JP2015527707A - Graphene coated electrode - Google Patents
Graphene coated electrode Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015527707A JP2015527707A JP2015523253A JP2015523253A JP2015527707A JP 2015527707 A JP2015527707 A JP 2015527707A JP 2015523253 A JP2015523253 A JP 2015523253A JP 2015523253 A JP2015523253 A JP 2015523253A JP 2015527707 A JP2015527707 A JP 2015527707A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- graphene
- electrochemical
- lithium
- electrode
- electrode material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 288
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 266
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 97
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 6
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 91
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 68
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 53
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 claims description 39
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 claims description 38
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 14
- SOXUFMZTHZXOGC-UHFFFAOYSA-N [Li].[Mn].[Co].[Ni] Chemical compound [Li].[Mn].[Co].[Ni] SOXUFMZTHZXOGC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 9
- CKFRRHLHAJZIIN-UHFFFAOYSA-N cobalt lithium Chemical compound [Li].[Co] CKFRRHLHAJZIIN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 claims description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 9
- YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N Thiophene Chemical compound C=1C=CSC=1 YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- KLARSDUHONHPRF-UHFFFAOYSA-N [Li].[Mn] Chemical compound [Li].[Mn] KLARSDUHONHPRF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N lithium nickel Chemical compound [Li].[Ni] RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 5
- CASZBAVUIZZLOB-UHFFFAOYSA-N lithium iron(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Fe+2].[Li+] CASZBAVUIZZLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229930192474 thiophene Natural products 0.000 claims description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WFGBXPXOFAFPTO-UHFFFAOYSA-N [P].[Fe].[Li] Chemical compound [P].[Fe].[Li] WFGBXPXOFAFPTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 4
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011135 tin Substances 0.000 claims description 4
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 4
- JYEUMXHLPRZUAT-UHFFFAOYSA-N 1,2,3-triazine Chemical compound C1=CN=NN=C1 JYEUMXHLPRZUAT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N lithium sulfide Chemical compound [Li+].[Li+].[S-2] GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 5
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 37
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 24
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 16
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 12
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 9
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 7
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 7
- QSNQXZYQEIKDPU-UHFFFAOYSA-N [Li].[Fe] Chemical compound [Li].[Fe] QSNQXZYQEIKDPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 6
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 6
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 5
- -1 amine compound Chemical class 0.000 description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 5
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 5
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 5
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 4
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 4
- 239000011855 lithium-based material Substances 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 235000019241 carbon black Nutrition 0.000 description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- WBJZTOZJJYAKHQ-UHFFFAOYSA-K iron(3+) phosphate Chemical compound [Fe+3].[O-]P([O-])([O-])=O WBJZTOZJJYAKHQ-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910014033 C-OH Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910014570 C—OH Inorganic materials 0.000 description 2
- NIQCNGHVCWTJSM-UHFFFAOYSA-N Dimethyl phthalate Chemical compound COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OC NIQCNGHVCWTJSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013290 LiNiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000002083 X-ray spectrum Methods 0.000 description 2
- NXPZICSHDHGMGT-UHFFFAOYSA-N [Co].[Mn].[Li] Chemical compound [Co].[Mn].[Li] NXPZICSHDHGMGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000007602 hot air drying Methods 0.000 description 2
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 2
- 229910000398 iron phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYADHXFMURLYQI-UHFFFAOYSA-N 1,2,4-triazine Chemical compound C1=CN=NC=N1 FYADHXFMURLYQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018091 Li 2 S Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016001 MoSe Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 125000005210 alkyl ammonium group Chemical group 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- FBSAITBEAPNWJG-UHFFFAOYSA-N dimethyl phthalate Natural products CC(=O)OC1=CC=CC=C1OC(C)=O FBSAITBEAPNWJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960001826 dimethylphthalate Drugs 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- XUCNUKMRBVNAPB-UHFFFAOYSA-N fluoroethene Chemical compound FC=C XUCNUKMRBVNAPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 239000012456 homogeneous solution Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910021445 lithium manganese complex oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021440 lithium nickel complex oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- ZAUUZASCMSWKGX-UHFFFAOYSA-N manganese nickel Chemical compound [Mn].[Ni] ZAUUZASCMSWKGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007974 melamines Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical group 0.000 description 1
- PNGLEYLFMHGIQO-UHFFFAOYSA-M sodium;3-(n-ethyl-3-methoxyanilino)-2-hydroxypropane-1-sulfonate;dihydrate Chemical compound O.O.[Na+].[O-]S(=O)(=O)CC(O)CN(CC)C1=CC=CC(OC)=C1 PNGLEYLFMHGIQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000000935 solvent evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 1
- 150000003577 thiophenes Chemical class 0.000 description 1
- 150000003918 triazines Chemical class 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/366—Composites as layered products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
- H01M4/502—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese for non-aqueous cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
- H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
グラフェンを被覆する電極【課題】本発明の目的は、複数個のリチウム粒子を含有する第1電極を有し、各粒子の表面に少なくとも一部にカーボン層を被覆し、少なくとも一部に1つ以上の複数個の粒子を被覆した電気化学剥離によるグラフェンが含まれる電池を提供することである。前記電池には第2電極と電解液が含まれ、少なくとも第1電極の一部分及び少なくとも第2電極の一部分が電解液と接する。【選択図】図11Electrode for coating graphene United States Patent Application 20070249405 Kind Code: A1 An object of the present invention is to have a first electrode containing a plurality of lithium particles, and at least partially coat a carbon layer on the surface of each particle, It is an object of the present invention to provide a battery containing graphene by electrochemical stripping that covers the plurality of particles. The battery includes a second electrode and an electrolyte, and at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the electrolyte. [Selection] Figure 11
Description
本発明は、リチウム電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium battery.
リチウムイオン電池は高容量で良好な電気化学的性能を備え、太陽光エネルギー、風力エネルギー、水力発電、電気自動車のような幅広いエネルギー貯蔵設備に応用されている。リチウムイオン電池の速度能力及びエネルギー密度を向上させることで、さらなる高い容量貯蔵に対する需要を満たすことが可能である。例えば、リン酸鉄リチウムを正極に有するリチウムイオン電池の電気化学的性能を強化することで、正極にカーボンを被覆することにより、金属ドーピングと小粒子形成の両方又はいずれか一方が可能になる。 Lithium ion batteries have high capacity and good electrochemical performance, and are applied to a wide range of energy storage facilities such as solar energy, wind energy, hydroelectric power generation, and electric vehicles. By improving the speed capability and energy density of lithium ion batteries, it is possible to meet the demand for higher capacity storage. For example, by enhancing the electrochemical performance of a lithium ion battery having lithium iron phosphate as the positive electrode, coating the positive electrode with carbon enables both metal doping and / or small particle formation.
(関連出願の相互参照)
本出願は、2012年7月20日に出願された台湾仮特許出願第101126393号、及び2012年7月20日に出願された中国仮特許出願第201210254481.X号、及び2013年3月13日に出願された米国仮特許出願第13/800,096号の関連出願であり、この関連出願に基づく優先権を主張する。
(Cross-reference of related applications)
This application includes Taiwan provisional patent application No. 101126393 filed on July 20, 2012, and Chinese provisional patent application No. 201210254448. filed on July 20, 2012. X and related applications of US Provisional Patent Application No. 13 / 800,096 filed on March 13, 2013 and claim priority based on this related application.
本発明で開示される電池は、アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウムが電極材料として組み込まれており、例えば負極材料または正極材料に電気化学剥離によるグラフェンが含まれることにより、明らかな分極電圧を生じることなく、高比湧出量、高エネルギー密度、高出力を実現する。このような電池は同様に第1のサイクルにおいて容量の低い不可逆的な損失及びサイクル寿命の延長を示した。 In the battery disclosed in the present invention, amorphous carbon-coated lithium iron phosphate is incorporated as an electrode material. For example, when negative electrode material or positive electrode material contains graphene by electrochemical peeling, an obvious polarization voltage is generated. Without realizing high specific discharge, high energy density, and high output. Such cells also showed low capacity irreversible loss and extended cycle life in the first cycle.
一般的に、電池には複数個のリチウム粒子を含有する第1の電極が含まれ、各粒子の表面には少なくとも部分的にカーボン層が被覆されており、少なくとも部分的に1つ以上の粒子が被覆されている電気化学剥離によるグラフェンが含まれる。また前記電池は第2の電極及び電解液を有する。さらに少なくとも一部の第1の電極と少なくとも一部の第2の電極の一部が電解液と接触している。 In general, a battery includes a first electrode containing a plurality of lithium particles, the surface of each particle being at least partially coated with a carbon layer, and at least partially having one or more particles. The graphene by electrochemical exfoliation coated with is included. The battery includes a second electrode and an electrolytic solution. Further, at least a part of the first electrode and at least a part of the second electrode are in contact with the electrolytic solution.
本発明で開示する電池の目的を達成するために、下記に記載する1つ以上の事項を含んでもよい。まず第1の電極は正極又は負極である。電池はボタン型電池、円筒形電池又はパウチ形電地とすることが可能である。粒子にはリン酸鉄リチウム、リチウム鉄複合酸化物、鉄リン酸リチウム複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルトマンガンニッケル複合物又はリチウムコバルトマンガンニッケル複合酸化物が含まれる。電気化学剥離によるグラフェンには、カーボン上に形成された薄片を含む電気化学剥離によるグラフェンが含まれる。電気化学剥離によるグラフェン量は電極に対して約0.001wt%〜約5wt%である。 In order to achieve the object of the battery disclosed in the present invention, one or more items described below may be included. First, the first electrode is a positive electrode or a negative electrode. The battery can be a button-type battery, a cylindrical battery, or a pouch-type electrical ground. The particles include lithium iron phosphate, lithium iron composite oxide, lithium iron phosphate composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt manganese nickel composite or lithium cobalt manganese. Nickel composite oxide is included. The graphene by electrochemical stripping includes graphene by electrochemical stripping including a flake formed on carbon. The amount of graphene by electrochemical stripping is about 0.001 wt% to about 5 wt% with respect to the electrode.
一般的に、電極材料にはリチウムを含有する複数個の粒子が含まれる。各粒子の表面は、少なくとも一部にカーボンが被覆されており、少なくとも一部に1つ以上の多量の粒子が被覆された電気化学剥離によるグラフェンが含まれる。 In general, the electrode material includes a plurality of particles containing lithium. The surface of each particle is coated with carbon at least partially, and includes graphene by electrochemical stripping in which at least a portion is coated with one or more large amounts of particles.
前記電極材料の目的を達成するために、次に記載する1つ以上の実施形態が含まれる。粒子には、リン酸鉄リチウム、リチウム鉄複合酸化物、鉄リン酸リチウム複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルトマンガンニッケル複合物又はリチウムコバルトマンガンニッケル複合酸化物が含まれる。カーボン層にはアモルファスカーボンが含まれる。電気化学剥離によるグラフェンにはカーボン上に形成された薄片の電気化学剥離によるグラフェンが含まれる。電気化学剥離によるグラフェン量は電極材料に対して約0.001wt%〜約5wt%である。電極材料の比湧出量は少なくとも約180mAh/gであり、約210mAh/gになることもある。電気化学剥離によるグラフェンに含まれる酸素は約20wt%以下である。電気化学剥離によるグラフェンの透磁性は約90%以下であり、薄片抵抗は約10kΩ/sq以下である。前記電極材料には導電性添加剤、結合材、カーボン材料、又は溶剤を含有する付加物質が含まれる。いくつかの具体的な実施形態において、前記カーボン材料にはグラフェン、ソフトカーボン、ハードカーボン、カーボンナノチューブ、又はカーボンファイバーが含まれる。前記電極材料には硫黄、シリコン、錫、セラミック材料、又は硫化リチウムが含まれる。前記電極材料には遷移金属ジカルコゲナイドが含まれる。前記電極材料にはトリアジン又はチオフェンが含まれる。前記電極材料は正極材料又は負極材料でもいい。 In order to achieve the purpose of the electrode material, one or more embodiments described below are included. The particles include lithium iron phosphate, lithium iron composite oxide, iron lithium phosphate composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt manganese nickel composite or lithium cobalt. Manganese nickel composite oxide is included. The carbon layer includes amorphous carbon. Graphene by electrochemical stripping includes graphene by electrochemical stripping of flakes formed on carbon. The amount of graphene by electrochemical stripping is about 0.001 wt% to about 5 wt% with respect to the electrode material. The specific volume of electrode material is at least about 180 mAh / g and can be about 210 mAh / g. The oxygen contained in graphene by electrochemical stripping is about 20 wt% or less. The magnetic permeability of graphene by electrochemical peeling is about 90% or less, and the flake resistance is about 10 kΩ / sq or less. The electrode material includes a conductive additive, a binder, a carbon material, or an additional substance containing a solvent. In some specific embodiments, the carbon material includes graphene, soft carbon, hard carbon, carbon nanotubes, or carbon fibers. The electrode material includes sulfur, silicon, tin, a ceramic material, or lithium sulfide. The electrode material includes a transition metal dichalcogenide. The electrode material includes triazine or thiophene. The electrode material may be a positive electrode material or a negative electrode material.
一般的に、電極材料の作製方法では、リチウムを含有する複数個の粒子と各粒子の表面に少なくとも一部にカーボンが被覆され、複数個の粒子の間に電気化学剥離によるグラフェンが形成されることを提供する。電気化学剥離によるグラフェンには少なくとも一部に1つ以上の複数の粒子が被覆されている。 In general, in the electrode material manufacturing method, a plurality of lithium-containing particles and the surface of each particle are at least partially coated with carbon, and graphene is formed between the plurality of particles by electrochemical peeling. To provide that. One or more particles are coated on at least a part of graphene by electrochemical stripping.
本発明において開示する作製方法の実施には、次に記載する1つ以上の実施形態が含まれる。粒子にはリン酸鉄リチウム、リチウム鉄複合酸化物、鉄リン酸リチウム複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルトマンガンニッケル複合物又はリチウムコバルトマンガンニッケル複合酸化物が含まれる。カーボン層にはアモルファスカーボン層が含まれる。複数個の粒子の間に形成された電気化学剥離によるグラフェンには、機械的に混合された粒子と電気化学剥離によるグラフェンが含まれ、電気化学剥離によるグラフェンを有する複数個の粒子に対して物理的又は化学的に表面を改質し、又は電気化学剥離によるグラフェンを有する複数個の粒子をドープする。前記作製方法には、電気化学剥離によるグラフェンの形成が含まれる。いくつかの具体的な実施形態において、電気化学剥離によるグラフェンを形成するには、第1のカーボン材料を含有する第1の電極と第2の電極を電解液を含有する溶液に浸漬し、第1と第2の電極の間に電位を発生させることが含まれる。 Implementation of the fabrication methods disclosed in the present invention includes one or more embodiments described below. The particles include lithium iron phosphate, lithium iron composite oxide, lithium iron phosphate composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium cobalt manganese nickel composite or lithium cobalt manganese. Nickel composite oxide is included. The carbon layer includes an amorphous carbon layer. The graphene formed by electrochemical exfoliation formed between a plurality of particles includes mechanically mixed particles and graphene produced by electrochemical exfoliation. A plurality of particles having a graphene by electrochemical or exfoliation are doped either manually or chemically. The manufacturing method includes the formation of graphene by electrochemical stripping. In some specific embodiments, to form graphene by electrochemical stripping, a first electrode containing a first carbon material and a second electrode are immersed in a solution containing an electrolyte, Generating a potential between the first and second electrodes is included.
本発明において開示される作製方法には1つ以上の利点がある。電気化学剥離によるグラフェンを含有するアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム電極の作製は、非常に簡単で規模の拡張性があり、従来の加工方法や材料とも互換性がある。さらに、少量の電気化学剥離によるグラフェンを用いるだけで電気化学剥離によるグラフェンを含有するアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム電極を有するリチウムイオン電池の性能を向上することが可能である。 The fabrication methods disclosed in the present invention have one or more advantages. Fabrication of amorphous carbon-coated lithium iron phosphate electrodes containing graphene by electrochemical stripping is very simple, scaleable, and compatible with conventional processing methods and materials. Furthermore, it is possible to improve the performance of a lithium ion battery having an amorphous carbon-coated lithium iron phosphate electrode containing graphene by electrochemical stripping only by using a small amount of graphene by electrochemical stripping.
本発明において開示する前記事項、特徴、利点をよりわかりやすくするために以下に図式を参照しながら説明する。 In order to make the matters, features, and advantages disclosed in the present invention easier to understand, the following description will be given with reference to the drawings.
本発明は、アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム電極を含有する電池であり、電気化学剥離によるグラフェンの負極又は正極を有し、明らかな分極電圧を生じることなく、高比湧出量、高エネルギー密度、高出力を実現する。例えば、負極又は正極はリチウムを含有する電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだ(つまり、少なくとも一部に被覆)粒子によって形成される。このような電池は同様に第1のサイクルにおける容量の低い不可逆的な損失及びサイクル寿命の延長を示した。 The present invention is a battery containing an amorphous carbon-coated lithium iron phosphate electrode, having a negative electrode or a positive electrode of graphene by electrochemical stripping, without producing a clear polarization voltage, high specific spring rate, high energy density, Achieve high output. For example, the negative electrode or the positive electrode is formed by particles encapsulated with graphene by electrochemical stripping containing lithium (that is, at least partially covered). Such cells also exhibited low capacity irreversible loss and extended cycle life in the first cycle.
(電気化学剥離によるグラフェン)
本発明では、例えば、参照することにより本願に組み込まれる、2011年6月28日に出願された特許文献1、及び2011年5月4日に出願された特許文献2に記述するように、グラフェンを電解質溶液に浸漬して電気化学剥離することにより、電気化学剥離によるグラフェン薄片(ここではこれを電気化学剥離によるグラフェンという)を作製することが可能である。また電気化学剥離を用いることにより、大量の電気化学剥離によるグラフェン薄片を作製することが可能であり、作製したほとんどの薄片の厚さは数層しかなく、低い欠陥密度を有する高品質の結晶構造及び低抵抗性を具備している。
(Graphene by electrochemical stripping)
In the present invention, for example, as described in Patent Document 1 filed on June 28, 2011 and Patent Document 2 filed on May 4, 2011, which are incorporated herein by reference, graphene Is immersed in an electrolyte solution and electrochemically exfoliated to produce a graphene flake by electrochemical exfoliation (herein, this is called graphene by electrochemical exfoliation). Also, by using electrochemical exfoliation, it is possible to produce graphene flakes by a large amount of electrochemical exfoliation, most of the produced flakes are only a few layers thick, and high quality crystal structure with low defect density And low resistance.
図1A及び図1Bに示したように、電気化学剥離によるグラフェンを作製するために、作用電極1及び接地電極2を電解液3(10)に浸漬する。例えば、作用電極はグラフェンを用いて作製することが可能であり、接地電極は白金などの金属から作製することが可能である。電圧源4から流れる低いバイアス電圧(例えば+2.5V)を作用電極1(12)に印加して、電解液3中にイオンを発生させ、作用電極であるグラフェン構造に挿入する。そして、電圧源4から流れる高いバイアス電圧(例えば、+10V)を作用電極1(14)に印加して作用電極1にあるグラフェンを分離させることで、グラフェンの薄いシートを作製する。これをグラフェン薄片ともいう。ろ過と遠心分離(16)の両方又はいずれか一方の手段を用いればグラフェン薄片を取り出すことが可能である。実施形態を用いて次に本発明を具体的に説明する。物理的ドーピング又は化学的ドーピングの使用、又は窒素又は他のノンカーボン元素との混合により、さらなる電気化学剥離によるグラフェン薄片の処理又は改質が可能である。例えば、硝酸又は過酸化水素を用いたP型グラフェン作製、又はアミン化合物を用いたN型グラフェン作製が可能である。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the working electrode 1 and the ground electrode 2 are immersed in an electrolyte 3 (10) in order to produce graphene by electrochemical stripping. For example, the working electrode can be made using graphene, and the ground electrode can be made from a metal such as platinum. A low bias voltage (for example, +2.5 V) flowing from the voltage source 4 is applied to the working electrode 1 (12) to generate ions in the electrolytic solution 3, and are inserted into the graphene structure as the working electrode. Then, a high bias voltage (for example, +10 V) flowing from the voltage source 4 is applied to the working electrode 1 (14) to separate the graphene in the working electrode 1, thereby producing a thin sheet of graphene. This is also called a graphene flake. The graphene flakes can be taken out by using filtration and / or centrifugation (16). Next, the present invention will be specifically described using embodiments. Through the use of physical or chemical doping, or mixing with nitrogen or other non-carbon elements, graphene flakes can be treated or modified by further electrochemical stripping. For example, P-type graphene production using nitric acid or hydrogen peroxide, or N-type graphene production using an amine compound is possible.
具体的な実施形態における電気化学剥離工程では、作用電極はグラフェンロッドであり、接地電極は白金線である。SO4 2−水溶液(100mLの脱イオン(DI)水に98%硫黄酸(H2SO4)2.4g及び30%水酸化カリウム溶液11mLを加え、溶液のpH値を約12に調整)を電解液として用いた。+2.5Vの静的バイアス電圧を作用電極に5〜10分印加してグラフェンロッドを湿らせ、SO4 2−イオンをゆっくりとグラフェン結晶間に挿入させる。+2.5Vのバイアス電圧を印加すると、グラフェンロッドは単体内に留まる。その後、+10Vのバイアス電圧を印加する。例えば、+10Vのバイアス電圧を印加して約30分経過すると、数mgのグラフェンを作製することができるため、これを用いてグラフェンの剥離を行う。+10Vのバイアス電圧を印加すると、グラフェンを急速に薄片に分離させることができ、電解質溶液の表面に分散させることが可能である。剥離したグラフェン薄片と関連製品は、ろ過・収集後、ジメチルホルムアミド(DMF)溶液の中で分散させる。遠心分離したジメチルホルムアミド溶液中のグラフェン溶液から不要な厚いグラフェン粒子を除去する。具体的な実施形態では、高いバイアス電圧を作用電極に印加し、+10V及び−10Vの範囲内で切り替えることで、剥離したグラフェン層が硫酸による酸化を抑えた。 In the electrochemical stripping process in a specific embodiment, the working electrode is a graphene rod and the ground electrode is a platinum wire. SO 4 2- water solution (2.4 g of 98% sulfur acid (H 2 SO 4 ) and 11 mL of 30% potassium hydroxide solution are added to 100 mL of deionized (DI) water to adjust the pH value of the solution to about 12). Used as electrolyte. A +2.5 V static bias voltage is applied to the working electrode for 5-10 minutes to wet the graphene rod and slowly insert SO 4 2- ions between the graphene crystals. When a bias voltage of +2.5 V is applied, the graphene rod remains in the single body. Thereafter, a bias voltage of +10 V is applied. For example, when a bias voltage of +10 V is applied and about 30 minutes have elapsed, several mg of graphene can be produced, and graphene is peeled off using this. When a bias voltage of +10 V is applied, graphene can be rapidly separated into flakes and can be dispersed on the surface of the electrolyte solution. The exfoliated graphene flakes and related products are dispersed in a dimethylformamide (DMF) solution after filtration and collection. Unnecessary thick graphene particles are removed from the graphene solution in the centrifuged dimethylformamide solution. In a specific embodiment, by applying a high bias voltage to the working electrode and switching within a range of +10 V and −10 V, the peeled graphene layer suppressed oxidation by sulfuric acid.
図2A及び図2B及び図2Cに、それぞれ光学顕微鏡画像データ及び走査型電子顕微鏡画像データ及び原子間力顕微鏡(AFM)の画像データを示し、それぞれがグラフェン薄片20の具体的な実施形態である。グラフェン薄片の横方向のサイズは数μm〜数十μmである。 2A, 2B, and 2C show optical microscope image data, scanning electron microscope image data, and atomic force microscope (AFM) image data, respectively, which are specific embodiments of the graphene flakes 20 respectively. The horizontal size of the graphene flakes is several μm to several tens of μm.
図3に示すように、原子間力顕微鏡を用いて測定したグラフェン薄片の厚さは約1.5〜4.2nmであり、平均の厚さは約2.5nmであった。図30にVeeco社のDimension−Icon(登録商標)装置(Lowell,MA)を用いて撮影した原子間力顕微鏡画像データを示した。 As shown in FIG. 3, the thickness of the graphene flakes measured using an atomic force microscope was about 1.5 to 4.2 nm, and the average thickness was about 2.5 nm. FIG. 30 shows atomic force microscope image data photographed using a Dimension-Icon (registered trademark) apparatus (Lowell, Mass.) Manufactured by Veeco.
図4Aに示すように、電気化学剥離によるグラフェン薄片のラマンスペクトル40の具体的な実施形態(473nmレーザー照射)であり、ラマンD−band及びD’‐bandの存在を表している。図4Bは、X線光電子分光(XPS)法を用いて測定した電気化学剥離によるグラフェン薄片の結合エネルギー(C1s線)42の具体的な実施形態であり、286.4eV(C−OH結合に対応)及び287.8eV(C=O結合に対応)及び288.9eV(O=C−OH結合に対応)におけるC1s線の結合エネルギー量を示した。ラマンスペクトル40及び結合エネルギー曲線42から電気化学剥離によるグラフェン薄片において一部欠陥があることが分かった。これは例えばグラフェンが硫酸により酸化したことが原因であると考えられる。しかし、ラマンスペクトルが2700cm−1近くではシャープな2Dbandが存在しており、このことから欠陥があったとしてもグラフェン薄片は良好で質の高いグラフェン結晶構造を備えており、さらにその質はグラフェン酸化物から構成されたグラフェン構造又は還元されたグラフェン薄片よりも優れていると言える。 As shown in FIG. 4A, it is a specific embodiment (473 nm laser irradiation) of the Raman spectrum 40 of the graphene flakes by electrochemical stripping, and shows the presence of Raman D-band and D′-band. FIG. 4B is a specific embodiment of graphene flake binding energy (C1s line) 42 by electrochemical delamination measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), corresponding to 286.4 eV (C—OH bond). ) And 287.8 eV (corresponding to the C═O bond) and 288.9 eV (corresponding to the O═C—OH bond), and the amount of binding energy of the C1s line is shown. From the Raman spectrum 40 and the binding energy curve 42, it was found that there was a partial defect in the graphene flakes by electrochemical delamination. This is considered to be caused by, for example, graphene being oxidized by sulfuric acid. However, when the Raman spectrum is near 2700 cm −1, there is a sharp 2Dband, and even if there is a defect, the graphene flakes have a good and high quality graphene crystal structure, and the quality is graphene oxidation It can be said that it is superior to a graphene structure composed of an object or a reduced graphene flake.
共焦点(コンフォーカル)ラマン分光装置(NT−MDT,Santa Clara,CA)を用いてラマンスペクトル分析を実施した。レーザー光の波長は473nm(2.63eV)であり、レーザービームのスポット径は約0.5μmであり、1mm当たり600本の溝を形成する回折格子が得たスペクトルの解像度は3cm−1である。高効率回折格子(1mm当たり1800本の溝を形成)を用いて1cm−1あたりのスペクトル解像度を出し、これによりさらに詳しいラマンbandの線形を得た。シリコンの520cm−1に現れるラマンピークは、波数校正の参考として用いた。 Raman spectral analysis was performed using a confocal Raman spectrometer (NT-MDT, Santa Clara, CA). The wavelength of the laser beam is 473 nm (2.63 eV), the spot diameter of the laser beam is about 0.5 μm, and the resolution of the spectrum obtained by the diffraction grating forming 600 grooves per 1 mm is 3 cm −1 . . Spectral resolution per cm −1 was obtained using a high-efficiency diffraction grating (forming 1800 grooves per mm), thereby obtaining a more detailed Raman band alignment. The Raman peak appearing at 520 cm −1 of silicon was used as a reference for wave number calibration.
電気化学剥離によるグラフェンの酸素含有量は、化学的剥離によるグラフェン及び機械剥離によるグラフェン及びグラフェン酸化物から還元形成したグラフェンなど他のグラフェンに比べて低い。このことから、電気化学剥離によるグラフェンは、他のグラフェンに比べて高い導電性を持っていることが分かった。例えば、ここに記載する電気化学剥離によるグラフェン薄片の酸素含有量は、約18%以下、約16%以下、約13%以下,又は約2%〜約18%、約4%〜約16%、約6%〜約14%、又は約8%〜約12%というように約20wt%以下に抑制された。電気化学剥離によるグラフェンの透磁性は、約91%、93%、95%、97%、又は99%以上と恐らく約90%以上に達する。厚さ約1.5nm〜約5nmの間(例えば、約1.5nm〜約3nm、約2nm〜約4nm、約2.5nm〜約4.5nm、約3nm〜約5 nm)の電気化学剥離によるグラフェン薄片の薄層電気抵抗は、約9kΩ/sq以下、約8kΩ/sq以下、約7kΩ/sq以下、約6kΩ/sq以下、約5kΩ/sq以下、約4kΩ/sq以下、約3kΩ/sq以下というように約10kΩ/sq以下となった The oxygen content of graphene by electrochemical exfoliation is lower than other graphenes such as graphene by chemical exfoliation and graphene by mechanical exfoliation and graphene formed by reduction from graphene oxide. From this, it was found that graphene by electrochemical stripping has higher conductivity than other graphenes. For example, the oxygen content of the graphene flakes by electrochemical stripping described herein can be about 18% or less, about 16% or less, about 13% or less, or about 2% to about 18%, about 4% to about 16%, It was suppressed to about 20 wt% or less, such as about 6% to about 14%, or about 8% to about 12%. The magnetic permeability of graphene by electrochemical stripping is about 91%, 93%, 95%, 97%, or 99% or higher, possibly reaching about 90% or higher. By electrochemical stripping between about 1.5 nm and about 5 nm in thickness (eg, about 1.5 nm to about 3 nm, about 2 nm to about 4 nm, about 2.5 nm to about 4.5 nm, about 3 nm to about 5 nm) The thin layer electrical resistance of the graphene flakes is about 9 kΩ / sq or less, about 8 kΩ / sq or less, about 7 kΩ / sq or less, about 6 kΩ / sq or less, about 5 kΩ / sq or less, about 4 kΩ / sq or less, about 3 kΩ / sq or less It became less than about 10kΩ / sq
(電極組成及び作製)
図5に示すように、これは複合電極50の具体的な実施形態であり、電極材料52(例えば、電極材料の粒子)、電極材料52に挿入した電気化学剥離によるグラフェン54、結合材58、及び導電性添加剤59から形成される。電極50はリチウムイオン電池のように電池の負極と正極の両方またはいずれか一方として用いることが可能であり、これは図9B〜図9Dに示すように、ボタン型電池及び円筒形電池又は角形パウチ形電池であることが好ましい。
(Electrode composition and production)
As shown in FIG. 5, this is a specific embodiment of the composite electrode 50, an electrode material 52 (for example, electrode material particles), graphene 54 by electrochemical stripping inserted into the electrode material 52, a binder 58, And a conductive additive 59. The electrode 50 can be used as a negative electrode and / or a positive electrode of a battery, such as a lithium ion battery, and as shown in FIGS. 9B to 9D, the electrode 50 can be used as a button type battery and a cylindrical battery or a rectangular pouch. A battery is preferred.
具体的な実施形態において、電極材料52はリチウムベース材料であり、リチウムイオン電池の負極と正極の両方またはいずれか一方として用いることが可能である。例えば、電極材料又はリチウム鉄複合酸化物、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、鉄リン酸リチウム複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、リチウムマンガン複合酸化物、(LiMn2O4)及びリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムコバルトマンガンニッケル複合物又はリチウムコバルトマンガンニッケル複合酸化物というように電極材料の前駆体として用いられるリチウムベース材料(例えば、LiFe(1−x)MxP(1−x)O2(2−x),0≦X<1)である。例えば、アモルファスカーボン層のような被覆層を用いてリチウムベース材料を被覆することが可能である。前記電極材料の具体的な実施形態にはアモルファスカーボンで被覆したリン酸鉄リチウム粒子が含まれる。 In a specific embodiment, the electrode material 52 is a lithium-based material and can be used as a negative electrode and / or a positive electrode of a lithium ion battery. For example, electrode material or lithium iron composite oxide, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), iron lithium phosphate composite oxide, lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese composite oxide, (LiMn 2 O 4 ) And lithium-based materials (for example, LiFe (1-x) M x ) used as precursors for electrode materials such as lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), lithium cobalt manganese nickel composite, or lithium cobalt manganese nickel composite oxide. P (1-x) O 2 (2-x) , 0 ≦ X <1). For example, the lithium-based material can be coated using a coating layer such as an amorphous carbon layer. Specific embodiments of the electrode material include lithium iron phosphate particles coated with amorphous carbon.
実施例により本発明について具体的に説明する。電極材料52には1つ以上のカーボン材料、セラミック村料、シリコン、錫、その他金属、又は金属酸化物が含まれる。カーボン材料は天然のグラフェン又は人工グラフェン、ソフトカーボン、ハードカーボン、カーボンナノチューブ、又はカーボンファイバー(例えば、気相成長カーボンファイバー)が含まれる。 The present invention will be specifically described with reference to examples. The electrode material 52 includes one or more carbon materials, ceramic village materials, silicon, tin, other metals, or metal oxides. Carbon materials include natural or artificial graphene, soft carbon, hard carbon, carbon nanotubes, or carbon fibers (eg, vapor grown carbon fibers).
複合電極50にも、1つ以上の導電性添加剤59、結合材58、カーボン材、溶剤のような添加材料が含まれる。導電性添加剤59には、1つ以上の伝導性カーボンブラック(例えば、Super P(登録商標)カーボンブラック、Timcal社、スイス)及びprimary人造黒鉛(例えば、Timrex(登録商標)KS 6グラフェン、Timcal社)、又は別の導電性添加剤が考えられる。結合材58には、1つ以上のフッ化ビニル樹脂、カルボシキメチルセルロース、スチレン・ブタジエン共重合体、又は他の結合材が含まれる。カーボン材には、1つ以上の天然グラフェン又は人工グラフェン、ソフトカーボン、ハードカーボン、伝導性カーボン材、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー(例えば、気相成長カーボンファイバー)、又は他のカーボン材のような機能性カーボン材が含まれる。溶剤には1つ以上のN−メチルピロリドン、フタル酸ジメチル、アセトニトリル、アルコール、又はその他溶剤が用いられる。 The composite electrode 50 also includes one or more conductive additives 59, binders 58, carbon materials, additive materials such as solvents. The conductive additive 59 includes one or more conductive carbon blacks (eg, Super P® carbon black, Timcal, Switzerland) and primary artificial graphite (eg, Timrex® KS 6 graphene, Timcal Or other conductive additives. The binder 58 includes one or more vinyl fluoride resins, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene copolymers, or other binders. Carbon materials function as one or more natural or artificial graphene, soft carbon, hard carbon, conductive carbon materials, carbon nanotubes, carbon fibers (eg, vapor grown carbon fibers), or other carbon materials Carbon material is included. The solvent may be one or more N-methylpyrrolidone, dimethyl phthalate, acetonitrile, alcohol, or other solvents.
通常、複合電極50に含まれる電気化学剥離によるグラフェン54量が電極100の総量に対して占める比率は非常に小さい。例えば、複合電極50は約0.001wt%〜約2wt%、約0.01wt%〜約1wt%、約0.05wt%〜約1.5wt%、又は約0.03wt%〜約1.2wt%のように約0.001wt%〜約5wt%の電気化学剥離によるグラフェン54しかない。しかしながら、下記に詳しく説明するように、たとえリチウムイオン電池に用いられる電極に前記のように少量しか電気化学剥離によるグラフェンが含まれていなくても、良好な充放電性能を有することが可能である。 Usually, the ratio of the amount of graphene 54 by electrochemical stripping included in the composite electrode 50 to the total amount of the electrode 100 is very small. For example, the composite electrode 50 may be about 0.001 wt% to about 2 wt%, about 0.01 wt% to about 1 wt%, about 0.05 wt% to about 1.5 wt%, or about 0.03 wt% to about 1.2 wt%. Thus, there is only graphene 54 by electrochemical stripping of about 0.001 wt% to about 5 wt%. However, as described in detail below, even if the electrode used in the lithium ion battery contains a small amount of graphene by electrochemical stripping as described above, it can have good charge / discharge performance. .
図6に示すように、電気化学剥離によるグラフェン負極又は電気化学剥離によるグラフェン正極を具備する複合電極を作製するには、電気化学剥離によるグラフェンと電極材料又は電極材料の前駆体(60)を結合させることが可能である。例えば、超音波結合又は均質混合により機械を用いて電気化学剥離によるグラフェンと電極材料又は前駆体を結合させることが可能である。電気化学剥離によるグラフェンも機械的混合、溶液混合、乾燥、物理的又は化学的な表面改質、正極表面又は負極表面の物理的混合又は化学的混合の両方又はいずれか一方の方法により、電極材料又は前記前駆体を結合させることが好ましい。 As shown in FIG. 6, in order to produce a composite electrode having a graphene negative electrode by electrochemical stripping or a graphene positive electrode by electrochemical stripping, graphene by electrochemical stripping and an electrode material or a precursor of electrode material (60) are combined. It is possible to make it. For example, it is possible to bond graphene and electrode material or precursor by electrochemical stripping using a machine with ultrasonic bonding or homogeneous mixing. Graphene by electrochemical exfoliation can also be used as an electrode material by mechanical mixing, solution mixing, drying, physical or chemical surface modification, physical or chemical mixing on the positive electrode surface or negative electrode surface, or both methods. Or it is preferable to couple | bond the said precursor.
電気化学剥離によるグラフェンの混合物及び電極材料は、熱風乾燥、噴霧乾燥、又はろ過乾燥のような方法で乾燥粒子形成(60)が好ましい。熱風乾燥には、乾燥室内又は加熱板上において、混合物を蒸発させ溶液を除去して、電気化学剥離によるグラフェン及び電極材料を混合した粉末を残すことが含まれる。噴霧乾燥には高速分離によって、電気化学剥離によるグラフェン及び電極材料の混合物をノズルから噴出させることが含まれる。ろ過乾燥には電気化学剥離によるグラフェン及び電極材料の混合物を吸引ろ過してブロック状にした後、乾燥粒子形成することが含まれる。 The graphene mixture and electrode material by electrochemical exfoliation is preferably dry particle formation (60) by methods such as hot air drying, spray drying, or filtration drying. Hot air drying includes evaporating the mixture and removing the solution in a drying chamber or on a heating plate, leaving a powder mixed with graphene and electrode material by electrochemical stripping. Spray drying includes ejecting a mixture of graphene and electrode material by electrochemical stripping from a nozzle by high speed separation. Filter drying includes suction filtration of a mixture of graphene and electrode material by electrochemical stripping to form a block, and then forming dry particles.
電気化学剥離によるグラフェン及び電極材料の混合物を乾燥粒子形成して作製した粒子は、結合材及び導電性添加剤と溶剤(約8:1:1の比率)の両方又はいずれか一方の添加剤と混合させることでスラリー(64)を形成することが可能である。スラリーの固体含有量は約40%〜約50%である。前記スラリーを銅箔電流コレクタ又はアルミ箔電流コレクタの上に被覆し、電気化学的試験(66)用のボタン型電池装置の電極として用いることが可能である。単一電池及び単二電池又は単三電池のような他のデバイス、自動車用電池及び他の電池も同様に電気化学剥離によるグラフェンを含む1つ以上の電極を有することが可能である。 Particles produced by dry particle formation of a graphene and electrode material mixture by electrochemical stripping include a binder and a conductive additive and / or solvent (ratio of about 8: 1: 1) and / or an additive. By mixing, a slurry (64) can be formed. The solids content of the slurry is about 40% to about 50%. The slurry can be coated on a copper foil current collector or an aluminum foil current collector and used as an electrode of a button type battery device for an electrochemical test (66). Other devices such as single cells and single or double batteries or AA batteries, automotive batteries and other batteries can similarly have one or more electrodes comprising graphene by electrochemical stripping.
図7に示すように、実施形態により本発明について具体的に説明する。噴霧乾燥により電極を作製する方法は、ホモジナイザー70中において電気化学剥離によるグラフェンと電極材料又は前記前駆体を均一に混合して、均一溶液71を作製する。蠕動ポンプ72を用いて均一溶液71をパイプライン76経由で高速回転する噴霧盤及びノズル74に送り込み、高速遠心分離させながら噴出する。均一混合物の溶剤ごとにノズル74の温度を設定することが可能である。下記に実施形態により本発明について具体的に説明する。ノズル74の温度は約100℃〜約200℃の間である。加熱器78を用いて、噴出した材料を乾燥させて粉末にし、粉末収集チャンバー79に収集した。注入口温度が高温の状況において、粒子形成工程を進ませて前記粉末から電極を構成する。噴霧乾燥は電極材料量産に好ましい方法である。 As shown in FIG. 7, the present invention will be specifically described according to an embodiment. In the method of producing the electrode by spray drying, the homogeneous solution 71 is produced by uniformly mixing the graphene and the electrode material or the precursor by electrochemical peeling in the homogenizer 70. Using the peristaltic pump 72, the uniform solution 71 is sent to the spray disc and the nozzle 74 rotating at high speed via the pipeline 76, and ejected while being centrifuged at high speed. It is possible to set the temperature of the nozzle 74 for each solvent of the homogeneous mixture. The present invention will be specifically described below with reference to embodiments. The temperature of the nozzle 74 is between about 100 ° C and about 200 ° C. The ejected material was dried to a powder using a heater 78 and collected in a powder collection chamber 79. In a situation where the inlet temperature is high, an electrode is formed from the powder through a particle formation process. Spray drying is a preferred method for mass production of electrode materials.
下記に実施形態により本発明について具体的に説明する。わずかなアモルファスカーボン層で被覆したリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子と、わずかな電気化学剥離によるグラフェン薄片(本発明では電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを用いた電極)で包み込んだリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子から電極を形成した。ジメチルホルムアミド中に混合した250ppm濃の電気化学剥離によるグラフェン薄片溶液を1滴ずつ直接直径約300nmのアモルファスカーボン層(Tatung Fine Chemicals Co.,台湾台北市より調達)を被覆した粒子を含有するリン酸鉄リチウム粉に注入した。180 ℃の温度下で混合物を撹拌し、電気化学剥離によるグラフェン薄片を分散させて溶剤を蒸発させた。 The present invention will be specifically described below with reference to embodiments. Wrapped with lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) particles coated with a slight amorphous carbon layer and graphene flakes by slight electrochemical stripping (in the present invention, an electrode using lithium iron phosphate wrapped with graphene by electrochemical stripping) Electrodes were formed from lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) particles. Phosphoric acid containing particles coated with an amorphous carbon layer (Tatung Fine Chemicals Co., procured from Taipei, Taiwan) of about 300 nm in diameter directly from a graphene flake solution by 250 ppm concentrated electrochemical exfoliation mixed in dimethylformamide. Injected into iron lithium powder. The mixture was stirred at a temperature of 180 ° C., and the graphene flakes obtained by electrochemical peeling were dispersed to evaporate the solvent.
溶剤蒸発後、電気化学剥離によるグラフェンとアモルファスカーボンで被覆したリン酸鉄リチウム粒子の分子間力によりグラフェン薄片が粒子を包み込んだ。この包み込むという作用がリン酸鉄リチウム粒子を保護し、凝集及び体積膨張を防ぐのに寄与した。 After solvent evaporation, the graphene flakes encapsulated the particles due to the intermolecular force of the lithium iron phosphate particles coated with graphene and amorphous carbon by electrochemical stripping. This enveloping action protected lithium iron phosphate particles and contributed to preventing aggregation and volume expansion.
図8A及び図8Bに、走査型電子顕微鏡撮影画像データでは電気化学剥離によるグラフェン薄片80が実際にアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子82の表面に被覆された状態を示した。また電気化学剥離によるグラフェン薄片80中にしわ84が存在することも観察された。 FIG. 8A and FIG. 8B show a state in which graphene flakes 80 obtained by electrochemical peeling are actually coated on the surfaces of amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles 82 in scanning electron microscope image data. It was also observed that wrinkles 84 were present in the graphene flakes 80 due to electrochemical peeling.
図9Aに示すように、電気化学セル90の具体的な実施形態には電気化学剥離によるグラフェン担持電極がある。電気化学セル90は様々な電極から構成された電気化学的挙動の測定に用いることが可能である。前記電気化学セル90にはリン酸鉄リチウムを含有する電気化学剥離によるグラフェンより形成された第1電極92が含まれる。電気化学剥離によるグラフェン担持第1電極92は負極又は正極と考えられる。前記電気化学セル90も同様にリチウムで構成された第2電極94を含有する。電極92及び電極94はLi+イオンのようなイオン98を含む電解質溶液96中に浸漬されている。 As shown in FIG. 9A, a specific embodiment of the electrochemical cell 90 includes a graphene-supported electrode by electrochemical stripping. The electrochemical cell 90 can be used for measuring electrochemical behavior composed of various electrodes. The electrochemical cell 90 includes a first electrode 92 made of graphene by electrochemical stripping containing lithium iron phosphate. The graphene-carrying first electrode 92 by electrochemical peeling is considered to be a negative electrode or a positive electrode. The electrochemical cell 90 similarly includes a second electrode 94 made of lithium. Electrode 92 and electrode 94 are immersed in an electrolyte solution 96 containing ions 98 such as Li + ions.
図9B〜図9Dに示すように、電気化学剥離によるグラフェン担持電極は、それぞれボタン型電池91、円筒形電池93、又は角形パウチ形電池95の負極と正極の両方又はいずれか一方として用いることが可能である。 As shown in FIGS. 9B to 9D, the graphene-supported electrode by electrochemical stripping is used as the negative electrode and / or positive electrode of the button-type battery 91, the cylindrical battery 93, or the square pouch-type battery 95, respectively. Is possible.
本発明の実施形態である10wt%のSuper P(登録商標)カーボンブラックはN−メチルピロリドン中のポリフッ化ビニリデン10wt%と混合し、続いてそこに電気化学剥離によるグラフェン被覆リン酸鉄リチウムのような80wt%の活性材料を添加した。混合物は400rpmの遊星型ボールミル中でステンレスボールを用いて作製する。その結果として得られたスラリーをアルミ箔集電体に塗り付け、110℃の温度下で4時間乾燥させる。その後、コイン型電池又はボタン型電池のような電気化学セルをアルゴンを充填したグローブボックスに設置する。乾燥させたスラリーに含まれるリン酸鉄リチウムを含有する電気化学剥離によるグラフェンは、第1電極92(例えば、負極又は正極)として用いられ、リチウム箔は第2電極94(例えば、正極又は負極)とされ、Celgard(登録商標)2600隔離膜又はCelgard(登録商標)ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン(PP/PE/PP)Trilayer隔離膜(例えばCelgard、Charlotte、NCより取得)と併用して隔離膜として用いられる。電解質溶液中にはエチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ビニルカーボネートを1:1:1の体積比で溶解した混合物中に1Mのヘキサフルオロリン酸リチウムが含まれる。本発明の具体的な実施形態である電解質溶液は1%のビニルカーボネートを含有するエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート(体積比1:1:1wt%)の混合物中に1Mのヘキサフルオロリン酸リチウムを溶解したものを含む。 An embodiment of the present invention, 10 wt% Super P® carbon black, is mixed with 10 wt% polyvinylidene fluoride in N-methylpyrrolidone, followed by the graphene-coated lithium iron phosphate by electrochemical stripping. 80% by weight of active material was added. The mixture is made using stainless balls in a planetary ball mill at 400 rpm. The resulting slurry is applied to an aluminum foil current collector and dried at a temperature of 110 ° C. for 4 hours. Thereafter, an electrochemical cell such as a coin-type battery or a button-type battery is placed in a glove box filled with argon. Graphene by electrochemical stripping containing lithium iron phosphate contained in the dried slurry is used as the first electrode 92 (eg, negative electrode or positive electrode), and the lithium foil is the second electrode 94 (eg, positive electrode or negative electrode). And used as a separator in combination with Celgard® 2600 separator or Celgard® polypropylene / polyethylene / polypropylene (PP / PE / PP) Trilayer separator (eg, obtained from Celgard, Charlotte, NC) It is done. The electrolyte solution contains 1 M lithium hexafluorophosphate in a mixture in which ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, and vinyl carbonate are dissolved in a volume ratio of 1: 1: 1. A specific embodiment of the electrolyte solution is 1M hexafluorophosphoric acid in a mixture of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate (volume ratio 1: 1: 1 wt%) containing 1% vinyl carbonate. Includes lithium dissolved.
対照用として、電気化学剥離によるグラフェンを担持しない正極及び負極を作製し、同様に電気化学セルに組み込ませた。例えば、負極複合材料は80wt%のアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム及び10wt%の結合剤及び10wt%の導電性添加剤から形成される。これらの構成成分は、約40%〜50%の固形成分を有するスラリーを求めることを目的として、均一的にN−メチルピロリドン中に溶かした。複合スラリーはアルミ箔集電体上に被覆され、ボタン型リチウムイオン電池の電極電池として圧縮形成される。同様の作製方法を用いて電気化学剥離によるグラフェンを含まない正極複合材料を作製することが可能である。 As a control, a positive electrode and a negative electrode not carrying graphene by electrochemical stripping were prepared and similarly incorporated into an electrochemical cell. For example, the negative electrode composite is formed from 80 wt% amorphous carbon-coated lithium iron phosphate and 10 wt% binder and 10 wt% conductive additive. These components were uniformly dissolved in N-methylpyrrolidone for the purpose of obtaining a slurry having about 40% to 50% solids. The composite slurry is coated on an aluminum foil current collector, and is compressed and formed as an electrode battery for a button-type lithium ion battery. A positive electrode composite material that does not contain graphene by electrochemical peeling can be manufactured using a similar manufacturing method.
(電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極)
次に本発明の実施形態である電気化学セルについて説明する。この電池は電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極を有し、正極内における電気化学剥離によるグラフェン量によりその性能を特徴付ける電池である。電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極を担持するリチウムイオン電池は、良好な充電性能、高放電性能、良好なサイクル寿命を備える。例えば、比湧出量は約210mAh/g、エネルギー密度は600Wh/kgに達する。この比湧出量は電気化学剥離によるグラフェンを含まない同類の正極の比湧出量は約170mAh/gであり、電気化学剥離によるグラフェンを含まない同様の正極の比湧出量は標準的な比湧出量である約120−160mAh/gであるという理論的な最大比湧出量を上回る。さらに、エネルギー密度は電気化学剥離によるグラフェンを含まない同様の正極の標準的なエネルギー密度である約500Wh/kgを上回った。このような高い比湧出量及びエネルギー密度の値は電気化学剥離によるグラフェンの存在により正極複合材料の電気化学性能が高まったことを示した。
(Lithium iron phosphate cathode wrapped in graphene by electrochemical stripping)
Next, an electrochemical cell that is an embodiment of the present invention will be described. This battery has a lithium iron phosphate positive electrode encapsulated with graphene by electrochemical stripping, and the battery is characterized by the amount of graphene by electrochemical stripping in the positive electrode. A lithium ion battery carrying a lithium iron phosphate positive electrode encapsulated with graphene by electrochemical stripping has good charge performance, high discharge performance, and good cycle life. For example, the specific discharge reaches about 210 mAh / g and the energy density reaches 600 Wh / kg. This specific volume is about 170 mAh / g for a similar positive electrode that does not contain graphene by electrochemical stripping, and the specific volume of a similar positive electrode that does not contain graphene by electrochemical stripping is the standard specific volume It exceeds the theoretical maximum specific spring rate of about 120-160 mAh / g. Furthermore, the energy density exceeded about 500 Wh / kg, which is the standard energy density of a similar positive electrode without graphene by electrochemical stripping. Such high specific discharge and energy density values indicated that the electrochemical performance of the cathode composite material was enhanced by the presence of graphene by electrochemical delamination.
図10Aに示すように、これは0.8wt%(曲線102)、1.2wt%(曲線104)、2wt%(曲線106)の電気化学剥離によるグラフェンを含有する電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極を担持する電気化学セルであり、0.1Cの荷重率において測定した第1充電サイクルの充放電電圧に関する曲線である。また電気化学剥離によるグラフェンを含まないリン酸鉄リチウム正極の対照となる電気化学セル(曲線100)も測定した。正極中の電気化学剥離によるグラフェン量が増加するにともない、電気化学セルの比湧出量も増加した。例えば、0.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンを有する正極の比湧出量は187mAh/gで、2wt%の電気化学剥離によるグラフェンを有する正極の比湧出量は210mAh/gであった。アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子の理論的な比湧出量は170mAh/gである。約2.0V〜約3.8Vの電圧を印加した範囲及び定電圧の状態において、環境温度により電気化学セルを測定し、3.8Vの定電圧の下、電流が0.05Cに達するまで充電した。 As shown in FIG. 10A, this was encased in graphene by electrochemical stripping containing 0.8 wt% (curve 102), 1.2 wt% (curve 104), 2 wt% (curve 106) graphene by electrochemical stripping. It is the electrochemical cell which carries a lithium iron phosphate positive electrode, and is a curve regarding the charging / discharging voltage of the 1st charge cycle measured in the load factor of 0.1C. In addition, an electrochemical cell (curve 100) serving as a control for a lithium iron phosphate positive electrode containing no graphene by electrochemical peeling was also measured. As the amount of graphene due to electrochemical delamination in the positive electrode increased, the specific yield of the electrochemical cell also increased. For example, the specific yield of the positive electrode having graphene by 0.8 wt% electrochemical stripping was 187 mAh / g, and the specific yield of the positive electrode having graphene by 2 wt% electrochemical stripping was 210 mAh / g. The theoretical specific yield of amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles is 170 mAh / g. In a range where a voltage of about 2.0 V to about 3.8 V is applied and in a constant voltage state, the electrochemical cell is measured by the environmental temperature and charged under a constant voltage of 3.8 V until the current reaches 0.05C. did.
図10Bに、同様の状態において0.13wt%(曲線109)の電気化学剥離によるグラフェンを含む電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極を担持する電気化学セルの充放電電圧を測定した曲線を示した。比較用として、電気化学剥離によるグラフェンを含まないリン酸鉄リチウム正極を担持する電気化学セル(曲線108)も測定した。この2本の曲線には明らかな差は見られず、電気化学剥離によるグラフェンの含有量(図10A参照)の増加を示した。比湧出量の向上は、恐らく正極材に含まれる電気化学剥離によるグラフェンの最小しきい値量によって誘発されることが推察される。従って、最小しきい値量を下回る電気化学剥離によるグラフェンを有する正極は向上した性能を示さないと考えられる。 In FIG. 10B, the charge / discharge voltage of an electrochemical cell carrying a lithium iron phosphate positive electrode encapsulated with graphene by electrochemical exfoliation including 0.13 wt% (curve 109) of graphene by electrochemical exfoliation was measured in the same state. A curve is shown. For comparison, an electrochemical cell (curve 108) carrying a lithium iron phosphate positive electrode containing no graphene by electrochemical peeling was also measured. There was no clear difference between the two curves, indicating an increase in graphene content (see FIG. 10A) due to electrochemical stripping. It is inferred that the improvement of the specific spring rate is probably induced by the minimum threshold amount of graphene due to electrochemical delamination contained in the positive electrode material. Therefore, it is considered that the positive electrode having graphene by electrochemical peeling below the minimum threshold amount does not show improved performance.
いかなる特定の理論に束縛されるものではないが、電気化学剥離によるグラフェン中における他のLi+イオン貯蔵場所の実施可能性を用いて、数層の電気化学剥離によるグラフェン薄片を挿入した正極を担持する電気化学セルの比湧出量向上について説明する。電気化学セルの主容量は、リン酸鉄リチウム粒子からのリチウムイオン抽出時(充電時)とリン酸鉄リチウム粒子へのリチウムイオン插入時(放電時)による。その工程は化学式リチウムFePO4=FePO4+Li++e−により示される。 Without being bound to any particular theory, the feasibility of other Li + ion storage locations in graphene by electrochemical stripping is used to carry a positive electrode with inserted graphene flakes by several layers of electrochemical stripping The improvement of the specific spring capacity of the electrochemical cell will be described. The main capacity of the electrochemical cell depends on extraction of lithium ions from lithium iron phosphate particles (when charging) and insertion of lithium ions into lithium iron phosphate particles (when discharging). The process is represented by the chemical formula lithium FePO 4 = FePO 4 + Li + + e − .
次の1つ又は2つの限定プロセスを用いて、定序橄欖石構造を有するリン酸鉄リチウム粒子からリチウムイオンを抽出する。第1の限定プロセスは粒界相拡散の制限である。リチウムイオンを有するリン酸鉄リチウムの拡散は、イオンのディスオーダー、foreign phases、積層欠陥と他の構造特性の両方又はいずれか一方の阻害のような構造的な特性の影響を受ける。リチウムイオン拡散の中断により、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)相とリン酸鉄(FePO4)相間の境界活動が妨げられることにより、潜在的にリチウムが負極材料又は正極材料内で抽出及び插入に関ることを防ぐ。前記リチウムイオンのインターカレーションのための利用可能な容積の減少により容量損失を引き起こしかねない。第2の限定プロセスはリン酸鉄リチウムの低電子伝導性である。低い電子移動性により電子の迅速な転移を妨げ、リチウム抽出及びリチウム挿入の速度が制限されることで容量損失を引き起こす。 One or two limiting processes are used to extract lithium ions from lithium iron phosphate particles having an ordered meteorite structure. The first limiting process is the limitation of grain boundary phase diffusion. Diffusion of lithium iron phosphate with lithium ions is affected by structural properties such as ion disorder, foreign phases, stacking faults and / or other structural properties. Interruption of lithium ion diffusion prevents the interfacial activity between the lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) phase and the iron phosphate (FePO 4 ) phase, thereby potentially allowing lithium to be extracted and inserted in the negative or positive electrode material. Prevent involvement. The loss of available volume for the lithium ion intercalation can cause capacity loss. The second limiting process is the low electronic conductivity of lithium iron phosphate. Low electron mobility hinders rapid electron transfer and limits the rate of lithium extraction and insertion, causing capacity loss.
いかなる特定の理論に束縛されるものではないが、負極又は正極に電気化学剥離によるグラフェンを担持する電気化学セルの容量向上は、数層の電気化学剥離によるグラフェン薄片より提供されるリチウムイオンの別の貯蔵機構の存在による。図11に潜在的なリチウムイオンの貯蔵機構を示す。例えば、リチウムイオン110はグラフェン薄片層間におけるように、アモルファスカーボン114被覆リン酸鉄リチウム粒子116の表面にある数層の電気化学剥離によるグラフェン薄片112に挿入することが可能である。リチウムイオン118も同様にリン酸鉄リチウム粒子の表面にカーボン114を吸着する。さらに、リチウムと電気化学剥離グラフェン間における可逆的な酸化還元反応は容量の向上に役立つ。 Without being bound by any particular theory, the capacity enhancement of an electrochemical cell carrying graphene by electrochemical stripping on the negative electrode or the positive electrode can be different from the lithium ions provided by the graphene flakes by several layers of electrochemical stripping. Due to the existence of storage mechanism. FIG. 11 shows a potential lithium ion storage mechanism. For example, lithium ions 110 can be inserted into graphene flakes 112 by electrochemical stripping of several layers on the surface of amorphous carbon 114-coated lithium iron phosphate particles 116, such as between graphene flake layers. Similarly, lithium ions 118 adsorb carbon 114 on the surface of lithium iron phosphate particles. Furthermore, the reversible redox reaction between lithium and electrochemically exfoliated graphene helps to increase capacity.
電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム材料について、充電後(つまりリチウムイオン抽出後)と放電後(つまりリチウムイオン插入後)の透過型電子顕微鏡で撮影した画像データからこのような貯蔵機構を示していることが分かる。充電後又は放電後、すぐに電気化学セルを開列して試験を実施し、透過型電子顕微鏡で撮影した画像データを求めた。正極をエタノール溶液中で浸漬洗浄して、グローブボックス中で乾燥させた。乾燥した正極材料をアルミニウム箔から削り落とし、エタノール溶液中に入れて超音波分解を行い、それを銅グリッドに垂らして透過型電子顕微鏡で画像を撮影した。 The storage mechanism of lithium iron phosphate materials encapsulated in graphene by electrochemical delamination from image data taken with a transmission electron microscope after charging (ie after lithium ion extraction) and after discharge (ie after lithium ion insertion) It can be seen that Immediately after charging or discharging, the electrochemical cell was opened and tested, and image data taken with a transmission electron microscope was obtained. The positive electrode was immersed and washed in an ethanol solution and dried in a glove box. The dried positive electrode material was scraped off from the aluminum foil, placed in an ethanol solution, subjected to ultrasonic decomposition, dropped on a copper grid, and an image was taken with a transmission electron microscope.
図12Aに0.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンを有する電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム粒子120を充電(つまり正極材からプラスリチウム抽出後)した後、透過型電子顕微鏡で撮影した高解像度画像データを示す。厚さ約1nmのアモルファスカーボン被覆層122をリン酸鉄リチウム粒子120に被覆した。厚さ約1.5〜2nmの数層の電気化学剥離によるグラフェン124薄片がこのアモルファスカーボン被覆層122に形成された。グラフェン薄片124層は通常リン酸鉄リチウム粒子120の表面で秩序配列及び積層されている。 FIG. 12A shows a lithium ion phosphate particle 120 encased in electrochemically exfoliated graphene having 0.8 wt% electrochemically exfoliated graphene (that is, after extraction of positive lithium from the positive electrode material) and then photographed with a transmission electron microscope. High resolution image data obtained is shown. An amorphous carbon coating layer 122 having a thickness of about 1 nm was coated on the lithium iron phosphate particles 120. Graphene 124 flakes by electrochemical peeling of several layers having a thickness of about 1.5 to 2 nm were formed on the amorphous carbon coating layer 122. The graphene flakes 124 are usually ordered and laminated on the surface of the lithium iron phosphate particles 120.
図12Bに0.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンを有する電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム的粒子125を充電後(つまり正極材にプラスリチウム挿入後)、透過型電子顕微鏡で撮影した高解像度画像データを示す。図12Cに、電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム粒子125を充電後、透過型電子顕微鏡で撮影した高解像度の拡大画像データを示す。これは数層のランダムに配列された電気化学剥離によるグラフェン薄片126であり、リン酸鉄リチウム粒子125の表面に多数の層が無秩序に配列されていた。 FIG. 12B shows the lithium iron phosphate-like particles 125 encapsulated with the graphene by electrochemical stripping having graphene by 0.8 wt% electrochemical stripping (that is, after plus lithium is inserted into the positive electrode material), and photographed with a transmission electron microscope. High resolution image data obtained is shown. FIG. 12C shows high-resolution enlarged image data taken with a transmission electron microscope after charging the lithium iron phosphate particles 125 encapsulated with graphene by electrochemical peeling. This is a graphene flake 126 by several layers of randomly arranged electrochemical strips, and many layers are randomly arranged on the surface of the lithium iron phosphate particles 125.
グラフェン薄片126の層間間隔は正極粒子125による充放電にともない変化する。本発明の実施形態である放電中の正極粒子125に含まれるグラフェン薄片126の層間間隔は0.372nmである。これに対し、充電中の正極粒子120に含まれるグラフェン薄片124の層間間隔はわずか0.34nmにすぎない。本発明の他の実施形態において、放電中の正極粒子125の層間間隔は0.38nmであり、充電中の正極粒子120の層間間隔は0.31nmであった。なお、透過型電子顕微鏡を用いて撮影した画像の多重部位(例えば、少なくとも12部位又は少なくとも20部位)の層間間隔を平均して、このような層間値を決めた。完全な構造を有し、Li+を挿入した結晶性グラフェンに対する予想層間間隔は0.37nmであった。 The interlayer spacing of the graphene flakes 126 changes with charge / discharge by the positive electrode particles 125. The interlayer spacing of the graphene flakes 126 included in the positive electrode particles 125 during discharge according to an embodiment of the present invention is 0.372 nm. On the other hand, the interlayer spacing of the graphene flakes 124 contained in the positive electrode particles 120 during charging is only 0.34 nm. In another embodiment of the present invention, the interlayer spacing of the positive electrode particles 125 during discharge was 0.38 nm, and the interlayer spacing of the positive electrode particles 120 during charging was 0.31 nm. It should be noted that such interlayer values were determined by averaging the interlayer spacing of multiple parts (for example, at least 12 parts or at least 20 parts) of an image taken using a transmission electron microscope. The expected interlayer spacing for crystalline graphene with a complete structure and intercalated with Li + was 0.37 nm.
充電したグラフェン薄片及び放電したグラフェン薄片の構造の違いは、Li+イオンが正極放電中に電気化学剥離によるグラフェン薄片に取り込まれ、電気化学剥離によるグラフェン薄片の面間隔(d−spacing)が拡大することにある。特に電気化学剥離によるグラフェン中における明らかな平面間(つまり層間)の間隔により非常に適合したLi+イオンを結晶格子にインターカレーション(挿入)する骨格を提供することが可能である。 The difference in structure between the charged graphene flakes and the discharged graphene flakes is that Li + ions are taken into the graphene flakes by electrochemical peeling during positive electrode discharge, and the interplanar spacing (d-spacing) of the graphene flakes by electrochemical peeling increases. There is. In particular, it is possible to provide a skeleton that intercalates (inserts) Li + ions into the crystal lattice that are more suitable due to the apparent interplanar (ie, interlayer) spacing in graphene by electrochemical stripping.
図13に示すように、これは透過型電子顕微鏡を用いて撮影した高解像度画像データであり、放電した正極粒子132の端部における電気化学剥離によるグラフェン薄片130の面を観察した図である。グラフェン薄片130において六方晶系構造134が存在し、Li+イオンをグラフェン薄片130の結晶構造にインターカレーション(挿入)した六方格子の存在を示す。配置図136はLi+イオンのグラフェンへのインターカレーション(挿入)が可能である結晶構造を示す。このようなインターカレーション(挿入)するLi+イオンの存在により正極容量が高められた。 As shown in FIG. 13, this is high-resolution image data taken using a transmission electron microscope, and is a view of the surface of the graphene flakes 130 formed by electrochemical peeling at the ends of the discharged positive electrode particles 132. A hexagonal structure 134 is present in the graphene flakes 130, and the presence of a hexagonal lattice in which Li + ions are intercalated (inserted) into the crystal structure of the graphene flakes 130 is shown. The layout diagram 136 shows a crystal structure that allows intercalation (insertion) of Li + ions into graphene. The positive electrode capacity was increased by the presence of Li + ions that intercalated (inserted).
電気化学剥離によるグラフェン表面にLi+イオンを付着させることも正極容量の引き上げに有効である。通常、Li+イオンを表面に付着させると、電気化学セルのライフサイクルの安定性に影響を及ぼす。図14に示すように、0.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンを担持した電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極材を有する電気化学セルのライフサイクル(曲線140)は安定しており、グラフェン表面に付着したLi+イオンは支配的メカニズムによりこのような電気化学セルの余剰能力を制御できないかもしれないことを示した。 Adhering Li + ions to the graphene surface by electrochemical peeling is also effective for raising the positive electrode capacity. In general, deposition of Li + ions on the surface affects the life cycle stability of the electrochemical cell. As shown in FIG. 14, the life cycle (curve 140) of the electrochemical cell having the lithium iron phosphate positive electrode material encapsulated with graphene by electrochemical exfoliation supporting 0.8 wt% electrochemical exfoliation of graphene is stable. We have shown that Li + ions attached to the graphene surface may not be able to control the surplus capacity of such electrochemical cells by a dominant mechanism.
リン酸鉄リチウム正極に電気化学剥離によるグラフェンが存在することで、電気化学セルの容量面での不可逆的な最初のサイクル損失を低減することが可能である。次に図10Aに0.8wt%(曲線102)の電気化学剥離によるグラフェン担持正極と1.2wt%(曲線104)の電気化学剥離によるグラフェン担持正極について、電気化学セルの容量における実際の不可逆的な損失はゼロであったことを示した。いかなる特定の理論に束縛されるものではないが、この性能はアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子の周りをしっかりと均一的に高伝導性コーティングを施した数層のグラフェンによって包み込まれたことが原因である。この均一的なグラフェン被覆層は、充放電時に電子が素早く移動する経路となる。通常、sp2結合(つまり、グラフェン中に存在する結合の種類)における電子の移動度はsp3結合(つまりアモルファスカーボン内に存在する結合の種類)における電子の移動度に比べて高効率である。電気化学剥離によるグラフェン被覆層を通した効果的な電子移動により、充放電サイクル時にリン酸鉄リチウム粒子の表面に電子が拡散され、こうしてリチウム挿入及びリチウム抽出に対する動態及び可逆性が向上した。 The presence of graphene due to electrochemical stripping on the lithium iron phosphate positive electrode can reduce irreversible initial cycle loss in terms of capacity of the electrochemical cell. Next, FIG. 10A shows the actual irreversible capacity of the electrochemical cell for the graphene-supported positive electrode by electrochemical stripping of 0.8 wt% (curve 102) and the graphene-supported positive electrode by electrochemical stripping of 1.2 wt% (curve 104). Indicated that the loss was zero. Without being bound to any particular theory, this performance is attributed to being encased by several layers of graphene with a highly uniform and highly conductive coating around the amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles It is. This uniform graphene coating layer provides a path through which electrons move quickly during charge and discharge. Usually, the mobility of electrons in sp 2 bonds (that is, the types of bonds present in graphene) is higher than the mobility of electrons in sp 3 bonds (that is, the types of bonds present in amorphous carbon). . Effective electron transfer through the graphene coating by electrochemical stripping diffuses electrons to the surface of the lithium iron phosphate particles during the charge / discharge cycle, thus improving kinetics and reversibility for lithium insertion and extraction.
2wt%の電気化学剥離によるグラフェン(曲線106)を担持する正極材の不可逆的な容量は5%増加する。これは電気化学剥離によるグラフェンを含まないアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウムを担持する正極の電気化学セルにおける不可逆的な容量に匹敵する。通常、最初のサイクル損失のパーセンテージはリン酸鉄リチウム正極材のカーボン含有量が増加するにつれて上昇する。これはLi+がアモルファスカーボン層の拡散経路により増加するためである。 The irreversible capacity of the positive electrode material carrying graphene (curve 106) by 2 wt% electrochemical stripping increases by 5%. This is comparable to the irreversible capacity in a positive electrode electrochemical cell carrying amorphous carbon-coated lithium iron phosphate without graphene by electrochemical stripping. Usually, the initial cycle loss percentage increases as the carbon content of the lithium iron phosphate cathode material increases. This is because Li + increases due to the diffusion path of the amorphous carbon layer.
2wt%の電気化学剥離によるグラフェン(曲線106)担持正極材のピーク値電圧は3.4Vを維持することから、電気化学剥離によるグラフェンが均一的に被覆されることにより、好ましくない分極作用をほとんど引き起こさないことを示した。仮にリン酸鉄リチウム粒子を被覆する電気化学剥離によるグラフェンが均一的でない(数層の電気化学剥離によるグラフェン薄片による積層)と、積層した薄片は数層のグラフェン薄片よりむしろグラフェン粒子のように作用し、付加的な電圧の分極を引き起こす。付加的な電圧の分極は比較的高い電気化学剥離によるグラフェンの重量パーセントの状況下で生じる。対照実験として、電気化学剥離によるグラフェン溶液を1滴ずつ加える方法でなく大雑把に混ぜて、2wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム粒子を作製した。この作製方法ではグラフェン層が積層しまうため、π−π相互作用を利用してやや厚みのある凝集体を形成した。図15のように、このような方法で形成された正極材を有する電池を試験したときの電圧曲線(曲線150)は明らかな電圧分極を示した。このような対照実験で独立した数層の電気化学剥離によるグラフェン薄片の性質により低い分極と低い最初のサイクルパーセンテージ損失の観察に寄与することが証明された。 The peak voltage of the graphene (curve 106) -supported positive electrode material by electrochemical stripping of 2 wt% is maintained at 3.4 V, so that the graphene by electrochemical stripping is uniformly coated, so that almost no undesirable polarization action is caused. Shown not to cause. If the graphene by electrochemical exfoliation covering lithium iron phosphate particles is not uniform (lamination by graphene flakes by several layers of electrochemical exfoliation), the laminated flakes act like graphene particles rather than several layers of graphene flakes And cause additional voltage polarization. Additional voltage polarization occurs under graphene weight percent conditions due to relatively high electrochemical delamination. As a control experiment, lithium iron phosphate particles encapsulated with 2 wt% of graphene by electrochemical stripping were prepared by roughly mixing the graphene solution by electrochemical stripping, not by adding one drop at a time. Since the graphene layer is stacked in this manufacturing method, a slightly thick aggregate is formed using the π-π interaction. As shown in FIG. 15, the voltage curve (curve 150) when the battery having the positive electrode material formed by such a method was tested showed clear voltage polarization. Such control experiments have demonstrated that the properties of graphene flakes from several independent layers of electrochemical delamination contribute to the observation of low polarization and low initial cycle percentage loss.
図16に0.13wt%(データポイント162)の電気化学剥離によるグラフェン之電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを担持する正極材と、1.2wt%(データポイント164)の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを担持する正極材を含有する電気化学セルの放電能力(つまり比湧出量)を示す。対照用として、リン酸鉄リチウムを有する正極材に電気化学剥離によるグラフェン(データポイント160)を持たない電気化学セルも同様に試験を行った。比湧出量はそれぞれの充放電率試験により求めた。通常、放電率が増加するにつれて、試験した正極材組成物はいずれも高い放電電流(例えば、素早くLi+をインターカレーション(挿入)する)を維持することができず、比湧出量が減少する。電気化学剥離によるグラフェンを担持する正極は、一貫して電気化学剥離によるグラフェンを担持していない正極材に比べて高い比湧出量を示し、低い的放電率(例えば、0.1C−1.3C)において、少なくとも約23%以上の容量を伝達し、高い放電率(例えば、2.5C−28C)において少なくとも約26%以上の容量を伝達することを示した。例えば、1.2wt%の電気化学剥離によるグラフェンを担持した電気化学セルは10Cの放電率において、125mAh/gの容量を送ることが可能である。これは電気化学剥離によるグラフェンを担持しない電気化学セルが得た容量98mAh/gに比べて約26%も優れていることを示した。 FIG. 16 shows a positive electrode material carrying lithium iron phosphate encased in graphene by electrochemical exfoliation of 0.13 wt% (data point 162) and 1.2 wt% (data point 164) of electrochemical exfoliation. The discharge capacity (that is, specific spring rate) of an electrochemical cell containing a positive electrode material carrying lithium iron phosphate encapsulated with graphene by peeling is shown. As a control, an electrochemical cell having no graphene (data point 160) by electrochemical stripping on a positive electrode material having lithium iron phosphate was also tested. The specific spring rate was determined by each charge / discharge rate test. Normally, as the discharge rate increases, none of the tested cathode material compositions can maintain a high discharge current (eg, quickly intercalating Li + ) and the specific spring rate decreases. . The positive electrode supporting graphene by electrochemical stripping consistently exhibits a higher specific spring rate than a positive electrode material not supporting graphene by electrochemical stripping, and has a low target discharge rate (e.g., 0.1C-1.3C). ) At least about 23% capacity, and at high discharge rates (eg, 2.5C-28C) at least about 26% capacity. For example, an electrochemical cell supporting graphene by 1.2 wt% electrochemical stripping can deliver a capacity of 125 mAh / g at a discharge rate of 10 C. This indicates that the electrochemical cell not supporting graphene by electrochemical stripping is about 26% better than the 98 mAh / g capacity obtained.
1.2wt%の正極材(データポイント166)の各種充放電率によるクーロン効率も同様に示す。測定したすべてのCレートでは、クーロン効率は安定を示す約98−100%を維持し、電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを挿入した正極材と抽出したLi+の量は実質的に維持されており、充放電時の損失はほとんどなかったことを示した。 The Coulomb efficiency by various charging / discharging rates of the 1.2 wt% positive electrode material (data point 166) is also shown. At all measured C rates, the Coulomb efficiency remains stable at about 98-100%, and the amount of extracted Li + and the positive electrode material inserted with lithium iron phosphate encapsulated in graphene by electrochemical stripping is substantial. It was shown that there was almost no loss during charging and discharging.
電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを担持する正極における電気化学剥離によるグラフェンの存在による電容量に対する影響は、固定放電電流において総放電時間を計算し、総放電時間を実際の放電率に変換して様々な充放電率において定量化して用いることが可能である。図17のように、電気化学剥離によるグラフェンを担持する正極材を有する電池(曲線170)は迅速に放電される状態において、電気化学剥離によるグラフェンを担持しない正極材を有する電池(曲線172)に比べて高い保留率を達成することを示した。この結果から電気化学剥離によるグラフェンの存在は高電流状態において電池材料のエネルギー密度が増加する一因になり、こうして電池の電力出力を増加させるのに効果的であることを示した。このような増加は非常に有用であり、例えば電気自動車が加速するのに伴い、最大容許電流を増やし、また上り坂においても電気自動車のバッテリーパックの電圧に変化をもたらすことがない。 The influence of the presence of graphene due to electrochemical exfoliation on the positive electrode carrying lithium iron phosphate encapsulated with graphene encapsulated by electrochemical exfoliation is calculated by calculating the total discharge time at a fixed discharge current and calculating the total discharge time as the actual discharge rate. Can be quantified and used at various charge / discharge rates. As shown in FIG. 17, a battery (curve 170) having a positive electrode material carrying graphene by electrochemical stripping is rapidly replaced with a battery (curve 172) having a positive electrode material not carrying graphene by electrochemical stripping. Compared to the higher retention rate. The results show that the presence of graphene due to electrochemical delamination contributes to an increase in the energy density of the battery material in a high current state, and is thus effective in increasing the power output of the battery. Such an increase is very useful, for example, as the electric vehicle accelerates, increases the maximum allowable current and does not change the voltage of the battery pack of the electric vehicle even uphill.
電気自動車用のリチウムイオン電池コストは非常に高い。電池寿命を延長することによりコスト低減が可能になる。図18に0.01wt%(曲線182)の電気化学剥離によるグラフェンを有する電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極を担持する電気化学セルと、0.8wt%(曲線184)の電気化学剥離によるグラフェンを有する電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウム正極を担持する電気化学セルの固定放電電流における比湧出量を示す。対照用として、電気化学剥離によるグラフェンを含まないリン酸鉄リチウムを有する正極材を担持する電気化学セル(曲線180)の試験も同様に実施した。試験は0.1Cにおいて試験電池を3サイクル活性化することから実施し、その後、さらに厳格な試験条件下で、1.3Cにおいて連続的に試験電池を充電/放電した。電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを有する正極材の電気化学セルのライフサイクルは、電気化学剥離によるグラフェンを有さない正極材を担持する電気化学セルのライフサイクルに比べて明らかに増加した。 The cost of lithium-ion batteries for electric vehicles is very high. Costs can be reduced by extending battery life. FIG. 18 shows an electrochemical cell carrying a lithium iron phosphate positive electrode encased in graphene by electrochemical exfoliation with 0.01 wt% (curve 182) of graphene by electrochemical exfoliation, and 0.8 wt% (curve 184) of electricity. The specific amount of discharge at a fixed discharge current of an electrochemical cell carrying a lithium iron phosphate positive electrode encapsulated with graphene by electrochemical exfoliation with graphene by chemical exfoliation is shown. As a control, an electrochemical cell (curve 180) carrying a positive electrode material having lithium iron phosphate containing no graphene by electrochemical stripping was also similarly tested. The test was performed by activating the test cell for 3 cycles at 0.1 C, and then charging / discharging the test cell continuously at 1.3 C under more stringent test conditions. The life cycle of a positive electrode electrochemical cell with lithium iron phosphate encapsulated in graphene by electrochemical delamination is evident compared to the life cycle of an electrochemical cell carrying a positive electrode material without graphene by electrochemical delamination Increased.
電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだリン酸鉄リチウムを有する正極材の過剩容量の起因を調べるために、試験する正極材料は沈着した1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンから不活性なシリカ粒子(直径〜5−10μm)を形成して作製し、状況に応じて導電性添加剤及び結合剤を添加した。また対照用として、電気化学剥離によるグラフェンを有しないシリカ粒子においても同様に正極材料を形成した。シリカは正極の容量に対して明らかな効果を示さなかった。シリカ正極材料を有するボタンサイズの電池を作製し試験を実施した。電気化学剥離によるグラフェンを有するシリカ正極材料と電気化学剥離によるグラフェンを有さないシリカ正極材料の容量を測定することで、電気化学剥離によるグラフェン薄片の容量に対する直接測定として提供することが可能である。 In order to investigate the cause of excess capacity of the positive electrode material having lithium iron phosphate encapsulated with graphene by electrochemical exfoliation, the positive electrode material to be tested was deposited silica particles inert from graphene by 1.8 wt% electrochemical exfoliation ( (Diameter ˜5-10 μm) was formed, and conductive additives and binders were added depending on the situation. As a control, a positive electrode material was similarly formed on silica particles that did not have graphene by electrochemical peeling. Silica had no obvious effect on the positive electrode capacity. A button-sized battery having a silica cathode material was prepared and tested. By measuring the capacity of silica positive electrode material with graphene by electrochemical exfoliation and silica positive electrode material without graphene by electrochemical exfoliation, it can be provided as a direct measurement for the capacity of graphene flakes by electrochemical exfoliation .
図19に、曲線190及び曲線192はそれぞれシリカ粒子と、1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンを有するシリカ粒子から形成された正極材の第2サイクル電圧曲線を示した。シリカ粒子は小さい可逆的な容量(曲線190)を示し、これに対し電気化学剥離によるグラフェン薄片はかなり大きな可逆的な容量(曲線192)を示した。 In FIG. 19, curve 190 and curve 192 show the second cycle voltage curve of the positive electrode material formed from silica particles and silica particles having graphene by 1.8 wt% electrochemical stripping, respectively. Silica particles exhibited a small reversible capacity (curve 190), whereas graphene flakes from electrochemical delamination exhibited a fairly large reversible capacity (curve 192).
図20に25mA/gの電流密度において充放電を行い、シリカ粒子のサイクル特性と1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだシリカ粒子のサイクル特性を測定したところ、1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンを担持した正極と0wt%の電気化学剥離によるグラフェンを担持した正極はそれぞれ0.5C及び7.5Cに相当する速度能力を示した。曲線200及び曲線202はそれぞれ充電したシリカ粒子と放電したシリカ粒子の比湧出量を表し、曲線204と曲線206はそれぞれ充電した1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだシリカ粒子と放電した1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだシリカ粒子の比湧出量を表す。1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだシリカ粒子の速度能力は6サイクル後も依然として維持していた。電気化学剥離によるグラフェンで包み込んでいないシリカ粒子の速度能力は数サイクル後、低下した。第6サイクルにおいて、1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込んだシリカ粒子の充電容量は53.5mAh g−1、放電容量は38.3mAh g−1であり、純シリカの容量を上回った。前記電気化学剥離によるグラフェンの特定の充電容量はおよそ2970mAh g−1であり、放電容量は2120mAh g−1であった。電気化学剥離によるグラフェンの作製は溶液中における電気化学的反応を伴うため、いくつかの酸化還元活性部位又は欠陥が活性化され、電気化学的なグラフェン上に維持することが可能である。これらの結果から正極材料に組み込まれた電気化学剥離によるグラフェン薄片はLi+イオンの貯蔵能力を向上させられ、Li+イオンの貯蔵メカニズムが可逆的であることを示した。 In FIG. 20, charge / discharge was performed at a current density of 25 mA / g, and the cycle characteristics of silica particles and the cycle characteristics of silica particles encapsulated with graphene by 1.8 wt% electrochemical stripping were measured. The positive electrode carrying graphene by chemical exfoliation and the positive electrode carrying graphene by 0 wt% electrochemical exfoliation showed rate capability corresponding to 0.5 C and 7.5 C, respectively. Curves 200 and 202 represent the specific amount of discharge of charged silica particles and discharged silica particles, respectively, and curves 204 and 206 respectively discharged with silica particles encapsulated with graphene by 1.8 wt% electrochemical stripping charged. The specific amount of silica particles encapsulated in graphene by 1.8 wt% electrochemical stripping is shown. The rate capability of the graphene encapsulated silica particles by 1.8 wt% electrochemical stripping was still maintained after 6 cycles. The rate capability of silica particles not encapsulated by graphene by electrochemical stripping decreased after several cycles. In the sixth cycle, the charge capacity of the silica particles encapsulated by graphene by 1.8 wt% electrochemical stripping was 53.5 mAh g −1 , and the discharge capacity was 38.3 mAh g −1 , which exceeded the capacity of pure silica. . The specific charge capacity of graphene by the electrochemical stripping was about 2970 mAh g −1 and the discharge capacity was 2120 mAh g −1 . Since the production of graphene by electrochemical stripping involves an electrochemical reaction in solution, several redox active sites or defects can be activated and maintained on the electrochemical graphene. From these results, it was shown that the graphene flakes by electrochemical exfoliation incorporated into the positive electrode material have improved Li + ion storage capability and the Li + ion storage mechanism is reversible.
図21に0.05V/sにおいて測定したシリカ粒子(曲線210)に関するサイクリックボルタンメトリ及び0.02V/s(曲線212)、0.05V/s(曲線214)、0.1V/s(曲線216)において測定した1.8wt%の電気化学剥離によるグラフェンで包み込まれたシリカ粒子のサイクリックボルタンメトリを示す。約3.5−4Vにおける酸化ピーク218及び約2.5−3.5Vにおける還元ピーク219から酸化還元反応を生じたことを証明するものであり、これはLi+イオンの貯蔵能力に寄与する。酸化還元ピークはブロードであり、これは電極容量を向上させるための電気化学剥離によるグラフェンの能力はリン酸鉄リチウムに限定されるものではなく、他の酸化物のような他の材料にも適用することが可能である。 FIG. 21 shows cyclic voltammetry for silica particles (curve 210) measured at 0.05 V / s and 0.02 V / s (curve 212), 0.05 V / s (curve 214), 0.1 V / s ( The cyclic voltammetry of silica particles encapsulated in graphene by 1.8 wt% electrochemical delamination measured in curve 216) is shown. This demonstrates that an oxidation-reduction reaction has occurred from the oxidation peak 218 at about 3.5-4 V and the reduction peak 219 at about 2.5-3.5 V, which contributes to the storage capacity of Li + ions. The redox peak is broad, which means that the ability of graphene by electrochemical stripping to improve electrode capacity is not limited to lithium iron phosphate, but also applies to other materials such as other oxides Is possible.
(他の材料)
他の材料を正極材料に添加することにより正極材の性能及び容量を強化することも可能である。図22Aに示すように、通常、層状の複合正極粒子220を作製することが可能であり、これには正極材料222、層状構造を持つ材料のような1つ又は複数の貯蔵材料224、高いリチウム貯蔵能力を持つ材料と有機材料の両方又はいずれか一方の材料、1つ又は複数の機能性材料の両方又はいずれか一方の材料226が含まれる。このような複合正極粒子220は高速度能力及びサイクルライフ向上のような電気化学的性能を強化することが可能であり、電圧曲線は依然として正極材料と同じような曲線を示した。複合正極粒子220の容量は正極粒子上の構成材料の容量の重ね合わせによって調整が可能である。例えば、一層又は多層の構成材料の並列容量によって正極容量を増加することが可能である。
(Other materials)
It is also possible to enhance the performance and capacity of the positive electrode material by adding other materials to the positive electrode material. As shown in FIG. 22A, it is usually possible to make a layered composite cathode particle 220, which includes a cathode material 222, one or more storage materials 224 such as a layered material, high lithium Included are materials 226 that have storage capacity and / or organic materials, one or more functional materials, and / or materials 226. Such composite cathode particles 220 can enhance electrochemical performance such as high speed capability and cycle life improvement, and the voltage curve still shows a curve similar to the cathode material. The capacity of the composite positive electrode particle 220 can be adjusted by superimposing the capacity of the constituent materials on the positive electrode particle. For example, the positive electrode capacity can be increased by the parallel capacity of one or more layers of constituent materials.
図22Bに示すように、正極228は複合正極粒子220から形成される。正極228は電気化学セルの正極として用いられ、例えば図9B−図9Dに示すようなボタン型電池91、円筒形電池93、又はパウチ形電池95、又は他の形の電池である。 As shown in FIG. 22B, the positive electrode 228 is formed from composite positive electrode particles 220. The positive electrode 228 is used as a positive electrode of an electrochemical cell, and is, for example, a button-type battery 91, a cylindrical battery 93, or a pouch-type battery 95 as shown in FIGS. 9B to 9D, or other types of batteries.
本発明における具体的な実施形態として、リチウムイオン電池の正極材料222に用いられる材料には、酸化鉄リチウム、リン酸鉄リチウム、リチウム鉄リン系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物(LiCoO2)、リチウムマンガン系複合酸化物(LiMn2O4)、リチウムニッケル系複合酸化物(LiNiO2)、リチウムコバルトマンガンニッケル系複合物、リチウムコバルトマンガンニッケル系複合酸化物(NCM)、及び他の正極材料のような1つ以上のリチウムベース材料(例えば、LiFe(1−x)MxP(1−x)O2(2−x),0≦x<1)が含まれる。 As a specific embodiment in the present invention, materials used for the positive electrode material 222 of the lithium ion battery include lithium iron oxide, lithium iron phosphate, lithium iron phosphorus composite oxide, lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2). ), Lithium manganese complex oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium nickel complex oxide (LiNiO 2 ), lithium cobalt manganese nickel complex, lithium cobalt manganese nickel complex oxide (NCM), and other positive electrodes One or more lithium-based materials such as materials (e.g., LiFe (1-x) M x P (1-x) O 2 (2-x) , 0 ≦ x <1) are included.
貯蔵材料224には、層状構造を持つ材料、高いリチウム貯蔵能力を持つ材料と有機材料の両方又はいずれか一方の材料が含まれる。高いリチウム貯蔵容量を持つ材料には、1つ以上の硫黄、シリコン、錫、セラミック材料、硫化リチウム(Li2S)、及び他の高いリチウム貯蔵容量を持つ材料のような材料が含まれる。層状構造を持つ材料には、遷移金属ジカルコゲナイド、1つ以上のMoS2、MoSe2、WS2、WSe2及び他の遷移金属ジカルコゲナイドのような材料と、MoSxのようなstoichiometric ratioのようなものを有する相当の材料の両方またはいずれか一方の材料が含まれる。有機材料には1つ以上のトリアジン、メラミン、及びチオフェンが含まれる。 The storage material 224 includes a material having a layered structure, a material having a high lithium storage capacity, and / or an organic material. Materials with high lithium storage capacity include materials such as one or more of sulfur, silicon, tin, ceramic materials, lithium sulfide (Li 2 S), and other materials with high lithium storage capacity. Materials having a layered structure include materials such as transition metal dichalcogenides, one or more MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 and other transition metal dichalcogenides, and stoichiometric ratios such as MoS x. And / or any of the corresponding materials. Organic materials include one or more triazines, melamines, and thiophenes.
機能性材料226には、1つ以上の電気化学剥離によるグラフェン、ナノカーボンチューブ、グラフェン、導電性カーボン材料、他の機能性材料が含まれる。 The functional material 226 includes one or more electrochemically stripped graphene, nanocarbon tubes, graphene, conductive carbon materials, and other functional materials.
実施例により本発明を具体的に説明する。複合正極材料は硫黄をアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子に導入して形成される。複合正極材料を形成するために、硫黄粉末を150−200℃の加熱炉に入れて硫黄蒸気を形成する。アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子を加熱炉の低温領域に置き、穏やかなガス流が高温領域から低温領域に流れ込むようにして、硫黄蒸氣をリン酸鉄リチウム粒子上に沈着させる。 The present invention will be specifically described with reference to examples. The composite positive electrode material is formed by introducing sulfur into amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles. In order to form a composite cathode material, sulfur powder is put into a heating furnace at 150-200 ° C. to form sulfur vapor. Amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles are placed in the low temperature region of the furnace and sulfur vapor is deposited on the lithium iron phosphate particles so that a gentle gas stream flows from the high temperature region to the low temperature region.
図23に硫黄(曲線232)を包み込んだアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子から形成された正極はアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子から形成された正極(曲線230)と比べて(200mAh/g以上)向上した容量を示した。 In FIG. 23, the positive electrode formed from amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles encapsulating sulfur (curve 232) is (200 mAh / g or more) compared with the positive electrode formed from amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles (curve 230). ) Showed improved capacity.
実施形態により本発明について具体的に説明する。層状材料であるMoS2とMoSxの両方又はいずれか一方をアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子に導入し複合正極材料を形成した。前記複合正極材料を形成するためにアルキルアンモニウムチオモリブデン(MoS2の前駆体)とアンモニウムチオモリブデン(MoSxの前駆体)の両方またはいずれか一方をN−メチルピロリドン中に溶かし、アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子を溶液中に加えた。前記溶液を100−200℃に加熱し4時間還流した。ろ過して収集した沈殿物は、真空又は窒素雰囲気において高温(例えば、約300−1000℃)乾燥させた。熱処理中、MoS2及びMoSxの沈殿物の構造は大きい結晶へと変化した。 The present invention will be specifically described with reference to embodiments. Both or one of the layered materials MoS 2 and MoS x was introduced into amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles to form a composite positive electrode material. In order to form the composite positive electrode material, either or both of alkylammonium thiomolybdenum (MoS 2 precursor) and ammonium thiomolybdenum (MoS x precursor) are dissolved in N-methylpyrrolidone, and amorphous carbon-coated phosphorus is dissolved. Lithium iron oxide particles were added into the solution. The solution was heated to 100-200 ° C. and refluxed for 4 hours. The precipitate collected by filtration was dried at high temperature (eg, about 300-1000 ° C.) in a vacuum or nitrogen atmosphere. During the heat treatment, the structure of the MoS 2 and MoS x precipitates changed to large crystals.
再び図23を参照する。MoSx(曲線234)で包み込んだアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子を用いて形成した正極も同様に容量が200mAh/g以上に向上した。さらに、電気化学剥離によるグラフェン(曲線236)で包み込んだMoSxを担持した正極も同様に200mAh/g以上の容量を示した。 Reference is again made to FIG. The capacity of the positive electrode formed using amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles encapsulated with MoS x (curve 234) was similarly improved to 200 mAh / g or more. Furthermore, the positive electrode carrying MoS x encased in graphene (curve 236) by electrochemical stripping similarly showed a capacity of 200 mAh / g or more.
実施形態により本発明について具体的に説明する。アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子は、トリアジン、メラミン、チオフェンのすべて又はいずれかのような小さい有機分子がふさわしい。例えば、トリアジンはアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子上で熱により蒸発する。チオフェンは液体であり、それをそのままアモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子と混合させることが可能である。分子はN−メチルピロリドン又はN,N−ジメチルホルムアミドのような溶剤中に溶解し、アモルファスカーボン被覆リン酸鉄リチウム粒子上に被覆されることが可能である。このような材料で形成された正極も同様に容量向上を示した。正極添加剤として、このような有機分子の使用はこれらの小分子の形態に限られるものではない。例えば、分子はポリマーとして重合するように高容量の正極添加剤とすることが可能である。 The present invention will be specifically described with reference to embodiments. Amorphous carbon coated lithium iron phosphate particles are suitable for small organic molecules such as triazine, melamine, and / or thiophene. For example, triazine evaporates with heat on amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles. Thiophene is a liquid and can be directly mixed with amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles. The molecules can be dissolved in a solvent such as N-methylpyrrolidone or N, N-dimethylformamide and coated onto amorphous carbon-coated lithium iron phosphate particles. The positive electrode formed of such a material also showed an improvement in capacity. The use of such organic molecules as positive electrode additives is not limited to these small molecule forms. For example, the molecule can be a high capacity positive electrode additive to polymerize as a polymer.
本発明の範囲は上記の実施形態及び図面に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義されることは理解されるべきである。但し、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更や修正を加えることが可能なことは理解されるべきである。例えば、ボタン型電池、円筒形電池又は角型パウチ形電池以外にも、電極50は他の電池的の負極と正極の両方又はいずれか一方として用いることが可能である。他の種類の電池も同様に電気化学剥離によるグラフェンを担持する電極として用いられる。なお、本発明の実施形態に記載されていない実施形態は下記特許請求の範囲の範疇にある。 It should be understood that the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and drawings, but is defined by the claims. However, it should be understood that various changes and modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in addition to the button type battery, the cylindrical battery, or the square type pouch type battery, the electrode 50 can be used as another battery-like negative electrode and / or positive electrode. Other types of batteries are also used as electrodes for supporting graphene by electrochemical stripping. Embodiments not described in the embodiments of the present invention are within the scope of the following claims.
Claims (28)
前記各粒子表面には少なくとも一部にカーボン層を被覆した第1電極と、
少なくとも一部に1つ以上の複数個の前記粒子を被覆した電気化学剥離によるグラフェンと、
第2電極と、
電解液を有し、少なくとも一部の第1電極と少なくとも一部の第2電極が前記電解液に接することを特徴とする電池。 Particles containing a plurality of lithium;
A first electrode having at least a portion coated with a carbon layer on the surface of each particle;
Graphene by electrochemical stripping at least partially coated with one or more of the particles,
A second electrode;
A battery comprising an electrolyte solution, wherein at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the electrolyte solution.
前記各粒子表面には少なくとも一部カーボン層が被覆され、
少なくとも一部に1つ以上の複数個の前記粒子を被覆した電気化学剥離によるグラフェンを有する電極材料。 A plurality of lithium-containing particles;
Each particle surface is at least partially coated with a carbon layer,
The electrode material which has the graphene by the electrochemical peeling which coat | covered the one or more said particle | grains to at least one part.
Applications Claiming Priority (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210254481.XA CN103570002A (en) | 2012-07-20 | 2012-07-20 | Electrochemical graphene, and electrode composite material and lithium battery comprising electrochemical graphene |
TW101126393A TWI441947B (en) | 2012-07-20 | 2012-07-20 | Electrochemical graphene and electrode composite materials and lithium ion battery including the same |
TW101126393 | 2012-07-20 | ||
CN201210254481.X | 2012-07-20 | ||
US13/800,096 US9478796B2 (en) | 2012-07-20 | 2013-03-13 | Graphene-containing electrodes |
US13/800,096 | 2013-03-13 | ||
PCT/US2013/051078 WO2014015139A1 (en) | 2012-07-20 | 2013-07-18 | Graphene-containing electrodes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015527707A true JP2015527707A (en) | 2015-09-17 |
Family
ID=49949248
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015523253A Pending JP2015527707A (en) | 2012-07-20 | 2013-07-18 | Graphene coated electrode |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015527707A (en) |
KR (1) | KR20150056532A (en) |
WO (1) | WO2014015139A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018206747A (en) * | 2016-07-05 | 2018-12-27 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Positive electrode active material, method for manufacturing positive electrode active material, and secondary battery |
JP2020508541A (en) * | 2017-02-27 | 2020-03-19 | ノースウェスタン ユニヴァーシティNorthwestern University | Nanostructured lithium-ion battery electrode composites with conformal graphene dispersion |
JP2023512389A (en) * | 2021-03-19 | 2023-03-27 | 積水化学工業株式会社 | Positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery, battery module, and battery system using the same |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110380046B (en) | 2014-05-09 | 2022-09-20 | 株式会社半导体能源研究所 | Lithium ion secondary battery and electronic device |
WO2015175765A1 (en) * | 2014-05-15 | 2015-11-19 | Elwha Llc | Applications of graphene grids in vacuum electronics |
WO2016092263A1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-06-16 | The University Of Liverpool | Electrode composition |
JP2016189321A (en) * | 2015-03-27 | 2016-11-04 | Tdk株式会社 | Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, positive electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same |
DE102016203349A1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-09-07 | Wacker Chemie Ag | Production of Si / C composite particles |
KR101835596B1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-03-08 | 삼화콘덴서공업 주식회사 | High capacity energy storage capacitor |
CN114497493A (en) * | 2022-01-21 | 2022-05-13 | 华中科技大学 | Electrically-stripped graphene silicon carbon composite material and preparation method and application thereof |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0714572A (en) * | 1993-06-21 | 1995-01-17 | Haibaru:Kk | Secondary battery |
JP2005340165A (en) * | 2004-03-23 | 2005-12-08 | Shirouma Science Co Ltd | Positive electrode material for lithium secondary cell |
JP2006344523A (en) * | 2005-06-09 | 2006-12-21 | Nissan Motor Co Ltd | Positive electrode material for nonaqueous electrolyte lithium ion battery, battery using the same, and method of manufacturing positive electrode material for nonaqueous electrolyte lithium ion battery |
US20090026086A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-01-29 | Aruna Zhamu | Electrochemical method of producing nano-scaled graphene platelets |
US20120058397A1 (en) * | 2010-09-07 | 2012-03-08 | Aruna Zhamu | Graphene-Enhanced cathode materials for lithium batteries |
WO2012031401A1 (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-15 | 海洋王照明科技股份有限公司 | Lithium salt-graphene-containing composite material and preparation method thereof |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020122980A1 (en) * | 1998-05-19 | 2002-09-05 | Fleischer Niles A. | Electrochemical cell with a non-liquid electrolyte |
US8153301B2 (en) * | 2008-07-21 | 2012-04-10 | 3M Innovative Properties Company | Cathode compositions for lithium-ion electrochemical cells |
US9112240B2 (en) * | 2010-01-04 | 2015-08-18 | Nanotek Instruments, Inc. | Lithium metal-sulfur and lithium ion-sulfur secondary batteries containing a nano-structured cathode and processes for producing same |
US9640334B2 (en) * | 2010-01-25 | 2017-05-02 | Nanotek Instruments, Inc. | Flexible asymmetric electrochemical cells using nano graphene platelet as an electrode material |
US8611070B2 (en) * | 2010-05-14 | 2013-12-17 | Basf Se | Process for encapsulating metals and metal oxides with graphene and the use of these materials |
US9558860B2 (en) * | 2010-09-10 | 2017-01-31 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Graphene-enhanced anode particulates for lithium ion batteries |
WO2012051110A1 (en) * | 2010-10-10 | 2012-04-19 | Roy-Mayhew Joseph D | Graphene electrodes for solar cells |
EP2445049B1 (en) * | 2010-10-22 | 2018-06-20 | Belenos Clean Power Holding AG | Electrode (anode and cathode) performance enhancement by composite formation with graphene oxide |
US8748216B2 (en) * | 2010-10-25 | 2014-06-10 | Imra America, Inc. | Non-vacuum method for fabrication of a photovoltaic absorber layer |
US20120164534A1 (en) * | 2010-12-28 | 2012-06-28 | Daiwon Choi | GRAPHENE/LiFePO4 CATHODE WITH ENHANCED STABILITY |
KR101262319B1 (en) * | 2010-12-31 | 2013-05-08 | 그래핀스퀘어 주식회사 | Flexible stretchable semiconductor device containing graphene electrode, method of reducing resistance between graphene electrode and semiconductor layer, and graphene interconnecor |
-
2013
- 2013-07-18 WO PCT/US2013/051078 patent/WO2014015139A1/en active Application Filing
- 2013-07-18 JP JP2015523253A patent/JP2015527707A/en active Pending
- 2013-07-18 KR KR1020157003838A patent/KR20150056532A/en active Search and Examination
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0714572A (en) * | 1993-06-21 | 1995-01-17 | Haibaru:Kk | Secondary battery |
JP2005340165A (en) * | 2004-03-23 | 2005-12-08 | Shirouma Science Co Ltd | Positive electrode material for lithium secondary cell |
JP2006344523A (en) * | 2005-06-09 | 2006-12-21 | Nissan Motor Co Ltd | Positive electrode material for nonaqueous electrolyte lithium ion battery, battery using the same, and method of manufacturing positive electrode material for nonaqueous electrolyte lithium ion battery |
US20090026086A1 (en) * | 2007-07-27 | 2009-01-29 | Aruna Zhamu | Electrochemical method of producing nano-scaled graphene platelets |
US20120058397A1 (en) * | 2010-09-07 | 2012-03-08 | Aruna Zhamu | Graphene-Enhanced cathode materials for lithium batteries |
WO2012031401A1 (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-15 | 海洋王照明科技股份有限公司 | Lithium salt-graphene-containing composite material and preparation method thereof |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018206747A (en) * | 2016-07-05 | 2018-12-27 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Positive electrode active material, method for manufacturing positive electrode active material, and secondary battery |
US10741828B2 (en) | 2016-07-05 | 2020-08-11 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material including lithium cobaltate coated with lithium titanate and magnesium oxide |
US11043660B2 (en) | 2016-07-05 | 2021-06-22 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Positive electrode active material including lithium cobaltate coated with lithium titanate and magnesium oxide |
JP2020508541A (en) * | 2017-02-27 | 2020-03-19 | ノースウェスタン ユニヴァーシティNorthwestern University | Nanostructured lithium-ion battery electrode composites with conformal graphene dispersion |
JP7262392B2 (en) | 2017-02-27 | 2023-04-21 | ノースウェスタン ユニヴァーシティ | Nanostructured Lithium-ion Battery Electrode Composites by Conformal Graphene Dispersion |
JP2023512389A (en) * | 2021-03-19 | 2023-03-27 | 積水化学工業株式会社 | Positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery, battery module, and battery system using the same |
JP7323713B2 (en) | 2021-03-19 | 2023-08-08 | 積水化学工業株式会社 | Positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery, battery module, and battery system using the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20150056532A (en) | 2015-05-26 |
WO2014015139A1 (en) | 2014-01-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9478796B2 (en) | Graphene-containing electrodes | |
JP2015527707A (en) | Graphene coated electrode | |
JP7082228B2 (en) | Negative electrode active material for lithium ion secondary battery, mixed negative electrode active material material for lithium ion secondary battery, negative electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, method for manufacturing negative electrode active material for lithium ion secondary battery, lithium A method for manufacturing a negative electrode for an ion secondary battery and a method for manufacturing a lithium ion secondary battery. | |
TWI714753B (en) | Anode active material, mixed anode active material material, and manufacturing method of anode active material (3) | |
JP6445956B2 (en) | Negative electrode active material, mixed negative electrode active material, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, lithium ion secondary battery | |
EP3358656B1 (en) | Carbonaceous material for negative electrode of nonaqueous-electrolyte secondary battery, and process for producing same | |
JP6861565B2 (en) | Negative electrode active material, mixed negative electrode active material, and method for manufacturing negative electrode active material | |
US20160329559A1 (en) | Lithium sulfide materials and composites containing one or more conductive coatings made therefrom | |
WO2017085911A1 (en) | Negative electrode active material, mixed negative electrode active material, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, lithium ion secondary battery, method for producing negative electrode active material, and method for producing lithium ion secondary battery | |
TWI716580B (en) | Method for manufacturing negative electrode active material for lithium ion secondary battery, mixed negative electrode active material material for lithium ion secondary battery, and negative electrode active material for lithium ion secondary battery (2) | |
TWI822869B (en) | Negative electrode active material, mixed negative electrode active material, aqueous negative electrode slurry composition, and method for manufacturing negative electrode active material | |
TWI717479B (en) | Anode active material, mixed anode active material material, and method for manufacturing anode active material | |
Wang et al. | Nb5+ doped LiV3O8 nanorods with extraordinary rate performance and cycling stability as cathodes for lithium-ion batteries | |
JP2016076496A (en) | Method of producing anode material for large output lithium ion battery | |
JP6460960B2 (en) | Negative electrode active material, mixed negative electrode active material, negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, lithium ion secondary battery, method for producing negative electrode active material, and method for producing lithium ion secondary battery | |
WO2016145083A1 (en) | Graphene nanoribbon-based materials and their use in electronic devices | |
Yoon et al. | Critical dual roles of carbon coating in H2Ti12O25 for cylindrical hybrid supercapacitors | |
Li et al. | Plate-like LiFePO4/C composite with preferential (010) lattice plane synthesized by cetyltrimethylammonium bromide-assisted hydrothermal carbonization | |
Youjie et al. | Lithium titanate anode for high-performance lithium-ion batteries using octadecylamine and folic acid-functionalized graphene oxide for fabrication of ultrathin lithium titanate nanoflakes and modification of binder | |
KR101942654B1 (en) | Metal/carbon crystal particle composite, method for producing the same, and energy storage device having the same | |
JP7465672B2 (en) | Negative electrode materials for power storage devices | |
Wang et al. | The Effect of Carbon Coating on the Electrochemical Performance of Nanosized Li_2FeSiO_4 Cathode Materials | |
JP7514630B2 (en) | Negative electrode materials for power storage devices | |
JP2013191329A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery and vehicle | |
Khemani | Carbon Nanofiber as Electrode in Li‐Ion Battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160405 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170130 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170207 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20170501 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170526 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20180109 |