JP2018056411A - Nonaqueous lithium type power storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系リチウム型蓄電素子に関する。 The present invention relates to a non-aqueous lithium storage element.
近年、地球環境の保全や省資源を目指すエネルギーの有効利用の観点から、風力発電の電力平滑化システム又は深夜電力貯蔵システム、太陽光発電技術に基づく家庭用分散型蓄電システム、電気自動車用の蓄電システム等が注目を集めている。
これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン電池の開発が精力的に進められている。
第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)又は燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時には蓄電システムにおける高出力放電特性が要求されている。
In recent years, from the viewpoint of the effective use of energy aiming to preserve the global environment and conserve resources, wind power generation smoothing system or midnight power storage system, home-use distributed storage system based on solar power generation technology, storage for electric vehicles The system is drawing attention.
The first requirement for batteries used in these power storage systems is high energy density. As a promising candidate for a high energy density battery capable of meeting such demands, development of a lithium ion battery has been vigorously advanced.
The second requirement is high output characteristics. For example, in a combination of a high-efficiency engine and a power storage system (for example, a hybrid electric vehicle) or a combination of a fuel cell and a power storage system (for example, a fuel cell electric vehicle), high output discharge characteristics in the power storage system are required during acceleration. Yes.
現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。
電気二重層キャパシタのうち、電極に活性炭を用いたものは、0.5〜1kW/L程度の出力特性を有する。この電気二重層キャパシタは、耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)も高く、前記高出力が要求される分野で最適のデバイスと考えられてきた。しかし、そのエネルギー密度は1〜5Wh/L程度に過ぎない。そのため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。
Currently, electric double layer capacitors, nickel metal hydride batteries, and the like have been developed as high-power storage devices.
Among the electric double layer capacitors, those using activated carbon for the electrodes have an output characteristic of about 0.5 to 1 kW / L. This electric double layer capacitor has high durability (cycle characteristics and high temperature storage characteristics), and has been considered as an optimum device in the field where the high output is required. However, the energy density is only about 1 to 5 Wh / L. Therefore, further improvement in energy density is necessary.
他方、現在ハイブリッド電気自動車で採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度及び出力をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。 On the other hand, nickel-metal hydride batteries currently used in hybrid electric vehicles have a high output equivalent to that of electric double layer capacitors and an energy density of about 160 Wh / L. However, research for increasing the energy density and output and further improving durability (particularly stability at high temperatures) has been energetically advanced.
また、リチウムイオン電池においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(蓄電素子の放電容量の何%を放電した状態かを示す値)50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオン電池が開発されている。しかしながら、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計となっている。また、その耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)については、電気二重層キャパシタに比べ劣るため、実用的な耐久性を持たせるためには、放電深度が0〜100%の範囲よりも狭い範囲での使用となる。実際に使用できる容量は更に小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。 In addition, research for higher output is also being conducted in lithium ion batteries. For example, a lithium ion battery has been developed that can obtain a high output exceeding 3 kW / L at a depth of discharge (a value indicating what percentage of the discharge capacity of the storage element is discharged) 50%. However, the energy density is 100 Wh / L or less, and the high energy density, which is the greatest feature of the lithium ion battery, is intentionally suppressed. In addition, the durability (cycle characteristics and high-temperature storage characteristics) is inferior to that of an electric double layer capacitor. Therefore, in order to give practical durability, the discharge depth is a range narrower than the range of 0 to 100%. It will be used in. Since the capacity that can actually be used is further reduced, research for further improving the durability is being actively pursued.
前記のように、高エネルギー密度、高出力特性、及び耐久性を兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。しかしながら、上述した既存の蓄電素子には、それぞれ一長一短がある。そのため、これらの技術的要求を充足する新たな蓄電素子が求められている。その有力な候補として、リチウムイオンキャパシタと呼ばれる蓄電素子が注目され、開発が盛んに行われている。
リチウムイオンキャパシタは、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子(非水系リチウム型蓄電素子)の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着・脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン電池と同様のリチウムイオンの吸蔵・放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。
上述の電極材料とその特徴をまとめると、電極に活性炭等の材料を用い、活性炭表面のイオンの吸着・脱離(非ファラデー反応)により充放電を行う場合は、高出力かつ高耐久性を実現するが、エネルギー密度が低くなる(例えば、1倍とする。)。他方、電極に酸化物や炭素材料を用い、ファラデー反応により充放電を行う場合は、エネルギー密度が高くなる(例えば、活性炭を用いた非ファラデー反応の10倍とする。)が、耐久性及び出力特性に問題がある。
As described above, there is a strong demand for the practical use of a power storage device having high energy density, high output characteristics, and durability. However, each of the existing power storage elements described above has advantages and disadvantages. Therefore, a new power storage element that satisfies these technical requirements is demanded. As a promising candidate, a storage element called a lithium ion capacitor has attracted attention and has been actively developed.
A lithium ion capacitor is a kind of energy storage device (non-aqueous lithium energy storage device) that uses a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and the negative electrode adsorbs the same as an electric double layer capacitor at about 3 V or more at the positive electrode. It is a power storage element that charges and discharges by a non-Faraday reaction by desorption, and a Faraday reaction by insertion and extraction of lithium ions in the negative electrode, similar to a lithium ion battery.
The above-mentioned electrode materials and their characteristics can be summarized as follows: High output and high durability are achieved when materials such as activated carbon are used for the electrodes and charging / discharging is performed by ion adsorption / desorption (non-Faraday reaction) on the activated carbon surface. However, the energy density is lowered (for example, 1 time). On the other hand, when an oxide or a carbon material is used for the electrode and charging / discharging is performed by a Faraday reaction, the energy density is increased (for example, 10 times that of a non-Faraday reaction using activated carbon), but durability and output are increased. There is a problem with the characteristics.
これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極及び負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高出力かつ高耐久性を有するがエネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。 As a combination of these electrode materials, the electric double layer capacitor is characterized in that the positive and negative electrodes use activated carbon (energy density 1 time), and the positive and negative electrodes are charged and discharged by a non-Faraday reaction, resulting in high output and high durability. However, the energy density is low (positive electrode 1 ×× negative electrode 1 = 1).
リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)であるが、出力特性及び耐久性に課題がある。更に、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10〜50%しか使用できない。 A lithium ion secondary battery uses a lithium transition metal oxide (energy density 10 times) for a positive electrode, a carbon material (energy density 10 times) for a negative electrode, and charges and discharges by a Faraday reaction for both positive and negative electrodes. The energy density (positive electrode 10 times × negative electrode 10 times = 100) has problems in output characteristics and durability. Furthermore, in order to satisfy the high durability required for a hybrid electric vehicle or the like, the depth of discharge must be limited, and in the lithium ion secondary battery, only 10 to 50% of the energy can be used.
リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた新規の非対称キャパシタである。そして、高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。 A lithium ion capacitor uses activated carbon (energy density 1 time) for the positive electrode and a carbon material (10 times energy density) for the negative electrode, and is charged and discharged by a non-Faraday reaction at the positive electrode and a Faraday reaction at the negative electrode. It is a novel asymmetric capacitor that combines the features of a multilayer capacitor and a lithium ion secondary battery. In addition, while having high output and high durability, it has a high energy density (positive electrode 1 ×× negative electrode 10 = 10), and there is no need to limit the depth of discharge unlike a lithium ion secondary battery. is there.
リチウムイオンキャパシタを用いる用途としては、例えば、鉄道、建機、自動車用蓄電等が挙げられる。これらの用途では、作動環境が過酷なため、使用されるキャパシタは優れた入出力特性とともに、高負荷充放電サイクル特性、高度の安全性とが同時に要求される。
このような要求への対策技術として、電極層に通電タブを接合し、通電タブと電極タブの間で交流電流を印加することで電極の電位分布を均一化して耐久性を向上する手段(以下の特許文献1参照)、電極に電位を測定しうる端子を取り付け、端子から得られる電位を参照することで各端子を独立に充放電を行うことで電極間の電位の均一性を向上する手段(以下の特許文献2参照)がそれぞれ提案されている。
Examples of the use of the lithium ion capacitor include railways, construction machinery, automobile power storage, and the like. In these applications, since the operating environment is harsh, the capacitor to be used is required to have high input / output characteristics, high load charge / discharge cycle characteristics, and high safety at the same time.
As a countermeasure technique for such a demand, a means for joining a current-carrying tab to an electrode layer and applying an alternating current between the current-carrying tab and the electrode tab to make the potential distribution of the electrode uniform and improve durability (hereinafter referred to as the following) Patent Document 1), and means for improving the uniformity of the potential between the electrodes by attaching a terminal capable of measuring the potential to the electrode and charging and discharging each terminal independently by referring to the potential obtained from the terminal. (See the following Patent Document 2).
しかしながら、電極に電位を測定するための端子を取り付けることにより部品点数が増え、かつ電位を管理するための機構が必要となる。
特許文献1の技術は、電極面内におけるリチウムイオン濃度を均一にすることで、優れた耐久性を発現できるものである。しかしながら、部品点数が増えるとともに長期のサイクル特性は十分とは言えず改善の余地がある。
特許文献2の技術は、電極毎に充放電を行い電極間の電位の均一性を高めることで、優れた充放電サイクル特性を発現できるものである。しかしながら、部品点数が増えるとともに積層体内に電極端子があるため、充放電により積層体が膨張・収縮を繰り返した場合に短絡の可能性があり、安全性には改善の余地がある。
However, attaching a terminal for measuring the potential to the electrode increases the number of parts and requires a mechanism for managing the potential.
The technique of Patent Document 1 can express excellent durability by making the lithium ion concentration uniform within the electrode surface. However, as the number of parts increases, the long-term cycle characteristics are not sufficient and there is room for improvement.
The technique of
以上の極一の現状に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、部品点数を増やすことなく電極間の電位を均一にすることで、高い入出力特性を有しながら、従来得られていなかった高い長期サイクル特性と高い安全性とを同時に有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することである。 In view of the above current situation, the problem to be solved by the present invention has not been obtained in the past while having high input / output characteristics by making the potential between the electrodes uniform without increasing the number of parts. Another object of the present invention is to provide a non-aqueous lithium storage element having high long-term cycle characteristics and high safety at the same time.
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、正極が活物質以外のリチウム化合物を含有することで、部品点数を増やすことなく、優れた入出力特性と、高い長期サイクル特性、高い安全性とを有する非水系リチウム型蓄電素子を提供できることを見出した。
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
As a result of intensive investigations and repeated experiments to solve the above problems, the present inventors have found that the positive electrode contains a lithium compound other than the active material, and has excellent input / output characteristics and high without increasing the number of parts. It has been found that a non-aqueous lithium storage element having long-term cycle characteristics and high safety can be provided.
The present invention has been made based on such knowledge.
すなわち、本発明は、以下の通りのものである:
[1]正極と負極がセパレータを介して積層された積層体、並びにリチウムイオンを含む非水系電解液を含む非水系リチウム型蓄電素子であって、
前記正極は、リチウム化合物を含み、
前記正極は、正極集電体と、該正極集電体の片面又は両面に正極活物質層とを有し、前該正極活物質層は、活性炭からなる正極活物質を含有し、
前記負極は、負極集電体と、該負極集電体の片面又は両面に負極活物質層とを有し、該負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含有し、
前記積層体の厚み方向最外層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC1o、前記積層体の厚み方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC1iとするときC1o/C1iが0.85以上1.15以下であり、
前記負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも前記負極活物質層の中心部80%の面積領域において、リチウムイオンの濃度が高く、
前記リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、前記正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、X1<Y1であり、かつ、前記正極中に含まれるリチウム化合物の量が1質量%以上50質量%以下である、前記非水系リチウム型蓄電素子。
[2]前記積層体の厚み方向最外層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心の負極活物質層の厚みをT1o、前記積層体の厚み方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心の負極活物質層の厚みをT1iとするとき、T1o/T1iが0.85以上1.15以下である、前記[1]に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[3]正極と負極がセパレータを介して捲回された捲回体、並びにリチウムイオンを含む非水系電解液からなる非水系リチウム型蓄電素子であって、
前記正極は、リチウム化合物を含み、
前記正極は、正極集電体と、該正極集電体の片面又は両面に正極活物質層とを有し、該正極活物質層は、活性炭からなる正極活物質を含有し、
前記負極は、負極集電体と、該負極集電体の片面又は両面に負極活物質層とを有し、該負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含有し、
前記捲回体の正極と対向し、かつ、周縁部を除く半径方向最外周の負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC2o、前記捲回体の正極と対向しかつ周縁部を除く半径方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC2iとするとき、C2o/C2iが0.85以上1.15以下であり、
前記負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも前記負極活物質層の中心部80%の面積領域において、リチウムイオンの濃度が高く、
前記リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、X1<Y1であり、かつ、前記正極中に含まれるリチウム化合物の量が1質量%以上50質量%以下である、前記非水系リチウム型蓄電素子。
[4]前記捲回体の正極と対向し、かつ、周縁部を除く半径方向最外周の負極の負極活物質層を上面視した際の中心の厚みをT2o、前記捲回体の正極と対向しかつ周縁部を除く半径方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心の厚みをT2iとするとき、T2o/T2iが0.85以上1.15以下である、前記[3]に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[5]前記リチウム化合物は、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムからなる群から選択される少なくとも一種のリチウム化合物である、前記[1]〜[4]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[6]前記正極活物質層が、下記式(1):
[7]前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、0.3<V1≦0.8、及び0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下を示す活性炭である、前記[1]〜[6]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[8]前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量V1(cc/g)が0.8<V1≦2.5を満たし、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量V2(cc/g)が0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下を示す活性炭である、前記[1]〜[6]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[9]前記負極活物質のリチウムイオンのドープ量が、単位質量当たり530mAh/g以上2,500mAh/g以下である、前記[1]〜[8]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[10]前記負極活物質のBET比表面積が100m2/g以上1,500m2/g以下である、前記[1]〜[9]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[11]前記負極活物質のリチウムイオンのドープ量が、単位質量当たり50mAh/g以上700mAh/g以下である、前記[1]〜[8]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[12]前記負極活物質のBET比表面積が1m2/g以上50m2/g以下である、前記[1]〜[8]、及び[11]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[13]前記非水系リチウム型蓄電素子において、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、環境温度25℃にて、セル電圧を2.2Vから3.8Vまで、300Cのレートでの充放電サイクルを60,000回行った後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)、サイクル試験後の蓄電素子を4.5Vの定電圧充電を1時間行った後の静電容量をFe(F)とするとき、以下の:
(a)Re/Raが0.9以上2.0以下である;及び
(b)Fe/Fが1.01以上である;
を満たすことを特徴とする、前記[1]〜[12]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
That is, the present invention is as follows:
[1] A non-aqueous lithium storage element including a laminate in which a positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator, and a non-aqueous electrolyte containing lithium ions,
The positive electrode includes a lithium compound,
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer on one or both sides of the positive electrode current collector, and the positive electrode active material layer contains a positive electrode active material made of activated carbon,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer on one or both sides of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions,
When the negative electrode active material layer of the negative electrode in the thickness direction outermost layer of the laminate is viewed from above, the central lithium ion concentration is C 1o , and when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the thickness direction innermost layer of the laminate is viewed from above C 1o / C 1i when the lithium ion concentration of the centers of the C 1i is 0.85 to 1.15,
The concentration of lithium ions is higher in the area of 80% of the central part of the negative electrode active material layer than in the area of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer,
When the average particle diameter of the lithium compound and X 1, a 0.1μm ≦ X 1 ≦ 10μm, when the average particle diameter of the positive electrode active material and Y 1, a 2μm ≦ Y 1 ≦ 20μm, X 1 <Y 1 and the amount of the lithium compound contained in the positive electrode is 1% by mass or more and 50% by mass or less.
[2] The thickness of the negative electrode active material layer at the center when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the outermost layer in the thickness direction of the laminate is viewed from above is T 1o , and the negative electrode active material of the negative electrode in the innermost layer in the thickness direction of the laminate when the thickness of the negative electrode active material layer in the center when viewed from the top layer and T 1i, T 1o / T 1i is 0.85 to 1.15, the non-aqueous lithium power storage according to [1] element.
[3] A non-aqueous lithium storage element comprising a wound body in which a positive electrode and a negative electrode are wound through a separator, and a non-aqueous electrolyte containing lithium ions,
The positive electrode includes a lithium compound,
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer on one or both sides of the positive electrode current collector, the positive electrode active material layer contains a positive electrode active material made of activated carbon,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer on one or both sides of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions,
Opposite to the positive electrode of the wound body, and the center lithium ion concentration of the negative electrode active material layer of the negative electrode in the outermost radial direction excluding the peripheral portion is C 2o , facing the positive electrode of the wound body when the lithium ion concentration in the center when the anode active material layer of the negative electrode was viewed in the radial direction innermost layer except for the life-and-death periphery and C 2i, C 2o / C 2i is 0.85 to 1.15 Yes,
The concentration of lithium ions is higher in the area of 80% of the central part of the negative electrode active material layer than in the area of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer,
When the average particle diameter of the lithium compound is X 1 , 0.1 μm ≦ X 1 ≦ 10 μm, and when the average particle diameter of the positive electrode active material is Y 1 , 2 μm ≦ Y 1 ≦ 20 μm and X 1 The non-aqueous lithium storage element, wherein <Y 1 and the amount of the lithium compound contained in the positive electrode is 1% by mass or more and 50% by mass or less.
[4] The center thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode at the outermost radial direction excluding the peripheral portion, which is opposed to the positive electrode of the wound body , when viewed from above, is T 2o , T 2o / T 2i is 0.85 or more and 1.15 or less when the thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode in the radially innermost layer that is opposite and excluding the peripheral portion is T 2i when viewed from above. The non-aqueous lithium storage element according to [3].
[5] The non-aqueous lithium according to any one of [1] to [4], wherein the lithium compound is at least one lithium compound selected from the group consisting of lithium carbonate, lithium oxide, and lithium hydroxide. Type storage element.
[6] The positive electrode active material layer has the following formula (1):
[7] The positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer has a mesopore amount derived from pores having a diameter of 20 mm or more and 500 mm or less calculated by the BJH method as V1 (cc / g), and a diameter of 20 mm calculated by the MP method. When the amount of micropores derived from smaller pores is V2 (cc / g), it satisfies 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0, and is measured by the BET method The nonaqueous lithium storage element according to any one of the above [1] to [6], wherein the specific surface area is activated carbon having a specific surface area of 1,500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less.
[8] The positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer has a mesopore volume V1 (cc / g) derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method of 0.8 <V1 ≦ 2. The specific surface area measured by the BET method when the amount of micropores V2 (cc / g) derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method satisfies 0.8 <V2 ≦ 3.0. There 2,300m2 / g is activated carbon having the following more 4,000 m 2 / g, wherein [1] nonaqueous lithium-type storage element according to any one of to [6].
[9] The non-aqueous lithium-type electricity storage according to any one of [1] to [8], wherein a doping amount of lithium ions of the negative electrode active material is 530 mAh / g or more and 2,500 mAh / g or less per unit mass. element.
[10] The non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [9], wherein the negative electrode active material has a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less.
[11] The non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [8], wherein a doping amount of lithium ions of the negative electrode active material is 50 mAh / g or more and 700 mAh / g or less per unit mass.
[12] The non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [8] and [11], wherein the negative electrode active material has a BET specific surface area of 1 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less. .
[13] In the non-aqueous lithium storage element, the initial normal temperature discharge internal resistance is Ra (Ω), the capacitance is F (F), the ambient temperature is 25 ° C., and the cell voltage is 2.2 V to 3.8 V. Until the room temperature discharge internal resistance after performing 60,000 charge / discharge cycles at a rate of 300 C is Re (Ω), and the storage element after the cycle test is charged with a constant voltage of 4.5 V for 1 hour. When the capacitance is Fe (F), the following:
(A) Re / Ra is 0.9 or more and 2.0 or less; and (b) Fe / F is 1.01 or more;
The nonaqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12], wherein:
本発明に係る非水系リチウム型蓄電素子は、部品点数を増やすことなく電極間の電位を均一にすることで、高い入出力特性を有しながら、従来得られていなかった高い長期サイクル特性と高い安全性とを同時に有する。 The non-aqueous lithium storage element according to the present invention has high input / output characteristics and high long-term cycle characteristics that have not been obtained in the past and high by making the potential between the electrodes uniform without increasing the number of parts. It has safety at the same time.
以下、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
非水系リチウム型蓄電素子は一般に、正極、負極、セパレータ、電解液、及び外装体を主な構成要素とする。電解液としては、リチウム塩を溶解させた有機溶媒(以下、非水系電解液という。)を用いる。
[正極]
正極は、正極集電体と、その片面又は両面に存在する正極活物質層とを有する。
また、正極は、蓄電素子組み立て前の正極前駆体として、リチウム化合物を含むことが好ましい。後述のように、本実施形態では蓄電素子組み立て工程内で、負極にリチウムイオンをプレドープすることが好ましいが、そのプレドープ方法としては、前記リチウム化合物を含む正極前駆体、負極、セパレータ、外装体、及び非水系電解液を用いて蓄電素子を組み立てた後に、正極前駆体と負極との間に電圧を印加することが好ましい。前記リチウム化合物は前記正極前駆体の正極集電体上に形成された正極活物質層に含有されることが好ましい。
本明細書中、リチウムドープ工程前における正極状態のことを正極前駆体、リチウムドープ工程後における正極状態のことを正極と定義する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
In general, a non-aqueous lithium-type energy storage device mainly includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution, and an outer package. As the electrolytic solution, an organic solvent in which a lithium salt is dissolved (hereinafter referred to as a non-aqueous electrolytic solution) is used.
[Positive electrode]
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer present on one side or both sides thereof.
Moreover, it is preferable that a positive electrode contains a lithium compound as a positive electrode precursor before an electrical storage element assembly. As will be described later, in this embodiment, it is preferable that the negative electrode is pre-doped with lithium ions in the power storage element assembly step. In addition, it is preferable to apply a voltage between the positive electrode precursor and the negative electrode after assembling the electricity storage device using the non-aqueous electrolyte. The lithium compound is preferably contained in a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector of the positive electrode precursor.
In this specification, the positive electrode state before the lithium doping step is defined as the positive electrode precursor, and the positive electrode state after the lithium doping step is defined as the positive electrode.
[正極活物質層]
前記正極に含まれる正極活物質層は、活性炭を含む正極活物質を含有する。正極活物質層は、これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
また、正極前駆体の正極活物質層には、正極活物質以外のリチウム化合物が含有されることが好ましい。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer included in the positive electrode contains a positive electrode active material containing activated carbon. In addition to this, the positive electrode active material layer may contain optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer as necessary.
The positive electrode active material layer of the positive electrode precursor preferably contains a lithium compound other than the positive electrode active material.
[正極活物質]
正極活物質は、活性炭を含む。正極活物質としては、活性炭のみを使用してもよく、又は活性炭に加えて、後述するような他の炭素材料を併用してもよい。この炭素材料としては、カーボンナノチューブ、導電性高分子、又は多孔性の炭素材料を使用することがより好ましい。正極活物質には、活性炭を含む1種類以上の炭素材料を混合して使用してもよく、炭素材料以外の材料(例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等)を含んでもよい。
好ましくは該正極活物質の総量に対する該炭素材料の含有率が50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。該炭素材料の含有率が100質量%であることができるが、他の材料の併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
[Positive electrode active material]
The positive electrode active material includes activated carbon. As the positive electrode active material, only activated carbon may be used, or other carbon materials as described later may be used in combination with activated carbon. As this carbon material, it is more preferable to use a carbon nanotube, a conductive polymer, or a porous carbon material. As the positive electrode active material, one or more kinds of carbon materials including activated carbon may be mixed and used, or a material other than the carbon material (for example, a composite oxide of lithium and a transition metal) may be included.
Preferably, the content of the carbon material with respect to the total amount of the positive electrode active material is 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material can be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining the effect of using other materials in combination, for example, the content is preferably 90% by mass or less, and 80% by mass or less. Also good.
正極活物質として用いる活性炭の種類及びその原料には特に制限はない。しかしながら、高い入出力特性と、高いエネルギー密度とを両立させるために、活性炭の細孔を最適に制御することが好ましい。具体的には、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、
(1)高い入出力特性のためには、0.3<V1≦0.8、及び0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下である活性炭(以下、活性炭1ともいう。)、又は
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V1≦2.5、及び0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下である活性炭(以下、活性炭2ともいう。)が好ましい。
There is no restriction | limiting in particular in the kind of activated carbon used as a positive electrode active material, and its raw material. However, in order to achieve both high input / output characteristics and high energy density, it is preferable to optimally control the pores of the activated carbon. Specifically, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method is V1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method is calculated. When V2 (cc / g)
(1) For high input / output characteristics, 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 1,500 m 2. / g or more 3,000 m 2 / g or less is activated carbon (hereinafter, also referred to as activated carbon 1.), or (2) in order to obtain a high energy density, 0.8 <V1 ≦ 2.5, and 0.8 Activated carbon (hereinafter also referred to as activated carbon 2) satisfying <V2 ≦ 3.0 and having a specific surface area measured by the BET method of 2,300 m 2 / g or more and 4,000 m 2 / g or less is preferable.
以下、活性炭1と活性炭2について説明する。
[活性炭1]
活性炭1のメソ孔量V1は、蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、正極の嵩密度の低下を抑える点から、0.8cc/g以下であることが好ましい。上記V1は、より好ましくは0.35cc/g以上0.7cc/g以下、更に好ましくは0.4cc/g以上0.6cc/g以下である。
活性炭1のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.5cc/g以上であることが好ましい。一方で、活性炭の嵩を抑え、電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという点から、1.0cc/g以下であることが好ましい。上記V2は、より好ましくは0.6cc/g以上1.0cc/g以下、更に好ましくは0.8cc/g以上1.0cc/g以下である。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。
Hereinafter, the activated carbon 1 and the activated
[Activated carbon 1]
The mesopore amount V1 of the activated carbon 1 is preferably a value larger than 0.3 cc / g from the viewpoint of increasing the input / output characteristics when incorporated in the energy storage device. On the other hand, it is preferably 0.8 cc / g or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the bulk density of the positive electrode. V1 is more preferably 0.35 cc / g or more and 0.7 cc / g or less, and further preferably 0.4 cc / g or more and 0.6 cc / g or less.
The micropore amount V2 of the activated carbon 1 is preferably 0.5 cc / g or more in order to increase the specific surface area of the activated carbon and increase the capacity. On the other hand, it is preferably 1.0 cc / g or less from the viewpoint of suppressing the bulk of the activated carbon, increasing the density as an electrode, and increasing the capacity per unit volume. V2 is more preferably 0.6 cc / g or more and 1.0 cc / g or less, and further preferably 0.8 cc / g or more and 1.0 cc / g or less. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
マイクロ孔量V2に対するメソ孔量V1の比(V1/V2)は、0.3≦V1/V2≦0.9の範囲であることが好ましい。すなわち、高容量を維持しながら出力特性の低下を抑えることができる程度に、マイクロ孔量に対するメソ孔量の割合を大きくするという点から、V1/V2が0.3以上であることが好ましい。他方、高出力特性を維持しながら容量の低下を抑えることができる程度に、メソ孔量に対するマイクロ孔量の割合を大きくするという点から、V1/V2は0.9以下であることが好ましく、より好ましいV1/V2の範囲は0.4≦V1/V2≦0.7、更に好ましいV1/V2の範囲は0.55≦V1/V2≦0.7である。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。 The ratio of the mesopore volume V1 to the micropore volume V2 (V1 / V2) is preferably in the range of 0.3 ≦ V1 / V2 ≦ 0.9. That is, it is preferable that V1 / V2 is 0.3 or more from the viewpoint of increasing the ratio of the mesopore amount to the micropore amount to such an extent that a decrease in output characteristics can be suppressed while maintaining a high capacity. On the other hand, V1 / V2 is preferably 0.9 or less from the viewpoint of increasing the ratio of the micropore amount to the mesopore amount to such an extent that the decrease in capacity can be suppressed while maintaining high output characteristics. A more preferable range of V1 / V2 is 0.4 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7, and a more preferable range of V1 / V2 is 0.55 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
活性炭1の平均細孔径は、得られる蓄電素子の出力を最大にする点から、17Å以上であることが好ましく、18Å以上であることがより好ましく、20Å以上であることが更に好ましい。また容量を最大にする点から、活性炭1の平均細孔径は25Å以下であることが好ましい。 The average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 17 mm or more, more preferably 18 mm or more, and still more preferably 20 mm or more, from the viewpoint of maximizing the output of the obtained electricity storage device. Moreover, from the point of maximizing the capacity, the average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 25 mm or less.
活性炭1のBET比表面積は、1,500m2/g以上3,000m2/g以下であることが好ましく、1,500m2/g以上2,500m2/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が1,500m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、BET比表面積が3,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つためにバインダーを多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。 BET specific surface area of the activated carbon 1 is preferably from 1,500 m 2 / g or more 3,000 m 2 / g, more preferably not more than 1,500 m 2 / g or more 2,500 m 2 / g. When the BET specific surface area is 1,500 m 2 / g or more, good energy density is easily obtained. On the other hand, when the BET specific surface area is 3,000 m 2 / g or less, the strength of the electrode is maintained. Since there is no need to add a large amount of binder, the performance per electrode volume is increased. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
上記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明する原料及び処理方法を用いて得ることができる。
本実施形態では、活性炭1の原料として用いられる炭素源は、特に限定されるものではない。例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、及びこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応及びコストの観点から、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、及びそれらの炭化物が好ましく、ヤシ殻炭化物が特に好ましい。
The activated carbon 1 having the above-described features can be obtained using, for example, the raw materials and processing methods described below.
In this embodiment, the carbon source used as a raw material of the activated carbon 1 is not particularly limited. For example, plant materials such as wood, wood flour, coconut husk, pulp by-product, bagasse, molasses, etc .; peat, lignite, lignite, bituminous coal, anthracite, petroleum distillation residue components, petroleum pitch, coke, coal tar, etc. Fossil-based raw materials; various synthetic resins such as phenol resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, celluloid, epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin, polyamide resin; polybutylene, polybutadiene, polychloroprene, etc. Synthetic rubber, other synthetic wood, synthetic pulp and the like, and carbides thereof. Among these raw materials, from the viewpoint of mass production and cost, plant raw materials such as coconut shells and wood flour, and their carbides are preferable, and coconut shell carbides are particularly preferable.
これらの原料を上記活性炭1とするための炭化及び賦活の方式としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の既知の方式を採用できる。
これらの原料の炭化方法としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、一酸化炭素、燃焼排ガス等の不活性ガス、又はこれらの不活性ガスを主成分とした他のガスとの混合ガスを使用して、400〜700℃(好ましくは450〜600℃)程度において、30分〜10時間程度に亘って焼成する方法が挙げられる。
As a carbonization and activation method for making these raw materials into the activated carbon 1, known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method can be employed.
As a carbonization method of these raw materials, nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, xenon, neon, carbon monoxide, an exhaust gas such as combustion exhaust gas, or other gases mainly composed of these inert gases. The method of baking for about 30 minutes-about 10 hours at about 400-700 degreeC (preferably 450-600 degreeC) using mixed gas is mentioned.
上記炭化方法により得られた炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法が好ましく用いられる。このうち、賦活ガスとして、水蒸気又は二酸化炭素を使用する方法が好ましい。
この賦活方法では、賦活ガスを0.5〜3.0kg/h(好ましくは0.7〜2.0kg/h)の割合で供給しながら、上記炭化物を3〜12時間(好ましくは5〜11時間、更に好ましくは6〜10時間)かけて800〜1,000℃まで昇温して賦活するのが好ましい。
更に、上記炭化物の賦活処理に先立ち、予め上記炭化物を1次賦活してもよい。この1次賦活では、通常、炭素材料を水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて、900℃未満の温度で焼成してガス賦活する方法が、好ましく採用できる。
上記炭化方法における焼成温度及び焼成時間と、上記賦活方法における賦活ガス供給量、昇温速度及び最高賦活温度とを適宜組み合わせることにより、本実施形態において使用できる、上記の特徴を有する活性炭1を製造することができる。
As a method for activating the carbide obtained by the carbonization method, a gas activation method in which firing is performed using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, or oxygen is preferably used. Among these, a method using water vapor or carbon dioxide as the activation gas is preferable.
In this activation method, the carbide is supplied for 3 to 12 hours (preferably 5 to 11) while supplying the activation gas at a rate of 0.5 to 3.0 kg / h (preferably 0.7 to 2.0 kg / h). It is preferable to activate by heating to 800 to 1,000 ° C. over a period of time, more preferably 6 to 10 hours.
Furthermore, prior to the activation treatment of the carbide, the carbide may be activated in advance. In this primary activation, a method of gas activation by firing a carbon material at a temperature of less than 900 ° C. using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, oxygen or the like can be preferably employed.
By appropriately combining the firing temperature and firing time in the carbonization method with the activation gas supply amount, the heating rate and the maximum activation temperature in the activation method, the activated carbon 1 having the above characteristics that can be used in the present embodiment is manufactured. can do.
活性炭1の平均粒子径は、2〜20μmであることが好ましい。
上記平均粒子径が2μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。ここで、平均粒子径が小さいと耐久性が低いという欠点を招来する場合があるが、平均粒子径が2μm以上であればそのような欠点が生じ難い。他方、平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電には適合し易くなる傾向がある。上記平均粒子径は、より好ましくは2〜15μmであり、更に好ましくは3〜10μmである。上記平均粒子径の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。
The average particle diameter of the activated carbon 1 is preferably 2 to 20 μm.
When the average particle size is 2 μm or more, the capacity per electrode volume tends to be high because the density of the active material layer is high. Here, if the average particle size is small, there may be a drawback that the durability is low. However, if the average particle size is 2 μm or more, such a defect hardly occurs. On the other hand, when the average particle size is 20 μm or less, it tends to be easily adapted to high-speed charge / discharge. The average particle diameter is more preferably 2 to 15 μm, still more preferably 3 to 10 μm. The upper limit and the lower limit of the range of the average particle diameter can be arbitrarily combined.
[活性炭2]
活性炭2のメソ孔量V1は、蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、V1は、蓄電素子の容量の低下を抑える観点から、2.5cc/g以下であることが好ましい。上記V1は、より好ましくは1.00cc/g以上2.0cc/g以下、さらに好ましくは、1.2cc/g以上1.8cc/g以下である。
[Activated carbon 2]
The mesopore amount V1 of the activated
活性炭2のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、V2は、活性炭の電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという観点から、3.0cc/g以下であることが好ましい。上記V2は、より好ましくは1.0cc/gより大きく2.5cc/g以下、更に好ましくは1.5cc/g以上2.5cc/g以下である。
The micropore amount V2 of the activated
上述したメソ孔量及びマイクロ孔量を有する活性炭2は、従来の電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ用として使用されていた活性炭よりもBET比表面積が高いものである。活性炭2のBET比表面積の具体的な値としては、2,300m2/g以上4,000m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積の下限としては、3,000m2/g以上であることがより好ましく、3,200m2/g以上であることが更に好ましい。一方、BET比表面積の上限としては、3,800m2/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が2,300m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、BET比表面積が4,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つためにバインダーを多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。
なお、活性炭2のV1、V2及びBET比表面積については、それぞれ上記で説明された好適な範囲の上限と下限を、任意に組み合わせることができる。
The activated
In addition, about V1, V2, and BET specific surface area of activated
上記のような特徴を有する活性炭2は、例えば、以下に説明するような原料及び処理方法を用いて得ることができる。
活性炭2の原料として用いられる炭素源としては、通常活性炭原料として用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、及びフラン樹脂は、高比表面積の活性炭を作製するのに適しており特に好ましい。
The activated
The carbon source used as a raw material for the activated
これらの原料を炭化する方式、又は賦活処理時の加熱方法としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の公知の方式が挙げられる。加熱時の雰囲気は窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、又はこれらの不活性ガスを主成分として他のガスとの混合したガスが用いられる。炭化温度は400〜700℃(下限について、好ましくは450℃以上、更に好ましくは500℃以上。上限について、好ましくは650℃以下)程度で0.5〜10時間程度焼成することが好ましい。 Examples of a method for carbonizing these raw materials or a heating method at the time of activation treatment include known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method. The atmosphere at the time of heating is an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, or argon, or a gas mixed with other gases containing these inert gases as a main component. The carbonization temperature is preferably about 400 to 700 ° C. (for the lower limit, preferably 450 ° C. or more, more preferably 500 ° C. or more, preferably about 650 ° C. or less for the upper limit) for about 0.5 to 10 hours.
上記炭化処理後の炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法、及びアルカリ金属化合物と混合した後に加熱処理を行うアルカリ金属賦活法があるが、高比表面積の活性炭を作製するにはアルカリ金属賦活法が好ましい。
この賦活方法では、炭化物とKOH、NaOH等のアルカリ金属化合物との質量比が1:1以上(アルカリ金属化合物の量が、炭化物の量と同じかこれよりも多い量)となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600〜900℃(好ましくは650℃〜850℃)の範囲において、0.5〜5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸及び水により洗浄除去し、更に乾燥を行う。
As the activation method of the carbide after the carbonization treatment, there are a gas activation method in which firing is performed using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, oxygen, and an alkali metal activation method in which heat treatment is performed after mixing with an alkali metal compound. In order to produce activated carbon having a high specific surface area, an alkali metal activation method is preferred.
In this activation method, mixing was performed so that the mass ratio of the carbide to the alkali metal compound such as KOH or NaOH was 1: 1 or more (the amount of the alkali metal compound was the same as or greater than the amount of the carbide). Thereafter, heating is performed in the range of 600 to 900 ° C. (preferably 650 to 850 ° C.) in an inert gas atmosphere for 0.5 to 5 hours, and then the alkali metal compound is washed and removed with an acid and water, followed by drying. I do.
炭化物とアルカリ金属化合物の質量比(=炭化物:アルカリ金属化合物)は1:1以上が好ましいことを先記したが、アルカリ金属化合物の量が増えるほど、メソ孔量が増えるが、質量比1:3.5付近を境に急激に孔量が増える傾向があるので、質量比は1:3よりアルカリ金属化合物が増えることが好ましく、1:5.5以下であることが好ましい。質量比はアルカリ金属化合物が増えるほど孔量が大きくなるが、その後の洗浄等の処理効率を考慮すると上記範囲であることが好ましい。
尚、マイクロ孔量を大きくし、メソ孔量を大きくしないためには、賦活する際に炭化物の量を多めにしてKOHと混合するとよい。マイクロ孔量及びメソ孔量の双方を大きくするためには、KOHの量を多めに使用するとよい。また、主としてメソ孔量を大きくするためには、アルカリ賦活処理を行った後に水蒸気賦活を行うことが好ましい。
活性炭2の平均粒子径は2μm以上20μm以下であることが好ましく、より好ましくは3μm以上10μm以下である。
As described above, the mass ratio of the carbide to the alkali metal compound (= carbide: alkali metal compound) is preferably 1: 1 or more. However, as the amount of the alkali metal compound increases, the amount of mesopores increases. Since the amount of pores tends to increase sharply around 3.5, the mass ratio is preferably more alkali metal compounds than 1: 3, more preferably 1: 5.5 or less. As the mass ratio increases, the amount of pores increases as the number of alkali metal compounds increases.
In order to increase the amount of micropores and not increase the amount of mesopores, a larger amount of carbide may be mixed with KOH when activated. In order to increase both the amount of micropores and the amount of mesopores, a larger amount of KOH may be used. In order to mainly increase the amount of mesopores, it is preferable to perform water vapor activation after alkali activation treatment.
The average particle diameter of the activated
[活性炭の使用態様]
活性炭1及び2は、それぞれ、1種の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって上記した各々の特性値を混合物全体として示すものであってもよい。
上記の活性炭1及び2は、これらのうちのいずれか一方を選択して使用してもよいし、両者を混合して使用してもよい。
正極活物質は、活性炭1及び2以外の材料(例えば、前記特定のV1及び/若しくはV2を有さない活性炭、又は活性炭以外の材料(例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等))を含んでもよい。例示の態様において、活性炭1の含有量、又は活性炭2の含有量、又は活性炭1及び2の合計含有量が、それぞれ、全正極活物質の50質量%より多いことが好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましく、100質量%であることが最も好ましい。
[Usage of activated carbon]
Each of the activated
Said activated
The positive electrode active material is a material other than activated carbon 1 and 2 (for example, activated carbon not having the specific V1 and / or V2, or a material other than activated carbon (for example, a composite oxide of lithium and a transition metal)). May be included. In the illustrated embodiment, the content of the activated carbon 1, or the content of the activated
正極活物質層における正極活物質の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、35質量%以上95質量%以下であることが好ましい。正極活物質の含有割合の下限としては、45質量%以上であることがより好ましく、55質量%以上であることがさらに好ましい。一方、正極活物質の含有割合の上限としては、90質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることが更に好ましい。この範囲の含有割合とすることにより、好適な充放電特性を発揮する。 The content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 35% by mass or more and 95% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode precursor. As a minimum of the content rate of a positive electrode active material, it is more preferable that it is 45 mass% or more, and it is further more preferable that it is 55 mass% or more. On the other hand, as an upper limit of the content rate of a positive electrode active material, it is more preferable that it is 90 mass% or less, and it is still more preferable that it is 80 mass% or less. By setting the content ratio in this range, suitable charge / discharge characteristics are exhibited.
[リチウム化合物]
本実施形態の正極前駆体の正極活物質層には、正極活物質以外のリチウム化合物が含有されることが好ましい。また、本実施形態の正極の正極活物質層には、正極活物質以外のリチウム化合物が含有される。
前記リチウム化合物としては、後述のリチウムドープ工程において正極で分解し、リチウムイオンを放出することが可能である、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、シュウ化リチウム、ヨウ化リチウム、窒化リチウム、シュウ酸リチウム、及び酢酸リチウムから選択される1種以上が好適に用いられる。中でも、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムがより好適であり、空気中での取り扱いが可能であり、かつ吸湿性が低いという観点から炭酸リチウムがさらに好適に用いられる。このようなリチウム化合物は、電圧の印加によって分解し、負極へのリチウムドープのドーパント源として機能するとともに、正極活物質層において空孔を形成することから、電解液の保持性に優れ、イオン伝導性に優れる正極を形成することができる。
[Lithium compounds]
The positive electrode active material layer of the positive electrode precursor of this embodiment preferably contains a lithium compound other than the positive electrode active material. Moreover, the positive electrode active material layer of the positive electrode of this embodiment contains lithium compounds other than the positive electrode active material.
Examples of the lithium compound include lithium carbonate, lithium oxide, lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium chloride, lithium oxalate, iodine, which can be decomposed at the positive electrode in the lithium doping step described later and release lithium ions. One or more selected from lithium fluoride, lithium nitride, lithium oxalate, and lithium acetate are preferably used. Among these, lithium carbonate, lithium oxide, and lithium hydroxide are more preferable, and lithium carbonate is more preferably used from the viewpoint that it can be handled in the air and has low hygroscopicity. Such a lithium compound is decomposed by the application of a voltage, functions as a lithium-doped dopant source for the negative electrode, and forms a vacancy in the positive electrode active material layer. A positive electrode having excellent properties can be formed.
[正極前駆体のリチウム化合物]
リチウム化合物は、粒子状であることが好ましい。正極前駆体に含有されるリチウム化合物の平均粒子径は0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。正極前駆体に含有されるリチウム化合物の平均粒子径の上限としては50μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが更に好ましく、10μm以下であることが最も好ましい。他方、正極前駆体に含有されるリチウム化合物の平均粒子径の下限としては0.3μm以上であることがより好ましく、0.5μm以上であることが更に好ましい。リチウム化合物の平均粒子径が0.1μm以上であれば、正極におけるリチウム化合物の酸化反応後に残る空孔が電解液を保持するのに十分な容積を有することとなるため、高負荷充放電特性が向上する。リチウム化合物の平均粒子径が10μm以下であれば、リチウム化合物の表面積が過度に小さくはならないから、該リチウム化合物の酸化反応の速度を確保することができる。リチウム化合物の平均粒子径の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。
リチウム化合物の微粒子化には、様々な方法を用いることができる。例えば、ボールミル、ビーズミル、リングミル、ジェットミル、ロッドミル等の粉砕機を使用することができる。
[Lithium compound of positive electrode precursor]
The lithium compound is preferably particulate. The average particle size of the lithium compound contained in the positive electrode precursor is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less. The upper limit of the average particle size of the lithium compound contained in the positive electrode precursor is more preferably 50 μm or less, further preferably 20 μm or less, and most preferably 10 μm or less. On the other hand, the lower limit of the average particle size of the lithium compound contained in the positive electrode precursor is more preferably 0.3 μm or more, and further preferably 0.5 μm or more. If the average particle size of the lithium compound is 0.1 μm or more, the vacancies remaining after the oxidation reaction of the lithium compound in the positive electrode have a sufficient volume to hold the electrolytic solution. improves. If the average particle diameter of the lithium compound is 10 μm or less, the surface area of the lithium compound does not become excessively small, so that the speed of the oxidation reaction of the lithium compound can be ensured. The upper limit and the lower limit of the range of the average particle diameter of the lithium compound can be arbitrarily combined.
Various methods can be used for micronization of the lithium compound. For example, a pulverizer such as a ball mill, a bead mill, a ring mill, a jet mill, or a rod mill can be used.
正極前駆体の正極活物質層におけるリチウム化合物の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、5質量%以上60質量%以下であることが好ましく、10質量%以上50質量%以下であることがより好ましい。この範囲の含有割合とすることにより、負極へのドーパント源として好適な機能を発揮するとともに、正極に適当な程度の多孔性を付与することができ、両者相俟って高負荷充放電効率に優れる蓄電素子を与えることができ、好ましい。この含有割合の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。 The content ratio of the lithium compound in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 5% by mass or more and 60% by mass or less, preferably 10% by mass or more and 50% by mass or less, based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode precursor. It is more preferable that the amount is not more than mass%. By setting the content ratio in this range, while exhibiting a suitable function as a dopant source for the negative electrode, it is possible to impart an appropriate degree of porosity to the positive electrode, and in combination with both, high load charge / discharge efficiency is achieved. An excellent power storage element can be provided, which is preferable. The upper limit and the lower limit of the content ratio range can be arbitrarily combined.
[正極のリチウム化合物]
正極は、正極活物質以外のリチウム化合物を含有する。正極が含有する、正極活物質以外のリチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであることが好ましく、より好ましくは、0.5μm≦X1≦5μmである。X1が0.1μm以上であると、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンを吸着することにより高負荷充放電サイクル特性が向上する。他方、X1が10μm以下であると、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンとの反応面積が増加するため、フッ素イオンの吸着を効率良く行うことができる。
[Lithium compound of positive electrode]
The positive electrode contains a lithium compound other than the positive electrode active material. The positive electrode contains, the average particle diameter of the lithium compound other than the positive electrode active material when the X 1, preferably from 0.1μm ≦ X 1 ≦ 10μm, more preferably, at 0.5μm ≦ X 1 ≦ 5μm is there. When X 1 is a 0.1μm or more, high load charge-discharge cycle characteristics are improved by adsorbing the fluorine ions generated by the high-load charging and discharging cycles. On the other hand, when X 1 is a 10μm or less, since the reaction area with the fluorine ions generated by the high-load charging and discharging cycles increases, it is possible to efficiently adsorb the fluorine ions.
正極が含有する、正極活物質以外のリチウム化合物は、正極における正極活物質層の全質量を基準として、1質量%以上50質量%以下であることを特徴とし、2.5質量%以上25質量%以下であることがより好ましい。リチウム化合物量が1質量%以上であると、高温環境下における正極上での電解液溶媒の分解反応を炭酸リチウムが抑制するため、高温耐久性が向上し、2.5質量%以上でその効果が顕著になる。また、リチウム化合物量が50質量%以下であると、正極活物質間の電子伝導性がリチウム化合物により阻害されることが比較的小さいため、高い入出力特性を示し、25質量%以下であると、特に入出力特性の観点から特に好ましい。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。 The lithium compound other than the positive electrode active material contained in the positive electrode is 1% by mass to 50% by mass based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode, and is 2.5% by mass to 25% by mass. % Or less is more preferable. When the amount of the lithium compound is 1% by mass or more, the lithium carbonate suppresses the decomposition reaction of the electrolyte solvent on the positive electrode in a high temperature environment, so that the high temperature durability is improved. Becomes prominent. Further, when the amount of the lithium compound is 50% by mass or less, the electron conductivity between the positive electrode active materials is relatively small to be inhibited by the lithium compound. Particularly preferred from the viewpoint of input / output characteristics. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
[正極中のリチウム化合物の同定方法]
正極中に含まれるリチウム化合物の同定方法は特に限定されないが、例えば、下記の方法により同定することができる。リチウム化合物の同定には、以下に記載する複数の解析手法を組み合わせて同定することが好ましい。
以下に記載するSEM−EDX、ラマン、XPSを測定する際には、アルゴンボックス中で非水系リチウム型蓄電素子を解体して正極を取り出し、正極表面に付着した電解質を洗浄した後に測定を行うことが好ましい。正極の洗浄方法については、正極表面に付着した電解質を洗い流せればよいため、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート溶媒が好適に利用できる。洗浄方法としては、例えば、正極質量の50〜100倍のジエチルカーボネート溶媒に正極を10分間以上浸漬させ、その後溶媒を取り替えて再度正極を浸漬させる。その後正極をジエチルカーボネートから取り出し、真空乾燥(温度:0〜200℃、圧力:0〜20kPa、時間:1〜40時間の範囲で正極中のジエチルカーボネートの残存が1質量%以下になる条件とする。ジエチルカーボネートの残存量については、後述する蒸留水洗浄、液量調整後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。)させた後に、前記SEM−EDX、ラマン、XPSの解析を実施する。
[Method for identifying lithium compound in positive electrode]
Although the identification method of the lithium compound contained in a positive electrode is not specifically limited, For example, it can identify by the following method. It is preferable to identify a lithium compound by combining a plurality of analysis methods described below.
When measuring SEM-EDX, Raman, and XPS described below, measurement should be performed after disassembling the non-aqueous lithium storage element in an argon box, taking out the positive electrode, and washing the electrolyte adhering to the positive electrode surface. Is preferred. Regarding the method for cleaning the positive electrode, it is only necessary to wash away the electrolyte adhering to the surface of the positive electrode. Therefore, carbonate solvents such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate can be suitably used. As a cleaning method, for example, the positive electrode is immersed in a diethyl carbonate solvent 50 to 100 times the mass of the positive electrode for 10 minutes or more, and then the solvent is changed and the positive electrode is immersed again. Thereafter, the positive electrode is taken out from diethyl carbonate and dried in a vacuum (temperature: 0 to 200 ° C., pressure: 0 to 20 kPa, time: 1 to 40 hours in which diethyl carbonate remains in the positive electrode within a range of 1% by mass or less. The residual amount of diethyl carbonate can be determined based on a calibration curve prepared in advance by measuring the GC / MS of water after washing with distilled water and adjusting the liquid volume, which will be described later. -Perform EDX, Raman and XPS analyses.
後述するイオンクロマトグラフィーについては、正極を蒸留水で洗浄した後の水を解析することにより陰イオンを同定することができる。
前記解析手法にてリチウム化合物を同定できなかった場合、その他の解析手法として、固体7Li−NMR、XRD(X線回折)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)、AES(オージェ電子分光)、TPD/MS(加熱発生ガス質量分析)、DSC(示差走査熱量分析)等を用いることにより、リチウム化合物を同定することもできる。
As for ion chromatography described later, anions can be identified by analyzing the water after washing the positive electrode with distilled water.
When a lithium compound cannot be identified by the above analysis method, other analysis methods include solid 7 Li-NMR, XRD (X-ray diffraction), TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), AES (Auger) Lithium compounds can also be identified by using electron spectroscopy, TPD / MS (heat generation gas mass spectrometry), DSC (differential scanning calorimetry), or the like.
[ラマン]
炭酸イオンからなるリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極表面のラマンイメージングにより判別できる。測定条件の例として、励起光を532nm、励起光強度を1%、対物レンズの長作動を50倍、回折格子を1800gr/mm、マッピング方式を点走査(スリット65mm、ビニング5pix)、1mmステップ、1点当たりの露光時間を3秒、積算回数を1回、ノイズフィルター有りの条件にて測定することができる。測定したラマンスペクトルについて、1071〜1104cm−1の範囲で直線のベースラインを設定し、ベースラインより正の値を炭酸イオンのピークとして面積を算出し、頻度を積算するが、この時にノイズ成分をガウス型関数で近似した炭酸イオンピーク面積に対する頻度を前記炭酸イオンの頻度分布から差し引く。
[Raman]
The lithium compound and positive electrode active material comprising carbonate ions can be distinguished by Raman imaging of the positive electrode surface measured at an observation magnification of 1000 to 4000 times. As an example of measurement conditions, the excitation light is 532 nm, the excitation light intensity is 1%, the long operation of the objective lens is 50 times, the diffraction grating is 1800 gr / mm, the mapping method is point scanning (slit 65 mm, binning 5 pix), 1 mm step, The exposure time per point can be measured for 3 seconds, the number of integrations is 1, and measurement can be performed with a noise filter. For the measured Raman spectrum, a straight baseline is set in the range of 1071 to 1104 cm −1, and the area is calculated with a positive value from the baseline as the peak of carbonate ions, and the frequency is integrated. The frequency for the carbonate ion peak area approximated by a Gaussian function is subtracted from the carbonate ion frequency distribution.
[リチウム化合物の定量方法]
正極中に含まれるリチウム化合物の定量方法を以下に記載する。
正極を有機溶媒で洗浄し、その後蒸留水で洗浄し、蒸留水での洗浄前後の正極質量変化からリチウム化合物を定量することができる。測定する正極の面積は特に制限されないが、測定のばらつきを軽減するという観点から5cm2以上200cm2以下であることが好ましく、更に好ましくは25cm2以上150cm2以下である。面積が5cm2以上あれば測定の再現性が確保される。面積が200cm2以下であればサンプルの取扱い性に優れる。有機溶媒による洗浄については正極表面に堆積した非水系電解液分解物を除去できれば良いため、有機溶媒は特に限定されないが、前記リチウム化合物の溶解度が2%以下である有機溶媒を用いることでリチウム化合物の溶出が抑制されるため好ましい。例えば、メタノール、アセトン等の極性溶媒が好適に用いられる。
[Quantitative determination method of lithium compounds]
A method for quantifying the lithium compound contained in the positive electrode is described below.
The positive electrode is washed with an organic solvent, then washed with distilled water, and the lithium compound can be quantified from the change in the mass of the positive electrode before and after washing with distilled water. Although area measurement is positive is not particularly limited, it is preferably, more preferably 25 cm 2 or more 150 cm 2 or less from the viewpoint of reducing the variation in measurement is 5 cm 2 or more 200 cm 2 or less. If the area is 5 cm 2 or more, the reproducibility of the measurement is ensured. If the area is 200 cm 2 or less, the sample is easy to handle. The organic solvent is not particularly limited as long as it can remove the non-aqueous electrolyte solution deposited on the surface of the positive electrode for cleaning with an organic solvent, but the lithium compound has a solubility of 2% or less by using an organic solvent. This is preferable because elution of is suppressed. For example, polar solvents such as methanol and acetone are preferably used.
正極の洗浄方法は、正極の質量に対し50〜100倍のメタノール溶液に正極を3日間以上十分に浸漬させる。この時、メタノールが揮発しないよう容器に蓋をするなどの対策を施すことが好ましい。その後正極をメタノールから取り出し、真空乾燥(温度:100〜200℃、圧力:0〜10kPa、時間:5〜20時間の範囲で正極中のメタノールの残存が1質量%以下になる条件とする。メタノールの残存量については、後述する蒸留水洗浄後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。)し、その時の正極の質量をM0[g]とする。続いて、正極の質量の100倍(100M0[g])の蒸留水に正極を3日間以上十分に浸漬させる。この時、蒸留水が揮発しないよう容器に蓋をする等の対策を施すことが好ましい。3日間以上浸漬させた後、蒸留水から正極を取り出し(前述のイオンクロマトグラフィーを測定する場合は、蒸留水の量が100M0[g]になるように液量を調整する。)、前記のメタノール洗浄と同様に真空乾燥する。この時の正極の質量をM1[g]とし、続いて、得られた正極の集電体の質量を測定するため、スパチュラ、ブラシ、刷毛等を用いて集電体上の正極活物質層を取り除く。得られた正極集電体の質量をM2[g]とすると、正極中に含まれるリチウム化合物の質量%Zは、下記式(1):
Z=100×[1−(M1−M2)/(M0−M2)] ...式(1)
により算出できる。
In the positive electrode cleaning method, the positive electrode is sufficiently immersed in a methanol solution 50 to 100 times the mass of the positive electrode for 3 days or more. At this time, it is preferable to take measures such as covering the container so that methanol does not volatilize. Thereafter, the positive electrode is taken out of the methanol and dried in a vacuum (temperature: 100 to 200 ° C., pressure: 0 to 10 kPa, time: 5 to 20 hours in which the remaining amount of methanol in the positive electrode is 1% by mass or less). Can be determined by measuring GC / MS of water after washing with distilled water, which will be described later, based on a calibration curve prepared in advance, and the mass of the positive electrode at that time is M 0 [g]. And Subsequently, the positive electrode is sufficiently immersed for 3 days or more in distilled water 100 times the mass of the positive electrode (100 M 0 [g]). At this time, it is preferable to take measures such as covering the container so that distilled water does not volatilize. After soaking for 3 days or more, the positive electrode is taken out from the distilled water (in the case of measuring the above-mentioned ion chromatography, the amount of the liquid is adjusted so that the amount of distilled water is 100 M 0 [g]), and the above. Vacuum dry as in the methanol wash. The positive electrode active material layer on the current collector was measured using a spatula, a brush, a brush, etc. in order to measure the mass of the current collector of the obtained positive electrode with M 1 [g]. Remove. When the mass of the obtained positive electrode current collector is M 2 [g], the mass% Z of the lithium compound contained in the positive electrode is expressed by the following formula (1):
Z = 100 × [1- (M 1 -M 2) / (M 0 -M 2)]. . . Formula (1)
Can be calculated.
[正極活物質層の任意成分]
本実施形態における正極活物質層は、必要に応じて、正極活物質及びリチウム化合物の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
導電性フィラーとしては、特に制限されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維、黒鉛、カーボンナノチューブ、これらの混合物等を用いることができる。導電性フィラーの使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上30質量部以下である。より好ましくは0.01質量部以上20質量部以下、さらに好ましくは1質量部以上15質量部以下である。導電性フィラーの使用量が30質量部よりも多くなると、正極活物質層における正極活物質の含有割合が少なくなるために、正極活物質層体積当たりのエネルギー密度が低下するので好ましくない。
[Optional components of positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer in the present embodiment may contain optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer in addition to the positive electrode active material and the lithium compound as necessary.
The conductive filler is not particularly limited, and for example, acetylene black, ketjen black, vapor grown carbon fiber, graphite, carbon nanotube, a mixture thereof, and the like can be used. The amount of the conductive filler used is preferably 0 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. More preferably, they are 0.01 mass part or more and 20 mass parts or less, More preferably, they are 1 mass part or more and 15 mass parts or less. When the amount of the conductive filler used is more than 30 parts by mass, the content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is decreased, so that the energy density per volume of the positive electrode active material layer is lowered, which is not preferable.
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVdF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは3質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは5質量部以上25質量部以下である。結着剤の使用量が1質量部以上であれば、十分な電極強度が発現される。他方、結着剤の使用量が30質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The binder is not particularly limited. For example, PVdF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, fluororubber, acrylic copolymer. Etc. can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 3 parts by mass or more and 27 parts by mass or less, and still more preferably 5 parts by mass or more and 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. Or less. If the usage-amount of a binder is 1 mass part or more, sufficient electrode intensity | strength will be expressed. On the other hand, if the usage-amount of a binder is 30 mass parts or less, a high input / output characteristic will be expressed, without inhibiting the entrance-and-extraction and spreading | diffusion of the ion to a positive electrode active material.
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは、0質量部又は0.1質量部以上、10質量部以下である。分散安定剤の使用量が10質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 Although it does not restrict | limit especially as a dispersion stabilizer, For example, PVP (polyvinyl pyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), a cellulose derivative etc. can be used. The amount of the dispersion stabilizer used is preferably 0 part by mass or 0.1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. When the amount of the dispersion stabilizer used is 10 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without impeding ion entry and exit and diffusion into the positive electrode active material.
[正極集電体]
本実施形態における正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こらない材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。本実施の形態の非水系リチウム型蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。
該金属箔は凹凸や貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
正極集電体の厚みは、正極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1〜100μmが好ましい。
[Positive electrode current collector]
The material constituting the positive electrode current collector in the present embodiment is not particularly limited as long as it is a material that has high electron conductivity and does not deteriorate due to elution into the electrolytic solution and reaction with the electrolyte or ions. A foil is preferred. As the positive electrode current collector in the non-aqueous lithium storage element of the present embodiment, an aluminum foil is particularly preferable.
The metal foil may be a normal metal foil having no irregularities or through holes, or a metal foil having irregularities subjected to embossing, chemical etching, electrolytic deposition, blasting, etc., expanded metal, punching metal Alternatively, a metal foil having a through hole such as an etching foil may be used.
Although the thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the positive electrode can be sufficiently maintained, for example, 1 to 100 μm is preferable.
[正極前駆体の製造]
本実施形態において、非水系リチウム型蓄電素子の正極となる正極前駆体は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質及びリチウム化合物、必要に応じて使用されるその他の任意成分を水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を正極集電体上の片面又は両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより正極前駆体を得ることができる。さらに、得られた正極前駆体にプレスを施して、正極活物質層の膜厚又は嵩密度を調整してもよい。代替的には、溶剤を使用せずに、正極活物質及びリチウム化合物、並びに必要に応じて使用されるその他の任意成分を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて正極集電体に貼り付ける方法も可能である。
[Production of positive electrode precursor]
In the present embodiment, the positive electrode precursor serving as the positive electrode of the non-aqueous lithium storage element can be manufactured by an electrode manufacturing technique in a known lithium ion battery, electric double layer capacitor, or the like. For example, a positive electrode active material, a lithium compound, and other optional components used as needed are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry-like coating liquid, and this coating liquid is used as a positive electrode current collector. A positive electrode precursor can be obtained by coating on one or both sides of the body to form a coating film and drying it. Further, the obtained positive electrode precursor may be pressed to adjust the film thickness or bulk density of the positive electrode active material layer. Alternatively, without using a solvent, the positive electrode active material and the lithium compound, and other optional components used as necessary, are mixed in a dry process, and the resulting mixture is press-molded and then conductively bonded. A method of attaching to the positive electrode current collector using an agent is also possible.
前記正極前駆体の塗工液は、正極活物質を含む各種材料粉末の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水若しくは有機溶媒、及び/又はそれらに結着剤若しくは分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質を追加して調製してもよい。また、水又は有機溶媒に結着剤又は分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、正極活物質を含む各種材料粉末を追加して、塗工液を調製してもよい。前記ドライブレンドする方法として、例えばボールミル等を使用して正極活物質及びリチウム化合物、並びに必要に応じて導電性フィラーを予備混合して、導電性の低いリチウム化合物に導電性フィラーをコーティングさせる予備混合をしてもよい。これにより、後述のリチウムドープ工程において正極前駆体でリチウム化合物が分解し易くなる。前記塗工液の溶媒に水を使用する場合には、リチウム化合物を加えることで塗工液がアルカリ性になることもあるため、必要に応じてpH調整剤を添加してもよい。 The positive electrode precursor coating solution is obtained by dry blending part or all of various material powders including a positive electrode active material, and then water or an organic solvent and / or a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed therein. It may be prepared by adding a liquid or slurry substance. Alternatively, a coating liquid may be prepared by adding various material powders including a positive electrode active material to a liquid or slurry substance in which a binder or dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent. Good. As the dry blending method, for example, premixing the positive electrode active material and the lithium compound using a ball mill or the like and preliminarily mixing the conductive filler as necessary, and coating the conductive filler on the low conductive lithium compound is performed. You may do. Thereby, a lithium compound becomes easy to decompose | disassemble with a positive electrode precursor in the lithium dope process mentioned later. When water is used as the solvent for the coating solution, the addition of a lithium compound may make the coating solution alkaline, so a pH adjuster may be added as necessary.
前記正極前駆体の塗工液の調製には、特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることが出来る。良好な分散状態の塗工液を得るためには、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速が1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解又は分散するため好ましい。また、周速が50m/s以下であれば、分散による熱又はせん断力により各種材料が破壊されることなく、再凝集が生じることがないため好ましい。
前記塗工液の分散度は、粒ゲージで測定した粒度が0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。分散度の上限としては、より好ましくは粒度が80μm以下、さらに好ましくは粒度が50μm以下である。粒度が0.1μm未満では、正極活物質を含む各種材料粉末の粒子径以下のサイズとなり、塗工液作製時に材料を破砕していることになり好ましくない。また、粒度が100μm以下であれば、塗工液吐出時の詰まりや塗膜のスジ発生等がなく、安定に塗工ができる。
The preparation of the positive electrode precursor coating solution is not particularly limited, but preferably a homodisper, a multi-axis disperser, a planetary mixer, a thin film swirl type high-speed mixer, or the like is used. I can do it. In order to obtain a coating liquid in a good dispersion state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s to 50 m / s. A peripheral speed of 1 m / s or more is preferable because various materials can be dissolved or dispersed satisfactorily. A peripheral speed of 50 m / s or less is preferable because various materials are not destroyed by heat or shearing force due to dispersion and reaggregation does not occur.
As for the dispersion degree of the coating liquid, the particle size measured with a particle gauge is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less. As the upper limit of the degree of dispersion, the particle size is more preferably 80 μm or less, and further preferably the particle size is 50 μm or less. If the particle size is less than 0.1 μm, it is not preferable because the particle size is not more than the particle size of various material powders including the positive electrode active material, and the material is crushed during the preparation of the coating liquid. In addition, when the particle size is 100 μm or less, there is no clogging at the time of discharging the coating liquid, no streaking of the coating film, etc., and coating can be performed stably.
前記正極前駆体の塗工液の粘度(ηb)は、1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下が好ましく、より好ましくは1,500mPa・s以上10,000mPa・s以下、さらに好ましくは1,700mPa・s以上5,000mPa・s以下である。粘度(ηb)が1,000mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。また、粘度(ηb)が20,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく安定に塗工でき、また所望の塗膜厚み以下に制御できる。
また、該塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、1.1以上が好ましく、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。TI値が1.1以上であれば、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。
The viscosity (ηb) of the coating solution for the positive electrode precursor is preferably 1,000 mPa · s to 20,000 mPa · s, more preferably 1,500 mPa · s to 10,000 mPa · s, and still more preferably 1 700 mPa · s to 5,000 mPa · s. When the viscosity (ηb) is 1,000 mPa · s or more, dripping at the time of forming the coating film is suppressed, and the coating film width and film thickness can be controlled well. Further, when the viscosity (ηb) is 20,000 mPa · s or less, the pressure loss in the flow path of the coating liquid when using a coating machine can be reduced and the coating can be stably performed, and the coating thickness can be less than the desired coating thickness. Can be controlled.
Further, the TI value (thixotropic index value) of the coating solution is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and further preferably 1.5 or more. When the TI value is 1.1 or more, the coating film width and film thickness can be controlled well.
前記正極前駆体の塗膜の形成は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工で形成してもよい。多層塗工の場合には、塗膜各層内のリチウム化合物の含有量が異なるように塗工液組成を調整してもよい。また、塗工速度は0.1m/分以上100m/分以下であることが好ましく、より好ましくは0.5m/分以上70m/分以下、さらに好ましくは1m/分以上50m/分以下である。塗工速度が0.1m/分以上であれば、安定に塗工できる。他方、塗工速度が100m/分以下であれば、塗工精度を十分に確保できる。 The formation of the coating film of the positive electrode precursor is not particularly limited, but preferably a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be used. The coating film may be formed by single layer coating or multilayer coating. In the case of multilayer coating, the coating solution composition may be adjusted so that the lithium compound content in each layer of the coating film is different. The coating speed is preferably from 0.1 m / min to 100 m / min, more preferably from 0.5 m / min to 70 m / min, still more preferably from 1 m / min to 50 m / min. If the coating speed is 0.1 m / min or more, stable coating can be achieved. On the other hand, if the coating speed is 100 m / min or less, sufficient coating accuracy can be secured.
前記正極前駆体の塗膜の乾燥については、特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて塗膜を乾燥させてもよい。乾燥温度は、25℃以上200℃以下であることが好ましく、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることが出来る。他方、乾燥温度が200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れやマイグレーションによる結着剤の偏在、及び正極集電体や正極活物質層の酸化を抑制できる。 The drying of the coating film of the positive electrode precursor is not particularly limited, but a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying can be preferably used. The coating film may be dried at a single temperature or may be dried by changing the temperature in multiple stages. Moreover, you may dry a coating film combining several drying methods. The drying temperature is preferably 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. When the drying temperature is 25 ° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. On the other hand, if the drying temperature is 200 ° C. or lower, it is possible to suppress cracking of the coating film due to rapid volatilization of the solvent, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer.
前記正極前駆体のプレスには、特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。正極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は、後述するプレス圧力、隙間、及びプレス部の表面温度により調整できる。
プレス圧力は0.5kN/cm以上20kN/cm以下が好ましく、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。他方、プレス圧力が20kN/cm以下であれば、正極前駆体に撓みやシワが生じることがなく、所望の正極活物質層膜厚や嵩密度に調整できる。
また、プレスロール同士の隙間は、所望の正極活物質層の膜厚や嵩密度となるように乾燥後の正極前駆体膜厚に応じて任意の値を設定できる。さらに、プレス速度は正極前駆体に撓みやシワが生じない任意の速度に設定できる。
また、プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要によりプレス部を加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、使用する結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは融点マイナス30℃以上である。他方、加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、使用する結着剤の融点プラス50℃以下が好ましく、より好ましくは融点プラス30℃以下、さらに好ましくは融点プラス20℃以下である。例えば、結着剤としてPVdF(ポリフッ化ビニリデン:融点150℃)を用いる場合、プレス部の表面を90℃以上200℃以下に加温することが好ましく、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下に加熱することである。また、結着剤にスチレン−ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いる場合、プレス部の表面を40℃以上150℃以下に加温することが好ましく、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下に加温することである。
The press of the positive electrode precursor is not particularly limited, but preferably a press such as a hydraulic press or a vacuum press can be used. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the positive electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap, and the surface temperature of the press part described later.
The pressing pressure is preferably 0.5 kN / cm or more and 20 kN / cm or less, more preferably 1 kN / cm or more and 10 kN / cm or less, and further preferably 2 kN / cm or more and 7 kN / cm or less. If the pressing pressure is 0.5 kN / cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. On the other hand, when the pressing pressure is 20 kN / cm or less, the positive electrode precursor can be adjusted to a desired positive electrode active material layer thickness and bulk density without causing bending or wrinkles.
In addition, the gap between the press rolls can be set to an arbitrary value according to the thickness of the positive electrode precursor after drying so as to have a desired thickness and bulk density of the positive electrode active material layer. Furthermore, the press speed can be set to an arbitrary speed at which the positive electrode precursor does not bend or wrinkle.
Moreover, the surface temperature of a press part may be room temperature, and you may heat a press part as needed. The lower limit of the surface temperature of the press part in the case of heating is preferably the melting point minus 60 ° C. or more of the binder used, more preferably the melting point minus 45 ° C. or more, and further preferably the melting point minus 30 ° C. or more. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the press part when heating is preferably the melting point plus 50 ° C. or less of the binder used, more preferably the melting point plus 30 ° C. or less, and further preferably the melting point plus 20 ° C. or less. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, the surface of the press part is preferably heated to 90 ° C. or more and 200 ° C. or less, more preferably 105 ° C. or more and 180 ° C. or less, and further preferably Is heating to 120 ° C or higher and 170 ° C or lower. Further, when a styrene-butadiene copolymer (melting point: 100 ° C.) is used as the binder, the surface of the press part is preferably heated to 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 55 ° C. or higher and 130 ° C. or lower, More preferably, the heating is performed at 70 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.
結着剤の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。
また、プレス圧力、隙間、速度、及びプレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。
The melting point of the binder can be determined at the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter “DSC7” manufactured by PerkinElmer Co., Ltd., 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature is increased from 30 ° C. to 250 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. The temperature is raised, and the endothermic peak temperature in the temperature raising process becomes the melting point.
Moreover, you may press several times, changing the conditions of press pressure, a clearance gap, speed | rate, and the surface temperature of a press part.
前記正極活物質層の膜厚は、正極集電体の片面当たり20μm以上200μm以下であることが好ましい。前記正極活物質層の膜厚は、より好ましくは片面当たり25μm以上100μm以下であり、更に好ましくは30μm以上80μm以下である。この膜厚が20μm以上であれば、十分な充放電容量を発現することができる。他方、この膜厚が200μm以下であれば、電極内のイオン拡散抵抗を低く維持することができる。そのため、十分な出力特性が得られるとともに、セル体積を縮小することができるため、エネルギー密度を高めることができる。上記正極活物質層の膜厚の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。尚、集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における正極活物質層の膜厚とは、集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分の片面当たりの膜厚の平均値をいう。 The thickness of the positive electrode active material layer is preferably 20 μm or more and 200 μm or less per side of the positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode active material layer is more preferably 25 μm or more and 100 μm or less, more preferably 30 μm or more and 80 μm or less per side. If this film thickness is 20 μm or more, sufficient charge / discharge capacity can be exhibited. On the other hand, if this film thickness is 200 μm or less, the ion diffusion resistance in the electrode can be kept low. Therefore, sufficient output characteristics can be obtained and the cell volume can be reduced, so that the energy density can be increased. The upper limit and the lower limit of the thickness range of the positive electrode active material layer can be arbitrarily combined. In addition, the film thickness of the positive electrode active material layer in the case where the current collector has through holes or unevenness means the average value of the film thickness per one side of the current collector that does not have through holes or unevenness.
[正極]
後述のリチウムドープ工程後の正極における正極活物質層の嵩密度は、0.25g/cm3以上であることが好ましく、より好ましくは0.30g/cm3以上1.3g/cm3以下の範囲である。正極活物質層の嵩密度が0.25g/cm3以上であれば、高いエネルギー密度を発現でき、蓄電素子の小型化を達成できる。また、この嵩密度が1.3g/cm3以下であれば、正極活物質層内の空孔における電解液の拡散が十分となり、高い出力特性が得られる。
[Positive electrode]
The bulk density of the positive electrode active material layer in the positive electrode after the lithium doping step described later is preferably 0.25 g / cm 3 or more, more preferably in the range of 0.30 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less. It is. When the bulk density of the positive electrode active material layer is 0.25 g / cm 3 or more, a high energy density can be expressed, and miniaturization of the power storage element can be achieved. Further, when the bulk density is 1.3 g / cm 3 or less, the electrolyte solution is sufficiently diffused in the pores in the positive electrode active material layer, and high output characteristics are obtained.
[負極]
負極は、負極集電体と、その片面又は両面に存在する負極活物質層とを有する。
[Negative electrode]
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer present on one or both sides thereof.
[負極活物質層]
負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含む。これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions. In addition to this, optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer may be included as necessary.
[負極活物質]
前記負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な物質を用いることができる。具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫及び錫化合物等が例示される。好ましくは該負極活物質の総量に対する該炭素材料の含有率が50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。該炭素材料の含有率が100質量%であることができるが、他の材料の併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
[Negative electrode active material]
As the negative electrode active material, a material capable of inserting and extracting lithium ions can be used. Specific examples include carbon materials, titanium oxide, silicon, silicon oxide, silicon alloys, silicon compounds, tin and tin compounds. Preferably, the content of the carbon material with respect to the total amount of the negative electrode active material is 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material can be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining the effect of using other materials in combination, for example, the content is preferably 90% by mass or less, and 80% by mass or less. Also good.
負極活物質には、リチウムイオンをドープすることが好ましい。本明細書において、負極活物質にドープされたリチウムイオンとしては、主に3つの形態が包含される。
第一の形態としては、非水系リチウム型蓄電素子を作製する前に、負極活物質に設計値として予め吸蔵させるリチウムイオンである。
第二の形態としては、非水系リチウム型蓄電素子を作製し、出荷する際の負極活物質に吸蔵されているリチウムイオンである。
第三の形態としては、非水系リチウム型蓄電素子をデバイスとして使用した後の負極活物質に吸蔵されているリチウムイオンである。
負極活物質にリチウムイオンをドープしておくことにより、得られる非水系リチウム型蓄電素子の容量及び作動電圧を良好に制御することが可能となる。
The negative electrode active material is preferably doped with lithium ions. In this specification, the lithium ion doped in the negative electrode active material mainly includes three forms.
The first form is lithium ions that are previously occluded as a design value in the negative electrode active material before producing a non-aqueous lithium storage element.
The second form is lithium ions occluded in the negative electrode active material when a non-aqueous lithium storage element is manufactured and shipped.
The third form is lithium ions occluded in the negative electrode active material after using the non-aqueous lithium storage element as a device.
By doping lithium ions into the negative electrode active material, it is possible to satisfactorily control the capacity and operating voltage of the obtained non-aqueous lithium storage element.
前記炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素材料;易黒鉛化性炭素材料;カーボンブラック;カーボンナノ粒子;活性炭;人造黒鉛;天然黒鉛;黒鉛化メソフェーズカーボン小球体;黒鉛ウイスカ;ポリアセン系物質等のアモルファス炭素質材料;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えば、フェノール樹脂等)等の炭素質材料前駆体を熱処理して得られる炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂又はノボラック樹脂の熱分解物;フラーレン;カーボンナノフォーン;及びこれらの複合炭素材料を挙げることができる。 Examples of the carbon material include non-graphitizable carbon materials; graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; activated carbon; artificial graphite; natural graphite; graphitized mesophase carbon spherules; Amorphous carbonaceous materials such as petroleum-based pitch, coal-based pitch, mesocarbon microbeads, coke, and carbonaceous materials obtained by heat treatment of carbonaceous material precursors such as synthetic resins (for example, phenol resins); The thermal decomposition product of a furfuryl alcohol resin or a novolak resin; fullerene; carbon nanophone; and these composite carbon materials can be mentioned.
これらの中でも負極の抵抗を下げる観点から、前記炭素材料1種以上(以下、基材ともいう。)と前記炭素質材料前駆体とを共存させた状態で熱処理を行い、該基材と該炭素質材料前駆体由来の炭素質材料とを複合させた複合炭素材料が好ましい。該炭素質材料前駆体としては、熱処理により該炭素質材料となるものであれば特に制限はないが、石油系のピッチ又は石炭系のピッチが特に好ましい。熱処理を行う前に、該炭素質材料前駆体の融点より高い温度において、該基材と該炭素質材料前駆体とを混合してもよい。熱処理温度は、使用する該炭素質材料前駆体が揮発又は熱分解して発生する成分が該炭素質材料となる温度であればよいが、好ましくは400℃以上2500℃以下、より好ましくは500℃以上2000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1500℃以下である。熱処理を行う雰囲気は特に制限はないが、非酸化性雰囲気が好ましい。 Among these, from the viewpoint of reducing the resistance of the negative electrode, heat treatment is performed in a state where at least one of the carbon materials (hereinafter also referred to as a base material) and the carbonaceous material precursor coexist. A composite carbon material obtained by combining a carbonaceous material derived from a carbonaceous material precursor is preferred. The carbonaceous material precursor is not particularly limited as long as it becomes the carbonaceous material by heat treatment, but petroleum-based pitch or coal-based pitch is particularly preferable. Prior to the heat treatment, the substrate and the carbonaceous material precursor may be mixed at a temperature higher than the melting point of the carbonaceous material precursor. The heat treatment temperature may be a temperature at which a component generated by volatilization or thermal decomposition of the carbonaceous material precursor to be used becomes the carbonaceous material, preferably 400 ° C to 2500 ° C, more preferably 500 ° C. The temperature is 2000 ° C. or lower, more preferably 550 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. The atmosphere for performing the heat treatment is not particularly limited, but a non-oxidizing atmosphere is preferable.
前記複合炭素材料の好ましい例は、後述の複合炭素材料1及び2である。これらの内どちらかを選択して使用してもよく、又はこれらの双方を併用してもよい。
Preferred examples of the composite carbon material are
[複合炭素材料1]
複合炭素材料1は、BET比表面積が100m2/g以上3000m2/g以下の炭素材料1種以上を該基材として用いた該複合炭素材料である。該基材は、特に制限されるものではないが、活性炭やカーボンブラック、鋳型多孔質炭素、高比表面積黒鉛、カーボンナノ粒子等を好適に用いることができる。
[Composite carbon material 1]
The composite carbon material 1 is the composite carbon material using one or more carbon materials having a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less as the base material. The substrate is not particularly limited, and activated carbon, carbon black, template porous carbon, high specific surface area graphite, carbon nanoparticles, and the like can be suitably used.
複合炭素材料1のBET比表面積は、100m2/g以上1,500m2/g以下が好ましく、より好ましくは150m2/g以上1,100m2/g以下、さらに好ましくは180m2/g以上550m2/g以下である。このBET比表面積が100m2/g以上であれば、細孔を適度に保持することができリチウムイオンの拡散が良好となるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、1,500m2/g以下であることにより、リチウムイオンの充放電効率が向上するため、サイクル耐久性が損なわれることがない。 The BET specific surface area of the composite carbon material 1 is preferably 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less, more preferably 150 m 2 / g or more and 1,100 m 2 / g or less, further preferably 180 m 2 / g or more and 550 m. 2 / g or less. If this BET specific surface area is 100 m 2 / g or more, the pores can be appropriately held and the diffusion of lithium ions becomes good, so that high input / output characteristics can be exhibited. On the other hand, since it is 1,500 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved, so that the cycle durability is not impaired.
複合炭素材料1における該炭素質材料の該基材に対する質量比率は10質量%以上200質量%以下が好ましい。この質量比率は、好ましくは12質量%以上180質量%以下、より好ましくは15質量%以上160質量%以下、特に好ましくは18質量%以上150質量%以下である。炭素質材料の質量比率が10質量%以上であれば、該基材が有していたマイクロ孔を該炭素質材料で適度に埋めることができ、リチウムイオンの充放電効率が向上するため、良好なサイクル耐久性を示すことができる。また、炭素質材料の質量比率が200質量%以下であれば、細孔を適度に保持することができリチウムイオンの拡散が良好となるため、高い入出力特性を示すことができる。 The mass ratio of the carbonaceous material to the base material in the composite carbon material 1 is preferably 10% by mass or more and 200% by mass or less. This mass ratio is preferably 12% by mass or more and 180% by mass or less, more preferably 15% by mass or more and 160% by mass or less, and particularly preferably 18% by mass or more and 150% by mass or less. If the mass ratio of the carbonaceous material is 10% by mass or more, the micropores of the base material can be appropriately filled with the carbonaceous material, and the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved. Cycle durability can be shown. Moreover, if the mass ratio of the carbonaceous material is 200% by mass or less, the pores can be appropriately maintained and lithium ion diffusion is improved, and thus high input / output characteristics can be exhibited.
複合炭素材料1の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量は、530mAh/g以上2,500mAh/g以下であることが好ましく、より好ましくは620mAh/g以上2,100mAh/g以下、さらに好ましくは760mAh/g以上1,700mAh/g以下、特に好ましくは840mAh/g以上1,500mAh/g以下である。
リチウムイオンをドープすることにより、負極電位が低くなるため、リチウムイオンがドープされた複合炭素材料1を含む負極を正極と組み合わせた場合には、非水系リチウム型蓄電素子の電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなる結果、得られる非水系リチウム型蓄電素子の容量及びエネルギー密度が高くなる。
該ドープ量が530mAh/g以上であれば、複合炭素材料1におけるリチウムイオンを一旦挿入したら脱離し得ない不可逆なサイトにもリチウムイオンが良好にドープされ、更に所望のリチウム量に対する複合炭素材料1の量を低減することができるため、負極膜厚を薄くすることが可能となり、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、及び耐久性は向上する。
他方、ドープ量が2,500mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生するおそれがない。
The doping amount of lithium ions per unit mass of the composite carbon material 1 is preferably 530 mAh / g or more and 2500 mAh / g or less, more preferably 620 mAh / g or more and 2,100 mAh / g or less, and further preferably 760 mAh. / G to 1,700 mAh / g, particularly preferably 840 mAh / g to 1,500 mAh / g.
Since the negative electrode potential is reduced by doping lithium ions, when the negative electrode including the composite carbon material 1 doped with lithium ions is combined with the positive electrode, the voltage of the non-aqueous lithium storage element increases. As a result, the capacity and energy density of the obtained non-aqueous lithium storage element are increased.
When the doping amount is 530 mAh / g or more, lithium ions are well doped into irreversible sites that cannot be desorbed once the lithium ions in the composite carbon material 1 are inserted, and the composite carbon material 1 with respect to the desired amount of lithium. Therefore, the thickness of the negative electrode can be reduced and a high energy density can be obtained. The larger the doping amount, the lower the negative electrode potential, and the input / output characteristics, energy density, and durability are improved.
On the other hand, when the doping amount is 2,500 mAh / g or less, there is no possibility that side effects such as precipitation of lithium metal occur.
以下、複合炭素材料1の好ましい例として、該基材として活性炭を用いた複合炭素材料1aについて説明する。
複合炭素材料1aは、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をVm1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をVm2(cc/g)とするとき、0.010≦Vm1≦0.300、0.001≦Vm2≦0.650であることが好ましい。
メソ孔量Vm1は、より好ましくは0.010≦Vm1≦0.225、さらに好ましくは0.010≦Vm1≦0.200である。マイクロ孔量Vm2は、より好ましくは0.001≦Vm2≦0.200、更に好ましくは0.001≦Vm2≦0.150、特に好ましくは0.001≦Vm2≦0.100である。
Hereinafter, as a preferable example of the composite carbon material 1, a composite carbon material 1a using activated carbon as the base material will be described.
In the composite carbon material 1a, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method is Vm1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method. Is Vm2 (cc / g), it is preferable that 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.300 and 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.650.
The mesopore amount Vm1 is more preferably 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.225, and further preferably 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.200. The micropore amount Vm2 is more preferably 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.200, further preferably 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.150, and particularly preferably 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.100.
メソ孔量Vm1が0.300cc/g以下であれば、BET比表面積を大きくすることができ、リチウムイオンのドープ量を高めることができることに加え、負極の嵩密度を高めることができるため、負極を薄膜化することができる。また、マイクロ孔量Vm2が0.650cc/g以下であれば、リチウムイオンに対する高い充放電効率が維持できる。他方、メソ孔量Vm1及びマイクロ孔量Vm2が下限以上(0.010≦Vm1、0.001≦Vm2)であれば、高い入出力特性が得られる。 If the mesopore amount Vm1 is 0.300 cc / g or less, the BET specific surface area can be increased, the lithium ion doping amount can be increased, and the bulk density of the negative electrode can be increased. Can be thinned. Moreover, if the micropore amount Vm2 is 0.650 cc / g or less, high charge / discharge efficiency for lithium ions can be maintained. On the other hand, if the mesopore volume Vm1 and the micropore volume Vm2 are equal to or higher than the lower limit (0.010 ≦ Vm1, 0.001 ≦ Vm2), high input / output characteristics can be obtained.
複合炭素材料1aのBET比表面積は、100m2/g以上1,500m2/g以下が好ましく、より好ましくは150m2/g以上1,100m2/g以下、さらに好ましくは180m2/g以上550m2/g以下である。このBET比表面積が100m2/g以上であれば、細孔を適度に保持することができるため、リチウムイオンの拡散が良好となるため、高い入出力特性を示すことができる。また、リチウムイオンのドープ量を高めることができるため、負極を薄膜化することができる。他方、1,500m2/g以下であることにより、リチウムイオンの充放電効率が向上するので、サイクル耐久性が損なわれることがない。 The BET specific surface area of the composite carbon material 1a is preferably from 100 m 2 / g to 1,500 m 2 / g, more preferably from 150 m 2 / g to 1,100 m 2 / g, and even more preferably from 180 m 2 / g to 550 m. 2 / g or less. When the BET specific surface area is 100 m 2 / g or more, the pores can be appropriately maintained, and the lithium ion diffusion becomes good, so that high input / output characteristics can be exhibited. Moreover, since the doping amount of lithium ions can be increased, the negative electrode can be made thin. On the other hand, since it is 1,500 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved, so that the cycle durability is not impaired.
複合炭素材料1aの平均細孔径は、高い入出力特性にする点から、20Å以上であることが好ましく、25Å以上であることがより好ましく、30Å以上であることがさらに好ましい。他方、高エネルギー密度にする点から、平均細孔径は、65Å以下であることが好ましく、60Å以下であることがより好ましい。 The average pore diameter of the composite carbon material 1a is preferably 20 mm or more, more preferably 25 mm or more, and further preferably 30 mm or more from the viewpoint of achieving high input / output characteristics. On the other hand, from the viewpoint of high energy density, the average pore diameter is preferably 65 mm or less, more preferably 60 mm or less.
複合炭素材料1aの平均粒子径は1μm以上10μm以下であることが好ましい。下限については、より好ましくは2μm以上であり、更に好ましくは2.5μm以上である。上限については、より好ましくは6μm以下であり、更に好ましくは4μm以下である。平均粒子径が1μm以上10μm以下であれば良好な耐久性が保たれる。 The average particle diameter of the composite carbon material 1a is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. About a lower limit, More preferably, it is 2 micrometers or more, More preferably, it is 2.5 micrometers or more. About an upper limit, More preferably, it is 6 micrometers or less, More preferably, it is 4 micrometers or less. If the average particle diameter is 1 μm or more and 10 μm or less, good durability is maintained.
複合炭素材料1aの水素原子/炭素原子の原子数比(H/C)は、0.05以上0.35以下であることが好ましく、0.05以上0.15以下であることがより好ましい。H/Cが0.35以下である場合には、活性炭表面に被着している炭素質材料の構造(典型的には、多環芳香族系共役構造)が良好に発達して容量(エネルギー密度)及び充放電効率が高くなる。他方、H/Cが0.05以上である場合には、炭素化が過度に進行することはないため良好なエネルギー密度が得られる。尚、H/Cは元素分析装置により測定される。 The hydrogen atom / carbon atom number ratio (H / C) of the composite carbon material 1a is preferably 0.05 or more and 0.35 or less, and more preferably 0.05 or more and 0.15 or less. When H / C is 0.35 or less, the structure (typically polycyclic aromatic conjugated structure) of the carbonaceous material deposited on the activated carbon surface is well developed and the capacity (energy Density) and charge / discharge efficiency are increased. On the other hand, when H / C is 0.05 or more, since carbonization does not proceed excessively, a good energy density can be obtained. H / C is measured by an elemental analyzer.
複合炭素材料1aは、前記基材の活性炭に由来するアモルファス構造を有するが、同時に、主に被着した炭素質材料に由来する結晶構造を有する。X線広角回折法によると、該複合炭素材料1aは、(002)面の面間隔d002が3.60Å以上4.00Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが8.0Å以上20.0Å以下であるものが好ましく、d002が3.60Å以上3.75Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが11.0Å以上16.0Å以下であるものがより好ましい。 The composite carbon material 1a has an amorphous structure derived from the activated carbon of the base material, but at the same time has a crystal structure mainly derived from the deposited carbonaceous material. According to the X-ray wide angle diffraction method, the composite carbon material 1a has a (002) plane spacing d002 of 3.60 mm to 4.00 mm, and a crystallite in the c-axis direction obtained from the half width of this peak. The size Lc is preferably 8.0 to 20.0 and d002 is 3.60 to 3.75 and the crystallite size Lc in the c-axis direction obtained from the half width of this peak is 11. The range of 0 to 16.0 is more preferable.
上記の複合炭素材料1aの該基材として用いる前記活性炭としては、得られる複合炭素材料1aが所望の特性を発揮する限り、特に制限はない。例えば、石油系、石炭系、植物系、高分子系等の各種の原材料から得られた市販品を使用することができる。特に、平均粒子径が1μm以上15μm以下の活性炭粉末を用いることが好ましいく、より好ましくは2μm以上10μm以下である。 There is no restriction | limiting in particular as said activated carbon used as this base material of said composite carbon material 1a, as long as the obtained composite carbon material 1a exhibits a desired characteristic. For example, commercially available products obtained from various raw materials such as petroleum-based, coal-based, plant-based, and polymer-based materials can be used. In particular, it is preferable to use activated carbon powder having an average particle diameter of 1 μm to 15 μm, and more preferably 2 μm to 10 μm.
本実施形態において規定する細孔分布範囲を有する複合炭素材料1aを得るためには、該基材に用いる活性炭の細孔分布が重要である。
該活性炭においては、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)としたとき、0.050≦V1≦0.500、0.005≦V2≦1.000、かつ、0.2≦V1/V2≦20.0であることが好ましい。
In order to obtain the composite carbon material 1a having the pore distribution range defined in the present embodiment, the pore distribution of the activated carbon used for the substrate is important.
In the activated carbon, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method is V1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method is used. When V2 (cc / g), 0.050 ≦ V1 ≦ 0.500, 0.005 ≦ V2 ≦ 1.000, and 0.2 ≦ V1 / V2 ≦ 20.0 are preferable.
メソ孔量V1については、0.050≦V1≦0.350がより好ましく、0.100≦V1≦0.300が更に好ましい。マイクロ孔量V2については、0.005≦V2≦0.850がより好ましく、0.100≦V2≦0.800が更に好ましい。メソ孔量/マイクロ孔量の比率については、0.22≦V1/V2≦15.0がより好ましく、0.25≦V1/V2≦10.0が更に好ましい。活性炭のメソ孔量V1が0.500以下である場合及びマイクロ孔量V2が1.000以下である場合、上記本実施形態における複合炭素材料1aの細孔構造を得るためには適量の炭素質材料を被着させれば足りるので、細孔構造を制御し易くなる。他方、活性炭のメソ孔量V1が0.050以上である場合及びマイクロ孔量V2が0.005以上である場合、V1/V2が0.2以上である場合、及びV1/V2が20.0以下である場合にも構造が容易に得られる。 About mesopore amount V1, 0.050 <= V1 <= 0.350 is more preferable, and 0.100 <= V1 <= 0.300 is still more preferable. The micropore amount V2 is more preferably 0.005 ≦ V2 ≦ 0.850, and further preferably 0.100 ≦ V2 ≦ 0.800. The ratio of mesopore amount / micropore amount is more preferably 0.22 ≦ V1 / V2 ≦ 15.0, and further preferably 0.25 ≦ V1 / V2 ≦ 10.0. When the mesopore volume V1 of the activated carbon is 0.500 or less and when the micropore volume V2 is 1.000 or less, an appropriate amount of carbonaceous matter is required to obtain the pore structure of the composite carbon material 1a in the present embodiment. Since it is sufficient to deposit a material, the pore structure can be easily controlled. On the other hand, when the mesopore volume V1 of the activated carbon is 0.050 or more, when the micropore volume V2 is 0.005 or more, when V1 / V2 is 0.2 or more, and when V1 / V2 is 20.0. The structure can be easily obtained even in the following cases.
上記の複合炭素材料1aの原料として用いる炭素質材料前駆体とは、熱処理することにより、活性炭に炭素質材料を被着させることができる、固体、液体、又は溶剤に溶解可能な有機材料である。この炭素質材料前駆体としては、例えば、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えば、フェノール樹脂等)等を挙げることができる。これらの炭素質材料前駆体の中でも、安価であるピッチを用いることが、製造コスト上好ましい。ピッチは、大別して石油系ピッチと石炭系ピッチとに分けられる。石油系ピッチとしては、例えば原油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイル等)、サーマルクラッカーに由来するボトム油、ナフサクラッキングの際に得られるエチレンタール等が例示される。 The carbonaceous material precursor used as a raw material of the composite carbon material 1a is an organic material that can be dissolved in a solid, liquid, or solvent, which can deposit the carbonaceous material on activated carbon by heat treatment. . Examples of the carbonaceous material precursor include pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resin (for example, phenol resin). Among these carbonaceous material precursors, it is preferable in terms of production cost to use an inexpensive pitch. Pitch is roughly divided into petroleum pitch and coal pitch. Examples of petroleum pitches include crude oil distillation residue, fluid catalytic cracking residue (decant oil, etc.), bottom oil derived from thermal crackers, ethylene tar obtained during naphtha cracking, and the like.
上記ピッチを用いる場合、該ピッチを活性炭との共存下で熱処理し、活性炭の表面においてピッチの揮発成分又は熱分解成分を熱反応させて該活性炭に炭素質材料を被着させることにより、複合炭素材料1aが得られる。この場合、200〜500℃程度の温度において、ピッチの揮発成分又は熱分解成分の活性炭細孔内への被着が進行し、400℃以上で該被着成分が炭素質材料となる反応が進行する。熱処理時のピーク温度(最高到達温度)は、得られる複合炭素材料1aの特性、熱反応パターン、熱反応雰囲気等により適宜決定されるものであるが、400℃以上であることが好ましく、より好ましくは450℃〜1,000℃であり、さらに好ましくは500〜800℃程度である。また、熱処理時のピーク温度を維持する時間は、30分間〜10時間であることが好ましく、より好ましくは1時間〜7時間、更に好ましくは2時間〜5時間である。例えば、500〜800℃程度のピーク温度で2時間〜5時間に亘って熱処理する場合、活性炭表面に被着している炭素質材料は多環芳香族系炭化水素になっているものと考えられる。 When the pitch is used, the pitch is heat-treated in the presence of activated carbon, and a carbonaceous material is deposited on the activated carbon by thermally reacting the volatile component or pyrolysis component of the pitch on the surface of the activated carbon. Material 1a is obtained. In this case, at a temperature of about 200 to 500 ° C., the deposition of pitch volatile components or pyrolysis components into the activated carbon pores proceeds, and at 400 ° C. or higher, the reaction in which the deposited components become carbonaceous materials proceeds. To do. The peak temperature (maximum temperature reached) during the heat treatment is appropriately determined depending on the characteristics of the composite carbon material 1a to be obtained, the thermal reaction pattern, the thermal reaction atmosphere, etc., but is preferably 400 ° C. or higher. Is 450 ° C. to 1,000 ° C., more preferably about 500 to 800 ° C. Moreover, it is preferable that the time which maintains the peak temperature at the time of heat processing is 30 minutes-10 hours, More preferably, they are 1 hour-7 hours, More preferably, they are 2 hours-5 hours. For example, when heat treatment is performed for 2 hours to 5 hours at a peak temperature of about 500 to 800 ° C., the carbonaceous material deposited on the activated carbon surface is considered to be a polycyclic aromatic hydrocarbon. .
また、用いるピッチの軟化点は、30℃以上250℃以下が好ましく、60℃以上130℃以下が更に好ましい。軟化点が30℃以上であるピッチはハンドリング性に支障がなく、精度よく仕込むことが可能である。軟化点が250℃以下であるピッチには比較的低分子の化合物を多く含有し、従って該ピッチを用いると、活性炭内の細かい細孔まで被着することが可能となる。
上記の複合炭素材料1aを製造するための具体的方法としては、例えば、炭素質材料前駆体から揮発した炭化水素ガスを含む不活性雰囲気中で活性炭を熱処理し、気相で炭素質材料を被着させる方法が挙げられる。また、活性炭と炭素質材料前駆体とを予め混合し熱処理する方法、又は溶媒に溶解させた炭素質材料前駆体を活性炭に塗布して乾燥させた後に熱処理する方法も可能である。
The softening point of the pitch used is preferably 30 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and more preferably 60 ° C. or higher and 130 ° C. or lower. A pitch having a softening point of 30 ° C. or higher can be handled with high accuracy without any problem in handling properties. The pitch having a softening point of 250 ° C. or less contains a large amount of relatively low molecular weight compounds. Therefore, when the pitch is used, fine pores in the activated carbon can be deposited.
As a specific method for producing the composite carbon material 1a, for example, activated carbon is heat-treated in an inert atmosphere containing hydrocarbon gas volatilized from a carbonaceous material precursor, and the carbonaceous material is coated in a gas phase. The method of making it wear is mentioned. In addition, a method in which activated carbon and a carbonaceous material precursor are mixed in advance and heat-treated, or a method in which a carbonaceous material precursor dissolved in a solvent is applied to activated carbon and dried is then heat-treated.
複合炭素材料1aにおける該炭素質材料の該活性炭に対する質量比率が10質量%以上100質量%以下であるものが好ましく、より好ましくは15質量%以上80質量%以下である。炭素質材料の質量比率が10質量%以上であれば、該活性炭が有していたマイクロ孔を該炭素質材料で適度に埋めることができ、リチウムイオンの充放電効率が向上するから、サイクル耐久性が損なわれることがない。また、炭素質材料の質量比率が100質量%以下であれば、複合炭素材料1aの細孔が適度に保持されて比表面積が大きいまま維持される。そのため、リチウムイオンのドープ量を高めることができる結果から、負極を薄膜化しても高出力密度かつ高耐久性を維持することができる。 In the composite carbon material 1a, the mass ratio of the carbonaceous material to the activated carbon is preferably 10% by mass to 100% by mass, and more preferably 15% by mass to 80% by mass. If the mass ratio of the carbonaceous material is 10% by mass or more, the micropores possessed by the activated carbon can be appropriately filled with the carbonaceous material, and the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved. There is no loss of sex. Moreover, if the mass ratio of the carbonaceous material is 100% by mass or less, the pores of the composite carbon material 1a are appropriately maintained and the specific surface area is maintained large. Therefore, from the result that the doping amount of lithium ions can be increased, high output density and high durability can be maintained even if the negative electrode is thinned.
[複合炭素材料2]
複合炭素材料2は、BET比表面積が0.5m2/g以上80m2/g以下の炭素材料1種以上を前記基材として用いた前記複合炭素材料である。該基材は、特に制限されるものではないが、天然黒鉛、人造黒鉛、低結晶黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンブラック等を好適に用いることができる。
[Composite carbon material 2]
The
複合炭素材料2のBET比表面積は、1m2/g以上50m2/g以下が好ましく、より好ましくは1.5m2/g以上40m2/g以下、さらに好ましくは2m2/g以上25m2/g以下である。このBET比表面積が1m2/g以上であれば、リチウムイオンとの反応場を十分に確保できるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、50m2/g以下であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上し、かつ充放電中の非水系電解液の分解反応が抑制されるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。
BET specific surface area of the
複合炭素材料2の平均粒子径は1μm以上10μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上8μm以下、さらに好ましくは3μm以上6μm以下である。平均粒子径が1μm以上であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上できるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。他方、10μm以下であれば、複合炭素材料2と非水系電解液との反応面積が増加するため、高い入出力特性を示すことができる。
The average particle size of the
複合炭素材料2における該炭素質材料の該基材に対する質量比率は1質量%以上30質量%以下が好ましく、より好ましくは1.2質量%以上25質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以上20質量%以下である。炭素質材料の質量比率が質量1%以上であれば、該炭素質材料によりリチウムイオンとの反応サイトを十分に増加でき、かつリチウムイオンの脱溶媒和も容易となるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、炭素質材料の質量比率が20質量%以下であれば、該炭素質材料と該基材との間のリチウムイオンの固体内拡散を良好に保持できるため、高い入出力特性を示すことができる。また、リチウムイオンの充放電効率が向上するため、高いサイクル耐久性を示すことができる。
The mass ratio of the carbonaceous material to the base material in the
複合炭素材料2の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量は、50mAh/g以上700mAh/g以下であることが好ましく、より好ましくは70mAh/g以上650mAh/g以下、さらに好ましくは90mAh/g以上600mAh/g以下、特に好ましくは100mAh/g以上550mAh/g以下である。
リチウムイオンをドープすることにより、負極電位が低くなるため、リチウムイオンがドープされた複合炭素材料2を含む負極を正極と組み合わせた場合には、非水系リチウム型蓄電素子の電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなる。その結果、得られる非水系リチウム型蓄電素子の容量及びエネルギー密度が高くなる。
該ドープ量が50mAh/g以上であれば、複合炭素材料2におけるリチウムイオンを一旦挿入したら脱離し得ない不可逆なサイトにもリチウムイオンが良好にドープされるため、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、及び耐久性は向上する。
他方、ドープ量が700mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生するおそれがない。
The doping amount of lithium ions per unit mass of the
Since the negative electrode potential is lowered by doping lithium ions, when the negative electrode including the
When the doping amount is 50 mAh / g or more, lithium ions are favorably doped into irreversible sites that cannot be desorbed once lithium ions in the
On the other hand, when the doping amount is 700 mAh / g or less, there is no possibility that side effects such as precipitation of lithium metal occur.
以下、複合炭素材料2の好ましい例として、該基材として黒鉛材料を用いた複合炭素材料2aについて説明する。
Hereinafter, as a preferable example of the
複合炭素材料2aの平均粒子径は1μm以上10μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上8μm以下、さらに好ましくは3μm以上6μm以下である。平均粒子径が1μm以上であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上できるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。他方、10μm以下であれば、複合炭素材料2aと非水系電解液との反応面積が増加するため、高い入出力特性を示すことができる。 The average particle size of the composite carbon material 2a is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 2 μm or more and 8 μm or less, and further preferably 3 μm or more and 6 μm or less. If the average particle diameter is 1 μm or more, the charge / discharge efficiency of lithium ions can be improved, and thus high cycle durability can be exhibited. On the other hand, if it is 10 μm or less, the reaction area between the composite carbon material 2a and the non-aqueous electrolyte increases, so that high input / output characteristics can be exhibited.
複合炭素材料2aのBET比表面積は、1m2/g以上20m2/g以下であることが好ましく、より好ましくは1m2/g以上15m2/g以下である。このBET比表面積が1m2/g以上であれば、リチウムイオンとの反応場を十分に確保できるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、20m2/g以下であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上し、かつ充放電中の非水系電解液の分解反応が抑制されるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。 The BET specific surface area of the composite carbon material 2a is preferably 1 m 2 / g or more and 20 m 2 / g or less, more preferably 1 m 2 / g or more and 15 m 2 / g or less. If this BET specific surface area is 1 m 2 / g or more, a sufficient reaction field with lithium ions can be secured, and thus high input / output characteristics can be exhibited. On the other hand, if it is 20 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved and the decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte during charge / discharge is suppressed, so that high cycle durability can be exhibited.
該基材として用いる前記黒鉛材料としては、得られる複合炭素材料2aが所望の特性を発揮する限り、特に制限はない。例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛ウイスカ等を使用することができる。該黒鉛材料の平均粒子径は、好ましくは1μm以上10μm以下、より好ましくは2μm以上8μm以下である。 The graphite material used as the substrate is not particularly limited as long as the obtained composite carbon material 2a exhibits desired characteristics. For example, artificial graphite, natural graphite, graphitized mesophase carbon spherules, graphite whiskers and the like can be used. The average particle diameter of the graphite material is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 2 μm or more and 8 μm or less.
上記の複合炭素材料2aの原料として用いる炭素質材料前駆体とは、熱処理することにより、黒鉛材料に炭素質材料を複合させることができる、固体、液体、又は溶剤に溶解可能な有機材料である。この炭素質材料前駆体としては、例えば、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等を挙げることができる。これらの炭素質材料前駆体の中でも、安価であるピッチを用いることが、製造コスト上好ましい。ピッチは、大別して石油系ピッチと石炭系ピッチとに分けられる。石油系ピッチとしては、例えば原油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイル等)、サーマルクラッカーに由来するボトム油、ナフサクラッキングの際に得られるエチレンタール等が例示される。 The carbonaceous material precursor used as a raw material of the composite carbon material 2a is an organic material that can be dissolved in a solid, liquid, or solvent that can be composited with a graphite material by heat treatment. . Examples of the carbonaceous material precursor include pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resin (for example, phenol resin). Among these carbonaceous material precursors, it is preferable in terms of production cost to use an inexpensive pitch. Pitch is roughly divided into petroleum pitch and coal pitch. Examples of petroleum pitches include crude oil distillation residue, fluid catalytic cracking residue (decant oil, etc.), bottom oil derived from thermal crackers, ethylene tar obtained during naphtha cracking, and the like.
複合炭素材料2aにおける該炭素質材料の該黒鉛材料に対する質量比率は1質量%以上10質量%以下が好ましい。この質量比率は、より好ましくは1.2質量%以上8質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以上6質量%以下、特に好ましくは2質量%以上5質量%以下である。炭素質材料の質量比率が1質量%以上であれば、該炭素質材料によりリチウムイオンとの反応サイトを十分に増加でき、かつリチウムイオンの脱溶媒和も容易となるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、炭素質材料の質量比率が20質量%以下であれば、該炭素質材料と該黒鉛材料との間のリチウムイオンの固体内拡散を良好に保持できるため、高い入出力特性を示すことができる。また、リチウムイオンの充放電効率が向上出来るため、高いサイクル耐久性を示すことができる。 The mass ratio of the carbonaceous material to the graphite material in the composite carbon material 2a is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less. This mass ratio is more preferably 1.2% by mass to 8% by mass, further preferably 1.5% by mass to 6% by mass, and particularly preferably 2% by mass to 5% by mass. If the mass ratio of the carbonaceous material is 1% by mass or more, the carbonaceous material can sufficiently increase the number of reaction sites with lithium ions, and the desolvation of lithium ions is facilitated. Can show. On the other hand, if the mass ratio of the carbonaceous material is 20% by mass or less, lithium ion diffusion between the carbonaceous material and the graphite material can be satisfactorily maintained, and thus high input / output characteristics can be exhibited. it can. Moreover, since the charge / discharge efficiency of lithium ions can be improved, high cycle durability can be exhibited.
[任意成分]
負極活物質層は、必要に応じて、負極活物質の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
導電性フィラーの種類は特に制限されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維等が例示される。導電性フィラーの使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上30質量部以下であり、より好ましくは0質量部以上20質量部以下、さらに好ましくは0質量部以上15質量部以下である。
[Optional ingredients]
The negative electrode active material layer may contain optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer in addition to the negative electrode active material as necessary.
The type of the conductive filler is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, ketjen black, and vapor grown carbon fiber. The amount of the conductive filler used is preferably 0 parts by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 0 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, and further preferably 0 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. 15 parts by mass or less.
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVdF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下であり、より好ましくは2質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは3質量部以上25質量部以下である。結着剤の量が1質量部以上であれば、十分な電極強度が発現される。他方、結着剤の量が30質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The binder is not particularly limited. For example, PVdF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, fluororubber, acrylic copolymer. Etc. can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 2 parts by mass or more and 27 parts by mass or less, and further preferably 3 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. 25 parts by mass or less. When the amount of the binder is 1 part by mass or more, sufficient electrode strength is exhibited. On the other hand, when the amount of the binder is 30 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting lithium ions from entering and leaving the negative electrode active material.
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上10質量部以下である。分散安定剤の量が10質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が発現される。 Although it does not restrict | limit especially as a dispersion stabilizer, For example, PVP (polyvinyl pyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), a cellulose derivative etc. can be used. The amount of the dispersion stabilizer used is preferably 0 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. When the amount of the dispersion stabilizer is 10 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting lithium ions from entering and leaving the negative electrode active material.
[負極集電体]
負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、非水系電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化がおこらない金属箔であることが好ましい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。本実施の形態の非水系リチウム型蓄電素子における負極集電体としては、銅箔が好ましい。
該金属箔は凹凸や貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
負極集電体の厚みは、負極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1〜100μmが好ましい。
[Negative electrode current collector]
The material constituting the negative electrode current collector is preferably a metal foil that has high electron conductivity and does not deteriorate due to elution into a non-aqueous electrolyte and reaction with an electrolyte or ions. There is no restriction | limiting in particular as such metal foil, For example, aluminum foil, copper foil, nickel foil, stainless steel foil, etc. are mentioned. The negative electrode current collector in the non-aqueous lithium storage element of this embodiment is preferably a copper foil.
The metal foil may be a normal metal foil having no irregularities or through holes, or a metal foil having irregularities subjected to embossing, chemical etching, electrolytic deposition, blasting, etc., expanded metal, punching metal Alternatively, a metal foil having a through hole such as an etching foil may be used.
The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the negative electrode can be sufficiently maintained, but for example, 1 to 100 μm is preferable.
[負極の製造]
負極は、負極集電体の片面上又は両面上に負極活物質層を有する。典型的な態様において負極活物質層は負極集電体に固着している。
負極は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、負極活物質を含む各種材料を水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を負極集電体上の片面又は両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより負極を得ることができる。さらに得られた負極にプレスを施して、負極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。或いは、溶剤を使用せずに、負極活物質を含む各種材料を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて負極集電体に貼り付ける方法も可能である。
[Manufacture of negative electrode]
The negative electrode has a negative electrode active material layer on one side or both sides of the negative electrode current collector. In a typical embodiment, the negative electrode active material layer is fixed to the negative electrode current collector.
The negative electrode can be manufactured by an electrode manufacturing technique in a known lithium ion battery, electric double layer capacitor or the like. For example, various materials including a negative electrode active material are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry-like coating liquid, and this coating liquid is applied to one or both surfaces on a negative electrode current collector. A negative electrode can be obtained by forming a coating film and drying it. Further, the obtained negative electrode may be pressed to adjust the film thickness and bulk density of the negative electrode active material layer. Alternatively, it is possible to mix various materials including the negative electrode active material dry without using a solvent, press the resulting mixture, and then apply it to the negative electrode current collector using a conductive adhesive. is there.
塗工液の調整は、負極活物質を含む各種材料粉末の一部又は全部をドライブレンドし、次いで水又は有機溶媒、及び/又はそれらに結着剤や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質を追加して調整してもよい。また、水又は有機溶媒に結着剤や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、負極活物質を含む各種材料粉末を追加して調整してもよい。前記塗工液の調整に特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることができる。良好な分散状態の塗工液を得るためには、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解又は分散するため好ましい。他方、50m/s以下であれば、分散による熱やせん断力により各種材料が破壊されることなく、再凝集が生じることがないため好ましい。 The coating liquid is prepared by dry blending a part or all of various material powders including the negative electrode active material, and then water or an organic solvent, and / or a liquid in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed therein. You may adjust by adding a slurry-like substance. Further, various material powders including the negative electrode active material may be added to the liquid or slurry substance in which the binder or the dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent. Although it does not restrict | limit especially in the adjustment of the said coating liquid, Dispersers, such as a homodisper, a multiaxial disperser, a planetary mixer, a thin film swirl | vortex type high speed mixer, etc. can be used suitably. In order to obtain a coating liquid in a good dispersion state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s to 50 m / s. A peripheral speed of 1 m / s or more is preferable because various materials can be dissolved or dispersed well. On the other hand, if it is 50 m / s or less, since various materials are not destroyed by the heat | fever and shear force by dispersion | distribution, and reaggregation does not arise, it is preferable.
前記塗工液の粘度(ηb)は、1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下が好ましく、より好ましくは1,500mPa・s以上10,000mPa・s以下、さらに好ましくは1,700mPa・s以上5,000mPa・s以下である。粘度(ηb)が1,000mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。他方、20,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく安定に塗工でき、また、所望の塗膜厚み以下に制御できる。
該塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、1.1以上が好ましく、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。TI値が1.1以上であれば、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。
The viscosity (ηb) of the coating solution is preferably 1,000 mPa · s to 20,000 mPa · s, more preferably 1,500 mPa · s to 10,000 mPa · s, and still more preferably 1,700 mPa · s. It is 5,000 mPa · s or less. When the viscosity (ηb) is 1,000 mPa · s or more, dripping at the time of forming the coating film is suppressed, and the coating film width and film thickness can be controlled well. On the other hand, if it is 20,000 mPa · s or less, there is little pressure loss in the flow path of the coating liquid when a coating machine is used, and coating can be performed stably, and control can be carried out to a desired coating thickness or less.
The TI value (thixotropic index value) of the coating solution is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and further preferably 1.5 or more. When the TI value is 1.1 or more, the coating film width and film thickness can be controlled well.
前記塗膜の形成は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。また、塗工速度は0.1m/分以上100m/分以下であることが好ましく、より好ましくは0.5m/分以上70m/分以下、さらに好ましくは1m/分以上50m/分以下である。塗工速度が0.1m/分以上であれば、安定に塗工できる。他方、100m/分以下であれば、塗工精度を十分に確保できる。 The formation of the coating film is not particularly limited, but preferably a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be used. The coating film may be formed by single layer coating or may be formed by multilayer coating. The coating speed is preferably from 0.1 m / min to 100 m / min, more preferably from 0.5 m / min to 70 m / min, still more preferably from 1 m / min to 50 m / min. If the coating speed is 0.1 m / min or more, stable coating can be achieved. On the other hand, if it is 100 m / min or less, sufficient coating accuracy can be secured.
前記塗膜の乾燥は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。乾燥温度は、25℃以上200℃以下であることが好ましく、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることができる。他方、200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れやマイグレーションによる結着剤の偏在、負極集電体や負極活物質層の酸化を抑制できる。 Although the drying of the coating film is not particularly limited, a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying can be preferably used. The coating film may be dried at a single temperature or may be dried by changing the temperature in multiple stages. Moreover, you may dry combining several drying methods. The drying temperature is preferably 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. When the drying temperature is 25 ° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. On the other hand, if it is 200 degrees C or less, the crack of the coating film by rapid volatilization of a solvent, the uneven distribution of the binder by migration, and the oxidation of a negative electrode collector or a negative electrode active material layer can be suppressed.
前記負極のプレスは特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。負極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力は0.5kN/cm以上20kN/cm以下が好ましく、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。他方、20kN/cm以下であれば、負極に撓みやシワが生じることがなく、所望の負極活物質層膜厚や嵩密度に調整できる。また、プレスロール同士の隙間は所望の負極活物質層の膜厚や嵩密度となるように乾燥後の負極膜厚に応じて任意の値を設定できる。さらに、プレス速度は負極に撓みやシワが生じない任意の速度に設定できる。また、プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要により加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、使用する結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは45℃以上、さらに好ましくは30℃以上である。他方、加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、使用する結着剤の融点プラス50℃以下が好ましく、より好ましくは30℃以下、さらに好ましくは20℃以下である。例えば、結着剤としてPVdF(ポリフッ化ビニリデン:融点150℃)を用いる場合には、90℃以上200℃以下に加温することが好ましく、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下に加温する。また、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いる場合には、40℃以上150℃以下に加温することが好ましく、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下に加温する。 Although the press of the negative electrode is not particularly limited, a press such as a hydraulic press or a vacuum press can be preferably used. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the negative electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, gap, and surface temperature of the press part described later. The pressing pressure is preferably 0.5 kN / cm or more and 20 kN / cm or less, more preferably 1 kN / cm or more and 10 kN / cm or less, and further preferably 2 kN / cm or more and 7 kN / cm or less. If the pressing pressure is 0.5 kN / cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. On the other hand, if it is 20 kN / cm or less, the negative electrode is not bent or wrinkled, and can be adjusted to the desired negative electrode active material layer thickness and bulk density. In addition, the gap between the press rolls can be set to an arbitrary value according to the negative electrode film thickness after drying so as to be a desired film thickness or bulk density of the negative electrode active material layer. Furthermore, the press speed can be set to an arbitrary speed at which the negative electrode is not bent or wrinkled. Moreover, the surface temperature of a press part may be room temperature, and may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the press part in the case of heating is preferably the melting point minus 60 ° C. or more of the binder used, more preferably 45 ° C. or more, and further preferably 30 ° C. or more. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the press part in the case of heating is preferably the melting point of the binder used plus 50 ° C. or less, more preferably 30 ° C. or less, and further preferably 20 ° C. or less. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, it is preferably heated to 90 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 105 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and still more preferably 120 ° C. Heat to 170 ° C. or lower. When a styrene-butadiene copolymer (melting point: 100 ° C.) is used as the binder, it is preferably heated to 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 55 ° C. or higher and 130 ° C. or lower, and still more preferably. Heat to 70 ° C to 120 ° C.
結着剤の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。また、プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。 The melting point of the binder can be determined at the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter “DSC7” manufactured by PerkinElmer Co., Ltd., 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature is increased from 30 ° C. to 250 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. The temperature is raised, and the endothermic peak temperature in the temperature raising process becomes the melting point. Moreover, you may press several times, changing the conditions of press pressure, a clearance gap, speed | rate, and the surface temperature of a press part.
負極活物質層の膜厚は、片面当たり、5μm以上100μm以下が好ましい。該負極活物質層の膜厚の下限は、より好ましくは7μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。該負極活物質層の膜厚の上限は、より好ましくは80μm以下であり、さらに好ましくは60μm以下である。この膜厚が5μm以上であれば、負極活物質層を塗工した際にスジ等が発生せず塗工性に優れる。他方、この膜厚が100μm以下であれば、セル体積を縮小することによって高いエネルギー密度を発現できる。尚、集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における負極活物質層の膜厚とは、集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分の片面当たりの膜厚の平均値をいう。 The thickness of the negative electrode active material layer is preferably 5 μm or more and 100 μm or less per side. The lower limit of the film thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 7 μm or more, and further preferably 10 μm or more. The upper limit of the film thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 80 μm or less, and even more preferably 60 μm or less. When the film thickness is 5 μm or more, no streaks or the like are generated when the negative electrode active material layer is applied, and the coating property is excellent. On the other hand, if this film thickness is 100 μm or less, a high energy density can be expressed by reducing the cell volume. In addition, the film thickness of the negative electrode active material layer in the case where the current collector has through holes or unevenness means the average value of the film thickness per one side of the portion of the current collector that does not have through holes or unevenness.
負極活物質層の嵩密度は、好ましくは0.30g/cm3以上1.8g/cm3以下であり、より好ましくは0.40g/cm3以上1.5g/cm3以下、さらに好ましくは0.45g/cm3以上1.3g/cm3以下である。嵩密度が0.30g/cm3以上であれば、十分な強度を保つことができるとともに、負極活物質間の十分な導電性を発現することができる。他方、1.8g/cm3以下であれば、負極活物質層内でイオンが十分に拡散できる空孔が確保できる。 The bulk density of the negative electrode active material layer is preferably 0.30 g / cm 3 or more and 1.8 g / cm 3 or less, more preferably 0.40 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less, and still more preferably 0. .45g / cm 3 or more 1.3g / cm 3 or less. When the bulk density is 0.30 g / cm 3 or more, sufficient strength can be maintained and sufficient conductivity between the negative electrode active materials can be exhibited. On the other hand, if it is 1.8 g / cm 3 or less, a hole capable of sufficiently diffusing ions in the negative electrode active material layer can be secured.
[測定方法]
本明細書中、BET比表面積及び平均細孔径、メソ孔量、マイクロ孔量は、それぞれ以下の方法によって求められる値である。試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行なう。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、BET比表面積はBET多点法又はBET1点法により、平均細孔径は質量当たりの全細孔容積をBET比表面積で除すことにより、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法により、それぞれ算出される。
BJH法は一般的にメソ孔の解析に用いられる計算方法で、Barrett, Joyner, Halendaらにより提唱されたものである(E. P. Barrett, L. G. Joyner and P. Halenda, J. Am. Chem. Soc., 73, 373(1951))。
また、MP法とは、「t−プロット法」(B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965))を利用して、マイクロ孔容積、マイクロ孔面積、及びマイクロ孔の分布を求める方法を意味し、M.Mikhail, Brunauer, Bodorにより考案された方法である(R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface Sci.,26,45 (1968))。
[Measuring method]
In the present specification, the BET specific surface area, the average pore diameter, the mesopore amount, and the micropore amount are values determined by the following methods, respectively. The sample is vacuum-dried at 200 ° C. all day and night, and adsorption and desorption isotherms are measured using nitrogen as an adsorbate. Using the isotherm on the adsorption side obtained here, the BET specific surface area is determined by the BET multipoint method or the BET single point method, and the average pore diameter is obtained by dividing the total pore volume per mass by the BET specific surface area. The amount is calculated by the BJH method, and the amount of micropores is calculated by the MP method.
The BJH method is a calculation method generally used for analysis of mesopores, and was proposed by Barrett, Joyner, Halenda et al. (EP Barrett, LG Joyner and P. Halenda, J. Am. Chem. Soc., 73, 373 (1951)).
In addition, the MP method is a “t-plot method” (BC Lippens, JH de Boer, J. Catalysis, 4319 (1965)). Means a method for determining the distribution of micropores; It is a method devised by Mikhail, Brunauer, Bodor (RS Mikhal, S. Brunauer, EE Bodor, J. Colloid Interface Sci., 26, 45 (1968)).
平均粒子径は、粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定した際、全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが50%となる点の粒子径(すなわち、50%径(Median径))を指す。この平均粒子径は市販のレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。 When the particle size distribution is measured using a particle size distribution measuring device, the average particle size is the particle size at which the cumulative curve becomes 50% when the total volume is 100% (that is, the 50% diameter). (Median diameter)). This average particle diameter can be measured using a commercially available laser diffraction particle size distribution analyzer.
出荷時及び使用後の非水系リチウム型蓄電素子における負極活物質のリチウムイオンのドープ量は、例えば、以下のようにして知ることができる。
先ず、本実施形態における負極活物質層をエチルメチルカーボネート又はジメチルカーボネートで洗浄し風乾した後、メタノール及びイソプロパノールから成る混合溶媒により抽出した抽出液と、抽出後の負極活物質層と、を得る。この抽出は、典型的にはArボックス内で、環境温度23℃で行う。
上記のようにして得られた抽出液と、抽出後の負極活物質層と、に含まれるリチウム量を、それぞれ、例えば、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析計)等を用いて定量し、その合計を求めることによって、負極活物質におけるリチウムイオンのドープ量を知ることができる。そして、得られた値を抽出に供した負極活物質量で割り付けて、上記単位の数値を算出すればよい。
The amount of lithium ion doping of the negative electrode active material in the non-aqueous lithium storage element at the time of shipment and after use can be known, for example, as follows.
First, after the negative electrode active material layer in this embodiment is washed with ethyl methyl carbonate or dimethyl carbonate and air-dried, an extract extracted with a mixed solvent composed of methanol and isopropanol and a negative electrode active material layer after extraction are obtained. This extraction is typically performed in an Ar box at an ambient temperature of 23 ° C.
The amount of lithium contained in the extract obtained as described above and the negative electrode active material layer after extraction is quantified using, for example, ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometer). By obtaining the total, the doping amount of lithium ions in the negative electrode active material can be known. And the numerical value of the said unit should just be calculated by allocating the obtained value by the amount of negative electrode active materials used for extraction.
1次粒子径は、粉体を電子顕微鏡で数視野撮影し、それらの視野中の粒子の粒子径を、全自動画像処理装置等を用いて2,000〜3,000個程度計測し、これらを算術平均した値を1次粒子径とする方法により得ることができる。 The primary particle size is obtained by taking several fields of powder with an electron microscope and measuring about 2,000 to 3,000 particles in the field using a fully automatic image processor. Can be obtained by a method in which a value obtained by arithmetically averaging is used as a primary particle diameter.
本明細書中、分散度は、JIS K5600に規定された粒ゲージによる分散度評価試験により求められる値である。すなわち、粒のサイズに応じた所望の深さの溝を有する粒ゲージに対して、溝の深い方の先端に十分な量の試料を流し込み,溝から僅かに溢れさせる。次いで、スクレーパーの長辺がゲージの幅方向と平行になり、粒ゲージの溝の深い先端に刃先が接触するように置き、スクレーパーをゲージの表面になるように保持しながら、溝の長辺方向に対して直角に、ゲージの表面を均等な速度で、溝の深さ0まで1〜2秒間かけて引き、引き終わってから3秒以内に20°以上30°以下の角度で光を当てて観察し、粒ゲージの溝に粒が現れる深さを読み取る。 In the present specification, the dispersity is a value determined by a dispersity evaluation test using a grain gauge specified in JIS K5600. That is, a sufficient amount of sample is poured into the deeper end of the groove and slightly overflows from the groove gauge having a groove with a desired depth according to the size of the grain. Next, place the scraper so that the long side of the scraper is parallel to the width direction of the gauge and the cutting edge is in contact with the deep tip of the grain gauge groove, and hold the scraper so that it is on the surface of the gauge. The surface of the gauge is drawn at a uniform speed to the groove depth of 0 to 1 second for 1 to 2 seconds, and light is applied at an angle of 20 ° to 30 ° within 3 seconds after the drawing is finished. Observe and read the depth at which the grain appears in the groove of the grain gauge.
粘度(ηb)及びTI値は、それぞれ以下の方法により求められる値である。まず、E型粘度計を用いて温度25℃、ずり速度2s−1の条件で2分以上測定した後の安定した粘度(ηa)を取得する。次いで、ずり速度を20s−1に変更した他は上記と同様の条件で測定した粘度(ηb)を取得する。上記で得た粘度の値を用いてTI値はTI値=ηa/ηbの式により算出される。ずり速度を2s−1から20s−1へ上昇させる際は、1段階で上昇させてもよいし、上記の範囲で多段的にずり速度を上昇させ、適宜そのずり速度における粘度を取得しながら上昇させてもよい。 The viscosity (ηb) and the TI value are values obtained by the following methods, respectively. First, a stable viscosity (ηa) after measurement for 2 minutes or more under the conditions of a temperature of 25 ° C. and a shear rate of 2 s −1 is obtained using an E-type viscometer. Next, the viscosity (ηb) measured under the same conditions as described above is obtained except that the shear rate is changed to 20 s −1 . Using the viscosity value obtained above, the TI value is calculated by the formula TI value = ηa / ηb. When the shear rate is increased from 2 s −1 to 20 s −1 , it may be increased in one step, or the shear rate is increased in a multistage manner within the above range, and the viscosity is increased while appropriately acquiring the viscosity at the shear rate. You may let them.
[電解液]
本実施形態の電解液は、非水系電解液である。すなわち、この電解液は、後述する非水溶媒を含む。非水系電解液は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上のリチウム塩を含有することが好ましい。すなわち、非水系電解液は、リチウムイオンを電解質として含む。
[Electrolyte]
The electrolyte solution of this embodiment is a non-aqueous electrolyte solution. That is, the electrolytic solution contains a nonaqueous solvent described later. The non-aqueous electrolyte solution preferably contains 0.5 mol / L or more of a lithium salt based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. That is, the non-aqueous electrolyte contains lithium ions as an electrolyte.
[リチウム塩]
非水系電解液は、リチウム塩として、例えば、(LiN(SO2F)2)、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)、LiN(SO2CF3)(SO2C2F4H)、LiC(SO2F)3、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiPF6、LiBF4等を単独で用いることができ、2種以上を混合して用いてもよい。高い伝導度を発現できることから、LiPF6及び/又はLiN(SO2F)2を含むことが好ましい。
非水系電解液中のリチウム塩濃度は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上であることが好ましく、0.5mol/L以上2.0mol/L以下の範囲がより好ましい。リチウム塩濃度が0.5mol/L以上であれば、陰イオンが十分に存在するので蓄電素子の容量を十分高くできる。また、リチウム塩濃度が2.0mol/L以下である場合、未溶解のリチウム塩が非水系電解液中に析出すること、及び電解液の粘度が高くなり過ぎることを防止でき、伝導度が低下せず、出力特性も低下しないため好ましい。
[Lithium salt]
The non-aqueous electrolyte includes lithium salts such as (LiN (SO 2 F) 2 ), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) ( SO 2 C 2 F 5), LiN (SO 2 CF 3) (SO 2 C 2 F 4 H), LiC (SO 2 F) 3, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiC (SO 2 C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 or the like may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. LiPF 6 and / or LiN (SO 2 F) 2 are preferably included because high conductivity can be exhibited.
The lithium salt concentration in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5 mol / L or more, more preferably in the range of 0.5 mol / L to 2.0 mol / L, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte. . If the lithium salt concentration is 0.5 mol / L or more, anions are sufficiently present, so that the capacity of the energy storage device can be sufficiently increased. Further, when the lithium salt concentration is 2.0 mol / L or less, it is possible to prevent undissolved lithium salt from precipitating in the non-aqueous electrolyte and preventing the viscosity of the electrolyte from becoming too high, resulting in a decrease in conductivity. And output characteristics are not deteriorated.
非水系電解液は、該非水系電解液の総量を基準として、0.1mol/L以上1.5mol/L以下の濃度のLiN(SO2F)2を含むことが好ましく、より好ましくは0.3mol/L以上1.2mol/L以下である。LiN(SO2F)2が0.1mol/L以上であれば、電解液のイオン伝導度を高めるとともに、負極界面に電解質被膜が適量堆積し、これにより電解液が分解することによるガスを低減することができる。他方、この値が1.5mol/L以下であれば、充放電の時に電解質塩の析出が起きず、かつ長期間経過後であっても電解液の粘度が増加を引き起こすことがない。 The non-aqueous electrolyte preferably contains LiN (SO 2 F) 2 having a concentration of 0.1 mol / L or more and 1.5 mol / L or less, more preferably 0.3 mol, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte. / L or more and 1.2 mol / L or less. If LiN (SO 2 F) 2 is 0.1 mol / L or more, the ionic conductivity of the electrolyte is increased, and an appropriate amount of electrolyte coating is deposited on the negative electrode interface, thereby reducing gas due to decomposition of the electrolyte. can do. On the other hand, if this value is 1.5 mol / L or less, the electrolyte salt does not precipitate during charging and discharging, and the viscosity of the electrolyte does not increase even after a long period of time.
[非水溶媒]
非水系電解液は、非水溶媒として、好ましくは、環状カーボネートを含有する。非水系電解液が環状カーボネートを含有することは、所望の濃度のリチウム塩を溶解させる点、及び正極活物質層にリチウム化合物を適量堆積させる点で有利である。環状カーボネートとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート等が挙げられる。
環状カーボネートの合計含有量は、非水系電解液の総量基準で、好ましくは15質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。上記合計含有量が15質量%以上であれば、所望の濃度のリチウム塩を溶解させることが可能となり、高いリチウムイオン伝導度を発現することができる。さらに正極活物質層にリチウム化合物を適量堆積させることが可能となり、電解液の酸化分解を抑制することができる。
[Nonaqueous solvent]
The nonaqueous electrolytic solution preferably contains a cyclic carbonate as a nonaqueous solvent. The nonaqueous electrolytic solution containing a cyclic carbonate is advantageous in that a lithium salt having a desired concentration is dissolved and an appropriate amount of a lithium compound is deposited on the positive electrode active material layer. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and fluoroethylene carbonate.
The total content of the cyclic carbonate is preferably 15% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, based on the total amount of the nonaqueous electrolytic solution. When the total content is 15% by mass or more, a lithium salt having a desired concentration can be dissolved, and high lithium ion conductivity can be expressed. Furthermore, an appropriate amount of lithium compound can be deposited on the positive electrode active material layer, and oxidative decomposition of the electrolytic solution can be suppressed.
本実施形態の非水系電解液は、非水溶媒として、好ましくは、鎖状カーボネートを含有する。非水系電解液が鎖状カーボネートを含有することは、高いリチウムイオン伝導度を発現する点で有利である。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等に代表されるジアルキルカーボネート化合物が挙げられる。ジアルキルカーボネート化合物は典型的には非置換である。
鎖状カーボネートの合計含有量は、非水系電解液の総量基準で、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上であり、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下である。上記鎖状カーボネートの含有量が30質量%以上であれば、電解液の低粘度化が可能であり、高いリチウムイオン伝導度を発現することができる。上記合計濃度が95質量%以下であれば、電解液が、後述する添加剤をさらに含有することができる。
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment preferably contains a chain carbonate as a non-aqueous solvent. The nonaqueous electrolytic solution containing chain carbonate is advantageous in that it exhibits high lithium ion conductivity. Examples of the chain carbonate include dialkyl carbonate compounds represented by dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate and the like. The dialkyl carbonate compound is typically unsubstituted.
The total content of the chain carbonate is preferably 30% by mass or more, more preferably 35% by mass or more, preferably 95% by mass or less, more preferably 90% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. is there. If content of the said chain carbonate is 30 mass% or more, the viscosity of electrolyte solution can be lowered | hung and high lithium ion conductivity can be expressed. If the said total concentration is 95 mass% or less, electrolyte solution can further contain the additive mentioned later.
[添加剤]
非水系電解液は、更に添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、特に制限されないが、例えば、スルトン化合物、環状ホスファゼン、非環状含フッ素エーテル、含フッ素環状カーボネート、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、及び環状酸無水物等を単独で用いることができ、また、2種以上を混合して用いてもよい。
[Additive]
The nonaqueous electrolytic solution may further contain an additive. Although it does not restrict | limit especially as an additive, For example, using a sultone compound, cyclic phosphazene, acyclic fluorine-containing ether, a fluorine-containing cyclic carbonate, cyclic carbonate ester, cyclic carboxylate ester, cyclic acid anhydride, etc. independently. In addition, two or more kinds may be mixed and used.
[セパレータ]
正極前駆体及び負極は、セパレータを介して積層又は捲回され、正極前駆体、負極及びセパレータを有する電極積層体または電極捲回体が形成される。
前記セパレータとしては、リチウムイオン二次電池に用いられるポリエチレン製の微多孔膜若しくはポリプロピレン製の微多孔膜、又は電気二重層キャパシタで用いられるセルロース製の不織紙等を用いることができる。これらのセパレータの片面または両面に、有機または無機の微粒子からなる膜が積層されていてもよい。また、セパレータの内部に有機または無機の微粒子が含まれていてもよい。
セパレータの厚みは5μm以上35μm以下が好ましい。5μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、35μm以下の厚みとすることにより、非水系リチウム型蓄電素子の入出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
また、有機または無機の微粒子からなる膜は、1μm以上10μm以下が好ましい。1μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、10μm以下の厚みとすることにより、非水系リチウム型蓄電素子の入出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
[Separator]
The positive electrode precursor and the negative electrode are laminated or wound through a separator, and an electrode laminate or an electrode winding body having the positive electrode precursor, the negative electrode, and the separator is formed.
As the separator, a polyethylene microporous film or a polypropylene microporous film used in a lithium ion secondary battery, a cellulose nonwoven paper used in an electric double layer capacitor, or the like can be used. A film made of organic or inorganic fine particles may be laminated on one side or both sides of these separators. Further, organic or inorganic fine particles may be contained inside the separator.
The thickness of the separator is preferably 5 μm or more and 35 μm or less. A thickness of 5 μm or more is preferable because self-discharge due to internal micro-shorts tends to be small. On the other hand, a thickness of 35 μm or less is preferable because the input / output characteristics of the nonaqueous lithium storage element tend to be high.
The film made of organic or inorganic fine particles is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. A thickness of 1 μm or more is preferable because self-discharge due to internal micro-shorts tends to be small. On the other hand, a thickness of 10 μm or less is preferable because the input / output characteristics of the non-aqueous lithium storage element tend to be high.
[非水系リチウム型蓄電素子]
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子は、後述する電極積層体又は電極捲回体が、前記非水系電解液とともに前記外装体内に収納されて構成される。
[Non-aqueous lithium storage element]
The non-aqueous lithium storage element of this embodiment is configured such that an electrode laminate or an electrode winding body, which will be described later, is housed in the outer package together with the non-aqueous electrolyte.
[組立]
セル組み立て工程で得られる電極積層体は、枚葉の形状にカットした正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層して成る積層体に、正極端子および負極端子を接続したものである。また、電極捲回体は、正極前駆体及び負極を、セパレータを介して捲回してなる捲回体に、正極端子及び負極端子を接続したものである。捲回体の形状としては扁平形状であっても円筒形状であってもよく、扁平形状は、正極前駆体と負極とをセパレータを介して扁平形状に捲回させた電極体であっても、正極前駆体と負極とをセパレータを介して捲回させた後に扁平形状に変形させた電極体であってもよい。
正極端子及び負極端子は、溶接で接合されることが好ましい。電極端子と未塗工部との接合方法としては特に限定はしないが、超音波溶接、スポット溶接及び、抵抗溶接等の方法で行う。
[assembly]
The electrode laminate obtained in the cell assembling step is obtained by connecting a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to a laminate obtained by laminating a positive electrode precursor and a negative electrode cut into a sheet shape via a separator. The electrode winding body is obtained by connecting a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to a winding body obtained by winding a positive electrode precursor and a negative electrode through a separator. The shape of the wound body may be a flat shape or a cylindrical shape, and the flat shape may be an electrode body obtained by winding a positive electrode precursor and a negative electrode into a flat shape via a separator, An electrode body in which the positive electrode precursor and the negative electrode are wound through a separator and then deformed into a flat shape may be used.
The positive terminal and the negative terminal are preferably joined by welding. Although it does not specifically limit as a joining method of an electrode terminal and an uncoated part, It carries out by methods, such as ultrasonic welding, spot welding, and resistance welding.
[負極活物質層の周縁部20%の面積領域及び中心部80%の面積領域]
本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子において、負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも中心部80%の面積領域においてリチウムイオンの濃度が高い。
本明細書では、負極活物質層の中心部x%の面積領域とは、原則として、正極活物質と対向する面積領域内において、負極活物質層が配置された電極を上面視した際、領域を区切る推定線が電極のいずれの端部にも交わることなく閉じられた領域を言うが、領域を区切る推定線が、対向する一対の電極端部と重なる場合には、負極活物質層の中心部x%の面積領域は、連続する電極端部の最大3辺と重なる領域も含むものとする。
例えば、電極積層体が枚葉電極の積層体である場合には、上記定義に従えば、図1に例示するように、負極端部の各4辺からの長さが5%の位置を、負極活物質層(2)の周縁部20%の面積領域(4)として画定することができ、それにより、負極活物質層(2)の中心部80%の面積領域(3)の外周部も定まる。
また、電極積層体が捲回積層体である場合には、図2に例示するように、捲回中心軸に対して垂直方向から投影視した時の電極の長尺方向の長さがx2の位置で捲回積層体を切断し、開放した電極を用いて中心部80%の面積領域(3)、及び周縁部20%の面積領域(4)を画定する。図2に例示するように、切り出された捲回積層体の長尺方向の長さx2は、切り出された捲回積層体を含む非水系リチウム蓄電素子の長尺方向の電極長さと概ね対応する。
本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子では、リチウムイオン濃度と活物質層の厚みには相関がある。リチウムイオン濃度が高い領域においては活物質層にリチウムイオンを多く含むため、活物質が膨張して活物質層が厚くなる。
本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子において、負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも中心部80%の面積領域においてリチウムイオンの濃度が高いことが好ましい。負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも中心部80%の面積領域においてリチウムイオンの濃度が高ければ高負荷充放電サイクルにおける金属リチウムの析出を抑制することができる。
[Area area of peripheral edge 20% and center area 80% of negative electrode active material layer]
In the non-aqueous lithium energy storage device according to this embodiment, the concentration of lithium ions is higher in the area region of 80% of the central part than in the area region of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer.
In this specification, the area area of the central part x% of the negative electrode active material layer is, as a general rule, the area when the electrode on which the negative electrode active material layer is disposed is viewed from the top within the area area facing the positive electrode active material. The estimated line that separates the regions is closed without intersecting any end of the electrode, but when the estimated line that separates the regions overlaps a pair of opposing electrode ends, the center of the negative electrode active material layer The area region of the part x% includes a region overlapping with the maximum three sides of the continuous electrode end.
For example, when the electrode laminate is a laminate of single-wafer electrodes, according to the above definition, as illustrated in FIG. 1, a position where the length from each of the four sides of the negative electrode end is 5%, The negative electrode active material layer (2) can be defined as an area region (4) of the peripheral portion 20%, and thereby the outer peripheral portion of the area region (3) of the central portion 80% of the negative electrode active material layer (2) Determined.
When the electrode laminate is a wound laminate, as illustrated in FIG. 2, the length in the longitudinal direction of the electrode when projected from the direction perpendicular to the winding center axis is x 2. The wound laminated body is cut at the position of, and an area region (3) of the central part 80% and an area region (4) of the peripheral part 20% are defined using the opened electrodes. As illustrated in FIG. 2, the length x 2 in the longitudinal direction of the cut wound laminated body generally corresponds to the electrode length in the longitudinal direction of the nonaqueous lithium storage element including the cut wound laminated body. To do.
In the non-aqueous lithium energy storage device according to this embodiment, there is a correlation between the lithium ion concentration and the thickness of the active material layer. In a region where the lithium ion concentration is high, the active material layer contains a large amount of lithium ions, so that the active material expands and the active material layer becomes thick.
In the non-aqueous lithium storage element according to this embodiment, it is preferable that the concentration of lithium ions is higher in the area region of 80% of the central part than in the area region of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer. If the concentration of lithium ions is higher in the area region of 80% of the central part than the area region of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer, the deposition of metallic lithium in the high load charge / discharge cycle can be suppressed.
[積層体の厚み方向最外層と最内層]
本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子において、図3に例示するように、積層体の厚み方向最外層における負極(5)の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C1o、前記積層体の厚み方向最内層における負極(6)の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C1iとするときC1o/C1iが0.85以上1.15以下である。積層体厚み方向の最外層とは、積層体を形成する負極の中で厚み方向の最外層に積層された負極を意味し、積層体厚み方向の最内層とは、積層体厚み方向中心の負極を意味する。最外層及び最内層の負極が二枚ある場合は、リチウムイオン濃度は二枚の負極の平均値とする。
[Outermost layer and innermost layer in the thickness direction of the laminate]
In the non-aqueous lithium storage element according to this embodiment, as illustrated in FIG. 3, the lithium ion concentration C 1o at the center when the negative electrode active material layer of the negative electrode (5) in the outermost layer in the thickness direction of the stacked body is viewed from above. C 1o / C 1i is 0.85 or more and 1.15 or less when the lithium ion concentration C 1i at the center when the negative electrode active material layer of the negative electrode (6) in the innermost layer in the thickness direction of the laminate is viewed from the top is used. is there. The outermost layer in the thickness direction of the laminate means a negative electrode laminated on the outermost layer in the thickness direction among the negative electrodes forming the laminate, and the innermost layer in the thickness direction of the laminate means a negative electrode at the center in the thickness direction of the laminate Means. If there are two outermost and innermost negative electrodes, the lithium ion concentration is the average value of the two negative electrodes.
[捲回体の外周部と内周部]
本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子において、捲回体の外周部における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C2o、前記捲回体の内周部における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C2iとするときC2o/C2iが0.85以上1.15以下である。図4に示す通り、捲回体の外周部(9)とは捲回体を形成する負極において、正極(8)と対向し、かつ、負極の周縁部を除く中心部の領域において、捲回される最外周1周分の負極活物質層を意味し、捲回体の内周部(7)とは捲回体を形成する負極において、正極(8)と対向しかつ、負極の周縁部を除く中心部の領域において、捲回される最内周1周分の負極活物質層を意味する。
[Outer perimeter and inner perimeter of wound body]
In the non-aqueous lithium energy storage device according to the present embodiment, the central lithium ion concentration C 2o when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the outer peripheral part of the wound body is viewed from above, the negative electrode in the inner peripheral part of the wound body C 2o / C 2i when the lithium ion concentration C 2i center when the negative electrode active material layer was viewed is 0.85 to 1.15. As shown in FIG. 4, in the negative electrode forming the wound body, the outer peripheral portion (9) of the wound body is opposed to the positive electrode (8) and is wound in the central region excluding the peripheral edge of the negative electrode. Means the negative electrode active material layer for one round of the outermost circumference, and the inner peripheral part (7) of the wound body is the negative electrode forming the wound body, facing the positive electrode (8), and the peripheral part of the negative electrode In the region of the central part excluding, it means a negative electrode active material layer for one innermost circumference that is wound.
本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子において、積層体の厚み方向最外層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C1o、前記積層体の厚み方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C1iとするとき、そして捲回体の外周部における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C2o、前記捲回体の内周部における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度C2iとするとき、C1o/C1iとC2o/C2iは、ともに、0.85以上1.15以下であることが好ましい。C1o/C1iとC2o/C2iが0.85以上1.15以下であれば、負極の面内における電位のバラツキが小さくなり、電解液との反応によるガス発生が抑えられ、非水系リチウム蓄電素子を長期充放電試験した場合に抵抗の上昇を抑制することができる。C1o/C1iとC2o/C2iはより好ましくは0.90以上1.10以下である。 In the non-aqueous lithium storage element according to this embodiment, the lithium ion concentration C 1o at the center when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the thickness direction outermost layer of the laminate is viewed from above, the negative electrode in the thickness direction innermost layer of the laminate negative active when the material layer and the lithium ion concentration C 1i center when viewed from the top, and wound lithium ion concentration in the center when the anode active material layer of the negative electrode in an outer peripheral portion viewed from above the body C 2o of C 1o / C 1i and C 2o / C 2i are both 0.85 when the central lithium ion concentration C 2i when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the inner peripheral portion of the wound body is viewed from the top. It is preferable that it is 1.15 or more. If C 1o / C 1i and C 2o / C 2i are not less than 0.85 and not more than 1.15, the variation in potential in the negative electrode surface is reduced, and gas generation due to reaction with the electrolyte is suppressed. When a lithium storage element is subjected to a long-term charge / discharge test, an increase in resistance can be suppressed. C 1o / C 1i and C 2o / C 2i are more preferably 0.90 or more and 1.10 or less.
前記積層体の厚み方向最外層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心の負極活物質層の厚みをT1o、前記積層体の厚み方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心の負極活物質層の厚みをT1iとするとき、T1o/T1iが0.85以上1.15以下であることが好ましい。
また、前記捲回体の正極と対向し、かつ、周縁部を除く半径方向最外周の負極の負極活物質層を上面視した際の中心の厚みをT2o、前記捲回体の正極と対向しかつ周縁部を除く半径方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心の厚みをT2iとするとき、T2o/T2iが0.85以上1.15以下であることが好ましい。
T1o/T1iとT2o/T2iがそれぞれ0.85以上1.15以下であることにより、負極の面内における電位のバラツキが小さくなり、電解液との反応によるガス発生が抑えられ、非水系リチウム蓄電素子を長期充放電試験した場合に抵抗の上昇を抑制することができる。T1o/T1iとT2o/T2iはより好ましくは0.90以上1.10以下である。
T 1o is the thickness of the negative electrode active material layer at the center when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the outermost layer in the thickness direction of the laminate is viewed from above, and the negative electrode active material layer of the negative electrode in the innermost layer in the thickness direction of the laminate is the upper surface When the thickness of the negative electrode active material layer at the center when viewed is T 1i , T 1o / T 1i is preferably 0.85 or more and 1.15 or less.
Further, the thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode at the outermost radial direction excluding the peripheral portion is opposed to the positive electrode of the wound body, and the center thickness when viewed from above is T 2o , and opposed to the positive electrode of the wound body And T 2o / T 2i is 0.85 or more and 1.15 or less, when T 2i is the thickness of the center of the negative electrode active material layer of the negative electrode in the radially innermost layer excluding the peripheral portion when viewed from above. Is preferred.
When T 1o / T 1i and T 2o / T 2i are each 0.85 or more and 1.15 or less, variation in potential in the surface of the negative electrode is reduced, and gas generation due to reaction with the electrolyte is suppressed, When a non-aqueous lithium storage element is subjected to a long-term charge / discharge test, an increase in resistance can be suppressed. T 1o / T 1i and T 2o / T 2i are more preferably 0.90 or more and 1.10 or less.
[外装体]
外装体としては、金属缶、ラミネート包材等を使用できる。
金属缶としては、特に限定されず、例えばアルミニウム、鉄などの金属材料を用いることができるが、得られる捲回型を軽量化するという観点から、アルミニウムが好ましい。
ラミネート包材としては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内装樹脂フィルムから成る3層構成のものが例示される。外層樹脂フィルムは、接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内装樹脂フィルムは、内部に収納する非水系電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変成ポリオレフィン等が好適に使用できる。
[Exterior body]
As the exterior body, a metal can, a laminate packaging material, or the like can be used.
The metal can is not particularly limited. For example, a metal material such as aluminum or iron can be used, but aluminum is preferable from the viewpoint of reducing the weight of the obtained wound mold.
The laminate packaging material is preferably a film in which a metal foil and a resin film are laminated, and an example of a three-layer structure comprising an outer layer resin film / metal foil / interior resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact or the like, and a resin such as nylon or polyester can be suitably used. The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and foils of copper, aluminum, stainless steel and the like can be suitably used. The interior resin film protects the metal foil from the non-aqueous electrolyte contained therein and melts and seals the exterior body during heat sealing. Polyolefin, acid-modified polyolefin, and the like can be suitably used.
[外装体への収納]
乾燥した電極積層体又は電極捲回体は、金属缶やラミネート包材に代表される外装体の中に収納し、開口部を1方だけ残した状態で封止することが好ましい。外装体の封止方法は特に限定しないが、ラミネート包材を用いる場合は、ヒートシールやインパルスシールなどの方法を用いる。
[Storage in exterior body]
The dried electrode laminate or electrode winding body is preferably housed in an exterior body typified by a metal can or laminate packaging material, and sealed with only one opening left. Although the sealing method of an exterior body is not specifically limited, When using a laminate packaging material, methods, such as a heat seal and an impulse seal, are used.
[乾燥]
外装体へ収納した電極積層体又は電極捲回体は、乾燥することで残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法に限定はないが、真空乾燥などにより乾燥する。残存溶媒は、正極活物質層又は負極活物質層の質量あたり、1.5質量%以下が好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性やサイクル特性を悪化させるため、好ましくない。
[Dry]
It is preferable to remove the residual solvent by drying the electrode laminate or the electrode winding body housed in the outer package. Although there is no limitation in the drying method, it dries by vacuum drying etc. The residual solvent is preferably 1.5% by mass or less per mass of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. If the residual solvent is more than 1.5% by mass, the solvent remains in the system and the self-discharge characteristics and cycle characteristics are deteriorated, which is not preferable.
[注液、含浸、封止工程]
組立工程の終了後に、外装体の中に収納された電極積層体又は電極捲回体に、非水系電解液を注液する。注液工程の終了後に、更に、含浸を行い、正極、負極、及びセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、及びセパレータのうちの少なくとも一部に非水系電解液が浸っていない状態では、後述するリチウムドープ工程において、ドープが不均一に進むため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。上記含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極積層体又は電極捲回体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸工程終了後には、外装体が開口した状態の電極積層体又は電極捲回体を減圧しながら封止することで密閉する。
[Liquid injection, impregnation, sealing process]
After the assembly process is completed, a non-aqueous electrolyte solution is injected into the electrode laminate or the electrode winding body housed in the exterior body. After completion of the liquid injection step, it is desirable to further impregnate and sufficiently immerse the positive electrode, the negative electrode, and the separator with a non-aqueous electrolyte. In a state where the non-aqueous electrolyte solution is not immersed in at least a part of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, dope proceeds non-uniformly in the lithium doping step described later, and thus the resistance of the obtained non-aqueous lithium storage element is It rises or the durability decreases. The impregnation method is not particularly limited. For example, the electrode laminate or the electrode winding body after injection is placed in a vacuum chamber with the exterior body opened, and the inside of the chamber is filled with a vacuum pump. A method of returning to atmospheric pressure again after reducing the pressure can be used. After completion of the impregnation step, the electrode laminate or electrode winding body with the exterior body opened is sealed by being reduced in pressure.
[リチウムドープ工程]
リチウムドープ工程において、好ましい工程としては、前記正極前駆体と負極との間に電圧を印加して前記リチウム化合物を分解することにより、正極前駆体中のリチウム化合物を分解してリチウムイオンを放出し、負極でリチウムイオンを還元することにより負極活物質層にリオチウムイオンがプレドープされる。
このリチウムドープ工程において、正極前駆体中のリチウム化合物の酸化分解に伴い、CO2等のガスが発生する。そのため、電圧を印加する際には、発生したガスを外装体の外部に放出する手段を講ずることが好ましい。この手段としては、例えば、外装体の一部を開口させた状態で電圧を印加する方法;前記外装体の一部に予めガス抜き弁、ガス透過フィルム等の適宜のガス放出手段を設置した状態で電圧を印加する方法;等を挙げることができる。
[Lithium doping process]
In the lithium doping step, as a preferable step, a voltage is applied between the positive electrode precursor and the negative electrode to decompose the lithium compound, thereby decomposing the lithium compound in the positive electrode precursor and releasing lithium ions. The anode active material layer is pre-doped with riotium ions by reducing lithium ions at the anode.
In this lithium doping step, a gas such as CO 2 is generated with the oxidative decomposition of the lithium compound in the positive electrode precursor. Therefore, when applying a voltage, it is preferable to provide a means for releasing the generated gas to the outside of the exterior body. As this means, for example, a method of applying a voltage in a state in which a part of the exterior body is opened; a state in which an appropriate gas releasing means such as a gas vent valve or a gas permeable film is previously installed in a part of the exterior body And a method of applying a voltage;
[エージング工程]
リチウムドープ工程の終了後に、電極積層体又は電極捲回体にエージングを行うことが好ましい。エージング工程において非水系電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にリチウムイオン透過性の固体高分子被膜が形成される。
上記エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば、高温環境下で非水系電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。
[Aging process]
After completion of the lithium doping step, it is preferable to perform aging on the electrode laminate or the electrode winding body. In the aging process, the solvent in the nonaqueous electrolytic solution is decomposed at the negative electrode, and a lithium ion permeable solid polymer film is formed on the negative electrode surface.
Although it does not restrict | limit especially as a method of the said aging, For example, the method of making the solvent in a non-aqueous electrolyte solution react in a high temperature environment etc. can be used.
[ガス抜き工程]
エージング工程の終了後に、更にガス抜きを行い、非水系電解液、正極、及び負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。非水系電解液、正極、及び負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。
上記ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、前記外装体を開口した状態で電極積層体又は電極捲回体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。
[Degassing process]
After the aging step is completed, it is preferable to further degas and reliably remove the gas remaining in the non-aqueous electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode. When gas remains in at least a part of the non-aqueous electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode, ion conduction is inhibited, and thus the resistance of the obtained non-aqueous lithium storage element increases.
The degassing method is not particularly limited. For example, the electrode laminate or the electrode winding body is placed in a decompression chamber with the exterior body opened, and the inside of the chamber is decompressed using a vacuum pump. A method or the like can be used.
[非水系リチウム型蓄電素子の特性評価]
[静電容量]
静電容量F(F)とは、以下の方法によって得られる値であった。
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、次いで、3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行う。その後、2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQとする。ここで得られたQを用いて、F=Q/(3.8−2.2)により算出される値をいう。
[Characteristic evaluation of non-aqueous lithium storage element]
[Capacitance]
The capacitance F (F) was a value obtained by the following method.
First, constant-current charging is performed in a thermostatic chamber in which the cell corresponding to the nonaqueous lithium storage element is set to 25 ° C. until reaching 3.8 V at a current value of 20 C, and then a constant voltage of 3.8 V is applied. The applied constant voltage charge is performed for a total of 30 minutes. Thereafter, Q is the capacity when constant current discharge is performed at a current value of 2 C up to 2.2 V. A value calculated by F = Q / (3.8−2.2) is used by using Q obtained here.
[常温放電内部抵抗]
常温放電内部抵抗Ra(Ω)とは、以下の方法によって得られる値であった。
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。次いで、20Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を行って、放電カーブ(時間−電圧)を得る。この放電カーブにおいて、放電時間2秒及び4秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとしたときに、降下電圧ΔE=3.8−Eo、及びRa=ΔE/(20C(電流値A))により算出される値である。
[Normal discharge internal resistance]
The room temperature discharge internal resistance Ra (Ω) was a value obtained by the following method.
First, in a thermostatic chamber set at 25 ° C. with a cell corresponding to a non-aqueous lithium storage element, constant current charging is performed until a current value of 20 C reaches 3.8 V, and then a constant voltage of 3.8 V is applied. The constant voltage charging is performed for a total of 30 minutes. Next, a constant current discharge is performed up to 2.2 V at a current value of 20 C to obtain a discharge curve (time-voltage). In this discharge curve, when the voltage at the discharge time = 0 second obtained by extrapolating from the voltage values at the time of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds by linear approximation is Eo, the drop voltage ΔE = 3.8− Eo and Ra = ΔE / (20C (current value A)).
[高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率]
高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率は、以下の方法によって測定した。
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う。前記充放電工程を60000回繰り返し、試験開始前と、試験終了後に常温放電内部抵抗測定を行い、試験開始前の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、試験終了後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)としたとき、試験開始前に対する高負荷充放電サイクル試験後の抵抗上昇率はRe/Raにより算出される。
[Rate of increase in internal resistance at room temperature after high load charge / discharge cycle test]
The room temperature discharge internal resistance increase rate after the high load charge / discharge cycle test was measured by the following method.
First, constant-current charging is performed in a thermostatic chamber set to 25 ° C. with a non-aqueous lithium storage element and a cell corresponding to a current value of 300 C until reaching 3.8 V, and then a current value of 300 C is 2.2 V. The constant current discharge is performed until it reaches. The charge / discharge process is repeated 60000 times, and room temperature discharge internal resistance is measured before and after the start of the test. The room temperature discharge internal resistance before the start of the test is Ra (Ω), and the room temperature discharge internal resistance after the end of the test is Re ( Ω), the rate of increase in resistance after the high load charge / discharge cycle test before the start of the test is calculated by Re / Ra.
[高負荷充放電サイクル試験後の容量回復率]
高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、以下の方法によって測定した。
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う。前記充放電工程を60000回繰り返し、その後20Cの電流値で電圧4.5Vに到達後、定電圧で1時間充電する。その後、前記静電容量と同様の測定方法を用いて得られる容量値を高負荷充放電サイクル試験後の静電容量Feとしたとき、容量値を高負荷充放電サイクル試験開始前の静電容量Fに対する高負荷充放電サイクル試験後の容量回復率はFe/Fにより算出される。
[Capacity recovery rate after high-load charge / discharge cycle test]
The capacity retention rate after the high load charge / discharge cycle test was measured by the following method.
First, constant-current charging is performed in a thermostatic chamber set to 25 ° C. with a non-aqueous lithium storage element and a cell corresponding to a current value of 300 C until reaching 3.8 V, and then a current value of 300 C is 2.2 V. The constant current discharge is performed until it reaches. The charging / discharging process is repeated 60000 times, and after reaching a voltage of 4.5 V at a current value of 20 C, charging is performed at a constant voltage for 1 hour. Then, when the capacitance value obtained using the same measurement method as the capacitance is defined as the capacitance Fe after the high load charge / discharge cycle test, the capacitance value is the capacitance before the start of the high load charge / discharge cycle test. The capacity recovery rate after the high load charge / discharge cycle test for F is calculated by Fe / F.
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子は、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、環境温度25℃にて、セル電圧を2.2Vから3.8Vまで、300Cのレートでの充放電サイクルを60,000回行った後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)、サイクル試験後の蓄電素子を4.5Vの定電圧充電を1時間行った後の静電容量をFe(F)としたとき、以下の:
(a)Re/Raが0.9以上2.0以下である;及び
(b)Fe/Fが1.01以上である;
を同時に満たすことが好ましい。
上記(a)について、高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率Re/Raは、2.0以下であることが好ましく、より好ましくは1.5以下であり、更に好ましくは1.2以下である。高負荷充放電サイクル試験後の抵抗上昇率が上記の上限値以下であれば、充放電を繰り返してもデバイスの特性が維持される。そのため、長期間安定して優れた出力特性を得ることができ、デバイスの長寿命化につながる。
The non-aqueous lithium storage element of this embodiment has an initial room temperature discharge internal resistance of Ra (Ω), a capacitance of F (F), an ambient temperature of 25 ° C., and a cell voltage of 2.2 V to 3.8 V. Until the room temperature discharge internal resistance after performing 60,000 charge / discharge cycles at a rate of 300 C is Re (Ω), and the storage element after the cycle test is charged with a constant voltage of 4.5 V for 1 hour. When the capacitance is Fe (F), the following:
(A) Re / Ra is 0.9 or more and 2.0 or less; and (b) Fe / F is 1.01 or more;
Are preferably satisfied simultaneously.
With regard to (a), the room temperature discharge internal resistance increase rate Re / Ra after the high load charge / discharge cycle test is preferably 2.0 or less, more preferably 1.5 or less, still more preferably 1. 2 or less. If the rate of increase in resistance after the high-load charge / discharge cycle test is not more than the above upper limit value, the characteristics of the device are maintained even after repeated charge / discharge. Therefore, excellent output characteristics can be obtained stably for a long period of time, leading to a longer life of the device.
(b)について、Fe/Fが1.01以上であれば、長期間充放電を行った蓄電素子でも十分な容量のエネルギーを取り出すことができるため、蓄電素子の交換サイクルを延ばすことができるため好ましい。 Regarding (b), if Fe / F is 1.01 or more, a sufficient capacity of energy can be taken out even with a storage element that has been charged and discharged for a long period of time, so that the replacement cycle of the storage element can be extended. preferable.
以下、本発明を実施例及び比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[炭酸リチウムの粉砕]
平均粒子径51μmの炭酸リチウム200gを、アイメックス社製の粉砕機(液体窒素ビーズミルLNM)を用い、液体窒素で−196℃に冷却化した後、ドライアイスビーズを用い、周速10.0m/sにて9分間粉砕した。−196℃で熱変性を防止し、脆性破壊することにより得られた炭酸リチウムについて平均粒子径を測定することで仕込みの炭酸リチウム粒子径を求めたところ、2.5μmであった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited to these.
[Crushing lithium carbonate]
200 g of lithium carbonate having an average particle diameter of 51 μm was cooled to −196 ° C. with liquid nitrogen using a crusher (liquid nitrogen bead mill LNM) manufactured by Imex Co., Ltd., and peripheral speed was 10.0 m / s using dry ice beads. For 9 minutes. The lithium carbonate particle diameter obtained by measuring the average particle diameter of lithium carbonate obtained by preventing thermal denaturation at −196 ° C. and brittle fracture was 2.5 μm.
[正極活物質の調製]
[活性炭1の調製]
破砕されたヤシ殻炭化物を、小型炭化炉において窒素中、500℃において3時間炭化処理して炭化物を得た。得られた炭化物を賦活炉内へ入れ、1kg/hの水蒸気を予熱炉で加温した状態で前記賦活炉内へ導入し、900℃まで8時間かけて昇温して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、窒素雰囲気下で冷却して、賦活された活性炭を得た。得られた活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りした。その後、115℃に保持された電気乾燥機内で10時間乾燥した後に、ボールミルで1時間粉砕を行うことにより、活性炭1を得た。
この活性炭1について、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて平均粒子径を測定した結果、4.1μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が2360m2/g、メソ孔量(V1)が0.52cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.88cc/g、V1/V2=0.59であった。
[Preparation of positive electrode active material]
[Preparation of activated carbon 1]
The crushed coconut shell carbide was carbonized in a small carbonization furnace in nitrogen at 500 ° C. for 3 hours to obtain a carbide. The obtained carbide was put into an activation furnace, 1 kg / h of steam was heated in the preheating furnace and introduced into the activation furnace, and the temperature was raised to 900 ° C. over 8 hours for activation. The activated carbide was taken out and cooled in a nitrogen atmosphere to obtain activated activated carbon. The obtained activated carbon was washed with water for 10 hours and then drained. Then, after drying for 10 hours in an electric dryer maintained at 115 ° C., the activated carbon 1 was obtained by pulverizing for 1 hour using a ball mill.
It was 4.1 micrometers as a result of measuring the average particle diameter about this activated carbon 1 using the Shimadzu Corporation laser diffraction type particle size distribution analyzer (SALD-2000J). Moreover, the pore distribution was measured using the pore distribution measuring apparatus (AUTOSORB-1 AS-1-MP) made from Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 2360 m 2 / g, the mesopore volume (V1) was 0.52 cc / g, the micropore volume (V2) was 0.88 cc / g, and V1 / V2 = 0.59.
[活性炭2の調製]
フェノール樹脂について、窒素雰囲気下、焼成炉中600℃において2時間の炭化処理を行った後、ボールミルにて粉砕し、分級を行って平均粒子径7.0μmの炭化物を得た。この炭化物とKOHとを、質量比1:5で混合し、窒素雰囲下、焼成炉中800℃において1時間加熱して賦活化を行った。その後濃度2mol/Lに調整した希塩酸中で1時間撹拌洗浄を行った後、蒸留水でpH5〜6の間で安定するまで煮沸洗浄した後に乾燥を行うことにより、活性炭2を得た。
この活性炭2について、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて平均粒子径を測定した結果、7.1μmであった。ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が3627m2/g、メソ孔量(V1)が1.50cc/g、マイクロ孔量(V2)が2.28cc/g、V1/V2=0.66であった。
[Preparation of activated carbon 2]
The phenol resin was carbonized in a firing furnace at 600 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, then pulverized with a ball mill and classified to obtain a carbide having an average particle size of 7.0 μm. This carbide and KOH were mixed at a mass ratio of 1: 5, and activated by heating in a firing furnace at 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the mixture was washed with stirring in dilute hydrochloric acid adjusted to a concentration of 2 mol / L for 1 hour, then boiled and washed with distilled water until it was stabilized at
The activated
[正極塗工液の調製]
正極活物質として上記で得た活性炭1又は2を、仕込みのリチウム化合物として上記で得た炭酸リチウムを用いて下記方法で正極塗工液を製造した。
活性炭1又は2を59.5質量部、炭酸リチウムを28.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17.0m/sの条件で分散して塗工液を得た。
得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE−35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,700mPa・s、TI値は3.5であった。また、得られた塗工液の分散度をヨシミツ精機社製の粒ゲージを用いて測定した。その結果、粒度は35μmであった。
[Preparation of cathode coating solution]
Using the activated
59.5 parts by mass of activated
The viscosity (ηb) and TI value of the obtained coating solution were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,700 mPa · s, and the TI value was 3.5. Moreover, the dispersion degree of the obtained coating liquid was measured using the grain gauge made from Yoshimitsu Seiki. As a result, the particle size was 35 μm.
[正極前駆体の調製]
上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚み15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度100℃で乾燥して正極前駆体を得た。得られた正極前駆体についてロールプレス機を用いて圧力4kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスを実施した。上記で得られた正極前駆体の正極活物質層の膜厚を小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS−551を用いて、正極前駆体の任意の10か所で測定した厚さの平均値から、アルミニウム箔の厚さを引いて求めた。その結果、正極活物質層の膜厚は片面あたり61μmであった。
[Preparation of positive electrode precursor]
The above coating solution is applied on one or both sides of an aluminum foil having a thickness of 15 μm using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. at a coating speed of 1 m / s, and dried at a drying temperature of 100 ° C. to obtain a positive electrode precursor. Obtained. The obtained positive electrode precursor was pressed using a roll press machine under the conditions of a pressure of 4 kN / cm and a surface temperature of the press part of 25 ° C. The average thickness of the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor obtained above was measured at any 10 locations of the positive electrode precursor using a thickness gauge Linear Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. The value was obtained by subtracting the thickness of the aluminum foil from the value. As a result, the film thickness of the positive electrode active material layer was 61 μm per side.
[負極の調製]
平均粒子径3.0μm、BET比表面積が1,780m2/gの市販のヤシ殻活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)270gを入れたステンレス製バットの上に置き、両者を電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行うことにより、複合炭素材料を得た。この熱処理は窒素雰囲気下で行い、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持する方法によった。続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、複合炭素材料1を炉から取り出した。
得られた複合炭素材料について、上記と同様の方法で平均粒子径及びBET比表面積を測定した。その結果、平均粒子径は3.2μm、BET比表面積は262m2/gであった。石炭系ピッチ由来の炭素質材料の活性炭に対する質量比率は78%であった。
[Preparation of negative electrode]
150 g of commercially available coconut shell activated carbon having an average particle size of 3.0 μm and a BET specific surface area of 1,780 m 2 / g is placed in a stainless steel mesh basket and 270 g of a coal-based pitch (softening point: 50 ° C.) The composite carbon material was obtained by placing on a bat and placing both in an electric furnace (effective size in the furnace 300 mm × 300 mm × 300 mm) and performing a thermal reaction. This heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere, and the temperature was raised to 600 ° C. in 8 hours and kept at the same temperature for 4 hours. Then, after cooling to 60 degreeC by natural cooling, the composite carbon material 1 was taken out from the furnace.
About the obtained composite carbon material, the average particle diameter and the BET specific surface area were measured by the method similar to the above. As a result, the average particle size was 3.2 μm, and the BET specific surface area was 262 m 2 / g. The mass ratio of carbonaceous material derived from coal-based pitch to activated carbon was 78%.
次いで、複合炭素材料を負極活物質として用いて負極を製造した。
複合炭素材料を85質量部、アセチレンブラックを10質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速15m/sの条件で分散して塗工液を得た。得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE−35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,789mPa・s、TI値は4.3であった。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ10μmの電解銅箔の両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度85℃で乾燥して負極を得た。得られた負極についてロールプレス機を用いて圧力4kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスを実施した。上記で得られた負極の負極活物質層の膜厚を小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS−551を用いて、負極の任意の10か所で測定した厚さの平均値から、銅箔の厚さを引いて求めた。その結果、負極の負極活物質層の膜厚は片面あたり40μmであった。
Next, a negative electrode was manufactured using the composite carbon material as a negative electrode active material.
85 parts by mass of composite carbon material, 10 parts by mass of acetylene black, 5 parts by mass of PVdF (polyvinylidene fluoride), and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed, and this is mixed with a thin film swirl type high speed mixer manufactured by PRIMIX Using a fill mix, the coating liquid was obtained by dispersing under conditions of a peripheral speed of 15 m / s. The viscosity (ηb) and TI value of the obtained coating solution were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,789 mPa · s, and the TI value was 4.3. The above coating solution was applied to both sides of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. at a coating speed of 1 m / s, and dried at a drying temperature of 85 ° C. to obtain a negative electrode. . The obtained negative electrode was pressed using a roll press machine under conditions of a pressure of 4 kN / cm and a surface temperature of the pressed part of 25 ° C. The thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode obtained above was measured from the average value of the thickness measured at any 10 locations on the negative electrode using a thickness gauge Linear Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. Obtained by subtracting the thickness of the foil. As a result, the film thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode was 40 μm per side.
[電解液の調製]
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):メチルエチルカーボネート(MEC)=33:67(体積比)の混合溶媒を用い、全電解液に対してLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度比が75:25(モル比)であり、かつLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度の和が1.2mol/Lとなるようにそれぞれの電解質塩を溶解して得た溶液を非水系電解液として使用した。
ここで調製した電解液におけるLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度は、それぞれ、0.3mol/L及び0.9mol/Lであった。
[Preparation of electrolyte]
As an organic solvent, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC): methyl ethyl carbonate (MEC) = 33: 67 (volume ratio) is used, and the concentration ratio of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 is relative to the total electrolyte. A solution obtained by dissolving each electrolyte salt so that the sum of the concentrations of 75:25 (molar ratio) and LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 is 1.2 mol / L is non-aqueous electrolysis. Used as a liquid.
The concentrations of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 in the electrolytic solution prepared here were 0.3 mol / L and 0.9 mol / L, respectively.
[実施例1]
[非水系リチウム型蓄電素子の調製]
[組立工程]
得られた両面負極と両面正極前駆体を10cm×10cm(100cm2)にカットした。最上面と最下面は片面正極前駆体を用い、更に両面負極を21枚と両面正極前駆体を20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟んで積層した。その後、負極と正極前駆体とに、それぞれ、負極端子と正極端子を超音波溶接にて接続して電極積層体とした。この電極積層体を、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した。乾燥した電極積層体を露点−45℃のドライ環境下にて、アルミラミネート包材からなる外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、シール圧1.0MPaの条件でヒートシールした。
[Example 1]
[Preparation of non-aqueous lithium storage element]
[Assembly process]
The obtained double-sided negative electrode and double-sided positive electrode precursor were cut into 10 cm × 10 cm (100 cm 2 ). The uppermost and lowermost surfaces use a single-sided positive electrode precursor, 21 double-sided negative electrodes and 20 double-sided positive electrode precursors, and a microporous membrane separator having a thickness of 15 μm is sandwiched between the negative electrode and the positive electrode precursor. Laminated. Thereafter, the negative electrode terminal and the positive electrode terminal were connected to the negative electrode and the positive electrode precursor, respectively, by ultrasonic welding to obtain an electrode laminate. This electrode laminate was vacuum-dried under the conditions of a temperature of 80 ° C., a pressure of 50 Pa, and a drying time of 60 hours. The dried electrode laminate is housed in an outer package made of an aluminum laminate packaging material in a dry environment with a dew point of -45 ° C. Heat sealing was performed under conditions of a sealing pressure of 1.0 MPa.
[注液、含浸、封止工程]
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、温度25℃、露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液約80gを大気圧下で注入した。続いて、減圧チャンバーの中に前記非水系リチウム型蓄電素子を入れ、常圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、常圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、15分間静置した。さらに、常圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(それぞれ、−95,96,97,81,97,97,97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液を電極積層体に含浸させた。
その後、非水系リチウム型蓄電素子を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
[Liquid injection, impregnation, sealing process]
About 80 g of the non-aqueous electrolyte solution was injected into the electrode laminate housed in the aluminum laminate packaging material in a dry air environment at a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. or less under atmospheric pressure. Subsequently, the non-aqueous lithium storage element was placed in a vacuum chamber, and the pressure was reduced from normal pressure to -87 kPa, and then returned to atmospheric pressure and allowed to stand for 5 minutes. Then, after reducing the pressure from normal pressure to -87 kPa, the process of returning to atmospheric pressure was repeated 4 times, and then allowed to stand for 15 minutes. Furthermore, after reducing the pressure from normal pressure to -91 kPa, the pressure was returned to atmospheric pressure. Similarly, the process of reducing the pressure and returning to atmospheric pressure was repeated a total of 7 times (reduced pressure to -95, 96, 97, 81, 97, 97, and 97 kPa, respectively). Through the above steps, the electrode laminate was impregnated with the non-aqueous electrolyte solution.
Then, the aluminum laminate packaging material was sealed by putting the non-aqueous lithium storage element into a vacuum sealing machine and sealing at 180 ° C. for 10 seconds with a pressure of 0.1 MPa in a state where the pressure was reduced to −95 kPa.
[リチウムドープ工程]
得られた非水系リチウム型蓄電素子に対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、25℃環境下、電流値50mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を72時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
[Lithium doping process]
Using the charge / discharge device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd., the obtained non-aqueous lithium storage element was charged at a constant current until reaching a voltage of 4.5 V at a current value of 50 mA in a 25 ° C. environment. Then, initial charging was performed by a technique of continuing 4.5 V constant voltage charging for 72 hours, and lithium doping was performed on the negative electrode.
[エージング工程]
リチウムドープ後の非水系リチウム型蓄電素子を25℃環境下、1.0Aで電圧3.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、3.0V定電流放電を1時間行うことにより電圧を3.0Vに調整した。その後、非水系リチウム型蓄電素子を60℃の恒温槽に60時間保管した。
[Aging process]
The non-aqueous lithium storage element after lithium doping was subjected to constant current discharge at 1.0 A until reaching a voltage of 3.0 V in a 25 ° C. environment, and then subjected to 3.0 V constant current discharge for 1 hour. Adjusted to 3.0V. Thereafter, the non-aqueous lithium storage element was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 60 hours.
[ガス抜き工程]
エージング後の非水系リチウム型蓄電素子を、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。次いで、減圧チャンバーの中に前記非水系リチウム型蓄電素子を入れ、KNF社製のダイヤフラムポンプ(N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機に非水系リチウム型蓄電素子を入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
以上の工程により、非水系リチウム型蓄電素子が完成した。
[Degassing process]
A part of the aluminum laminate packaging material was unsealed in a dry air environment with a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. of the non-aqueous lithium storage element after aging. Next, the non-aqueous lithium storage element was placed in a vacuum chamber, and the pressure was reduced from atmospheric pressure to −80 kPa over 3 minutes using a diaphragm pump (N816.3KT.45.18) manufactured by KNF. The process of returning to atmospheric pressure over a period of time was repeated a total of 3 times. Then, after putting a non-aqueous lithium-type electrical storage element in a pressure reduction sealing machine and reducing the pressure to −90 kPa, the aluminum laminate packaging material was sealed by sealing at 200 ° C. for 10 seconds with a pressure of 0.1 MPa.
The non-aqueous lithium storage element was completed through the above steps.
[蓄電素子の評価]
[静電容量の測定]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、次いで、3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行った。2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQとし、F=Q/(3.8−2.2)により算出した静電容量Fは、1000Fであった。
[Evaluation of storage element]
[Capacitance measurement]
Using the charge / discharge device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Co., Ltd. in a thermostatic chamber set at 25 ° C., the obtained electricity storage device was fixed until it reached 3.8V at a current value of 20C. Current charging was performed, and then constant voltage charging in which a constant voltage of 3.8 V was applied was performed for a total of 30 minutes. Capacitance F calculated by F = Q / (3.8−2.2) was 1000 F, where Q was the capacity when constant current discharge was performed at a current value of 2 C up to 2.2 V.
[Raの算出]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、次いで、3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行い、次いで、20Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を行って、放電カーブ(時間−電圧)を得た。この放電カーブにおいて、放電時間2秒及び4秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとし、降下電圧ΔE=3.8−Eo、及びR=ΔE/(20C(電流値A))により常温放電内部抵抗Raを算出した常温放電内部抵抗Raは2.01mΩであった。
[Calculation of Ra]
Using the charge / discharge device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Co., Ltd. in a thermostatic chamber set at 25 ° C., the obtained electricity storage element was fixed until it reached 3.8V at a current value of 20C. Current charging, then constant voltage charging to apply a constant voltage of 3.8V for a total of 30 minutes, then constant current discharging to 2.2V with a current value of 20C, discharge curve (time-voltage) Got. In this discharge curve, the voltage at the discharge time = 0 seconds obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds by linear approximation is Eo, and the drop voltage ΔE = 3.8−Eo, and The room temperature discharge internal resistance Ra calculated by R = ΔE / (20C (current value A)) was 2.01 mΩ.
[高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う充放電工程を60000回繰り返した。高負荷充放電サイクル試験後に前記[Ra・Fの算出]と同様にして高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗Reを算出した。このRe(Ω)を、前記[Ra・Fの算出]で求めた高負荷充放電サイクル試験前の内部抵抗Ra(Ω)で除して算出した比Re/Raは1.24であった。
[Rate of increase in internal resistance at room temperature after high load charge / discharge cycle test]
Using the charge / discharge device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Co., Ltd. in a thermostatic chamber set at 25 ° C., the obtained electricity storage element was fixed until it reached 3.8V at a current value of 300C. The charging / discharging process which carries out an electric current charge and performs constant current discharge until it reaches to 2.2V with the electric current value of 300C was repeated 60000 times. After the high load charge / discharge cycle test, the room temperature discharge internal resistance Re after the high load charge / discharge cycle test was calculated in the same manner as in [Calculation of Ra · F]. The ratio Re / Ra calculated by dividing this Re (Ω) by the internal resistance Ra (Ω) before the high-load charge / discharge cycle test determined in [Calculation of Ra · F] was 1.24.
[高負荷充放電サイクル試験後の容量回復率]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う充放電工程を60000回繰り返した。サイクル終了後に20Cの電流値で4.5Vまで充電し、その後定電圧充電を1時間継続した。その後の静電容量Feを測定したところ1030Fであり、Fe/F=1.03であった。
[Capacity recovery rate after high-load charge / discharge cycle test]
Using the charge / discharge device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Co., Ltd. in a thermostatic chamber set at 25 ° C., the obtained electricity storage element was fixed until it reached 3.8V at a current value of 300C. The charging / discharging process which carries out an electric current charge and performs constant current discharge until it reaches to 2.2V with the electric current value of 300C was repeated 60000 times. After the end of the cycle, the battery was charged to 4.5 V at a current value of 20 C, and then constant voltage charging was continued for 1 hour. The subsequent capacitance Fe was measured and found to be 1030F and Fe / F = 1.03.
[実施例2〜15、比較例1〜8]
正極活性炭1及び2のボールミルによる粉砕時間と、正極塗工液の配合比率を変更して正極を作製し、エージング条件をそれぞれ、以下の表1に示す通りとした他は、実施例1と同様にして、実施例2〜15と比較例1〜8の非水系リチウム型蓄電素子をそれぞれ作製し、各種の評価を行った。得られた非水系リチウム型蓄電素子の評価結果を以下の表1に示す。
[Examples 2 to 15, Comparative Examples 1 to 8]
The positive electrode activated
[実施例16]
正極活性炭1及び2のボールミルによる粉砕時間と、正極塗工液の配合比率を変更して正極を作製した。得られた両面負極と両面正極前駆体を12cm×230cm(2760cm2)にカットした。負極と正極前駆体はそれぞれ未塗工部を有する。この未塗工部は端部側から幅2cmで形成されていた。未塗工部が互いに反対方向となるように、それぞれ厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟み、かつセパレータから未塗工部が突出するようにして楕円形状に捲回し、捲回体をプレスして扁平形状に成型した。その後、負極と正極前駆体とに電極端子を超音波溶接にて接合して電極捲回体とした。この電極捲回体をアルミラミネート包材からなる外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、シール圧1.0MPaの条件でヒートシールした。これを、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した他は実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。得られた非水系リチウム型蓄電素子の評価結果を以下の表2に示す。
[Example 16]
The positive electrode activated
[実施例17〜30、比較例9〜16]
正極活性炭1及び2のボールミルによる粉砕時間と、正極塗工液の配合比率を変更して正極を作製した。正極およびエージング条件をそれぞれ、以下の表2に示す通りとした他は、実施例16と同様にして、実施例17〜30と比較例9〜16の非水系リチウム型蓄電素子をそれぞれ作製し、各種の評価を行った。得られた非水系リチウム型蓄電素子の評価結果を以下の表2に示す。
[Examples 17 to 30, Comparative Examples 9 to 16]
The positive electrode activated
以上の実施例により、本実施形態の蓄電素子は、部品点数を増やすことなく電極間の電位を均一にすることで、初期入力特性に優れ、従来得られていなかった高い長期サイクル特性と高い安全性を有することが検証された。 As a result of the above examples, the electricity storage device of this embodiment has excellent initial input characteristics by making the potential between the electrodes uniform without increasing the number of parts, and has high long-term cycle characteristics and high safety that have not been obtained conventionally. It was verified to have sex.
本発明の非水系リチウム型蓄電素子は、部品点数を増やすことなく電極間の電位を均一にすることで、初期入出力特性に優れ、高い長期サイクル特性を有するため、例えば、自動車における内燃機関、燃料電池、又はモーターと、蓄電素子と、を組み合わせたハイブリット駆動システムの分野;瞬間電力ピーク時のアシスト電源用途等として、好適に利用することができる。 The non-aqueous lithium storage element of the present invention has excellent initial input / output characteristics and high long-term cycle characteristics by making the potential between the electrodes uniform without increasing the number of parts. It can be suitably used in the field of hybrid drive systems in which a fuel cell or a motor and a power storage element are combined;
Claims (13)
前記正極は、リチウム化合物を含み、
前記正極は、正極集電体と、該正極集電体の片面又は両面に正極活物質層とを有し、前該正極活物質層は、活性炭からなる正極活物質を含有し、
前記負極は、負極集電体と、該負極集電体の片面又は両面に負極活物質層とを有し、該負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含有し、
前記積層体の厚み方向最外層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC1o、前記積層体の厚み方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC1iとするときC1o/C1iが0.85以上1.15以下であり、
前記負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも前記負極活物質層の中心部80%の面積領域において、リチウムイオンの濃度が高く、
前記リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、前記正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、X1<Y1であり、かつ、前記正極中に含まれるリチウム化合物の量が1質量%以上50質量%以下である、前記非水系リチウム型蓄電素子。 A laminate in which a positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator, and a non-aqueous lithium storage element including a non-aqueous electrolyte containing lithium ions,
The positive electrode includes a lithium compound,
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer on one or both sides of the positive electrode current collector, and the positive electrode active material layer contains a positive electrode active material made of activated carbon,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer on one or both sides of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions,
When the negative electrode active material layer of the negative electrode in the thickness direction outermost layer of the laminate is viewed from above, the central lithium ion concentration is C 1o , and when the negative electrode active material layer of the negative electrode in the thickness direction innermost layer of the laminate is viewed from above C 1o / C 1i when the lithium ion concentration of the centers of the C 1i is 0.85 to 1.15,
The concentration of lithium ions is higher in the area of 80% of the central part of the negative electrode active material layer than in the area of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer,
When the average particle diameter of the lithium compound and X 1, a 0.1μm ≦ X 1 ≦ 10μm, when the average particle diameter of the positive electrode active material and Y 1, a 2μm ≦ Y 1 ≦ 20μm, X 1 <Y 1 and the amount of the lithium compound contained in the positive electrode is 1% by mass or more and 50% by mass or less.
前記正極は、リチウム化合物を含み、
前記正極は、正極集電体と、該正極集電体の片面又は両面に正極活物質層とを有し、該正極活物質層は、活性炭からなる正極活物質を含有し、
前記負極は、負極集電体と、該負極集電体の片面又は両面に負極活物質層とを有し、該負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含有し、
前記捲回体の正極と対向し、かつ、周縁部を除く半径方向最外周の負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC2o、前記捲回体の正極と対向しかつ周縁部を除く半径方向最内層における負極の負極活物質層を上面視した際の中心のリチウムイオン濃度をC2iとするとき、C2o/C2iが0.85以上1.15以下であり、
前記負極活物質層の周縁部20%の面積領域よりも前記負極活物質層の中心部80%の面積領域において、リチウムイオンの濃度が高く、
前記リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、X1<Y1であり、かつ、前記正極中に含まれるリチウム化合物の量が1質量%以上50質量%以下である、前記非水系リチウム型蓄電素子。 A non-aqueous lithium storage element comprising a wound body in which a positive electrode and a negative electrode are wound through a separator, and a non-aqueous electrolyte containing lithium ions,
The positive electrode includes a lithium compound,
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer on one or both sides of the positive electrode current collector, the positive electrode active material layer contains a positive electrode active material made of activated carbon,
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer on one or both sides of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions,
Opposite to the positive electrode of the wound body, and the center lithium ion concentration of the negative electrode active material layer of the negative electrode in the outermost radial direction excluding the peripheral portion is C 2o , facing the positive electrode of the wound body when the lithium ion concentration in the center when the anode active material layer of the negative electrode was viewed in the radial direction innermost layer except for the life-and-death periphery and C 2i, C 2o / C 2i is 0.85 to 1.15 Yes,
The concentration of lithium ions is higher in the area of 80% of the central part of the negative electrode active material layer than in the area of 20% of the peripheral part of the negative electrode active material layer,
When the average particle diameter of the lithium compound is X 1 , 0.1 μm ≦ X 1 ≦ 10 μm, and when the average particle diameter of the positive electrode active material is Y 1 , 2 μm ≦ Y 1 ≦ 20 μm and X 1 The non-aqueous lithium storage element, wherein <Y 1 and the amount of the lithium compound contained in the positive electrode is 1% by mass or more and 50% by mass or less.
前記非水系リチウム型蓄電素子において、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、環境温度25℃にて、セル電圧を2.2Vから3.8Vまで、300Cのレートでの充放電サイクルを60,000回行った後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)、サイクル試験後の蓄電素子を4.5Vの定電圧充電を1時間行った後の静電容量をFe(F)とするとき、以下の:
(a)Re/Raが0.9以上2.0以下である;及び
(b)Fe/Fが1.01以上である;
を満たすことを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The separator is based on a resin film made of polyolefin having a porous structure, and an inorganic layer made of inorganic fine particles is laminated on at least one surface,
In the non-aqueous lithium storage element, the initial room temperature discharge internal resistance is Ra (Ω), the capacitance is F (F), the ambient temperature is 25 ° C., the cell voltage is from 2.2 V to 3.8 V, 300 C The room temperature discharge internal resistance after 60,000 charge / discharge cycles at a rate of 5 (Re) was obtained, and the capacitance after the cycle test was performed at a constant voltage of 4.5 V for 1 hour. Is Fe (F), the following:
(A) Re / Ra is 0.9 or more and 2.0 or less; and (b) Fe / F is 1.01 or more;
The non-aqueous lithium storage element according to claim 1, wherein
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