JP2019047084A - Method for manufacturing power storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電素子の製造方法に関する。具体的には、負極にあらかじめリチウムイオンを吸蔵させておくタイプの蓄電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a storage element. Specifically, the present invention relates to a method of manufacturing a storage element of a type in which lithium ions are stored in advance in a negative electrode.
充放電が可能な蓄電素子には、リチウムイオンあるいはアニオンを可逆的に担持可能な材料を含んで構成される正極と、リチウムイオンの吸蔵と放出が可能な材料を含んで構成される負極と、リチウム塩を含んだ電解液とを備えるとともに、正極と負極とをセパレーターを介して対向配置させてなる電極体が外装体内に電解液とともに密閉されてなる。そして、負極にあらかじめリチウムイオンが吸蔵(以下、プレドープとも言う)されているものがある。この負極にリチウムイオンをプレドープさせておくタイプの蓄電素子(以下、プレドープ型蓄電素子とも言う)としては、リチウムイオンキャパシタと称されるものがある。リチウムイオンキャパシタは、正極が電気二重層を形成して物理的な作用で充放電するのに対し、負極がリチウムの酸化還元反応によって充放電する。 A storage element capable of charging and discharging includes a positive electrode configured to contain a material capable of reversibly supporting lithium ions or anions, and a negative electrode configured to include a material capable of inserting and extracting lithium ions. An electrode body having an electrolytic solution containing a lithium salt and having a positive electrode and a negative electrode disposed opposite to each other with a separator interposed therebetween is hermetically sealed together with the electrolytic solution in an outer package. Then, there is a negative electrode in which lithium ions are stored (hereinafter, also referred to as pre-doping) in advance. As a storage element (hereinafter, also referred to as a pre-doped storage element) of a type in which lithium ions are pre-doped to the negative electrode, there is one called a lithium ion capacitor. In the lithium ion capacitor, the positive electrode forms an electric double layer and is charged and discharged by physical action, whereas the negative electrode is charged and discharged by the redox reaction of lithium.
プレドープ型蓄電素子は、負極にリチウムイオンがプレドープされていることで負極の電位V(vs Li/Li+)が下がり、正負極間の電位差であるセル電圧を大きくでき、それによって高いエネルギー容量を得ることができるものとなっている。また、リチウムイオンキャパシタは、周知の電気二重層コンデンサと同様に急速充電が可能なものとなっている。そして、プレドープ型蓄電素子には、風力発電の負荷平準化装置、瞬停対策装置、自動車における回生電力の蓄電用途などに利用されることが期待されている。 In the pre-doped storage element, the potential V (vs Li / Li + ) of the negative electrode is lowered by pre-doping lithium ions in the negative electrode, and the cell voltage, which is the potential difference between the positive and negative electrodes, can be increased. It is something that can be obtained. In addition, the lithium ion capacitor is capable of rapid charging as well as the known electric double layer capacitor. The pre-doped storage element is expected to be used for load leveling devices for wind power generation, instantaneous interruption countermeasure devices, storage applications of regenerative power in automobiles, and the like.
プレドープ型蓄電素子を構成する正極や負極は、例えば、平板状の集電体表面に電極活物質を含んだスラリー状の電極材料を塗工することで作製される。プレドープ型蓄電素子は、正極と負極とをセパレーターを介して対向配置させた1層分の電極体、あるいは複数の電極体を積層させた複数層分の電極体を電解液とともに外装体内に封入したものである。 The positive electrode and the negative electrode constituting the pre-doped storage element are produced, for example, by applying a slurry-like electrode material containing an electrode active material on the surface of a flat current collector. In the pre-doped type storage element, an electrode body of one layer in which a positive electrode and a negative electrode are disposed opposite to each other with a separator interposed, or an electrode body of multiple layers in which a plurality of electrode bodies are stacked is enclosed in an outer package together with an electrolytic solution. It is a thing.
なお、プレドープ型蓄電素子には、リチウムイオンを負極にプレドープさせる方式に応じて、概ね二つの種類がある。一方の種類の蓄電素子におけるプレドープの方式は、正極と負極の少なくとも一方にメッシュ状など表裏を貫通する孔が形成された集電体を用い、積層電極体の最上層あるいは最下層の外面側に金属リチウムを貼着し、その金属リチウムを起源としたリチウムイオンを集電体の孔を通して負極に吸蔵させるものである。なお、以下の特許文献1には、この方式を採用した蓄電素子について記載されている。
There are roughly two types of pre-doped storage elements according to the method of pre-doping lithium ions to the negative electrode. In a pre-doping system in one type of storage element, a current collector having a mesh-like hole formed in at least one of a positive electrode and a negative electrode is used on the outer surface side of the uppermost or lowermost layer of the laminated electrode assembly. Metallic lithium is adhered, and lithium ions originating from the metallic lithium are absorbed in the negative electrode through the holes of the current collector. In addition, the following
他方の種類の蓄電素子におけるプレドープの方式は、シート状の集電体において、負極材料が塗工されている面と同じ面に金属リチウムを配置しておき、リチウムイオンを集電体の表面に沿って負極に吸蔵させるものである。なお、この種の蓄電素子については、例えば、以下の特許文献2などに記載されている。
In the pre-doping method of the other type of storage element, in the sheet-like current collector, metal lithium is disposed on the same surface as the surface to which the negative electrode material is applied, and lithium ions are applied to the surface of the current collector It is made to occlude to a negative electrode along. In addition, about this kind of electrical storage element, it describes, for example in the following
従来のプレドープ型蓄電素子は、負極にプレドープさせるリチウムイオンの起源として金属リチウムを用いている。周知のごとく、金属リチウムは、禁水性物質であり、水に対して爆発的に反応する。そのため、プレドープ型蓄電素子の製造に際しては、金属リチウムの取り扱いを厳密に管理し、安全性を確保する必要がある。さらに、金属リチウムは、箔状であり、極めて軽く、変形し易い。そのため、金属リチウムを所要の位置に正確に位置合わせをしたり、その位置に金属リチウムを平坦な状態となるように貼着したりすることが難しい。また、孔が形成された集電体を用いるプレドープ型蓄電素子では、集電体自体の部材コストが高いという問題がある。また、孔を備えた集電体に電極材料を塗工する煩雑な工程を要するため、製造コストを低減させることがさらに難しくなる。 The conventional pre-doped storage element uses metallic lithium as a source of lithium ions to be pre-doped to the negative electrode. As is well known, metallic lithium is a water-free substance and reacts explosively to water. Therefore, in the production of the pre-doped storage element, it is necessary to strictly control the handling of metallic lithium to ensure safety. Furthermore, metallic lithium is in the form of a foil, very light and easy to deform. Therefore, it is difficult to accurately align metal lithium at a required position, or to attach metal lithium to the position so as to be in a flat state. Further, in a pre-doped storage element using a current collector in which a hole is formed, there is a problem that the cost of the current collector itself is high. In addition, since a complicated process of applying the electrode material to the current collector provided with the holes is required, it is more difficult to reduce the manufacturing cost.
そこで本発明は、安全を確保しつつ低コストで蓄電素子を製造するための方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a storage element at low cost while securing safety.
上記目的を達成するための本発明の一態様は、集電体上にリチウムイオンあるいはアニオンを可逆的に担持可能な正極材料が塗布されてなる正極と、集電体上にリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極材料が塗布されてなる負極とを備えるとともに、前記正極と前記負極とがセパレーターを介して対向配置されてなる電極体と電解液とが外装体内に封入されてなる蓄電素子の製造方法であって、
前記外装体内に前記電極体と電解液とを封入した後に、前記蓄電素子を充電することで前記負極にリチウムイオンをあらかじめ吸蔵させるプレドープステップと、
前記負極にあらかじめ吸蔵させておくリチウムイオンの供給源を含む添加剤を作製する添加剤作製ステップと、
前記添加剤を前記外装体内に導入する添加剤導入ステップと、
を含み、
前記添加剤作製ステップでは、リチウムイオンの供給源としてハロゲン化リチウムを用い、当該ハロゲン化リチウムを溶媒に溶解させて前記添加剤を作製する、
ことを特徴とする蓄電素子の製造方法としている。
In one aspect of the present invention for achieving the above object, there is provided a positive electrode comprising a current collector on which a positive electrode material capable of reversibly supporting lithium ions or anions is applied, and a lithium ion occluded on the current collector. A storage element comprising: an anode coated with a releasable anode material; and an electrode body in which the cathode and the anode are disposed opposite to each other with a separator interposed therebetween, and an electrolyte solution enclosed in an outer package. A manufacturing method,
A pre-doping step in which lithium ions are stored in advance in the negative electrode by charging the storage element after the electrode body and the electrolytic solution are enclosed in the outer package;
An additive preparation step of preparing an additive including a lithium ion supply source stored in advance in the negative electrode;
An additive introducing step of introducing the additive into the outer package;
Including
In the additive preparation step, lithium halide is used as a lithium ion supply source, and the lithium halide is dissolved in a solvent to prepare the additive.
The method is a method of manufacturing a storage element characterized by
また、前記添加剤作製ステップでは、前記溶媒に、N,N−ジメチルホルムアミドを用いることができる。あるいは前記溶媒にジメチルスルホキシドを用いてもよい。 In the additive preparation step, N, N-dimethylformamide can be used as the solvent. Alternatively, dimethyl sulfoxide may be used as the solvent.
そして、前記添加剤導入ステップで、前記電解液に前記添加剤を添加し、当該電解液を前記外装体内に収納することとしてもよい。 Then, in the additive introduction step, the additive may be added to the electrolytic solution, and the electrolytic solution may be stored in the outer package.
本発明に係る蓄電素子の製造方法によれば、リチウムイオンを負極にあらかじめ吸蔵させておくタイプの蓄電素子を、安全性を確保しつつより安価に製造することができる。 According to the method of manufacturing a storage element of the present invention, a storage element of a type in which lithium ions are stored in the negative electrode in advance can be manufactured more inexpensively while securing safety.
===技術思想===
上述したように、従来のプレドープ型蓄電素子は、製造時における取り扱いが難しい金属リチウムを用いて負極にリチウムイオンをプレドープさせている。そして、従来の蓄電素子の製造方法では、安全性を確保しつつ、低コストでプレドープ型蓄電素子を製造することが難しかった。そこで、本発明の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、取り扱いが難しい金属リチウムを用いずにリチウムイオンを負極にプレドープすることとしている。具体的には、本発明の実施例に係る蓄電素子の製造方法は、プレドープするリチウムイオンの供給源(以下、リチウムイオン源とも言う)として、負極あるいは正極における化学反応によって分解する何らかのリチウム化合物を用いることで、安全性を確保しつつ製造コストを低減させるという技術思想に基づいたものである。さらに、本発明の実施例に係る蓄電素子の製造方法には、リチウム化合物を電極体や電解液とともに外装体内に封入するだけでプレドープすることで蓄電素子の製造コストをさらに低減させるという技術思想が含まれている。
=== Technical thought ===
As described above, in the conventional pre-doping type storage element, lithium ion is pre-doped to the negative electrode using metallic lithium which is difficult to handle at the time of manufacture. And in the manufacturing method of the conventional electrical storage element, it was difficult to manufacture a pre-doping type | mold electrical storage element at low cost, ensuring safety | security. So, in the manufacturing method of the electrical storage element which concerns on the Example of this invention, it is presupposed that a lithium ion is pre-doped to a negative electrode, without using the metal lithium which handling is difficult. Specifically, the method of manufacturing the storage element according to the embodiment of the present invention comprises using any lithium compound to be decomposed by a chemical reaction in the negative electrode or the positive electrode as a source of lithium ions to be pre-doped (hereinafter also referred to as lithium ion source). By using it, it is based on the technical idea that manufacturing cost is reduced while securing safety. Furthermore, in the method of manufacturing the storage element according to the embodiment of the present invention, the technical idea is to further reduce the manufacturing cost of the storage element by pre-doping the lithium compound together with the electrode body and the electrolyte only by sealing in the outer package. include.
そして、上記技術思想に基づく本発明の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、ハロゲン化リチウム(塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、フッ化リチウムなど)をリチウムイオン源として利用し、さらに、そのリチウム源からのリチウムイオンをより簡素な手順でプレドープすることに特徴を有している。そして、以下では、本発明の実施例として、ラミネートフィルムからなる外装体内に、電極体と電解液からなる発電要素が収納された蓄電素子を製造する手順を挙げる。 And, in the method of manufacturing the storage element according to the embodiment of the present invention based on the above technical idea, lithium halide (lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium fluoride etc.) is used as a lithium ion source, and further It is characterized in that lithium ions from the lithium source are pre-doped in a simpler procedure. And below, the procedure which manufactures the electrical storage element by which the electric power generation element which consists of an electrode body and electrolyte solution is accommodated in the exterior body which consists of a laminate film as an Example of this invention is mentioned.
===蓄電素子の構造===
図1に、本発明の実施例に係る方法によって作製される蓄電素子1の構造を示した。図1(A)は蓄電素子1の外観を示す斜視図であり、図1(B)は蓄電素子1の分解斜視図である。図示した蓄電素子1は、図1(A)に示したように平板状の外観形状を有し、ラミネートフィルムからなる扁平な矩形袋状の外装体11内に発電要素が封入されてなる。また、ここに示した蓄電素子1では、矩形の外装体11の一辺13から正極端子板23および負極端子板33が外方に導出されている。
=== Structure of Storage Element ===
The structure of the
次に、図1(B)を参照しつつ蓄電素子1の構造について説明する。なお図1(B)では一部の部材や部位にハッチングを施し、他の部材や部位と区別しやすいようにしている。図1(B)に示したように、外装体11は、互いに重ね合わせた矩形状の2枚のアルミラミネートフィルム(11a、11b)において、図中網掛けのハッチングまたは点線の枠で示した周縁領域12が熱圧着法により溶着されて内部が密閉されたものである。外装体11内には、シート状の正極20とシート状の負極30とがセパレーター40を介して積層されてなる電極体10が、電解液とともに封入されている。正極集電体21および負極集電体31には、それぞれ、帯状の正極端子板23および負極端子板33の一方の端部が超音波溶着などの方法によって接続されている。正極端子板23および負極端子板33の他方の端部は外装体11の外側に露出している。そして、本発明の実施例に係る蓄電素子1の製造方法では、電解液にハロゲン化リチウムをリチウム源としたリチウムイオンを負極30にプレドープさせている。また、必要量のリチウム源を確実に電解液に溶解させるために、リチウム源を所定の溶媒に溶解させた状態で外装体11内に導入している。
Next, the structure of the
===第1の実施例===
本発明の第1の実施例に係る蓄電素子の製造方法として、塩化リチウムをリチウム源としたプレドープ型蓄電素子(以下、蓄電素子とも言う)の製造手順を挙げる。図2に第1の実施例に係る蓄電素子1の製造方法の手順を示した。以下、この手順について、図2と図1とを参照しながら説明する。
=== First Example ===
As a method of manufacturing a storage element according to the first embodiment of the present invention, a manufacturing procedure of a pre-doped storage element (hereinafter also referred to as a storage element) using lithium chloride as a lithium source will be described. FIG. 2 shows the procedure of the method of manufacturing the
まず、電極体10を構成する正極20と負極30を作製する(s1)。正極20については、正極活物質として活性炭を用い、導電剤、増粘剤、および結着剤としてアセチレンブラック、カルボキシメチルセルロース、およびアクリル系バインダーを用いた。以下に正極20の作製手順について説明する。まず、正極活物質、導電剤、増粘剤、および結着剤を、それぞれ88wt%、6wt%、3wt%、および3wt%の割合で混合し、これに純水を加えて混合して得た正極合剤を正極材料22とした。正極材料22を45g/m2の目付量でアルミニウム箔からなる正極集電体21上に塗布し、その正極材料22が塗布された正極集電体21を縦30mm、横50mmに打ち抜いた。さらに、正極材料22が塗布された正極集電体21を乾燥させて正極20を完成させた。ここでは、正極材料22が塗布された正極集電体21を自然乾燥させた後、例えば、100℃〜200℃程度の温度で12時間程度の時間で真空乾燥させた。
First, the positive electrode 20 and the
負極30については、負極活物質にピッチコートカーボンブラックを用いるとともに、導電剤、増粘剤、および結着剤としてアセチレンブラック、カルボキシメチルセルロース、およびスチレンブタジエンゴムを用いた。そして、負極活物質、導電剤、増粘剤、および結着剤を、それぞれ88wt%、5wt%、4wt%、および3wt%の割合で混合し、これに純水を加えて混合して得た負極合剤を負極材料32とした。次に、負極材料32を21g/m2の目付量で銅箔からなる負極集電体31上に塗布した。さらに、負極材料32が塗布された負極集電体31を縦32mm、横52mmに打ち抜いた後、正極と同様の乾燥工程により乾燥させることで負極30を完成させた。
For the
上記の手順で作製した正極20と負極30を、セパレーター40を介して積層することで電極体10を作製した(s2)。セパレーター40としては、例えば、ポリオレフィンなどからなる微多孔膜、織布、および不織布を用いることができる。ここでは、ポリオレフィンの不織布からなるセパレーター40を採用した。なお、正極集電体21および負極集電体31には、正極材料22および負極材料32が塗布される前、あるいは正極20および負極30の作製が完了した時点などの適宜な時点で正極端子板23および負極端子板33を取り付けておく。
The positive electrode 20 and the
電極(20、30)の作製工程(s1)から電極体10の組み立て工程(s2)までの手順に並行して、あるいは前後して電解液とリチウム源を含む添加剤を作製した。電解液は、プロピレンカーボネートの溶媒中に1.2Mの濃度でLiPF6を溶解させることで作製した(s3)。また、リチウム源である塩化リチウムを溶媒であるN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)に溶解させた溶液を添加剤として作製した(s4)。ここでは、13mLのDMFに1gの塩化リチウムを溶解させた。そして、0.4mLの電解液中に、35.7μLの添加剤を添加する電解液調整工程(s5)を実行した
電極体10と添加剤が添加された電解液からなる発電要素を作製した後、その発電要素を別途用意しておいたラミネートフィルムからなる外装体11内に収納した後、その外装体11を密封した(s6、s7)。なお、外装体11内に発電要素を収納して外装体11を密封する手順としては、例えば、互いに対面させた2枚の矩形状のラミネートフィルム(11a、11b)の三辺を溶着して一辺13が開口する袋状の外装体11を作製し、その袋状の外装体11内に電極体10を電解液とともに収納し、袋状の外装体11において開口している一辺13を封止するという手順が採用できる。
An additive containing an electrolytic solution and a lithium source was produced in parallel with or before or after the procedure from the production step (s1) of the electrodes (20, 30) to the assembly step (s2) of the
次に、上述した手順(s1〜s7)によって組み立てられた蓄電素子1に対し、まず、エージング工程(s8)を実行した。エージング工程(s8)では、組み立て後の蓄電素子1を25℃恒温槽内で7日間静置した後、終止セル電圧を3.5Vにして10mAの定電流および定電圧で24時間充電し、次いで24時間休止させて自然放電させるという充放電サイクルを2回繰り返した。そして、エージング工程(s8)後の蓄電素子1を充電して負極30にリチウムイオンを吸蔵させるプレドープ工程(s9)を実行し、負極30にリチウムイオンがプレドープされて使用可能な状態の蓄電素子1を完成させた。プレドープ工程(s9)では、25℃恒温槽内で、10mAの定電流および定電圧で、3.5Vの終止セル電圧となるまで24時間掛けて充電した。
Next, the aging process (s8) was first performed with respect to the
<プレドープの確認>
上述した第1の実施例に係る方法で作製した蓄電素子の負極にリチウムイオンがプレドープされているか否かを確認するために、第1の実施例の方法で作製した蓄電素子、添加剤を用いずに作製した蓄電素子、リチウム化合物を含まない添加剤を用いて作製した蓄電素子、ハロゲン化リチウム以外のリチウム化合物を含む添加剤を用いて作製した蓄電素子をサンプルとし、各サンプルにおけるプレドープの状態を調べた。
<Confirmation of pre-doping>
In order to confirm whether lithium ions are pre-doped in the negative electrode of the storage element produced by the method according to the first embodiment described above, the storage element produced by the method of the first example and the additive are used An electric storage element manufactured without using an electric storage element, an electric storage element manufactured using an additive containing no lithium compound, an electric storage element manufactured using an additive containing a lithium compound other than lithium halide is used as a sample, and the state of pre-doping in each sample I examined.
以下の表1に各サンプルの製造条件を示した。 Table 1 below shows the manufacturing conditions of each sample.
表2に、各サンプルの負極電位を示した。 Table 2 shows the negative electrode potential of each sample.
===第2の実施例===
上述したように、表1に示したサンプル1〜5に対して実行したプレドープ工程(s9)では、終止セル電圧を3.5Vにしていた。これは、リチウム源が導入されていないサンプル2と3では、リチウムイオンが負極にプレドープされないため、終止セル電圧を3.5Vよりも高くして充電すると正極が酸化分解されてしまう可能性があったからである。そして、正極が酸化分解されたサンプルでは、プレドープ工程(s9)後の負極電位の値に信頼性がなく、第1の実施例に係る蓄電素子の製造方法によるプレドープの可不可を確認することができなくなる。しかし、表1に示した結果より、第1の実施例の方法によってプレドープが可能であることが確認できた。そこで、3.5Vよりも高い終止セル電圧でプレドープ工程(s9)を実行して蓄電素子1を作製する手順を本発明の第2の実施例に係る蓄電素子の製造方法とする。
=== Second Example ===
As described above, in the pre-doping step (s9) performed on
具体的には、第1の実施例に係る蓄電素子の製造方法において用いた正極材料22と負極材料32とを備えたプレドープ型蓄電素子は、リチウム源の形態を除けば、リチウムイオンキャパシタと同様の構成を備えて、リチウムイオンキャパシタと同様の充放電反応によって動作する。また、リチウムイオンキャパシタでは、負極30が吸蔵可能な量のリチウムイオンをプレドープさせるとセル電圧が3.8Vとなる。そこで、第2の実施例にかる蓄電素子の製造方法では、図2に示した蓄電素子の作製手順におけるプレドープ工程(s9)で、組み立て後の蓄電素子を3.8Vの終止セル電圧で充電することとした。そして、プレドープ工程(s9)後の蓄電素子の負極電位を調べたところ、0V(vs Li/Li+)の負極電位となり、理論的に負極30が吸蔵可能な量のリチウムイオンが、実際にプレドープされていることが確認できた。
Specifically, the pre-doped storage element including the
===第3の実施例===
次に、本発明の第3の実施例に係る蓄電素子の製造方法として、図2に示した蓄電素子の作製手順における添加剤作製工程(s4)で、0.4mLの電解液に対する添加剤の添加量を変えて蓄電素子を作製する手順を挙げる。第1および第2の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、1gの塩化リチウムを13mLのDMFに溶解させて得た溶液を添加剤とし、その添加剤35.7μLを0.4mLの電解液に添加していたが、第3の実施例では、0.4mLの電解液に対する添加剤の添加量が異なる各種蓄電素子をサンプルとして作製した。なお、第3の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、第2の実施例と同様にして終止セル電圧3.8Vでプレドープ工程(s9)を実行した。そして、プレドープ工程(s9)後の蓄電素子をサンプルの負極電位を調べた。
=== Third Example ===
Next, as a method of manufacturing the storage element according to the third embodiment of the present invention, in the additive preparation step (s4) in the preparation procedure of the storage element shown in FIG. A procedure for manufacturing a storage element by changing the addition amount is described. In the method of manufacturing a storage element according to the first and second embodiments, a solution obtained by dissolving 1 g of lithium chloride in 13 mL of DMF is used as an additive, and 35.7 μL of the additive is 0.4 mL of an electrolyte In the third example, various storage elements different in the addition amount of the additive to 0.4 mL of the electrolytic solution were manufactured as samples. In the method of manufacturing the storage element according to the third embodiment, the pre-doping step (s9) is performed at a termination cell voltage of 3.8 V as in the second embodiment. Then, the negative electrode potential of the sample was examined for the storage element after the pre-doping step (s9).
以下の表3に第3の実施例の方法で作製したサンプルにおける添加剤の添加量とプレドープ工程(s9)後の負極電位とを示した。 The following Table 3 shows the additive amount of the additive and the negative electrode potential after the pre-doping step (s9) in the sample produced by the method of the third example.
===第4、第5の実施例===
上記第1〜第3の実施例では、リチウム源となるハロゲン化リチウムとして塩化リチウムを使用し、リチウム源を溶解させる溶媒にDMFを用いていた。そこで、本発明の第4の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、図2に示した蓄電素子の作製手順の添加剤作製工程(s4)で、塩化リチウム以外のハロゲン化リチウムをリチウム源として用いることとした。また、第5の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、添加剤作製工程(s4)で、塩化リチウムの溶媒としてDMFに代えてジメチルスルホキシド(DMSO)を用いることとした。そして、サンプルとして、第4および第5の実施例に係る方法によって図1に示した蓄電素子1を作製し、各サンプルの負極電位を測定した。なお、プレドープ工程(s9)では、終止セル電圧を3.8Vとした。
=== Fourth and fifth embodiments ===
In the first to third embodiments, lithium chloride is used as lithium halide serving as a lithium source, and DMF is used as a solvent for dissolving the lithium source. Therefore, in the method of manufacturing the storage element according to the fourth embodiment of the present invention, lithium halide other than lithium chloride is used as a lithium source in the additive preparation step (s4) of the preparation procedure of the storage element shown in FIG. I decided to use it. In addition, in the method of manufacturing the storage element according to the fifth example, dimethyl sulfoxide (DMSO) is used as a solvent of lithium chloride in place of DMF as a solvent for lithium chloride in the additive preparation step (s4). Then, the
表4に、第4および第5の実施例の方法によって作製したサンプルについて、作製条件と負極電位とを示した。 Table 4 shows preparation conditions and negative electrode potentials of the samples manufactured by the methods of the fourth and fifth examples.
以上より、リチウム源には塩化リチウムに限らず、臭化リチウムも使用できることがわかった。もちろん、塩化リチウムと臭化リチウムがリチウム源として使用できることが確認されたことから、ヨウ化リチウムやフッ化リチウムなどの他のハロゲン化リチウムをリチウム源として使用できることは容易に想像できる。すなわち、Xをハロゲン原子としてLiXで表される化合物であれば、リチウム源として使用することができるものと考えられる。 From the above, it was found that not only lithium chloride but also lithium bromide can be used as a lithium source. Of course, since lithium chloride and lithium bromide can be used as a lithium source, it can be easily imagined that other lithium halides such as lithium iodide and lithium fluoride can be used as a lithium source. That is, it is considered that any compound represented by LiX with X as a halogen atom can be used as a lithium source.
なお、本発明の実施例では、ハロゲン化リチウムを外装体内に導入するために、ハロゲン化リチウムを溶媒に溶解させてなる添加剤を作製し、その添加剤が添加された電解液を電極体とともに外装体内に収納している。これは、ハロゲン化リチウムをそのまま電解液に添加しただけでは、ハロゲン化リチウムの全てが電解液に溶解せず、目的とする量のリチウムイオンが負極にプレドープされない可能性があるからである。したがって本発明の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、ハロゲン化リチウムを溶解できる溶媒を用いて添加剤を作製することが必要となる。そして、DMFやDMSOは、多くの化合物を溶解することで知られており、添加剤の溶媒にはそのDMFやDMSOが使用できることが確認できた。言い換えれば、DMFやDMSOに限らず、ハロゲン化リチウムを溶解させることができる溶媒を使って添加剤を作製し、その添加剤を外装体内に導入すれば、ハロゲン化リチウムを起源としたリチウムイオンを負極にプレドープすることができるものと考えられる。 In the embodiment of the present invention, in order to introduce lithium halide into the outer package, an additive is prepared by dissolving lithium halide in a solvent, and an electrolytic solution to which the additive is added together with the electrode body It is housed in the exterior body. This is because, if lithium halide is added as it is to the electrolytic solution, not all of the lithium halide is dissolved in the electrolytic solution, and a target amount of lithium ions may not be pre-doped on the negative electrode. Therefore, in the method of manufacturing a storage element according to the embodiment of the present invention, it is necessary to prepare an additive using a solvent capable of dissolving lithium halide. And, DMF and DMSO are known to dissolve many compounds, and it has been confirmed that DMF and DMSO can be used as a solvent for the additive. In other words, if an additive is prepared using a solvent capable of dissolving lithium halide, not limited to DMF or DMSO, and the additive is introduced into the package, lithium ion derived from lithium halide can be produced. It is believed that the negative electrode can be pre-doped.
また、DMFやDMSOは、有機溶媒に任意の割合で混合できることでも知られている。そして、本発明の実施例に係る蓄電素子の製造方法では、ハロゲン化リチウムを溶質として含んだDMFやDMSOと、電解液を構成する溶媒(プロピレンカーボネート)とを混合させることでハロゲン化リチウムを電解液に溶解させている。なお、ハロゲン化リチウムは極性が強いことから、ハロゲン化リチウムの溶媒には極性を有するものを使用することが好ましい。また、各実施例の方法で作製される蓄電素子は、充放電反応にリチウムイオンを用いているため、水が分解する電圧よりも高いセル電圧で動作するものとなることから、ハロゲン化リチウムの溶媒には、高いセル電圧によって電気分解されない非プロトン性のものを使用することが好ましい。そして、極性を有する非プロトン性の溶媒としては、DMFやDMSOの他に、例えば、アセトニトリルなどがある。 It is also known that DMF and DMSO can be mixed in an organic solvent at any ratio. Then, in the method of manufacturing the storage element according to the embodiment of the present invention, lithium halide is electrolyzed by mixing DMF or DMSO containing lithium halide as a solute with a solvent (propylene carbonate) constituting the electrolytic solution. It is dissolved in the solution. In addition, since lithium halide has strong polarity, it is preferable to use what has polarity as a solvent of lithium halide. In addition, since the storage element manufactured by the method of each embodiment uses lithium ion for charge and discharge reaction, it operates at a cell voltage higher than the voltage at which water decomposes, so lithium halide can be used. It is preferred to use an aprotic solvent which is not electrolyzed by high cell voltage. And, as a polar aprotic solvent, there are, for example, acetonitrile and the like in addition to DMF and DMSO.
===第6の実施例===
上記第1〜第5の実施例に係る方法で製造される蓄電素子は、リチウムイオンキャパシタと同様に、正極活物質に炭素系材料を用いていた。もちろん、正極活物質は炭素系材料に限らない。例えば、正極活物質として、リチウム二次電池などで用いられているコバルト、ニッケル、マンガンを含む三元系活物質(Li(Ni−Mn−Co)O2)を用いることも考えられる。
=== Sixth Example ===
The storage element manufactured by the method according to the first to fifth examples uses a carbon-based material as the positive electrode active material, as in the lithium ion capacitor. Of course, the positive electrode active material is not limited to the carbon-based material. For example, it is also conceivable to use, as the positive electrode active material, a ternary active material (Li (Ni-Mn-Co) O 2 ) containing cobalt, nickel, and manganese used in lithium secondary batteries and the like.
三元系活物質は、単位質量当たりの容量が大きく、優れた熱安定性を有して安全性が高い。そして、三元系活物質を用いた正極の電位は4.2Vである。したがって、三元系活物質を正極に用いてプレドープ型蓄電素子を作製すれば、蓄電素子の電気容量を増大させることが可能となる。そこで、第6の実施例に係る蓄電素子の製造方法として、正極活物質に三元系活物質を用いつつ、第1〜第5の実施例の方法と同様の手順で蓄電素子を作製する手順を挙げる。以下に、図1と図2を参照しつつ、第6の実施例に係る蓄電素子の製造方法について説明する。 The ternary active material has a large capacity per unit mass, has excellent thermal stability, and is highly safe. And the electric potential of the positive electrode using a ternary active material is 4.2V. Therefore, when a pre-doped storage element is manufactured using a ternary active material as a positive electrode, the electric capacity of the storage element can be increased. Therefore, as a method of manufacturing an electricity storage device according to the sixth embodiment, a procedure of manufacturing the electricity storage device in the same procedure as the method of the first to fifth embodiments while using a ternary active material as the positive electrode active material Give Hereinafter, a method of manufacturing a storage element according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
まず、電極作製工程(s1)により正極20と負極30を作製する。正極20については、上記の三元系活物質、導電剤であるアセチレンブラック、および結着剤であるポリビニリデンジフロリド(PVDF)系バインダーを、それぞれ、90wt%、5wt%、および5wt%の割合で混合し、これにN−メチル−2ピロリドンを加えて混合して得た正極材料22を191g/m2の電極目付でアルミニウム箔からなる正極集電体21上に塗布した。そして、正極材料22が塗布された正極集電体21を、縦17mm、横17mmに打ち抜き、その上で、この正極材料22が塗布された正極集電体21を、上述した第1の実施例と同様にして乾燥させることで正極20を完成させた。
First, the positive electrode 20 and the
負極30については、負極活物質であるグラファイトを97wt%、増粘剤であるカルボキシルメチルセルロースを1.5wt%、結着剤であるスチレンブタジエンゴムを1.5wt%の割合で混合したものに純水を加えてスラリー状の負極材料32を得た。そして、この負極材料32を93g/m2の電極目付で銅箔からなる負極集電体31上に塗布した。次いで、負極材料32が塗布された負極集電体31を、縦18mm、横18mmに打ち抜いた後、正極20と同様にして乾燥させて負極30を完成させた。
As for the
電極体組み立て工程(s2)では、正極20と負極30をポリオレフィンの不織布からなるセパレーター40を介して積層して電極体10を作製した。なお、正極集電体21および負極集電体31には、適宜な時点で正極端子板23および負極端子板33を取り付けておけばよい。
In the electrode assembly step (s2), the positive electrode 20 and the
電解液作製工程(s3)では、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比率が1:2となるように調整した溶媒中に1.2Mの濃度のLiPF6を溶解させることで電解液を作製した。添加剤作製工程(s4)では、1gの塩化リチウムを13mLのDMFに溶解させることで添加剤を作製し、電解液調整工程(s5)では、この添加剤5μLを0.4mLの電解液に添加した。そして、電極体10と電解液を外装体11内に封入した(s6、s7)。
In the electrolytic solution preparation step (s3), an electrolytic solution was prepared by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.2 M in a solvent adjusted such that the volume ratio of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate is 1: 2. In the additive preparation step (s4), an additive is prepared by dissolving 1 g of lithium chloride in 13 mL of DMF, and in the electrolytic solution adjusting step (s5), 5 μL of the additive is added to 0.4 mL of the electrolytic solution did. Then, the
また、エージング工程(s8)では、それまでの手順(s1〜s7)によって組み立てられた蓄電素子1を25℃恒温槽内に4日間静置した後、その蓄電素子1を1mAの定電流で終止セル電圧4.2Vまで充電し、次いで、充電後の蓄電素子1を終止セル電圧2.5Vまで放電させた。なお、実際の蓄電素子1の製造方法では、エージング工程(s8)に続いてプレドープ工程(s9)を実行するところであるが、ここでは、エージング工程(s8)を実行した後の蓄電素子1をサンプルとして取り出し、エージング工程(s8)における1mAでの定電流充電と定電流放電とに掛かった時間に基づいて充電容量と放電容量とを求めた。また、第6の実施例の方法によって作製したサンプルの容量特性を評価するために、エージング工程までの手順(s1〜s8)において、添加剤を用いないこと以外は第6の実施例と同様の方法で作製した蓄電素子1を比較例に係るサンプルとして用意した。なお、添加剤を用いずに作製した蓄電素子1はリチウム二次電池として動作する。
In the aging step (s8), the
以下の表5に第6の実施例の方法で作製したサンプルと比較例に係るサンプルの作製条件と容量特性とを示した。 Table 5 below shows the preparation conditions and capacitance characteristics of the sample manufactured by the method of the sixth example and the sample according to the comparative example.
===その他の実施例===
本発明の実施例に係る製造方法によって作製される蓄電素子の構成は、上述したものに限らない。すなわち、正極や負極を構成する各種部材や材料(集電体、電極活物質、導伝剤、増粘剤、結着剤)、セパレーター、電解液は上述したものに限らない。
=== Other Examples ===
The structure of the electrical storage element produced by the manufacturing method which concerns on the Example of this invention is not restricted to what was mentioned above. That is, various members and materials constituting the positive electrode and the negative electrode (current collector, electrode active material, conductive agent, thickener, binder), separator, and electrolytic solution are not limited to those described above.
例えば、導電剤としては、アセチレンブラックの他にカーボンブラックなどを使用することができる。結着剤としては、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどが使用できる。正極集電体にはステンレス製のラス板なども使用可能である。負極活物質には、リチウムを吸蔵・放出可能な様々な炭素材料を使用することができる。例えば、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類(人造黒鉛、天然黒鉛など)、有機高分子化合物燃焼体、炭素繊維などが使用できる。 For example, as the conductive agent, carbon black or the like can be used besides acetylene black. As the binder, acrylic, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and the like can be used. A stainless steel lath plate or the like can also be used for the positive electrode current collector. As the negative electrode active material, various carbon materials capable of inserting and extracting lithium can be used. For example, pyrolytic carbons, cokes, graphites (such as artificial graphite and natural graphite), organic polymer compound combustion bodies, carbon fibers and the like can be used.
電解液は、非水溶媒にLiPF6などのリチウム塩を溶解させたものであるが、非水溶媒には、高誘電率溶媒と低粘度溶媒がある。上記実施例では、高誘電率溶媒であるプロピレンカーボネートを電解液の溶媒として用いていたが、高誘電率溶媒と低粘度溶媒とを混合した溶媒を用いることもできる。高誘電率溶媒としては、プロピレンカーボネートの他に、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート類がある。そして、これらの高誘電率溶媒は、1種類で使用されてもよいし、2種類以上組み合わせて使用されてもよい。 The electrolytic solution is one in which a lithium salt such as LiPF 6 is dissolved in a non-aqueous solvent, and the non-aqueous solvent includes a high dielectric constant solvent and a low viscosity solvent. Although propylene carbonate, which is a high dielectric constant solvent, is used as a solvent for the electrolytic solution in the above embodiment, a solvent obtained by mixing a high dielectric constant solvent and a low viscosity solvent can also be used. As the high dielectric constant solvent, in addition to propylene carbonate, there are cyclic carbonates such as ethylene carbonate and butylene carbonate. And these high dielectric constant solvents may be used by one type, and may be used in combination of 2 or more types.
低粘度溶媒としては、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンなどのエーテル類、γ−ブチロラクトンなどのラクトン類が挙げられる。これらの低粘度溶媒についても、1種類で使用しても、2種類以上組み合わせて使用してもよい。そして、電解液の溶媒には、高誘電率溶媒と低粘度溶媒のそれぞれから任意に選択した溶媒を組み合わせたものを使用することができる。 As the low viscosity solvent, linear carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, Ethers such as 1,2-dibutoxyethane and lactones such as γ-butyrolactone can be mentioned. These low viscosity solvents may be used alone or in combination of two or more. Then, as the solvent of the electrolytic solution, a combination of a solvent arbitrarily selected from each of a high dielectric constant solvent and a low viscosity solvent can be used.
上記実施例の方法で作製される蓄電素子は、ラミネートフィルムの外装体内に1層分の電極体が収納された構造を有していた。もちろん、ラミネートフィルムの外装体内に複数層分の電極体が収納された構造であってもよい。また、本発明の実施例に係る方法で作製される蓄電素子は、ラミネートフィルムの外装体を備えたものに限らない。例えば、ボタン型(コイン型)の蓄電素子、円筒状あるいは角筒状の電池缶内に電極体を巻回した状態で収納してなる周知のスパイラル型の蓄電素子であってもよい。 The storage element produced by the method of the above embodiment had a structure in which the electrode body for one layer was housed in the outer package of the laminate film. Of course, it may be a structure in which the electrode body for a plurality of layers is housed in the outer package body of the laminate film. Moreover, the electrical storage element produced by the method which concerns on the Example of this invention is not restricted to what was provided with the exterior body of a laminate film. For example, a button-type (coin-type) storage element, or a well-known spiral-type storage element in which an electrode body is wound in a cylindrical or rectangular cylindrical battery can may be used.
添加剤を蓄電素子の外装体内に導入するための手順は、上記実施例のように電解液に添加し、その添加剤が添加された電解液を外装体内に収納するという手順に限らない。例えば、封止前の外装体内に添加剤が添加されていない電解液を収納しておき、その外装体内に添加剤を滴下するなどして添加剤を外装体内に導入してもよい。また、正極や負極、あるいはその両方に溶液状の添加剤をあらかじめ添加しておき、正極や負極に添加剤が添加された電極体を電解液とともに外装体内に封入するという手順を採用してもよい。正極や負極に添加剤をあらかじめ添加するためには、例えば、正極と負極の一方や両方、あるいは電極体を溶液状の添加剤に浸漬させたり、溶液状の添加剤を正極や負極、あるいはその両方に滴下したりすればよい。 The procedure for introducing the additive into the outer package of the storage element is not limited to the procedure of adding it to the electrolytic solution as in the above embodiment and storing the electrolytic solution to which the additive is added in the outer package. For example, an electrolytic solution to which no additive is added may be stored in an outer package before sealing, and the additive may be introduced into the outer package by dropping the additive into the outer package. Also, even if a solution additive is added to the positive electrode, the negative electrode, or both in advance, and the electrode body having the additive added to the positive electrode and the negative electrode is enclosed in the outer package together with the electrolytic solution. Good. In order to add the additive to the positive electrode or the negative electrode beforehand, for example, one or both of the positive electrode and the negative electrode, or the electrode assembly may be immersed in a solution-like additive, or the solution-like additive may be added to the positive electrode or the negative electrode It may be dropped on both sides.
1 ラミネート型蓄電素子、10 電極体、11 外装体、
11a,11b ラミネートフィルム、20 正極、21 正極集電体、
22 正極材料、23 正極端子板、30 負極、31 負極集電体、
32 負極材料、33 負極端子板、40 セパレーター、s4 添加剤作製工程、
s5 電解液調整工程、s9 プレドープ工程
1 Laminated storage element, 10 electrode body, 11 exterior body,
11a, 11b laminated film, 20 positive electrodes, 21 positive electrode current collectors,
22 cathode material, 23 cathode terminal plate, 30 anode, 31 anode current collector,
32 negative electrode material, 33 negative electrode terminal plate, 40 separator,
s5 Electrolyte adjustment process, s9 pre-doping process
Claims (4)
前記外装体内に前記電極体と電解液とを封入した後に、前記蓄電素子を充電することで前記負極にリチウムイオンをあらかじめ吸蔵させるプレドープステップと、
前記負極にあらかじめ吸蔵させておくリチウムイオンの供給源を含む添加剤を作製する添加剤作製ステップと、
前記添加剤を前記外装体内に導入する添加剤導入ステップと、
を含み、
前記添加剤作製ステップでは、リチウムイオンの供給源としてハロゲン化リチウムを用い、当該ハロゲン化リチウムを溶媒に溶解させて前記添加剤を作製する、
ことを特徴とする蓄電素子の製造方法。 A positive electrode on which a positive electrode material capable of reversibly supporting lithium ions or anions is coated on a current collector, and a negative electrode on which a negative electrode material capable of absorbing and desorbing lithium ions is coated on a current collector It is a manufacturing method of the electrical storage element which comprises an electrode body and an electrolytic solution which are disposed opposite to each other with the positive electrode and the negative electrode interposed therebetween via a separator,
A pre-doping step in which lithium ions are stored in advance in the negative electrode by charging the storage element after the electrode body and the electrolytic solution are enclosed in the outer package;
An additive preparation step of preparing an additive including a lithium ion supply source stored in advance in the negative electrode;
An additive introducing step of introducing the additive into the outer package;
Including
In the additive preparation step, lithium halide is used as a lithium ion supply source, and the lithium halide is dissolved in a solvent to prepare the additive.
A manufacturing method of a storage element characterized in that.
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