JP2016122670A - 蓄電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気伝導性が向上した蓄電装置の正極活物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供する。また、容量の大きな正極活物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供する。【解決手段】正極活物質の主材料の核として、リチウム金属酸化物からなる核を用い、核に対して、1乃至10枚のグラフェンを被覆層として用いる。また、グラフェンに対して、空孔を設けることにより、リチウムイオンが通過しやすくし、電流の利用効率を高めることができる。【選択図】図1

Description

本発明は、正極活物質、及び蓄電装置に関する。
パーソナルコンピュータや携帯電話などの携帯可能な電子機器の分野が著しく進歩してい
る。携帯可能な電子機器において、小型軽量で信頼性を有し、高エネルギー密度且つ充電
可能な蓄電装置が必要になっている。このような蓄電装置として、例えば、リチウムイオ
ン二次電池が知られている。また、環境問題やエネルギー問題の認識の高まりから二次電
池を搭載した電気推進車両の開発も急速に進んでいる。
リチウムイオン二次電池において、正極活物質として、リン酸鉄リチウム(LiFePO
)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO)、リン酸コバルトリチウム(LiCo
PO)、リン酸ニッケルリチウム(LiNiPO)などの、リチウム(Li)と鉄(
Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)と、を含むオリビ
ン構造を有するリン酸化合物などが知られている(特許文献1、非特許文献1、及び非特
許文献2参照)。
特開平11−25983号公報
Byoungwoo Kang、Gerbrand Ceder、「Nature」、2009、Vol.458(12)、p.190−193 F. Zhou et al.、「Electrochemistry Communications」、2004、6、p.1144−1148
オリビン構造を有するリン酸化合物はバルク電気伝導性が低く、粒子単体では電極用材料
として十分な特性を得ることが困難である。
このため、粒子の表面に薄い炭素層を形成して電気伝導性を向上させる方法(カーボンコ
ート法)が提唱されている。しかし十分な電気伝導性を確保するためには、炭素層をより
厚く形成することが求められ、炭素層の体積は正極活物質の数十%以上となる。そのため
、電池容量の低下の要因となっている。
上記問題を鑑み、開示される発明の一態様では、電気伝導性が向上し、電流の利用効率が
高い正極活物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供することを課題の一とする。
また、開示される発明の一態様では、重量当たり、または単位面積当たりの容量が大きい
正極活物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、正極活物質、及び蓄電装置である。より詳細には以下の通りである。
1乃至10枚のグラフェンを用いて、正極活物質の主材料である核を被覆することにより
、被覆層の厚さを薄くし、かつ、正極活物質の電気伝導性を高めることができる。また、
グラフェンにリチウムイオンが通過できる空孔を設けることにより、正極活物質からリチ
ウムイオンの挿入脱離がしやすくなり、蓄電装置のレート特性が向上し、短時間での充放
電が可能となる。
また、本発明の他の一態様は、複数の1乃至10枚のナノグラフェンを用いて、正極活物
質の主材料である核を被覆することにより、被覆層の厚さを薄くし、かつ正極活物質の電
気伝導性を高めることができる。また、複数のナノグラフェンは、リチウムイオンが通過
できるように隙間を設ける。すなわち、正極活物質の主材料である核(例えばリチウム金
属酸化物)の表面にナノグラフェンで覆われていない領域があることにより、正極活物質
からリチウムイオンの挿入脱離がしやすくなり、蓄電装置のレート特性が向上し、短時間
での充放電が可能となる。
本明細書では、グラフェン、及びナノグラフェンとは、sp結合を有する1原子層の炭
素分子のシートのことをいう。グラフェン、及びナノグラフェンの枚数を重ねることによ
り電気伝導性が向上する。しかし、11枚以上のグラフェン、及びナノグラフェンを重ね
たものでは、グラファイト的な性質が強くなるため好ましくない。また、厚みが無視でき
なくなる。なお、グラフェン、及びナノグラフェンの1枚の厚さは約0.34nmである
また、グラフェン、及びナノグラフェンの特徴として、電気伝導性の高さが挙げられる。
従って、正極活物質の電気伝導性を高めることができる。
また、正極活物質の核である例えばリチウム金属酸化物から、リチウムイオンが通過でき
るように、1乃至10枚のグラフェンに空孔が設けられている、または、リチウムイオン
が通過できるように、複数の1乃至10枚のナノグラフェンに隙間が設けられている。従
って、電流の利用効率を高めることができる。
本発明の一態様は、正極集電体上に正極活物質が設けられた正極と、該正極と電解液を介
して対向する負極と、を有し、該正極活物質は、リチウム金属酸化物からなる核と、該核
の周囲を覆う1乃至10枚のグラフェンを有する被覆層と、を有し、該被覆層は、空孔を
有することを特徴とする蓄電装置である。
上記構成において、空孔は、グラフェン中の炭素原子の一部に酸素原子が結合し、形成さ
れていてもよい。
本発明の他の一態様は、正極集電体上に正極活物質が設けられた正極と、該正極と電解液
を介して対向する負極と、を有し、該正極活物質は、リチウム金属酸化物からなる核と、
該核の周囲を覆う複数の1乃至10枚のナノグラフェンを有する被覆層と、を有し、該被
覆層は、複数の1乃至10枚のナノグラフェンが隙間を設けて前記核の周囲を覆うことを
特徴とする蓄電装置である。
上記構成において、被覆層は、非晶質炭素を有していてもよい。
本発明の一態様により、電気伝導性が高い正極活物質を得ることが可能である。さらに、
このような正極活物質を用いることにより、重量当たり、または単位面積当たりの放電容
量が大きい蓄電装置を得ることができる。
正極活物質(粒子)の断面図、および空孔を有したグラフェンの模式図である。 グラフェンの模式図である。 グラフェンとリチウムイオンとの距離に対するポテンシャルエネルギーの計算結果である。 正極活物質の作製方法を説明するための図である。 正極活物質(粒子)の断面図である。 リチウムイオン二次電池を説明するための図である。 蓄電装置の応用の形態の一例を説明するための図である。 蓄電装置の応用の形態の一例を説明するための斜視図である。 蓄電装置の応用の形態の一例を説明するための図である。
以下、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、発明は以下に示す実施
の形態の記載内容に限定されず、本明細書などにおいて開示する発明の趣旨から逸脱する
ことなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異
なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下
に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号
を用い、その繰り返しの説明は省略する。
なお、図面などにおいて示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、
実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、
必ずしも、図面などに開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
なお、本明細書にて用いる第1、第2、第3といった序数を用いた用語は、構成要素を識
別するために便宜上付したものであり、その数を限定するものではない。
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である蓄電装置の正極活物質の構造について、図1を
用いて説明する。
図1(A)に、本発明の一態様である正極活物質100の断面図を示す。
正極活物質100の形状は、特に限定されないが、粒子状であることが好ましい。図1(
A)に示す断面図においては、正極活物質の最表面を微視的に捉え図示しているため平坦
な形状となっている。
図1(A)に示した、正極活物質100は、リチウム金属酸化物を主成分として含む核1
01と、核101の周囲を覆う被覆層102と、被覆層102の一部分に空孔104と、
を有する。
なお、図1(A)において、正極活物質を構成する主成分である核101と、被覆層10
2と、被覆層102の一部分に設けられた空孔104と、を合わせて正極活物質とする。
ここで、リチウム金属酸化物を主成分として含む核101として、リン酸鉄リチウム(L
iFePO)、リン酸ニッケルリチウム(LiNiPO)、リン酸コバルトリチウム
(LiCoPO)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO)が挙げられる。
または、リチウム金属酸化物を主成分として含む核101として、LiFeSiO
LiMnSiO、LiCoO、LiNiO、LiCoMnNi(x+
y+z=1)、または、スピネルLiMnを用いてもよい。
被覆層102は、1乃至10枚のグラフェンを用いて形成する。
図1(A)に示すように、被覆層102を設けることで、正極活物質100の電気伝導性
を向上させることができる。また、正極活物質100同士が、被覆層102を介して接す
ることにより、正極活物質100同士が導通し、正極活物質100の電気伝導性をさらに
向上させることができる。
ここで、図1(B)に被覆層102、及び空孔104をさらに微視的にモデル化した模式
図を示す。
図1(B)は、炭素原子106、酸素原子108、リチウムイオン110を示している。
図1(B)において、被覆層102であるグラフェンは1層構造を示しており、炭素原子
106の結合の一部で酸素原子108が炭素原子106のダングリングボンドを終端して
いる。すなわち、空孔104は、グラフェン中の炭素原子106が欠損し、酸素原子10
8が結合することにより形成されている。
図1に示した構造において、リチウムイオン110が空孔104を通過できるか計算を行
った。まず、図1(B)の構造に対し、空孔104を有しない構造を考える。図2に空孔
104を有しない被覆層122であるグラフェンの模式図を示す。図2は炭素原子106
のみで構成されたグラフェンである。
図2に示した周期構造に対して、構造全体に+1の電荷を与え、グラフェンとリチウムイ
オンとの距離rを変化させた時の系全体のポテンシャルエネルギー変化を計算した。計算
結果を図3(A)に示す。
図3(A)は、縦軸はポテンシャルエネルギー(eV)を示し、横軸はグラフェンとリチ
ウムイオンとの距離(nm)を示している。なお、図3(A)は、グラフェンとリチウム
イオンとの距離が1nmで相互作用が無くなると考え、r=1nmを基準(0eV)とし
て、r=1nmからの相対的なエネルギー変化を示している。なお、計算には平面波基底
擬ポテンシャル法を用いた第一原理計算ソフトCASTEP(Accelrys Sof
tware Inc.製)を使用した。
図3(A)より、リチウムイオンとグラフェンとの距離がr=0.2nmよりも大きいと
弱い引力が働き、r=0.2nm近傍でポテンシャルエネルギーが極小値をとる。しかし
、グラフェンとリチウムイオンとの距離が0.15nmより小さくなると、引力よりも炭
素原子106とリチウムイオン110の原子殻間の斥力が大きくなり、全体として斥力が
働くためポテンシャルエネルギーは上昇する。
次に、r=0nmの時、すなわちリチウムイオンがグラフェンを通過する際に必要なポテ
ンシャルエネルギー(エネルギー障壁)は、7.2eVになる。一般的なリチウムイオン
電池の電圧は5V程度であるので、リチウムイオンはグラフェンを通過することが困難で
ある。
一方、図1(B)に示す空孔104を有した被覆層102であるグラフェンについて、構
造全体に+1の電荷を与え、グラフェンとリチウムイオンとの距離rを変化させた時の系
全体のポテンシャルエネルギー変化を計算した。計算結果を図3(B)に示す。
図3(B)は、縦軸はポテンシャルエネルギー(eV)を示し、横軸はグラフェンとリチ
ウムイオンとの距離(nm)を示している。なお、図3(A)との相違は、r=0.35
nmを基準(0eV)とし、r=0.35nmからの相対的なエネルギー変化を示してい
る。なお、図3(A)においては、r=0.35nmより大きい場合は、ポテンシャルエ
ネルギー(eV)の変動が少なく、図3(B)においても、r=0.35nmの計算段階
でポテンシャルエネルギーの変動が少なくなったことにより、計算の負荷を考えr=0.
35nm以降の計算を省略した。
図3(B)より、グラフェンとリチウムイオンとの距離がr=0.15nmよりも大きい
場合には、引力が支配的である。しかし、r=0.15nmよりも小さい場合、引力より
も酸素原子とリチウムイオンの原子殻間の斥力が大きくなり、全体として斥力が働く。r
=0nmではr=0.35nmとポテンシャルエネルギーがほぼ等しくなり、リチウムイ
オンがグラフェンを通過する際に余分なエネルギーは必要とされない。すなわち、リチウ
ムイオンがグラフェンを通過する際のエネルギー障壁はない。従って、リチウムイオンは
容易にグラフェンシートを通過することができる。
このように、被覆層102であるグラフェンが空孔104を有することにより、正極活物
質100の主材料である核101から、リチウムイオンが被覆層102を容易に通過する
ことができる。従って、グラフェンにリチウムイオンが通過できる空孔があるため、本実
施の形態の正極活物質を用いた蓄電装置は、リチウムイオンの挿入脱離がしやすくなり、
蓄電装置のレート特性が向上し、短時間での充放電が可能となる。
従って、電流の利用効率が高い正極活物質、および単位面積当たりの容量が大きい正極活
物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供することができる。
(実施の形態2)
次に、本発明の一態様である蓄電装置用の正極活物質の作製方法の一例について、図4を
用いて説明する。
以下では、リチウム金属酸化物を主材料として構成する核101、被覆層102および、
空孔104の作製方法となる。
リチウム金属酸化物を主材料として構成する核101として、LiFePO、LiNi
PO、LiCoPO、LiMnPO、Li(PO、LiFeSiO
またはLiMnSiO等が挙げられる。
例えば、正極活物質を構成する主材料にLiFePOを用いる場合、原料となるLi
CO、FeC・2HOおよびNHPOを、アセトンを溶媒とし、ボー
ルミルにて微細な形状に粉砕し、均一に原料の混合を行う。(図4(A)参照。)なお、
ボールミル処理を行うことにより、化合物を混合するのと同時に、化合物の微粒子化を行
うことができ、作製後のLiFePOの微粒子化を図ることができる。また、ボールミ
ル処理を行うことにより、化合物を均一に混合することができ、作製後の電極用材料の結
晶性を高めることができる。なお、溶媒としてアセトンを示したが、エタノールおよびメ
タノール等も用いることができる。
次に、前述の原料の混合物をペレット形状に圧縮成型し(図4(B)参照。)、第1の焼
成を行う。(図4(C)参照。)第1の焼成は、例えば不活性雰囲気(N、希ガスなど
)、還元性雰囲気(Hなど)または減圧下にて、温度を250℃〜450℃として1時
間〜48時間の範囲で行えばよい。第1の焼成によって、原料の混合物は、後の反応に適
したある程度均一でまとまった粒径状となる。なお、本明細書において減圧下とは、圧力
が10Pa以下を指す。
次に、原料の混合物であるペレットを粉砕し(図4(D)参照。)、ボールミルを用いア
セトン中で酸化グラフェンと混合する(図4(E)参照。)。このときの原料の混合物の
サイズが小さいほど、後に得られる正極活物質の粒径は小さくなる。ここでは、正極活物
質の粒径が50nm以下となるように調製する。
正極活物質を構成する主材料の核の粒径は小さいと好ましい。核の粒径が小さいことで、
正極活物質の表面積を増大させることができ、充放電特性が向上する。
しかし、正極活物質を構成する主材料である核の粒径が小さくなることで、核を被覆する
層の厚さが無視できなくなる。例えば、正極活物質を構成する主材料である核の粒径が5
0nmであり、糖類などの炭素化合物を用いて核の焼成を行い、核表面にカーボンを被覆
した場合、被覆層であるカーボンの厚さは概略5〜8nm程度となる。この時、核と被覆
層合計での粒径は60nm程度となり、被覆前の粒径と比較し1.2倍となってしまう。
一方、正極活物質を構成する主成分である核の被覆層が、例えばグラフェンが1枚のとき
、厚さが約0.34nmであるから、正極活物質を構成する主材料である核が50nmの
粒径であった場合、核と被覆層合計で51nm未満であり、正極の体積および重量が大き
く増加していないことがわかる。
次に、酸化グラフェンを含む混合物をペレット形状に圧縮成型し(図4(F)参照。)、
第2の焼成を行う。(図4(G)参照。)第2の焼成は、例えば酸素などの酸化性ガスを
含まない不活性ガス雰囲気で行う。好ましくは還元性ガス雰囲気または真空中で行う。こ
のとき、温度を500℃〜800℃として1時間〜48時間の範囲とすればよい。第2の
焼成によって、原料の混合物の反応が完了し、粒子状のLiFePOが得られるととも
に酸化グラフェンが還元され、グラフェンからなる被覆層でLiFePO粒子が覆うこ
とができる。なお、酸化グラフェンの混合する割合を増加させると、グラフェンの重なり
が厚くなる。酸化グラフェンの混合する割合は、グラフェンの重なりが1乃至10枚の範
囲となるように定めればよい。ここで、第1の焼成を行わずに第2の焼成から行うと、L
iFePO粒子の粒径が大きくなりすぎることがある。
次に、第2の焼成を行ったペレットを粉砕し(図4(H)参照。)、正極活物質を得る。
なお、酸化グラフェンは、酸化グラファイトから層を剥離することで作製することができ
る。例えば、酸化グラファイトの作製は、公知のmodified Hummers法を
用いることができる。もちろん、酸化グラファイトの作製方法はこれに限られたものでは
なく、例えば、公知のBrodie法、Staudenmaier法などを適用すること
ができる。modified Hummers法は濃硫酸および過マンガン酸カリウムを
使用してグラファイトを酸化させる方法である。ここで、Brodie法は硝酸、塩素酸
カリウムを使用してグラファイトを酸化させる方法であり、Staudenmaier法
は、硝酸、硫酸及び塩素酸カリウムを使用してグラファイトを酸化させる方法である。以
下にmodified Hummers法による酸化グラファイトの作製方法および酸化
グラフェンの作製方法の一例を示す。
まず、単結晶グラファイト粉末を濃硫酸に入れ、氷浴しながら撹拌する。次に過マンガン
酸カリウムをゆっくり加え撹拌し、35℃で30分反応させる。次に、少量の純水をゆっ
くり加え、98℃でさらに15分反応させる。その後、反応を停止させるために、純水と
過酸化水素水を加え、濾過して反応生成物である酸化グラファイトを得る。該酸化グラフ
ァイトを5%の希塩酸および純水で洗浄し、乾燥し、その後0.2mg/mlの濃度で純
水に溶解させる。得られた溶液に超音波を60分印加し、溶液を3000rpmで30分
遠心分離する。このときの上澄み液が酸化グラフェン分散水溶液となる。なお、酸化グラ
ファイトに超音波を印加し、層を剥離させることによって酸化グラフェンを得ることがで
きる。酸化グラファイトはグラファイトよりも層と層の隙間が広がるため、剥離しやすい
本実施の形態では、酸化グラフェンの還元と正極活物質を構成する主材料である核の合成
を同時に行っているため、工程が短縮されるメリットがある。
このように、酸化グラフェンを用いることにより、酸化グラフェン還元時に、被覆層であ
るグラフェンの一部の炭素原子に酸素原子が結合した空孔を形成することができる。
また、得られた正極活物質に導電助剤を混練して、合わせたものを正極活物質としてもよ
い。導電助剤は正極活物質全体の0重量%以上1重量%以下とする。導電助剤の割合が少
ないほど、得られる正極活物質の体積および重量を小さくすることができる。
導電助剤は、その材料自身が電気伝導性を有し、電池装置内で他の物質と化学変化を起こ
さないものであればよい。導電助剤としては、例えば、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラッ
ク、アセチレンブラック、VGCF(登録商標)などの炭素系材料、銅、ニッケル、アル
ミニウムもしくは銀などの金属材料またはこれらの混合物の粉末や繊維などを用いればよ
い。導電助剤とは、活物質粒間のキャリアの伝達を促進する物質をいい、導電助剤は、活
物質粒の間に充填されて、導通を確保する働きをする。
なお、正極活物質を構成する主材料の核として、LiNiPOを作製する場合、原料と
してLiCO、NiOおよびNHPOを用いる。また、LiCoPOを作
製する場合、原料としてLiCO、CoOおよび(NHHPOを用いる。ま
た、LiMnPOを作製する場合、原料としてLiCO、MnCOおよびNH
POを用いる。また、Li(POを作製する場合、原料としてLi
CO、VおよびNHPOを用いる。なお、ここで示す正極活物質を構成
する主材料の原料は一例であり、前述の原料に限って解釈されるものではない。
以上の工程により、被覆層をグラフェンとした電気伝導性の高い正極活物質を得ることが
できる。
本実施の形態によって、導電助剤を用いない、または限りなく導電助剤を少なくしても十
分な導電性を有する正極活物質を作製することができる。
また、酸化グラフェンを用いることにより、形成されたグラフェンにリチウムイオンが通
過できる空孔を設けることができるため、本実施の形態の正極活物質を用いた蓄電装置は
、リチウムイオンの挿入脱離がしやすくなり、蓄電装置のレート特性が向上し、短時間で
の充放電が可能となる。
従って、電流の利用効率が高い正極活物質、および単位面積当たりの容量が大きい正極活
物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることが可能である。
(実施の形態3)
本実施の形態では、上記実施の形態1に示す正極活物質の異なる形状について説明する。
図5(A)及び、図5(B)に、本発明の他の一態様である正極活物質140、および正
極活物質150の断面図を示す。
なお、図5(A)及び、図5(B)は図1(A)の変形例であるため、図面間で同一の符
号は同様の機能を有し、その詳細な説明は省略する。
図5(A)に示した、正極活物質140は、リチウム金属酸化物を主成分として含む核1
01と、核101の周囲を覆う被覆層103と、被覆層103の一部分に隙間105と、
を有する。
被覆層103は、複数の1乃至10枚のナノグラフェンを用いて形成する。ナノグラフェ
ンとは、平面方向で結合が切れたグラフェンであり、平面方向で一辺の長さが数nm以上
数100nm未満、さらに好ましくは数nm〜数10nm未満とする。
図1(A)に示した被覆層102は、正極活物質を構成する主材料である核101全体を
被覆層102で覆う構成(空孔104は除く)となっているが、被覆層103は正極活物
質を構成する主材料である核101の表面を部分的に被覆しない構成となっている。複数
のナノグラフェンを被覆層103とすることで、ナノグラフェンとナノグラフェンに隙間
105を有するとともに、それぞれのナノグラフェンは核101の表面で一部接している
。隙間105は、グラフェン中の炭素原子の一部に酸素原子が結合された空孔104と同
様の効果を有する。
なお、図5(A)において、正極活物質140を構成する主成分である核101と、被覆
層103と、隙間105と、を合わせて正極活物質とする。
よって、図5(A)に示すように、被覆層103を設けることで、正極活物質140の電
気伝導性を向上させることができる。また、正極活物質140同士が、被覆層103を介
して接することにより、正極活物質140同士が導通し、正極活物質140の電気伝導性
をさらに向上させることができる。
次に、図5(B)に示した、正極活物質150は、リチウム金属酸化物を主成分として含
む核101と、核101の周囲を覆う被覆層112と、を有する。
被覆層112は、被覆層102と被覆層111と、により構成されており、被覆層102
は上記実施の形態で示したグラフェンであり、被覆層111は非晶質炭素により形成され
ている。すなわち、被覆層112は非晶質炭素である被覆層111が被覆層102である
グラフェンを含んだ構成である。
なお、被覆層102は、図1(A)に示した被覆層102と同様にグラフェンの一部の炭
素原子に酸素原子が結合した空孔104を有している。
なお、図5(B)において、正極活物質150を構成する主成分である核101と、被覆
層112と、を合わせて正極活物質とする。
また、被覆層112内の被覆層102は図5(A)で示した被覆層103としても良く、
この場合は、隙間105が形成される。
よって、図5(B)に示すように、被覆層112を設けることで、正極活物質150の電
気伝導性を向上させることができる。また、正極活物質150同士が、被覆層112を介
して接することにより、正極活物質150同士が導通し、正極活物質150の電気伝導性
をさらに向上させることができる。
以上のように、ナノグラフェン、またはグラフェンを含む被覆層を設けることにより正極
活物質の電気伝導性を高めることができる。
また、ナノグラフェン、またはグラフェンにリチウムイオンが通過できる隙間、または空
孔を設けることができるため、本実施の形態の正極活物質を用いた蓄電装置は、リチウム
イオンの挿入脱離がしやすくなり、蓄電装置のレート特性が向上し、短時間での充放電が
可能となる。
従って、電流の利用効率が高い正極活物質、および単位面積当たりの容量が大きい正極活
物質、およびそれを用いた蓄電装置を提供することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることが可能である。
(実施の形態4)
本実施の形態では、上記実施の形態1乃至3に示した正極活物質を用いたリチウムイオン
二次電池について説明する。リチウムイオン二次電池の概要を図6に示す。
図6に示すリチウムイオン二次電池は、正極202、負極207、及びセパレータ210
を外部と隔絶する筐体220の中に設置し、筐体220中に電解液211が充填されてい
る。また、正極202及び負極207との間にセパレータ210を有する。
正極202は、正極集電体200と正極活物質201により構成されており、負極207
は、負極集電体205と負極活物質206により構成されている。
また、正極集電体200には第1の電極221が、負極集電体205には第2の電極22
2が接続されており、第1の電極221及び第2の電極222より、充電や放電が行われ
る。また、正極活物質201及びセパレータ210の間と負極活物質206及びセパレー
タ210との間とはそれぞれは一定間隔をおいて示しているが、これに限らず、正極活物
質201及びセパレータ210と負極活物質206及びセパレータ210とはそれぞれが
接していても構わない。また、正極202及び負極207は間にセパレータ210を配置
した状態で筒状にしてもよい。
本明細書では、正極活物質201と、それが形成された正極集電体200を合わせて正極
202と呼ぶ。また、負極活物質206と、それが形成された負極集電体205を合わせ
て負極207と呼ぶ。
正極集電体200としては、アルミニウム、ステンレス等の導電性の高い材料を用いるこ
とができる。正極集電体200は、箔状、板状、網状等の形状を適宜用いることができる
正極活物質201としては、図1(A)に示した正極活物質100、図5(A)に示した
正極活物質140、または図5(B)に示した正極活物質150を用いることが出来る。
本実施の形態では、正極集電体200としてアルミ箔を用い、その上に実施の形態2で示
した方法により、正極活物質201を形成する。正極活物質201の厚さは、20〜10
0μmの間で所望の厚さを選択する。クラックや剥離が生じないように、正極活物質20
1の厚さを適宜調整することが好ましい。さらには、電池の形態にもよるが、平板状だけ
でなく、筒状に丸めた時に、正極活物質201にクラックや剥離が生じないようにするこ
とが好ましい。
負極集電体205としては、銅、ステンレス、鉄、ニッケル等の導電性の高い材料を用い
ることができる。
負極活物質206としては、リチウム、アルミニウム、黒鉛、シリコン、ゲルマニウムな
どが用いられる。負極集電体205上に、塗布法、スパッタリング法、蒸着法などにより
負極活物質206を形成してもよいし、それぞれの材料を単体で負極活物質206として
用いてもよい。黒鉛と比較すると、ゲルマニウム、シリコン、リチウム、アルミニウムの
理論リチウム吸蔵容量が大きい。吸蔵容量が大きいと小面積でも十分に負極として充放電
が可能であり、コストの節減及び二次電池の小型化につながる。ただし、シリコンなどは
リチウム吸蔵により体積が4倍程度まで増えるために、材料自身が脆くなる事や爆発する
危険性などにも十分に気をつける必要がある。
電解液211は、キャリアイオンであるアルカリ金属イオンを含み、このキャリアイオン
が電気伝導を担っている。アルカリ金属イオンとしては、例えば、リチウムイオンがある
電解液211は、例えば溶媒と、その溶媒に溶解するリチウム塩から構成されている。リ
チウム塩としては、例えば、塩化リチウム(LiCl)、フッ化リチウム(LiF)、過
塩素酸リチウム(LiClO)、硼弗化リチウム(LiBF)、LiAsF、Li
PF、Li(CSON等がある。
電解液211の溶媒として、環状カーボネート類(例えば、エチレンカーボネート(以下
、ECと略す)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、お
よびビニレンカーボネート(VC)など)、非環状カーボネート類(ジメチルカーボネー
ト(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)
、メチルプロピルカーボネート(MPC)、イソブチルメチルカーボネート、およびジプ
ロピルカーボネート(DPC)など)、脂肪族カルボン酸エステル類(ギ酸メチル、酢酸
メチル、プロピオン酸メチル、およびプロピオン酸エチルなど)、非環状エーテル類(γ
−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−
ジエトキシエタン(DEE)、およびエトキシメトキシエタン(EME)等)、環状エー
テル類(テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等)、環状スルホン(スル
ホランなど)、アルキルリン酸エステル(ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン
等やリン酸トリメチル、リン酸トリエチル、およびリン酸トリオクチルなど)やそのフッ
化物があり、これらの一種または二種以上を混合して使用する。
セパレータ210として、紙、不織布、ガラス繊維、あるいは、ナイロン(ポリアミド)
、ビニロン(ビナロンともいう)(ポリビニルアルコール系繊維)、ポリエステル、アク
リル、ポリオレフィン、ポリウレタンといった合成繊維等を用いればよい。ただし、上記
した電解液211に溶解しない材料を選ぶ必要がある。
より具体的には、セパレータ210の材料として、例えば、フッ素系ポリマー、ポリエチ
レンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン等のポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタク
リレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、
ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、
ポリスチレン、ポリイソプレン、ポリウレタン系高分子およびこれらの誘導体、セルロー
ス、紙、不織布から選ばれる一種を単独で、または二種以上を組み合せて用いることがで
きる。
上記に示すリチウムイオン二次電池に充電をする時には、第1の電極221に正極端子、
第2の電極222に負極端子を接続する。正極202からは電子が第1の電極221を介
して奪われ、第2の電極222を通じて負極207に移動する。加えて、正極202から
はリチウムイオンが正極活物質201中の活物質から溶出し、セパレータ210を通過し
て負極207に達し、負極活物質206内の活物質に取り込まれる。当該領域でリチウム
イオン及び電子が合体して、負極活物質206に吸蔵される。同時に正極活物質201で
は、活物質から電子が放出され、活物質に含まれる金属の酸化反応が生じる。
放電する時には、負極207では、負極活物質206がリチウムをイオンとして放出し、
第2の電極222に電子が送り込まれる。リチウムイオンはセパレータ210を通過して
、正極活物質201に達し、正極活物質201中の活物質に取り込まれる。その時には、
負極207からの電子も正極202に到達し、金属の還元反応が生じる。
以上のようにして作製したリチウムイオン二次電池は、リチウム金属化合物を正極活物質
の主材料の核としている。また、該リチウム金属化合物には、グラフェンからなる被覆層
により覆われており、正極活物質の電気伝導性が向上している。また、該被覆層には空孔
が設けられており、正極活物質の主材料の核であるリチウム金属化合物から容易にリチウ
ムイオンが通過することができる。そのため、本実施の形態で得られるリチウムイオン二
次電池は、放電容量が大きく、充放電の速度が大きいリチウムイオン二次電池とすること
ができる。
従って、電流の利用効率が高い正極活物質、および単位面積当たりの容量が大きい正極活
物質を作製することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態5)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した蓄電装置の応用形態について説明する。
上記実施の形態で説明した蓄電装置は、デジタルカメラやビデオカメラ等のカメラ、デジ
タルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機
、携帯情報端末、音響再生装置等の電子機器に用いることができる。また、電気自動車、
ハイブリッド自動車、鉄道用電気車両、作業車、カート、車椅子、自転車等の電気推進車
両に用いることができる。
図7(A)は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機410は、筐体411に表示
部412が組み込まれている。筐体411は、さらに操作ボタン413、操作ボタン41
7、外部接続ポート414、スピーカー415、及びマイク416等を備えている。
図7(B)は、電子書籍用端末の一例を示している。電子書籍用端末430は、第1の筐
体431及び第2の筐体433の2つの筐体で構成されて、2つの筐体が軸部432によ
り一体にされている。第1の筐体431及び第2の筐体433は、軸部432を軸として
開閉動作を行うことができる。第1の筐体431には第1の表示部435が組み込まれ、
第2の筐体433には第2の表示部437が組み込まれている。その他、第2の筐体43
3に、操作ボタン439、電源ボタン443、及びスピーカー441等を備えている。
図8は電動式の車椅子501の斜視図である。電動式の車椅子501は、使用者が座る座
部503、座部503の後方に設けられた背もたれ505、座部503の前下方に設けら
れたフットレスト507、座部503の左右に設けられたアームレスト509、背もたれ
505の上部後方に設けられたハンドル511を有する。アームレスト509の一方には
、車椅子の動作を制御するコントローラ513が設けられる。座部503の下方のフレー
ム515を介して、座部503前下方には一対の前輪517が設けられ、座部503の後
下方には一対の後輪519が設けられる。後輪519は、モータ、ブレーキ、ギア等を有
する駆動部521に接続される。座部503の下方には、バッテリー、電力制御部、制御
手段等を有する制御部523が設けられる。制御部523は、コントローラ513及び駆
動部521と接続しており、使用者によるコントローラ513の操作により、制御部52
3を介して駆動部521が駆動し、電動式の車椅子501の前進、後進、旋回等の動作及
び速度を制御する。
上記実施の形態で説明した蓄電装置を制御部523のバッテリーに用いることができる。
制御部523のバッテリーは、プラグイン技術による外部から電力供給により充電をする
ことができる。
図9は、電気自動車の一例を示している。電気自動車650には、蓄電装置651が搭載
されている。蓄電装置651の電力は、制御回路653により出力が調整されて、駆動装
置657に供給される。制御回路653は、コンピュータ655によって制御される。
駆動装置657は、直流電動機若しくは交流電動機単体、又は電動機と内燃機関と、を組
み合わせて構成される。コンピュータ655は、電気自動車650の運転者の操作情報(
加速、減速、停止など)や走行時の情報(登坂や下坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報
など)の入力情報に基づき、制御回路653に制御信号を出力する。制御回路653は、
コンピュータ655の制御信号により、蓄電装置651から供給される電気エネルギーを
調整して駆動装置657の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、直流を交
流に変換するインバータも内蔵される。
上記実施の形態で説明した蓄電装置を蓄電装置651のバッテリーに用いることができる
。蓄電装置651は、プラグイン技術による外部からの電力供給により充電することがで
きる。
なお、電気推進車両が鉄道用電気車両の場合、架線や導電軌条からの電力供給により充電
をすることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
100 正極活物質
101 核
102 被覆層
103 被覆層
104 空孔
105 隙間
106 炭素原子
108 酸素原子
110 リチウムイオン
111 被覆層
112 被覆層
122 被覆層
140 正極活物質
150 正極活物質
200 正極集電体
201 正極活物質
202 正極
205 負極集電体
206 負極活物質
207 負極
210 セパレータ
211 電解液
220 筐体
221 電極
222 電極
410 携帯電話機
411 筐体
412 表示部
413 操作ボタン
414 外部接続ポート
415 スピーカー
416 マイク
417 操作ボタン
430 電子書籍用端末
431 筐体
432 軸部
433 筐体
435 表示部
437 表示部
439 操作ボタン
441 スピーカー
443 電源ボタン
501 車椅子
503 座部
505 背もたれ
507 フットレスト
509 アームレスト
511 ハンドル
513 コントローラ
515 フレーム
517 前輪
519 後輪
521 駆動部
523 制御部
650 電気自動車
651 蓄電装置
653 制御回路
655 コンピュータ
657 駆動装置

Claims (3)

  1. 正極と、
    前記正極と電解液を介して対向する負極と、を有し、
    前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体上の正極活物質と、を有し、
    前記正極活物質は、リチウム金属酸化物からなる核と、前記核の周囲を覆う被覆層と、を有し、
    前記被覆層は、1枚又は互いに重なる2枚以上10枚以下のグラフェンを有し、
    前記グラフェンは、前記グラフェン中の炭素原子の一部に酸素原子が結合する空孔を有し、
    前記核の粒径は、50nm以下であることを特徴とする蓄電装置。
  2. 正極と、
    前記正極と電解液を介して対向する負極と、を有し、
    前記正極は、正極集電体と、前記集電体上の正極活物質と、を有し、
    前記正極活物質は、リチウム金属酸化物からなる核と、前記核の周囲を覆う被覆層と、を有し、
    前記被覆層は、前記核の表面に沿った方向において、複数のナノグラフェンを有し、
    前記複数のナノグラフェンのそれぞれは、空孔を有し、且つ、前記核の表面に垂直な方向において、1枚又は互いに重なる2枚以上10枚以下のナノグラフェンを有し、
    前記空孔は、前記ナノグラフェン中の炭素原子の一部に酸素原子が結合しており、
    前記核の粒径は、50nm以下であることを特徴とする蓄電装置。
  3. 請求項1又は2において、
    前記リチウム金属酸化物は、LiFePO、LiNiPO、LiCoPO、LiMnPO、Li(PO、LiFeSiO、またはLiMnSiOを有することを特徴とする蓄電装置。
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