの被覆が厚すぎても、イオンの拡散がしにくくなり、高い容量密度を達成することができない傾向がみられるためである。そして、導電性ポリマーの、導電性ポリマーと多孔質炭素材料との複合体に対する比率は、0.5〜40重量%であることが好ましく、1〜10重量%であることがより好ましい。 The thickness of the conductive polymer covering the surface of the porous carbon material is preferably 0.1 to 500 nm, and more preferably 0.5 to 50 nm. If the coating of the conductive polymer is too thin, there is a tendency that an electricity storage device with a high capacity density cannot be obtained, and if the coating of the conductive polymer is too thick, it becomes difficult for ions to diffuse, resulting in a high capacity density. This is because there is a tendency that cannot be achieved. The ratio of the conductive polymer to the composite of the conductive polymer and the porous carbon material is preferably 0.5 to 40% by weight, and more preferably 1 to 10% by weight.
(多孔質炭素材料)
上記特殊な多孔質炭素材料(A)に用いる多孔質炭素材料としては、炭素材料を主成分とする多孔質構造の材料をいい、上記炭素材料としては、例えば、粉末活性炭や繊維状活性炭のような活性炭、ケッチェンブラックのような中空形状を有する導電性カーボンブラック、バルカンXC72、デンカブラック等のいわゆるカーボンブラック類等があげられ、好ましくは活性炭が用いられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。上記多孔質構造は、主に多孔質の炭素材料に起因して形成されるものであるが、これに限定されるものではない。ここで主成分とは、全体の過半を占める成分のことをいい、全体が主成分のみからなる場合も含む意味である。
(Porous carbon material)
The porous carbon material used for the special porous carbon material (A) is a porous structure material mainly composed of a carbon material, and examples of the carbon material include powdered activated carbon and fibrous activated carbon. Examples include activated carbon, conductive carbon black having a hollow shape such as ketjen black, so-called carbon blacks such as Vulcan XC72, Denka Black, and the like, and preferably activated carbon is used. These may be used alone or in combination of two or more. The porous structure is formed mainly due to a porous carbon material, but is not limited thereto. Here, the main component means a component that occupies the majority of the whole, and includes the case where the whole consists of only the main component.
また、上記活性炭としては、ドーパント等の吸着効率を高めるために化学的または物理的な処理(活性化、賦活化)を施したものが好ましく用いられる。上記化学的な処理を施した活性炭としては、フェノール樹脂系活性炭、やしがら系活性炭、石油コークス系活性炭などがある。また、上記物理的な処理を施した活性炭としては、水蒸気賦活処理法より得られた活性炭、溶融KOH賦活処理法より得られた活性炭等がある。これらのうち大きい容量を得られる点で、水蒸気賦活処理法により得られた活性炭を用いることが好ましい。 Moreover, as said activated carbon, what performed the chemical or physical process (activation, activation) in order to improve adsorption efficiency, such as a dopant, is used preferably. Examples of the activated carbon subjected to the chemical treatment include phenol resin activated carbon, coconut shell activated carbon, and petroleum coke activated carbon. Examples of the activated carbon subjected to the above physical treatment include activated carbon obtained from a steam activation treatment method, activated carbon obtained from a molten KOH activation treatment method, and the like. Among these, it is preferable to use activated carbon obtained by a steam activation treatment method in that a large capacity can be obtained.
さらに、上記活性炭としては、比表面積の大きい電気二重層キャパシタ用の活性炭が好ましく用いられる。大容量で低内部抵抗の蓄電デバイスが得られるように、平均粒径が20μm以下で比表面積が1000〜3000m2/gの活性炭を使用することが好ましい。 Further, as the activated carbon, activated carbon for electric double layer capacitors having a large specific surface area is preferably used. It is preferable to use activated carbon having an average particle diameter of 20 μm or less and a specific surface area of 1000 to 3000 m 2 / g so as to obtain a large capacity and low internal resistance electric storage device.
また、このような多孔質炭素材料の導電率は、10-3S/cmより大きいことが好ましく、10-2S/cmより大きいことがさらに好ましい。導電率が小さすぎると、導電性ポリマーで被覆し、特殊な多孔質炭素材料に形成しても、蓄電デバイスの重量出力密度を高めるという効果を得られにくいという傾向がみられるためである。このような多孔質炭素材料の導電率は、加圧シリンダ法等により測定することができ、例えば、加圧シリンダ法により測定した粉末活性炭の導電率は、およそ10-2S/cmである。 Moreover, the electrical conductivity of such a porous carbon material is preferably greater than 10 −3 S / cm, and more preferably greater than 10 −2 S / cm. This is because if the electrical conductivity is too small, even if it is coated with a conductive polymer and formed into a special porous carbon material, it is difficult to obtain the effect of increasing the weight output density of the electricity storage device. The conductivity of such a porous carbon material can be measured by a pressure cylinder method or the like. For example, the conductivity of powdered activated carbon measured by the pressure cylinder method is about 10 −2 S / cm.
(導電性ポリマー)
上記特殊な多孔質炭素材料(A)に用いる導電性ポリマーとは、ポリマー主鎖の酸化反応または還元反応によって生成し、または消失する電荷の変化を補償するために、イオン種がポリマーに挿入し、またはポリマーから脱離することによって、ポリマー自身の導電性が変化する一群のポリマーをいう。
(Conductive polymer)
The conductive polymer used for the special porous carbon material (A) is an ionic species inserted into the polymer in order to compensate for a change in charge generated or lost by an oxidation reaction or reduction reaction of the polymer main chain. Or a group of polymers in which the conductivity of the polymer itself changes when detached from the polymer.
このようなポリマーにおいて、導電性が高い状態をドープ状態といい、低い状態を脱ドープ状態という。導電性を有するポリマーが酸化反応または還元反応によって導電性を失い、絶縁性(すなわち、脱ドープ状態)となっても、そのようなポリマーは、酸化還元反応によって再度、可逆的に導電性を有することができるので、このように脱ドープ状態にある絶縁性のポリマーも、本発明においては、導電性ポリマーの範疇に入れることとする。 In such a polymer, a state with high conductivity is referred to as a doped state, and a state with low conductivity is referred to as a dedope state. Even if a polymer having conductivity loses conductivity by an oxidation reaction or a reduction reaction and becomes insulative (that is, in a dedoped state), such a polymer is reversibly conductive again by the oxidation-reduction reaction. Therefore, the insulating polymer in such a dedope state is also included in the category of the conductive polymer in the present invention.
また、好ましい本発明の導電性ポリマーの一つとしては、無機酸アニオン、脂肪酸スルホン酸アニオン、芳香族スルホン酸アニオン、ポリマースルホン酸アニオンおよびポリビニル硫酸アニオンからなる群から選ばれた少なくとも一つのプロトン酸アニオンをドーパントとして有するポリマーである。また、本発明において好ましい別の導電性ポリマーとしては、上記導電性ポリマーを脱ドープした脱ドープ状態のポリマーである。 Further, as one of the preferred conductive polymers of the present invention, at least one proton acid selected from the group consisting of inorganic acid anions, fatty acid sulfonate anions, aromatic sulfonate anions, polymer sulfonate anions and polyvinyl sulfate anions is preferable. A polymer having an anion as a dopant. Further, another conductive polymer preferable in the present invention is a polymer in a dedope state obtained by dedoping the conductive polymer.
上記導電性ポリマーの具体例としては、例えば、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリアズレン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)等や、これらの種々の誘導体があげられる。なかでも、電気化学的容量の大きなポリアニリン、ポリアニリン誘導体、ポリピロール、およびポリピロール誘導体が好ましく用いられ、ポリアニリンおよびポリアニリン誘導体がさらに好ましく用いられる。 Specific examples of the conductive polymer include, for example, polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polyfuran, polyselenophene, polyisothianaphthene, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyazulene, and poly (3,4-ethylenedioxythiophene). And various derivatives thereof. Of these, polyaniline, polyaniline derivatives, polypyrrole, and polypyrrole derivatives having a large electrochemical capacity are preferably used, and polyaniline and polyaniline derivatives are more preferably used.
本発明において、上記ポリアニリンとは、アニリンを電解重合させ、または化学酸化重合させて得られるポリマーをいい、ポリアニリンの誘導体とは、例えば、アニリンの誘導体を電解重合させ、または化学酸化重合させて得られるポリマーをいう。 In the present invention, the polyaniline means a polymer obtained by electrolytic polymerization or chemical oxidative polymerization of aniline, and the polyaniline derivative is obtained by electrolytic polymerization or chemical oxidative polymerization of an aniline derivative, for example. Refers to the polymer produced.
ここでアニリンの誘導体としてより詳しくは、アニリンの4位以外の位置にアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、アルキルアリール基、アリールアルキル基、アルコキシアルキル基等の置換基を少なくとも1つ有するものを例示することができる。好ましい具体例としては、例えば、o−メチルアニリン、o−エチルアニリン、o−フェニルアニリン、o−メトキシアニリン、o−エトキシアニリン等のo−置換アニリン、m−メチルアニリン、m−エチルアニリン、m−メトキシアニリン、m−エトキシアニリン、m−フェニルアニリン等のm−置換アニリンがあげられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。また本発明においては、4位に置換基を有するものでも、p−フェニルアミノアニリンは、酸化重合によってポリアニリンが得られるので、アニリン誘導体として好適に用いることができる。 More specifically, as a derivative of aniline, a substituent such as an alkyl group, an alkenyl group, an alkoxy group, an aryl group, an aryloxy group, an alkylaryl group, an arylalkyl group, or an alkoxyalkyl group is provided at a position other than the 4-position of aniline. What has at least one can be illustrated. Preferable specific examples include, for example, o-substituted anilines such as o-methylaniline, o-ethylaniline, o-phenylaniline, o-methoxyaniline, o-ethoxyaniline, m-methylaniline, m-ethylaniline, m And m-substituted anilines such as -methoxyaniline, m-ethoxyaniline, m-phenylaniline and the like. These may be used alone or in combination of two or more. In the present invention, p-phenylaminoaniline having a substituent at the 4-position can be suitably used as an aniline derivative because polyaniline is obtained by oxidative polymerization.
(導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)の作製)
このような特殊な処理がなされた多孔質炭素材料(比表面積の大きい、導電性ポリマー/多孔質炭素材料の複合体)(A)は、例えば、導電性ポリマーを溶解させた溶媒に、多孔質炭素材料を浸漬させて取り出し乾燥させる方法や、多孔質炭素材料が存在する溶媒中で、導電性ポリマーを形成するモノマーの化学酸化重合を開始する方法(重合法)によって作製することができる。
(Preparation of porous carbon material (A) whose surface is coated with a conductive polymer)
A porous carbon material (conductive polymer / porous carbon material composite having a large specific surface area) (A) that has been specially treated in this manner is porous, for example, in a solvent in which a conductive polymer is dissolved. It can be produced by a method in which a carbon material is immersed and taken out and dried, or a method in which chemical oxidation polymerization of a monomer forming a conductive polymer is initiated in a solvent in which a porous carbon material is present (polymerization method).
とりわけ、上記重合法において、導電性ポリマーを形成するモノマー100重量部に対して、多孔質炭素材料25〜55重量部となるよう配合し、適宜選択される溶媒中で、上記モノマーを酸化重合させるようにすることが、多孔質炭素材料の表面に均一な薄膜を形成することができるため好ましい。なお、上記溶媒としては、通常、水を用いるが、水溶性有機溶媒と水との混合溶媒を用いることもできる。また、必要に応じて、溶媒中に界面活性剤等を添加してもよい。 In particular, in the above polymerization method, with respect to 100 parts by weight of the monomer that forms the conductive polymer, the porous carbon material is blended in an amount of 25 to 55 parts by weight, and the monomer is oxidatively polymerized in an appropriately selected solvent. This is preferable because a uniform thin film can be formed on the surface of the porous carbon material. The solvent is usually water, but a mixed solvent of a water-soluble organic solvent and water can also be used. Moreover, you may add surfactant etc. in a solvent as needed.
より詳しく上記多孔質炭素材料(A)を作製する方法を、導電性ポリマーを与えるモノマーとしてアニリンを用い、多孔質炭素材料として活性炭を用いたものを例にして、以下に説明する。 In more detail, the method for producing the porous carbon material (A) will be described below using an example in which aniline is used as a monomer for providing a conductive polymer and activated carbon is used as a porous carbon material.
すなわち、アニリンを、活性炭とpKa値が0.3以下のプロトン酸を含む水(溶媒)中で、標準水素電極基準で0.6V以上の標準電極電位を有する化学酸化剤を用いてアニリンを化学酸化重合させる。このとき、アニリン100重量部に対して、活性炭25〜55重量部の割合とすると、ポリアニリンが活性炭の表面だけでなく、細孔の内周壁に入り込み、その内周壁に沿って薄膜に被覆するようになり、大きい比表面積を有するポリアニリン/活性炭の複合体(多孔質炭素材料(A))を得ることができるようになる。 That is, aniline is chemically treated with a chemical oxidant having a standard electrode potential of 0.6 V or higher with respect to a standard hydrogen electrode in water (solvent) containing activated carbon and a protonic acid having a pKa value of 0.3 or lower. Oxidative polymerization is performed. At this time, when the proportion of activated carbon is 25 to 55 parts by weight with respect to 100 parts by weight of aniline, polyaniline enters not only the surface of the activated carbon but also the inner peripheral wall of the pores, and covers the thin film along the inner peripheral wall. Thus, a polyaniline / activated carbon composite (porous carbon material (A)) having a large specific surface area can be obtained.
上記pKa値が0.3以下のプロトン酸としては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、フッ化水素、ヨウ化水素酸等の無機酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸等の芳香族スルホン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸等のアルカンスルホン酸、ピクリン酸等のフェノール類、m−ニトロ安息香酸等の芳香族カルボン酸、ジクロロ酢酸、マロン酸等の脂肪族カルボン酸等があげられる。また、ポリマー酸も用いることができる。このようなポリマー酸としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリビニル硫酸、ポリ(アクリルアミド−t−ブチルスルホン酸)、フェノールスルホン酸、ナフィオンに代表されるパフルオロスルホン酸等があげられる。 Examples of the protonic acid having a pKa value of 0.3 or less include inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hydrogen fluoride, and hydroiodic acid, and benzene. Sulfonic acids, aromatic sulfonic acids such as p-toluenesulfonic acid, alkanesulfonic acids such as methanesulfonic acid and ethanesulfonic acid, phenols such as picric acid, aromatic carboxylic acids such as m-nitrobenzoic acid, dichloroacetic acid, Examples thereof include aliphatic carboxylic acids such as malonic acid. A polymer acid can also be used. Examples of such polymer acids include polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyallyl sulfonic acid, polyvinyl sulfuric acid, poly (acrylamide-t-butyl sulfonic acid), phenol sulfonic acid, and perfluorosulfonic acid represented by Nafion. Etc.
そして、上記標準水素電極基準で0.6V以上の標準電極電位を有する化学酸化剤としては、例えば、ペルオキソ二硫酸アンモニウム(2.0)、過酸化水素(1.78)、重クロム酸カリウム(1.3)、過マンガン酸カリウム(1.49)、塩素酸ナトリウム(1.45)、硝酸セリウムアンモニウム(1.44)、ヨウ素酸ナトリウム(1.085)、塩化鉄(0.68)等があげられる。なお、上記括弧内の数値は、標準水素電極基準の標準電極電位の値である。 Examples of the chemical oxidant having a standard electrode potential of 0.6 V or higher with respect to the standard hydrogen electrode include ammonium peroxodisulfate (2.0), hydrogen peroxide (1.78), potassium dichromate (1 .3), potassium permanganate (1.49), sodium chlorate (1.45), ceric ammonium nitrate (1.44), sodium iodate (1.085), iron chloride (0.68), etc. can give. In addition, the numerical value in the said parenthesis is a value of the standard electrode potential on the basis of a standard hydrogen electrode.
〔ポリ(メタ)アクリル酸(B)〕
上記ポリ(メタ)アクリル酸とは、その構成中にカルボキシル基を有するポリアクリル酸およびポリメタクリル酸、またはこれらから導かれる誘導体を意味し、これらは単独で、もしくは併せて用いることができる。とりわけ、ポリマー中のカルボキシル基の少なくとも一部をリチウムで置換し、リチウム型とするものが好ましく用いられる。このようなリチウム置換は、ポリマー中のカルボキシル基の40%以上であることが好ましく、より好ましくは100%である。
[Poly (meth) acrylic acid (B)]
The said poly (meth) acrylic acid means the polyacrylic acid and polymethacrylic acid which have a carboxyl group in the structure, or the derivative induced | guided | derived from these, These can be used individually or in combination. In particular, those in which at least a part of the carboxyl group in the polymer is substituted with lithium to form a lithium type are preferably used. Such lithium substitution is preferably 40% or more of the carboxyl groups in the polymer, more preferably 100%.
上記ポリ(メタ)アクリル酸(B)は、導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)100重量部に対して、1〜100重量部の範囲で用いられ、好ましくは2〜70重量部、さらに好ましくは5〜40重量部の範囲で用いられる。すなわち、ポリ(メタ)アクリル酸(B)が多すぎても少なすぎても、エネルギー密度に優れる蓄電デバイスを得ることができない傾向がみられるためである。 The poly (meth) acrylic acid (B) is used in a range of 1 to 100 parts by weight, preferably 2 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the porous carbon material (A) whose surface is coated with a conductive polymer. 70 parts by weight, more preferably 5 to 40 parts by weight. That is, there is a tendency that an electricity storage device excellent in energy density cannot be obtained if the poly (meth) acrylic acid (B) is too much or too little.
〔電極の作製〕
上記正極2は、例えば、つぎのようにして作製することができる。すなわち、上記ポリ(メタ)アクリル酸(B)を水に溶解し、この水溶液に導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)と、必要に応じて、カーボンブラック等の導電助剤、フッ化ビニリデン等のバインダーを加え、これらを充分に分散させたペーストを調製する。このペーストを集電体1上に所定厚みに塗布し、乾燥させることにより、集電体1上に(A)成分と(B)成分とが含まれる多孔質かつ薄膜の正極2を作製することができる。
[Production of electrodes]
The positive electrode 2 can be produced, for example, as follows. That is, the poly (meth) acrylic acid (B) is dissolved in water, the porous carbon material (A) whose surface is coated with a conductive polymer in this aqueous solution, and, if necessary, a conductive assistant such as carbon black. A paste in which a binder such as an agent and vinylidene fluoride is added and these are sufficiently dispersed is prepared. The paste is applied to the
上記正極2の空隙率は、50〜80%であることが好ましく、より好ましくは60〜70%である。 The porosity of the positive electrode 2 is preferably 50 to 80%, more preferably 60 to 70%.
なお、電極(正極2)の空隙率(%)は、[(電極の見かけ体積−電極の真体積)/ 電極の見かけ体積 ]×100で算出することができる。ここで、電極の真体積は、「電極構成材料の体積」をいい、具体的には、電極の構成材料の重量割合と各構成材料の真密度の値を用いて、電極構成材料全体の平均密度を算出しておき、電極構成材用の重量総和をこの平均密度で除することにより求めることができる。なお、上記電極の見かけ体積とは、「電極の電極面積×電極厚み」をいい、具体的には、電極の物質の体積、電極内の空隙の体積、および電極表面の凹凸部の空間の体積の総和からなる。 The porosity (%) of the electrode (positive electrode 2) can be calculated by [(apparent volume of electrode−true volume of electrode) / apparent volume of electrode] × 100. Here, the true volume of the electrode refers to the “volume of the electrode constituent material”. Specifically, using the weight ratio of the constituent material of the electrode and the value of the true density of each constituent material, the average of the entire electrode constituent material is obtained. It can be obtained by calculating the density and dividing the total weight for the electrode component by this average density. The apparent volume of the electrode refers to “electrode area of the electrode × electrode thickness”. Specifically, the volume of the electrode substance, the volume of the void in the electrode, and the volume of the space of the uneven portion on the electrode surface The sum of
また、上記で用いた各構成材料の真密度(真比重)は、活性炭2.0、ポリアクリル酸1.2、デンカブラック(アセチレンブラック)2.0であった。 Moreover, the true density (true specific gravity) of each constituent material used above was activated carbon 2.0, polyacrylic acid 1.2, Denka black (acetylene black) 2.0.
このようにして作製された正極2では、その電極内部において、ポリ(メタ)アクリル酸(B)が、導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)との混合物として存在するため、電極内に固定される。そして、このように上記(A)成分の近傍に固定されたポリ(メタ)アクリル酸(B)は、上記(A)成分の酸化還元時の電荷補償に利用される。 In the positive electrode 2 thus produced, poly (meth) acrylic acid (B) exists in the electrode as a mixture with the porous carbon material (A) whose surface is coated with the conductive polymer. , Fixed in the electrode. The poly (meth) acrylic acid (B) thus fixed in the vicinity of the component (A) is used for charge compensation during oxidation / reduction of the component (A).
また、この正極2を用いた蓄電デバイスが、なぜ、高容量となるかの詳細は不明であるが、A成分の近傍にB成分が固定配置されることにより、適度な電極活物質濃度環境になるとともにA成分から挿入・脱離するイオンの移動を容易にするなどの原因が考えられる。 In addition, it is unclear why the electricity storage device using the positive electrode 2 has a high capacity. However, the B component is fixedly arranged in the vicinity of the A component, so that an appropriate electrode active material concentration environment can be obtained. In addition, it is conceivable that the ions that are inserted and desorbed from the A component can be easily moved.
さらに、電極内に固定されるB成分であるポリアクリル酸アニオンが、リチウムイオンなどのカチオンの固定イオンとなり、いわゆるロッキングチェア型のイオン移動に寄与し、全体の電解液重量が低減しても容量低下を防いでいるのではないかと考えられる。 Furthermore, the polyacrylate anion, which is a B component fixed in the electrode, becomes a fixed ion of a cation such as lithium ion, contributing to the so-called rocking chair type ion transfer, and the capacity is reduced even if the total electrolyte weight is reduced. It is thought that it is preventing the decline.
<負極について>
上記負極4としては、金属リチウムや、酸化・還元時にリチウムイオンが挿入・脱離し得る炭素材料、シリコン、スズ等が好ましく用いられる。また、多孔質炭素材料を用いてもよい。なお、本発明において、「用いる」とは、その形成材料のみを使用することを意味するだけでなく、その形成材料と他の形成材料とを組み合わせて使用する場合も含む趣旨であり、通常、他の形成材料の使用割合は、その形成材料の50重量部未満に設定される。そして、負極4自体が高い導電性を有する場合には、集電体を用いなくてもよい。
<About negative electrode>
As the negative electrode 4, metallic lithium, a carbon material into which lithium ions can be inserted / extracted during oxidation / reduction, silicon, tin, and the like are preferably used. A porous carbon material may be used. In the present invention, “use” not only means that only the forming material is used, but also includes the case where the forming material is used in combination with another forming material. The use ratio of the other forming material is set to less than 50 parts by weight of the forming material. And when negative electrode 4 itself has high electroconductivity, it is not necessary to use a collector.
<電解質層について>
上記電解質層3は、電解質により構成され、とりわけ、セパレータに電解液を含浸させてなるシートや、固体電解質からなるシートが好ましく用いられる。なお、固体電解質からなるシートは、それ自体がセパレータを兼ねている。
<About the electrolyte layer>
The
上記電解質は、溶質と、必要に応じて溶媒と各種添加剤とを含むものから構成される。上記溶質としては、例えば、プロトン、アルカリ金属イオン、第4級アンモニウムイオン、第4級ホスホニウムイオン等の少なくとも1種のカチオンとスルホン酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ヘキサフルオロヒ素イオン、ハロゲンイオン、リン酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン等の少なくとも1種のアニオンを組み合せたものが好ましく用いられる。 The electrolyte is composed of a solute and, if necessary, a solvent and various additives. Examples of the solute include at least one cation such as proton, alkali metal ion, quaternary ammonium ion, quaternary phosphonium ion, sulfonate ion, perchlorate ion, tetrafluoroborate ion, hexafluorophosphorus A combination of at least one anion such as acid ion, hexafluoroarsenic ion, halogen ion, phosphate ion, sulfate ion or nitrate ion is preferably used.
上記溶質を溶解する溶媒としては、水を用いることができる。また、カーボネート類、アルコール類、ニトリル類、アミド類、エーテル類等の有機溶媒を用いることもできる。さらに、上記溶媒には、ビニレンカーボネートなどの電極の界面制御剤、ビフェニル,シクロヘキシルベンゼン、フッ化アニソールなどの過充電防止剤、リン酸エステル、ホスファゼン類などの難燃化剤などの、作動電圧、充放電の速度、安全性、寿命特性などを確保するための各種添加剤を添加してもよい。なお、溶媒に上記溶質が溶解したものを電解液ということがある。 Water can be used as a solvent for dissolving the solute. In addition, organic solvents such as carbonates, alcohols, nitriles, amides, ethers and the like can also be used. Furthermore, the above-mentioned solvent includes an operating voltage such as an interfacial controller for electrodes such as vinylene carbonate, an overcharge inhibitor such as biphenyl, cyclohexylbenzene, and anisole fluoride, and a flame retardant such as phosphate ester and phosphazene, Various additives for ensuring charge / discharge speed, safety, life characteristics and the like may be added. In addition, what melt | dissolved the said solute in the solvent may be called electrolyte solution.
<集電体>
図1の集電体1,5としては、電子伝導性に優れ、電池内部での体積を縮小でき(薄膜化)、加工が容易であるなどの特性を有するものを用いることができる。このような特性を満たすものとしては、例えば、ニッケル、アルミ、ステンレス、銅等の金属箔やメッシュがあげられる。なお、正極集電体(例えば集電体1)と負極集電体(例えば集電体5)とは、同じ材料で構成されていても、異なる材料で構成されていても差し支えない。
<Current collector>
As the
なお、上記蓄電デバイスは、上述の集電体1、正極2、電解質層3、負極4のほかに、セパレータ(図示せず)を用いている。このようなセパレータとしては、例えば、正極と負極の間の電気的な短絡を防ぐことができ、さらに、電気化学的に安定であり、イオン透過性が大きく、ある程度の機械強度を有する絶縁性の多孔質シートを用いることができる。なかでも、紙、不織布、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド等の樹脂からなる多孔質シートが好ましく用いられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いることができる。また、上述のとおり、電解質層3が固体電解質からなるシートである場合には、それ自体がセパレータを兼ねているため、別途、他のセパレータを用いる必要はない。
The power storage device uses a separator (not shown) in addition to the
そして、蓄電デバイスの組立ては、グローブボックス中、超高純度アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。 The assembly of the electricity storage device is preferably performed in an atmosphere of an inert gas such as an ultrahigh purity argon gas in a glove box.
本発明の蓄電デバイスによれば、正極2が、導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)およびポリ(メタ)アクリル酸(B)を含む複合体からなり、その正極2内部にポリ(メタ)アクリル酸(B)が固定されるようになっているため、ポリ(メタ)アクリル酸がバインダーの機能を有し、正極2形成に際して、別途ほかのバインダーを用いる必要がなくなる、もしくは減量することができる。したがって、正極2の内部抵抗を小さくすることができ、高エネルギー密度を有することができる。 According to the electricity storage device of the present invention, the positive electrode 2 is composed of a composite containing a porous carbon material (A) and a poly (meth) acrylic acid (B), the surfaces of which are coated with a conductive polymer. Since the poly (meth) acrylic acid (B) is fixed to the poly (meth) acrylic acid, the poly (meth) acrylic acid has a binder function, and it is not necessary to separately use another binder when forming the positive electrode 2. Or it can be reduced. Therefore, the internal resistance of the positive electrode 2 can be reduced, and a high energy density can be obtained.
さらに、正極2の材料の多孔質炭素材料の表面が導電性ポリマーで被覆されているため、正極2の導電性が向上し、蓄電デバイスの高速充放電が可能となるとともに、その容量密度が大幅に向上している。また、正極2が、多孔質に形成されているため、その表面積が大きくなり、より多くのイオンを吸着することができ、蓄電デバイスの容量密度がさらに向上している。そして、上記特殊な正極2とともに用いる負極4が、リチウム金属からなっているため、正極2におけるイオンの吸着−脱着による充放電だけでなく、負極4におけるファラデー反応も利用することができ、蓄電デバイスが一層の高エネルギー密度を有するようになっている。 Furthermore, since the surface of the porous carbon material of the positive electrode 2 is coated with a conductive polymer, the conductivity of the positive electrode 2 is improved, high-speed charge / discharge of the electricity storage device is possible, and the capacity density is greatly increased. Has improved. Further, since the positive electrode 2 is formed to be porous, the surface area thereof is increased, more ions can be adsorbed, and the capacity density of the electricity storage device is further improved. Since the negative electrode 4 used together with the special positive electrode 2 is made of lithium metal, not only charging / discharging by adsorption / desorption of ions in the positive electrode 2 but also a Faraday reaction in the negative electrode 4 can be used. Has a higher energy density.
また、上記実施の形態では、本発明の蓄電デバイス用電極を、正極2として用いているが、正極としてだけでなく、負極としても用いることができる。しかしながら、正極として用いることが好ましい。 Moreover, in the said embodiment, although the electrode for electrical storage devices of this invention is used as the positive electrode 2, it can be used not only as a positive electrode but as a negative electrode. However, it is preferable to use it as a positive electrode.
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。 Next, examples will be described together with comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.
まず、実施例,比較例となる蓄電デバイス(セル)の作製に先立ち、下記に示す各成分を調製,準備した。 First, prior to the production of electricity storage devices (cells) as examples and comparative examples, the following components were prepared and prepared.
〔導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A)の調製〕
イオン交換水243.6gに、42重量%濃度のテトラフルオロホウ酸(和光純薬工業社製、特級)5.13g(0.0245モル)を加えて撹拌し、テトラフルオロホウ酸水溶液を得た。このテトラフルオロホウ酸水溶液に、アニリン1.25g(0.0134モル)を加えて撹拌し、透明なアニリン塩水溶液を得た。
[Preparation of porous carbon material (A) whose surface is coated with a conductive polymer]
To 423.6 g of ion-exchanged water, 5.12 g (0.0245 mol) of 42 wt% tetrafluoroboric acid (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) was added and stirred to obtain an aqueous tetrafluoroboric acid solution. . To this tetrafluoroboric acid aqueous solution, 1.25 g (0.0134 mol) of aniline was added and stirred to obtain a transparent aniline salt aqueous solution.
つぎに、イオン交換水13.8gに、ペルオキソ二硫化アンモニウム1.53g(0.0067モル)を溶解させた酸化剤水溶液を準備し、上記得られたアニリン塩水溶液に加えて撹拌し、無色透明のアニリン/酸化剤水溶液を得た。このアニリン/酸化剤水溶液が無色透明である間に、すなわち、アニリンの酸化重合が始まる前の重合誘導期内に、このアニリン/酸化剤水溶液に、多孔質炭素材料として、水蒸気賦活活性炭(JFEケミカル社製、JSC18)50g(活性炭/アニリン重量比40)を加え、超音波ホモジナイザーにて2分間分散処理し、活性炭を上記アニリン/酸化剤水溶液に懸濁させた。 Next, an aqueous oxidizing agent solution in which 1.53 g (0.0067 mol) of ammonium peroxodisulfide was dissolved in 13.8 g of ion-exchanged water was prepared, added to the obtained aniline salt aqueous solution and stirred, and colorless and transparent An aniline / oxidant aqueous solution was obtained. While this aniline / oxidant aqueous solution is colorless and transparent, that is, within the polymerization induction period before the aniline oxidative polymerization starts, this aniline / oxidant aqueous solution is treated with a steam activated activated carbon (JFE Chemical) as a porous carbon material. 50 g (activated charcoal / aniline weight ratio 40) manufactured by Kogyo Co., Ltd. was added, and the mixture was dispersed for 2 minutes with an ultrasonic homogenizer, and the activated carbon was suspended in the aniline / oxidant aqueous solution.
この活性炭を懸濁させたアニリン/酸化剤水溶液を、30hPaの減圧下で5分間脱泡処理し、活性炭の細孔内部までアニリン/酸化剤水溶液を入り込ませた。その後、大気圧に戻して撹拌を続けると、アニリンの酸化重合が開始され、その進行に伴って、当初、無色透明であったアニリン/酸化剤水溶液が青色へと変化し、さらに、青緑色、黒緑色へと変化した。 The aniline / oxidant aqueous solution in which the activated carbon was suspended was defoamed for 5 minutes under a reduced pressure of 30 hPa, and the aniline / oxidant aqueous solution was introduced into the pores of the activated carbon. Thereafter, when the pressure is returned to atmospheric pressure and stirring is continued, oxidative polymerization of aniline is started, and as it progresses, the initially colorless and transparent aniline / oxidant aqueous solution turns blue, and further, blue-green, It changed to blackish green.
このようにして得られたアニリンの酸化重合物を減圧濾過し、黒色粉末を得た。この黒色粉末をアセトンで洗浄した後減圧濾過し、これを3回繰り返した。洗浄後の黒色粉末を、室温(およそ25℃)のデシケータ内で10時間真空乾燥することにより、テトラフルオロホウ酸をドーパントとする導電性ポリアニリン/活性炭複合体(導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料(A))51.2gを得た。このようにして得られた導電性ポリアニリン/活性炭複合体の重量は、用いた活性炭に対して1.2g増加していた。すなわち、重量増加分の導電性ポリアニリン/活性炭複合体に対する割合は2.3重量%であった。また、この導電性ポリアニリン/活性炭複合体の比表面積は、BET法によると1600m2/gであった。 The aniline oxidation polymer thus obtained was filtered under reduced pressure to obtain a black powder. The black powder was washed with acetone and then filtered under reduced pressure, and this was repeated three times. The washed black powder was vacuum-dried in a desiccator at room temperature (approximately 25 ° C.) for 10 hours, thereby conducting a conductive polyaniline / activated carbon composite having tetrafluoroboric acid as a dopant (the surface was coated with a conductive polymer). 51.2 g of porous carbon material (A)) was obtained. The weight of the conductive polyaniline / activated carbon composite thus obtained was increased by 1.2 g relative to the activated carbon used. That is, the ratio of the weight increase to the conductive polyaniline / activated carbon composite was 2.3% by weight. The specific surface area of the conductive polyaniline / activated carbon composite was 1600 m 2 / g according to the BET method.
〔ポリ(メタ)アクリル酸(B)の調製〕
ポリアクリル酸(和光純薬工業社製、重量平均分子量80万)を水に溶解し、この水溶液に、カルボン酸の1/2当量の水酸化リチウムを加えて撹拌し、4.5重量%濃度の粘稠なポリアクリル酸水溶液を得た。このポリアクリル酸水溶液においては、ポリアクリル酸のカルボキシル基の約50%がリチウム塩化していた。
[Preparation of poly (meth) acrylic acid (B)]
Polyacrylic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 800,000) is dissolved in water. To this aqueous solution, 1/2 equivalent of lithium hydroxide of carboxylic acid is added and stirred, and the concentration is 4.5% by weight. A viscous polyacrylic acid aqueous solution was obtained. In this polyacrylic acid aqueous solution, about 50% of the carboxyl groups of polyacrylic acid were lithium chloride.
〔負極の準備〕
厚み50μmの金属リチウム箔(本城金属社製)を準備した。
[Preparation of negative electrode]
A 50 μm thick metal lithium foil (Honjo Metal Co., Ltd.) was prepared.
〔電解液の準備〕
1モル/dm3濃度のテトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)のエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート溶液(キシダ化学社製)を準備した。
[Preparation of electrolyte]
An ethylene carbonate / dimethyl carbonate solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) of 1 mol / dm 3 concentration of lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) was prepared.
〔セパレータの準備〕
不織布(宝泉社製、TF40−50、空孔率:55%)を準備した。
[Preparation of separator]
A nonwoven fabric (manufactured by Hosen Co., Ltd., TF40-50, porosity: 55%) was prepared.
上記調製,準備した各材料を用い、下記に示す方法により実施例1〜4、比較例1〜8のセルを作製した。そして、得られたセルについて、後記に示す方法により、活性炭重量当たりの容量密度(mAh/g)および活性炭と電解液の合計重量当たりの容量密度(mAh/g)を算出し、評価を行った。 Using the materials prepared and prepared, cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 8 were produced by the following method. The obtained cell was evaluated by calculating the capacity density per activated carbon weight (mAh / g) and the capacity density per total weight of the activated carbon and the electrolyte (mAh / g) by the method described below. .
〔実施例1〕
<正極シートの作製>
集電体1と正極2との複合体である正極シートを下記(1)〜(3)の方法に従って作製した。すなわち、まず、(1)正極2を形成するためのペーストを作製し、ついで、(2)上記ペーストを集電体1上に塗工し、集電体1と正極2との複合体シートを作製する。そして、(3)得られた複合体シートを所定形状に打ち抜き、目的とする正極シートを作製した。その詳細を以下に示す。
[Example 1]
<Preparation of positive electrode sheet>
A positive electrode sheet that is a composite of the
(1)正極2形成用ペーストの作製
上記準備した導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)4.00gと導電性カーボンブラック粉末(電気化学工業社製、デンカブラック)0.53gとを混合し、これに上記準備した4.5重量%ポリアクリル酸リチウム水溶液19gおよび蒸留水16.0gを加えてスパチュラ混合し、ペーストとした。ついで、このペーストを超音波式ホモジナイザーで5分間処理を行い、さらにマイルド分散処理(プライミックス社製、フィルミックス40−40型)を行って、流動性を有するペーストとした。この流動性を有するペーストを脱泡し(シンキー社製、あわとり練太郎)、正極2形成用ペーストとした。
(1) Preparation of positive electrode 2 forming paste 4.00 g of the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) prepared above and 0.53 g of conductive carbon black powder (Denka Black, Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) were mixed. Then, 19 g of the 4.5 wt% lithium polyacrylate aqueous solution prepared above and 16.0 g of distilled water were added thereto and mixed with a spatula to obtain a paste. Next, this paste was treated with an ultrasonic homogenizer for 5 minutes, and further subjected to mild dispersion treatment (manufactured by Primix Co., Ltd., Fillmix 40-40 type) to obtain a paste having fluidity. This fluid paste was defoamed (Shinky Corp., Awatori Nertaro) to obtain a positive electrode 2 forming paste.
(2)集電体1と正極2との複合体シートの作製
上記脱泡後の正極2形成用ペーストを、卓上型自動塗工装置(テスター産業社製)を用い、マイクロメーター付きドクターブレ−ド式アプリケータで塗工速度10mm/秒として、上記準備した集電体1上に塗工した。これを室温(およそ25℃)で45分間放置した後、温度100℃に調整したホットプレート上に1時間載置し、乾燥することにより、集電体1と正極2とが複合化した複合体シートを作製した。
(2) Production of Composite Sheet of
(3)正極シートの作製
上記複合体シートを、直径15.95mmの打ち抜き刃が据え付けられた打ち抜き治具にて円盤状に打ち抜いて正極シートを作製した。この正極シートの厚みから集電体1の厚みを差し引いて算出される正極2の厚みは、366μmであった。また、正極2の空隙率は70%であった。
(3) Preparation of positive electrode sheet The composite sheet was punched into a disk shape with a punching jig on which a punching blade having a diameter of 15.95 mm was installed, thereby preparing a positive electrode sheet. The thickness of the positive electrode 2 calculated by subtracting the thickness of the
<セルの組立て>
上記準備した材料、作製した正極シートを用いて、蓄電デバイスであるセルを下記の方法に従い組み立てた。
<Assembly of cell>
Using the prepared material and the produced positive electrode sheet, a cell as an electricity storage device was assembled according to the following method.
まず、セルへの組み付け前に、作製した正極シートおよび準備したセパレータを、真空乾燥機を用いて100℃で5時間、真空乾燥した。そして、超高純度アルゴンガス雰囲気下の、露点が−100℃のグローブボックス内で、以下の組み立てを行った。まず、非水電解液二次電池実験用のステンレス製HSセル(宝泉社製)に、正極シートと負極シートとを正しく対向させて配置し、これらがショートしないようにセパレータを位置決めした。そして、準備した電解液を、正極2を形成する導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)の重量(mg)に対して4.5倍となるようセル内に注入し、蓄電デバイスであるセルを完成した。すなわち、注入した電解液重量(mg)は、電解液重量(mg)/〔導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)〕重量(mg)=4.5(mg/mg)となっている。 First, before assembling to a cell, the produced positive electrode sheet and the prepared separator were vacuum-dried at 100 degreeC for 5 hours using the vacuum dryer. Then, the following assembly was performed in a glove box having a dew point of −100 ° C. in an ultrahigh purity argon gas atmosphere. First, a positive electrode sheet and a negative electrode sheet were placed facing each other in a stainless steel HS cell (manufactured by Hosen Co., Ltd.) for a non-aqueous electrolyte secondary battery experiment, and the separator was positioned so that they did not short-circuit. Then, the prepared electrolytic solution is injected into the cell so as to be 4.5 times the weight (mg) of the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) that forms the positive electrode 2, and is a power storage device. Completed the cell. That is, the injected electrolyte weight (mg) is electrolyte weight (mg) / [conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A)] weight (mg) = 4.5 (mg / mg). .
〔実施例2〜4〕
電解液重量(mg)を、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)重量(mg)に対して、後記の〔表1〕に示すように変更した以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
[Examples 2 to 4]
Except for changing the weight of the electrolyte (mg) to the weight (mg) of the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) as shown in Table 1 below, the same as in Example 1 A cell was produced.
〔比較例1〕
実施例1において、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)に代えて、水蒸気賦活活性炭(JFEケミカル社製、JSC18)を用い、また、4.5重量%ポリアクリル酸リチウム水溶液(B成分)19gの代わりに、SBRエマルジョン(JSR社製、TRD2001:SBR含有量48重量%)0.31gとポリ(N−ビニルピロリドン)
水溶液(日本触媒社製、K−90W:ポリ(N−ビニルピロリドン)含有量19.8重量%)1.76gとの混合液を用いた以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
[Comparative Example 1]
In Example 1, instead of the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A), water vapor activated activated carbon (manufactured by JFE Chemical Co., JSC18) was used, and a 4.5 wt% aqueous lithium polyacrylate solution (component B) ) Instead of 19 g, SBR emulsion (manufactured by JSR, TRD2001: SBR content 48 wt%) 0.31 g and poly (N-vinylpyrrolidone)
A cell was produced in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution with 1.76 g of an aqueous solution (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., K-90W: poly (N-vinylpyrrolidone) content 19.8% by weight) was used. .
〔比較例2〜4〕
電解液重量(mg)を、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)重量(mg)に対して、後記の〔表2〕に示すように変更した以外は、比較例1と同様にしてセルを作製した。
[Comparative Examples 2 to 4]
Except for changing the weight of the electrolyte (mg) to the weight (mg) of the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) as shown in Table 2 below, the same as in Comparative Example 1 A cell was produced.
〔比較例5〕
実施例1において、4.5重量%ポリアクリル酸リチウム水溶液(B成分)19gの代わりに、SBRエマルジョン(JSR社製、TRD2001:SBR含有量48重量%)0.31gとポリ(N−ビニルピロリドン)水溶液(日本触媒社製、K−90W:ポリ(N−ビニルピロリドン)含有量19.8重量%)1.76gとの混合液を用いた以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
[Comparative Example 5]
In Example 1, instead of 19 g of 4.5 wt% lithium polyacrylate aqueous solution (component B), 0.31 g of SBR emulsion (manufactured by JSR, TRD2001: SBR content 48 wt%) and poly (N-vinylpyrrolidone) ) A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solution with 1.76 g of an aqueous solution (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., K-90W: poly (N-vinylpyrrolidone) content 19.8% by weight) was used. did.
〔比較例6〜8〕
電解液重量(mg)を、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)重量(mg)に対して、後記の〔表3〕に示すように変更した以外は、比較例5と同様にしてセルを作製した。
[Comparative Examples 6-8]
The electrolyte solution weight (mg) was changed in the same manner as in Comparative Example 5 except that it was changed as shown in Table 3 below with respect to the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) weight (mg). A cell was produced.
<セルの評価>
0.77mAの電流にて3.8Vまで定電流充電し、3.8Vに到達した後は、3.8Vの定電圧充電に切り替え、電流値0.15mAになるまで充電した。そして、30分間インターバルを経て、0.77mAの電流で2.0Vになるまで定電流放電した。この充放電を1サイクルとし、これを15サイクル繰り返し行った。上記各サイクル間には、30分間のインターバルを設けている。そして、1サイクルおよび15サイクル目の放電容量を測定し、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)重量(mg)当たり(比較例1〜4では、水蒸気賦活活性炭重量(mg)当たり)を算出した。また、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)と電解液の合計重量当たりの容量密度(mAh/g)(比較例1〜4では、水蒸気賦活活性炭と電解液の合計重量(mg)当たり)も算出した。これらの結果を下記の表1〜3にまとめて示す。なお、表1〜3中の「活性炭」は、それぞれの正極の材料に用いた活性炭、すなわち、導電性ポリアニリン/活性炭複合体粉末(A成分)および水蒸気賦活活性炭のいずれかである。
<Evaluation of cell>
The battery was charged with a constant current of 3.8 V at a current of 0.77 mA, and after reaching 3.8 V, the battery was switched to a constant voltage of 3.8 V and charged until the current value reached 0.15 mA. Then, after a 30-minute interval, constant current discharge was performed until the voltage became 2.0 V at a current of 0.77 mA. This charging / discharging was made into 1 cycle and this was repeated 15 cycles. An interval of 30 minutes is provided between the above cycles. And the discharge capacity of 1st cycle and 15th cycle was measured, and electroconductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) per weight (mg) (in Comparative Examples 1 to 4, per steam activated carbon weight (mg)) Calculated. Further, the capacity density (mAh / g) per total weight of the conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) and the electrolytic solution (in Comparative Examples 1 to 4, per total weight (mg) of the steam activated activated carbon and the electrolytic solution. ) Was also calculated. These results are summarized in Tables 1 to 3 below. The “activated carbon” in Tables 1 to 3 is activated carbon used for each positive electrode material, that is, one of conductive polyaniline / activated carbon composite powder (component A) and water vapor activated activated carbon.
上記結果より、実施例1〜4は、活性炭と電解液の合計重量当たりの容量密度(mAh/g)が大きく、また、電解液重量が減少しても低下しないことがわかった。さらに、15サイクル後の減少率も低く、優れたサイクル特性を示していた。これに対し、比較例1〜8は、活性炭と電解液の合計重量当たりの容量密度(mAh/g)が小さく、電解液重量が減少するとこれに比例して低下していた。また、15サイクル後の減少率も高く、サイクル特性に劣ることがわかった。このように、本発明によれば、優れた容量密度およびサイクル特性を有する蓄電デバイスを実現できる。また、電解液重量が減少しても容量密度が低下しないことから、電解液の枯渇化による劣化の防止や、蓄電デバイスの小型化を図ることができる。 From the above results, it was found that Examples 1 to 4 had a large capacity density (mAh / g) per total weight of the activated carbon and the electrolyte solution, and did not decrease even when the electrolyte solution weight decreased. Furthermore, the reduction rate after 15 cycles was low, indicating excellent cycle characteristics. In contrast, Comparative Examples 1 to 8 had a small capacity density (mAh / g) per total weight of the activated carbon and the electrolytic solution, and decreased in proportion to the decrease in the electrolytic solution weight. Further, the reduction rate after 15 cycles was high, and it was found that the cycle characteristics were inferior. As described above, according to the present invention, an electricity storage device having excellent capacity density and cycle characteristics can be realized. Further, since the capacity density does not decrease even when the weight of the electrolytic solution is reduced, it is possible to prevent deterioration due to depletion of the electrolytic solution and to reduce the size of the electricity storage device.
なお、本発明の(B成分)として、ポリメタクリル酸を用いても、上記実施例とほぼ同等の結果が得られた。 In addition, even when polymethacrylic acid was used as the (B component) of the present invention, results almost the same as in the above examples were obtained.
本発明の蓄電デバイスは、従来の二次電池や高容量キャパシタと同様の用途に使用でき、例えば、携帯型PC、携帯電話、携帯情報端末(PDA)等の携帯用電子機器や、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、燃料電池自動車等の駆動用電源に広く用いることができる。 The power storage device of the present invention can be used in the same applications as conventional secondary batteries and high-capacity capacitors. For example, portable electronic devices such as portable PCs, cellular phones, and personal digital assistants (PDAs), and hybrid electric vehicles It can be widely used as a driving power source for electric vehicles, fuel cell vehicles and the like.
1 集電体(正極用)
2 正極
3 電解質層
4 負極
5 集電体(負極用)
1 Current collector (for positive electrode)
2
Claims (5)
(A)導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料。
(B)ポリ(メタ)アクリル酸。 An electricity storage device having an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode provided therebetween, wherein the electrode used for at least one of the positive electrode and the negative electrode is made of a composite containing the following (A) and (B) and the electrode An electrical storage device characterized in that the following (B) is fixed therein.
(A) A porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer.
(B) Poly (meth) acrylic acid.
(A)導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料。
(B)ポリ(メタ)アクリル酸。 In an electricity storage device having an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode provided therebetween, the electrode is used for at least one of the positive electrode and the negative electrode, and is composed of a composite containing the following (A) and (B) and the electrode An electrode for an electricity storage device, wherein the following (B) is fixed inside.
(A) A porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer.
(B) Poly (meth) acrylic acid.
(A)導電性ポリマーによって表面が被覆された多孔質炭素材料。
(B)ポリ(メタ)アクリル酸。 A porous sheet for an electricity storage device electrode, comprising a composite containing the following (A) and (B), and the following (B) being fixed inside the composite: .
(A) A porous carbon material whose surface is coated with a conductive polymer.
(B) Poly (meth) acrylic acid.
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