JP2019169460A - Lithium-ion secondary battery - Google Patents
Lithium-ion secondary battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019169460A JP2019169460A JP2018172132A JP2018172132A JP2019169460A JP 2019169460 A JP2019169460 A JP 2019169460A JP 2018172132 A JP2018172132 A JP 2018172132A JP 2018172132 A JP2018172132 A JP 2018172132A JP 2019169460 A JP2019169460 A JP 2019169460A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- positive electrode
- negative electrode
- carbon fiber
- lithium
- salt
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Cell Separators (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
本開示はリチウムイオン二次電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium ion secondary battery.
特開2010−244911号公報は、炭素繊維不織布を電解質膜で被覆し、該炭素繊維不織布内の空隙に正極活物質および溶媒を充填し、さらに溶媒を蒸発させることにより、電極セルを形成することを開示している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-244911 forms an electrode cell by coating a carbon fiber nonwoven fabric with an electrolyte membrane, filling a void in the carbon fiber nonwoven fabric with a positive electrode active material and a solvent, and further evaporating the solvent. Is disclosed.
特許文献1によれば、上記構成の電極セルは高速充放電が可能であるとされている。単位体積あたりの対向面積が大きいためと考えられる。対向面積は正極と負極とが対向している領域の面積を示す。
According to
特許文献1では、電極セルの形成過程で粒子分散液が使用されている。粒子分散液は溶媒に正極活物質(粒子)を分散させることにより形成されている。粒子分散液が炭素繊維不織布内の空隙に充填され、その後、粒子分散液が乾燥されている。乾燥後の炭素繊維不織布内には、溶媒の体積分だけ空隙が形成されることになると考えられる。空隙の存在は体積エネルギー密度(単位体積あたりのエネルギー)を低下させる。すなわち特許文献1の電極セルは体積エネルギー密度に改善の余地があると考えられる。
In
本開示の目的は体積エネルギー密度の向上にある。 An object of the present disclosure is to improve volume energy density.
以下本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により特許請求の範囲が限定されるべきではない。 The technical configuration and operational effects of the present disclosure will be described below. However, the mechanism of action of the present disclosure includes estimation. The scope of the claims should not be limited by the correctness of the action mechanism.
〔1〕本開示のリチウムイオン二次電池は正極および負極を少なくとも含む。負極は多孔質である。負極は炭素繊維集合体および高分子膜を含む。炭素繊維集合体は複数本の炭素繊維が三次元的に結合することにより形成されている。高分子膜は複数本の炭素繊維の各々の表面を被覆している。正極は粒子群および電解液を含む。粒子群は電解液中に分散している。粒子群は正極活物質および導電材を含む。負極内の空隙に正極が充填されている。高分子膜が電解液により膨潤している。 [1] The lithium ion secondary battery of the present disclosure includes at least a positive electrode and a negative electrode. The negative electrode is porous. The negative electrode includes a carbon fiber aggregate and a polymer film. The carbon fiber aggregate is formed by three-dimensionally bonding a plurality of carbon fibers. The polymer film covers the surface of each of the plurality of carbon fibers. The positive electrode includes a group of particles and an electrolytic solution. The particle group is dispersed in the electrolytic solution. The particle group includes a positive electrode active material and a conductive material. The gap in the negative electrode is filled with the positive electrode. The polymer film is swollen by the electrolytic solution.
本開示のリチウムイオン二次電池(以下「電池」と略記され得る)では、正極が液体状である。すなわち正極は粒子群(正極活物質等)および電解液を含む。粒子群は電解液中に分散している。 In the lithium ion secondary battery of the present disclosure (hereinafter may be abbreviated as “battery”), the positive electrode is in a liquid state. That is, the positive electrode includes a particle group (positive electrode active material or the like) and an electrolytic solution. The particle group is dispersed in the electrolytic solution.
負極は炭素繊維集合体および高分子膜を含む。炭素繊維集合体は複数本の炭素繊維からなる。複数本の炭素繊維のそれぞれにおいて、リチウム(Li)イオンのインターカレーション反応が起こり得る。すなわち炭素繊維は負極活物質である。複数本の炭素繊維同士の間には空隙が形成されている。すなわち負極は多孔質である。負極内の空隙に正極が充填されている。正極は液体状であるため、負極内の空隙を隙間なく満たし得ると考えられる。したがって電池内に無駄な空隙が生じることが抑制されると考えられる。すなわち体積エネルギー密度の向上が期待される。 The negative electrode includes a carbon fiber aggregate and a polymer film. The carbon fiber aggregate is composed of a plurality of carbon fibers. In each of the plurality of carbon fibers, an intercalation reaction of lithium (Li) ions can occur. That is, carbon fiber is a negative electrode active material. Gaps are formed between the plurality of carbon fibers. That is, the negative electrode is porous. The gap in the negative electrode is filled with the positive electrode. Since the positive electrode is in a liquid state, it is considered that the voids in the negative electrode can be filled without gaps. Therefore, it is considered that the generation of useless voids in the battery is suppressed. That is, an improvement in volume energy density is expected.
高分子膜は、正極に含まれる電解液により膨潤している。膨潤前の高分子膜は、膨潤後の高分子膜よりも薄膜であり得る。膨潤前の高分子膜が薄膜であることにより、正極が充填される際の空隙体積が大きくなると考えられる。これにより正極(液体)の充填が容易になることが期待される。 The polymer film is swollen by the electrolytic solution contained in the positive electrode. The polymer film before swelling can be a thinner film than the polymer film after swelling. It is considered that the void volume when the positive electrode is filled increases because the polymer film before swelling is a thin film. This is expected to facilitate filling of the positive electrode (liquid).
さらに高分子膜の膨潤により、正極の体積は減少することになる。しかし正極に含まれる正極活物質の含量は変化しない。そのため正極の体積エネルギー密度が増加することになる。これにより体積エネルギー密度の向上が期待される。 Furthermore, the volume of the positive electrode decreases due to swelling of the polymer film. However, the content of the positive electrode active material contained in the positive electrode does not change. Therefore, the volume energy density of the positive electrode increases. This is expected to improve the volume energy density.
また本開示の電池では、正極活物質と負極活物質との間のイオン伝導パスを電解液が担っている。そのためLiイオンの移動が円滑であると考えられる。したがって本開示の電池では高出力も期待される。 In the battery according to the present disclosure, the electrolyte solution serves as an ion conduction path between the positive electrode active material and the negative electrode active material. Therefore, it is considered that the movement of Li ions is smooth. Therefore, the battery of the present disclosure is expected to have high output.
〔2〕電解液は溶媒およびリチウム(Li)塩を少なくとも含む。溶媒はエーテルを含んでいてもよい。 [2] The electrolytic solution contains at least a solvent and a lithium (Li) salt. The solvent may contain ether.
一般に電解液の溶媒には炭酸エステル〔例えばエチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等〕が使用されている。溶媒にエーテル〔例えば1,2−ジメトキシエタン(DME)等〕が使用されることにより、導電率の向上が期待される。エーテルが低い粘度を有し、かつLi塩の解離を促進するためと考えられる。電解液の導電率が向上することにより、抵抗の低減が期待される。 In general, carbonates [for example, ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), etc.] are used as the solvent of the electrolytic solution. The use of ether [for example, 1,2-dimethoxyethane (DME)] as the solvent is expected to improve conductivity. It is considered that ether has a low viscosity and promotes dissociation of the Li salt. Reduction in resistance is expected by improving the conductivity of the electrolytic solution.
リチウム一次電池では、エーテルが電解液の溶媒として使用されている。しかしながらリチウムイオン二次電池では、エーテルが電解液の溶媒として普及していない。リチウムイオン二次電池では、エーテルが共挿入を起こすためと考えられる。一般にリチウムイオン二次電池の負極活物質は黒鉛である。黒鉛結晶は複数の炭素六角網面が積層されることにより形成されている。電解液中においてLiイオンは溶媒分子(ここではエーテル)に溶媒和されている。「共挿入」とは、Liイオンに配位した溶媒分子が、Liイオンと共に炭素六角網面同士の隙間に挿入されることを示す。共挿入が起こると、炭素六角網面同士の隙間で溶媒分子が分解される。これにより炭素六角網面同士が剥離し、結晶構造が崩壊する。結晶構造の崩壊により、Liイオンの格納サイトが減少すると考えられる。これにより容量が低下すると考えられる。 In the lithium primary battery, ether is used as a solvent for the electrolytic solution. However, in lithium ion secondary batteries, ether is not widely used as a solvent for the electrolytic solution. This is probably because ether causes co-insertion in lithium ion secondary batteries. Generally, the negative electrode active material of a lithium ion secondary battery is graphite. The graphite crystal is formed by laminating a plurality of carbon hexagonal mesh surfaces. In the electrolytic solution, Li ions are solvated into solvent molecules (here, ether). “Co-insertion” indicates that solvent molecules coordinated to Li ions are inserted into the gaps between the carbon hexagonal networks together with Li ions. When co-insertion occurs, solvent molecules are decomposed in the gaps between the carbon hexagonal mesh surfaces. As a result, the carbon hexagonal network surfaces are separated from each other, and the crystal structure is destroyed. It is considered that the storage site of Li ions decreases due to the collapse of the crystal structure. This is considered to reduce the capacity.
本開示のリチウムイオン二次電池では、負極活物質が炭素繊維である。本開示の新知見によれば、負極活物質が炭素繊維である場合、溶媒にエーテルが使用されることにより、容量はむしろ増加し得る。すなわち体積エネルギー密度の向上が期待される。このメカニズムの詳細は現時点では明らかではない。例えば炭素繊維の結晶性が黒鉛に比して低いため、共挿入が起こっても、構造の崩壊が起こり難いと考えられる。また例えば、初回充電時、エーテルの共挿入によって炭素繊維表面の構造が適度に乱されることにより、炭素繊維内部へのLiイオンの拡散パスが広がっていると考えられる。その結果、容量が増加している可能性がある。 In the lithium ion secondary battery of the present disclosure, the negative electrode active material is carbon fiber. According to the new knowledge of the present disclosure, when the negative electrode active material is carbon fiber, the capacity can be rather increased by using ether as the solvent. That is, an improvement in volume energy density is expected. The details of this mechanism are not clear at this time. For example, since the crystallinity of carbon fiber is lower than that of graphite, even if co-insertion occurs, it is considered that the collapse of the structure hardly occurs. In addition, for example, during the first charge, it is considered that the diffusion path of Li ions into the carbon fiber is widened by moderately disturbing the structure of the carbon fiber surface by co-insertion of ether. As a result, the capacity may increase.
〔3〕上記〔2〕の構成において、溶媒は1,4−ジオキサン(DX)および1,2−ジメトキシエタン(DME)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 [3] In the configuration of [2], the solvent may contain at least one selected from the group consisting of 1,4-dioxane (DX) and 1,2-dimethoxyethane (DME).
〔4〕上記〔2〕または〔3〕の構成において、リチウム塩はリチウムイミド塩を含んでいてもよい。リチウムイミド塩は、リチウムイオンと、含フッ素スルホニルイミドアニオンとの塩である。 [4] In the configuration of [2] or [3] above, the lithium salt may contain a lithium imide salt. The lithium imide salt is a salt of a lithium ion and a fluorine-containing sulfonylimide anion.
一般に電解液のLi塩(支持電解質塩)にはLiPF6が使用されている。Li塩としてリチウム(Li)イミド塩も検討されている。Liイミド塩は、Liイオンと、含フッ素スルホニルイミドアニオンとの塩である。「含フッ素スルホニルイミドアニオン」は、フッ素原子を含有するスルホニルイミドアニオンを示す。Liイミド塩を含む電解液は、高い導電率を有し得る。Liイミド塩が高い解離度を有し得るためと考えられる。さらにLiイミド塩の解離度が高いため、正極内の抵抗成分(例えば電荷移動抵抗等)が低減することも期待される。これらの作用の相乗により、抵抗の低減が期待される。 In general, LiPF 6 is used as the Li salt (supporting electrolyte salt) of the electrolytic solution. Lithium (Li) imide salts have also been studied as Li salts. The Li imide salt is a salt of Li ions and fluorine-containing sulfonylimide anions. The “fluorinated sulfonylimide anion” refers to a sulfonylimide anion containing a fluorine atom. An electrolyte solution containing a Li imide salt can have high electrical conductivity. It is considered that the Li imide salt can have a high degree of dissociation. Further, since the dissociation degree of the Li imide salt is high, it is expected that the resistance component (for example, charge transfer resistance) in the positive electrode is reduced. The synergy of these actions is expected to reduce resistance.
ただしLiイミド塩はアルミニウム(Al)を腐食するという欠点を有する。通常のリチウムイオン二次電池の正極は正極集電体を含む。正極集電体は導電性の電極基材である。一般に正極集電体はAl箔である。正極集電体の腐食により、抵抗が却って増加する可能性もある。 However, Li imide salts have the disadvantage of corroding aluminum (Al). The positive electrode of a normal lithium ion secondary battery includes a positive electrode current collector. The positive electrode current collector is a conductive electrode substrate. In general, the positive electrode current collector is an Al foil. There is a possibility that the resistance may increase due to corrosion of the positive electrode current collector.
本開示のリチウムイオン二次電池では、正極が液体状である。本開示の正極は電極基材(すなわちAl箔)を必要としない。そのためLiイミド塩の欠点(Alの腐食)が生じることなく、Liイミド塩の利点(抵抗の低減)が享受され得ると考えられる。 In the lithium ion secondary battery of the present disclosure, the positive electrode is liquid. The positive electrode of the present disclosure does not require an electrode substrate (ie, an Al foil). Therefore, it is considered that the advantage (reduction in resistance) of the Li imide salt can be enjoyed without causing the disadvantage of the Li imide salt (corrosion of Al).
〔5〕上記〔4〕の構成において、リチウム塩はリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドを含んでいてもよい。すなわちLiイミド塩はリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドであってもよい。以下リチウムビス(フルオロスルホニル)イミドは「LiFSI」と略記され得る。 [5] In the configuration of the above [4], the lithium salt may contain lithium bis (fluorosulfonyl) imide. That is, the Li imide salt may be lithium bis (fluorosulfonyl) imide. Hereinafter, lithium bis (fluorosulfonyl) imide may be abbreviated as “LiFSI”.
〔6〕上記〔2〕〜〔5〕の構成において、複数本の炭素繊維はポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維を含んでいてもよい。 [6] In the above configurations [2] to [5], the plurality of carbon fibers may include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers.
メカニズムの詳細は不明ながら、PAN系炭素繊維は、エーテルとの相性が特に良いと考えられる。炭素繊維(負極活物質)がPAN系炭素繊維を含むことにより、容量の増加および分極の低減が期待される。これにより体積エネルギー密度の向上が期待される。 Although the details of the mechanism are unknown, it is considered that the PAN-based carbon fiber has particularly good compatibility with ether. When the carbon fiber (negative electrode active material) contains the PAN-based carbon fiber, an increase in capacity and a decrease in polarization are expected. This is expected to improve the volume energy density.
以下本開示の実施形態(本明細書では「本実施形態」とも記される)が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure (also referred to as “this embodiment” in the present specification) will be described. However, the following description does not limit the scope of the claims.
<リチウムイオン二次電池>
図1は本実施形態のリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す概念図である。
電池100はリチウムイオン二次電池である。電池100はケース90を含む。ケース90は任意の外形を有し得る。ケース90の外形は例えば円筒形、角形等であってもよい。ケース90は例えばステンレス(SUS)製、アルミニウム(Al)合金製等であってもよい。ケース90はアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。ただし電解液12(後述)がLiイミド塩を含む場合、ケース90において電解液12と接触する部分はAlを含まないことが望ましい。ケース90は正極10および負極20を収納している。すなわち電池100は正極10および負極20を少なくとも含む。
<Lithium ion secondary battery>
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the lithium ion secondary battery of the present embodiment.
The
正極10は液体状である。正極10はケース90の内壁と接触している。ケース90が導電性材料で形成されている場合、ケース90が正極端子となり得る。負極端子92は負極20と電気的に接続されている。負極端子92は例えばニッケル(Ni)製等であってもよい。絶縁材料80は正極10およびケース90から負極端子92を絶縁している。絶縁材料80は例えばフッ素樹脂等であってもよい。
The
《負極》
図2は本実施形態の負極の構成の一例を示す概念図である。
負極20は多孔質である。負極20は三次元マトリックスを形成している。三次元マトリックス内には正極10が充填されるべき空隙30が形成されている。負極20は炭素繊維集合体21および高分子膜22を含む。
<Negative electrode>
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the negative electrode of the present embodiment.
The
(炭素繊維集合体)
炭素繊維集合体21は複数本の炭素繊維1が三次元的に結合することにより形成されている。「三次元的に結合する」とは、複数本の炭素繊維1が互いに結合しており、かつ複数本の炭素繊維1が三次元網目構造を形成していることを示す。炭素繊維集合体21は任意の外形を有し得る。炭素繊維集合体21の外形は例えばシート状、棒状、球状等であってもよい。
(Carbon fiber aggregate)
The
複数本の炭素繊維1間には空隙30が形成されている。炭素繊維集合体21は例えば炭素繊維1の不織布、炭素繊維1のフェルト等であってもよい。不織布およびフェルトには例えば集電部を形成しやすい等の利点がある。なお変形形態として炭素繊維集合体21に代えて、結晶性炭素により形成される多孔質材料を使用することも考えられる。該多孔質材料としては例えばカーボンモノリス等が考えられる。カーボンモノリスも三次元網目構造を有し得る。
A
炭素繊維1は、例えばポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、セルロース系炭素繊維等であってもよい。すなわち複数本の炭素繊維1はPAN系炭素繊維を含んでいてもよい。複数本の炭素繊維1は、実質的にPAN系炭素繊維のみからなっていてもよい。PAN系炭素繊維はPANを原料とする炭素繊維を示す。ピッチ系炭素繊維は例えば石油ピッチ等を原料とする炭素繊維を示す。セルロース系炭素繊維は例えばビスコースレーヨン等を原料とする炭素繊維を示す。
The
複数本の炭素繊維1は例えば次の方法により結合され得る。複数本の炭素繊維1およびバインダが混合されることにより、混合物が調製される。不活性雰囲気下で混合物が加熱されることにより、炭素繊維1およびバインダが黒鉛化(結晶化)される。これにより複数本の炭素繊維1が互いに結合され得る。バインダは例えばコールタールピッチ、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等であってもよい。
The plurality of
複数本の炭素繊維1は例えば1μm以上50μm以下の平均直径を有してもよい。平均直径は例えば100本以上の炭素繊維1の平均値であってもよい。炭素繊維1は典型的には短繊維である。炭素繊維1は例えば1mm以上50mm以下の数平均繊維長を有してもよい。数平均繊維長は例えば100本以上の炭素繊維1の平均値であってもよい。
The plurality of
図3は本実施形態の電極配置の一例を示す断面概念図である。
炭素繊維1は結晶性炭素により形成されている。炭素繊維1は負極活物質である。炭素繊維1の表面ではLiイオンのインターカレーション反応が起こり得る。炭素繊維1は芯部1aおよび鞘部1bを含んでもよい。鞘部1bは芯部1aを被覆している。鞘部1bの結晶性は芯部1aの結晶性よりも低くてもよい。炭素繊維1が低結晶性の鞘部1bを含むことにより、炭素繊維1の表面におけるインターカレーション反応の速度が高まること期待される。さらに例えば高温時の副反応等が抑制されることも期待される。
FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view showing an example of the electrode arrangement of this embodiment.
The
鞘部1bは例えば次の方法により形成され得る。芯部1aとなるべき炭素繊維が準備される。芯部1a(炭素繊維)が非晶質炭素材料で被覆される。芯部1aおよび非晶質炭素材料が熱処理される。熱処理により非晶質炭素材料の結晶性が調整される。これにより鞘部1bが形成され得る。
The
非晶質炭素材料は例えばコールタールピッチ等であってもよい。芯部1aの被覆方法は特に限定されるべきではない。被覆方法は例えば化学気相成長(CVD)法、物理気相成長(PVD)法等であってもよい。CVD法は例えば熱CVD法、プラズマCVD法等であってもよい。PVD法は例えば真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等であってもよい。 The amorphous carbon material may be, for example, coal tar pitch. The coating method of the core part 1a should not be specifically limited. The coating method may be, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method or a physical vapor deposition (PVD) method. The CVD method may be, for example, a thermal CVD method or a plasma CVD method. The PVD method may be, for example, a vacuum deposition method, an ion plating method, a sputtering method, or the like.
(高分子膜)
高分子膜22は複数本の炭素繊維1の各々の表面を被覆している。高分子膜22は例えば1μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。高分子膜22は、炭素繊維1(負極活物質)と粒子群11(正極活物質)とを隔てている。
(Polymer film)
The
高分子膜22は電解液12により膨潤している。すなわち高分子膜22および電解液12は高分子ゲルを形成している。高分子ゲルはLiイオン伝導性を有し、かつ電子伝導性を有しないと考えられる。したがって正極10と負極20とがイオン伝導によって接続され、かつ正極10と負極20との短絡(電気的接続)は抑制されると考えられる。
The
高分子膜22を形成する高分子材料は、例えばフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリビニルアルコール(PVA)等であってもよい。高分子膜22に1種の高分子材料が単独で含まれていてもよい。高分子膜22に2種以上の高分子材料が含まれていてもよい。高分子膜22に無機粒子がさらに含まれていてもよい。無機粒子は例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア等であってもよい。高分子膜22に無機粒子がさらに含まれていることにより、例えば高分子膜22の強度の向上等が期待される。無機粒子の粒子径、含量等は、高分子膜22の強度等に応じて適宜調整され得る。
Examples of the polymer material that forms the
高分子膜22は、高分子材料が溶解した溶液(高分子溶液)に炭素繊維集合体21が浸漬されることにより形成され得る。高分子膜22は、高分子溶液中における電気泳動電着により形成されてもよい。
The
《正極》
正極10は液体状である。正極10は負極20内の空隙30に充填されている(図2および図3を参照のこと)。正極10は粒子群11および電解液12を含む。粒子群11は電解液12中に分散している。すなわち正極10は粒子分散液(スラリー)である。正極10の固形分比率は例えば40質量%以上60質量%以下であってもよい。固形分比率は正極10における固体成分(粒子群11)の比率を示す。
《Positive electrode》
The
(粒子群)
粒子群11は正極活物質および導電材を含む。正極活物質はLiイオンのインターカレーション反応が可能な粒子である。正極活物質は例えば1μm以上30μm以下のD50を有してもよい。D50は体積基準の粒度分布において微粒側からの積算粒子体積が全粒子体積の50%になる粒径を示す。D50は例えばレーザ回折式粒度分布測定装置等により測定され得る。
(Particle group)
The
正極活物質は特に限定されるべきではない。正極活物質は、例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、スピネル型マンガン酸リチウム、層状岩塩型マンガン酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等)、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム(例えばLiNi0.82Co0.15Al0.03O2等)、リン酸鉄リチウム等であってもよい。粒子群11に1種の正極活物質が単独で含まれていてもよい。粒子群11に2種以上の正極活物質が含まれていてもよい。
The positive electrode active material should not be particularly limited. The positive electrode active material is, for example, lithium cobaltate, lithium nickelate, spinel type lithium manganate, layered rock salt type lithium manganate, nickel cobalt lithium manganate (eg, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, etc.) Nickel cobalt lithium aluminate (for example, LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 ), lithium iron phosphate, or the like may be used. One kind of positive electrode active material may be contained alone in the
導電材は、正極活物質同士の間に電子伝導パスを形成し得る粒子である。導電材は特に限定されるべきではない。導電材は、例えばカーボンブラック(例えばアセチレンブラック等)、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェンフレーク、黒鉛等であってもよい。粒子群11に1種の導電材が単独で含まれていてもよい。粒子群11に2種以上の導電材が含まれていてもよい。導電材の含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば1質量部以上20質量部以下であってもよい。
The conductive material is a particle that can form an electron conduction path between the positive electrode active materials. The conductive material should not be particularly limited. The conductive material may be, for example, carbon black (for example, acetylene black), vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube (CNT), graphene flake, graphite, or the like. One kind of conductive material may be included in the
本実施形態では正極活物質(粒子)が電解液中に分散している。そのため導電材には、長距離の電子伝導パスを形成することが求められる。繊維状の導電材(例えばVGCF、CNT等)は、長距離の電子伝導パスの形成に適すると考えられる。なお本実施形態では、正極10に含まれており、かつ繊維状である導電材は粒子とみなされる。
In the present embodiment, the positive electrode active material (particles) is dispersed in the electrolytic solution. Therefore, the conductive material is required to form a long-distance electron conduction path. A fibrous conductive material (eg, VGCF, CNT, etc.) is considered suitable for forming a long-distance electron conduction path. In the present embodiment, the conductive material that is included in the
(電解液)
電解液12は溶媒およびLi塩を少なくとも含む。溶媒は、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、δ−バレロラクトン、テトラヒドロフラン(THF)、1,3−ジオキソラン(DOL)、1,4−ジオキサン(DX)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、メチルホルメート(MF)、メチルアセテート(MA)、メチルプロピオネート(MP)、イオン液体等であってもよい。電解液12に1種の溶媒が単独で含まれていてもよい。電解液12に2種以上の溶媒が含まれていてもよい。
(Electrolyte)
The
溶媒はエーテルを含んでいてもよい。溶媒がエーテルを含むことにより、体積エネルギー密度の向上が期待される。本実施形態では負極活物質が炭素繊維であるためと考えられる。溶媒は例えば50体積%以上のエーテルを含んでいてもよい。溶媒は例えば80体積%以上のエーテルを含んでいてもよい。溶媒は、例えば実質的にエーテルのみからなっていてもよい。溶媒において、エーテルを除いた残部は、例えば炭酸エステル等であってもよい。 The solvent may contain ether. When the solvent contains ether, an improvement in volume energy density is expected. In this embodiment, it is considered that the negative electrode active material is carbon fiber. The solvent may contain, for example, 50% by volume or more of ether. The solvent may contain, for example, 80% by volume or more of ether. The solvent may consist essentially of ether, for example. In the solvent, the remainder excluding the ether may be, for example, a carbonate ester.
溶媒は環状エーテルと鎖状エーテルとの混合物であってもよい。環状エーテルと鎖状エーテルとは、例えば「環状エーテル:鎖状エーテル=1:9〜9:1(体積比)」の関係を満たしてもよい。環状エーテルと鎖状エーテルとは、例えば「環状エーテル:鎖状エーテル=3:7〜7:3(体積比)」の関係を満たしてもよい。環状エーテルと鎖状エーテルとは、例えば「環状エーテル:鎖状エーテル=4:6〜6:4(体積比)」の関係を満たしてもよい。 The solvent may be a mixture of cyclic ether and chain ether. The cyclic ether and the chain ether may satisfy, for example, the relationship of “cyclic ether: chain ether = 1: 9 to 9: 1 (volume ratio)”. The cyclic ether and the chain ether may satisfy, for example, a relationship of “cyclic ether: chain ether = 3: 7 to 7: 3 (volume ratio)”. The cyclic ether and the chain ether may satisfy, for example, the relationship of “cyclic ether: chain ether = 4: 6 to 6: 4 (volume ratio)”.
環状エーテルは、例えばテトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeTHF)、1,3−ジオキソラン(DOL)、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン(DX)等であってもよい。鎖状エーテルは、例えば1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、1,2−ジブトキシエタン(DBE)等であってもよい。溶媒は1種のエーテルを単独で含んでいてもよい。溶媒は2種以上のエーテルを含んでいてもよい。溶媒は、例えばTHF、2−MeTHF、DOL、1,3−ジオキサン、DX、DME、DEEおよびDBEからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 The cyclic ether may be, for example, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF), 1,3-dioxolane (DOL), 1,3-dioxane, 1,4-dioxane (DX) and the like. The chain ether may be, for example, 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE), 1,2-dibutoxyethane (DBE), and the like. The solvent may contain one kind of ether alone. The solvent may contain two or more ethers. The solvent may contain, for example, at least one selected from the group consisting of THF, 2-MeTHF, DOL, 1,3-dioxane, DX, DME, DEE, and DBE.
溶媒は例えばDXおよびDMEからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。溶媒は例えばDXおよびDMEからなる群より選択される少なくとも1種からなっていてもよい。溶媒は実質的にDXおよびDMEのみからなっていてもよい。 The solvent may contain at least one selected from the group consisting of DX and DME, for example. The solvent may be composed of at least one selected from the group consisting of DX and DME, for example. The solvent may consist essentially of DX and DME.
エーテルとPAN系炭素繊維とは特に相性が良いと考えられる。溶媒がエーテルを含み、かつ複数本の炭素繊維1がPAN系炭素繊維を含むことにより、体積エネルギー密度の向上が期待される。
Ether and PAN-based carbon fiber are considered to be particularly compatible. When the solvent contains ether and the plurality of
Li塩は溶媒に溶解している。Li塩の濃度は例えば0.5mоl/L以上5mоl/L以下であってもよい。Li塩の濃度は例えば1mоl/L以上2mоl/L以下であってもよい。Li塩は、例えばLiPF6、LiBF4、Li[N(FSO2)2](LiFSI)、Li[N(CF3SO2)2](LiTFSI)等であってもよい。電解液12に1種のLi塩が単独で含まれていてもよい。電解液12に2種以上のLi塩が含まれていてもよい。
Li salt is dissolved in the solvent. The concentration of the Li salt may be, for example, 0.5 mol / L or more and 5 mol / L or less. The concentration of the Li salt may be, for example, 1 mol / L or more and 2 mol / L or less. The Li salt may be, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , Li [N (FSO 2 ) 2 ] (LiFSI), Li [N (CF 3 SO 2 ) 2 ] (LiTFSI), and the like. One kind of Li salt may be contained alone in the
Li塩はLiイミド塩を含んでいてもよい。Li塩は、例えばLiイミド塩およびLiPF6を含んでいてもよい。Li塩は、例えば実質的にLiイミド塩のみからなっていてもよい。Liイミド塩は、Liイオンと、含フッ素スルホニルイミドアニオンとの塩である。「含フッ素スルホニルイミドアニオン」は、フッ素原子を含有するスルホニルイミドアニオンを示す。上記の「LiFSI」および「LiTFSI」は、Liイミド塩に相当する。 Li salt may contain Li imide salt. The Li salt may contain, for example, a Li imide salt and LiPF 6 . The Li salt may consist essentially of, for example, a Li imide salt. The Li imide salt is a salt of Li ions and fluorine-containing sulfonylimide anions. The “fluorinated sulfonylimide anion” refers to a sulfonylimide anion containing a fluorine atom. The above “LiFSI” and “LiTFSI” correspond to Li imide salts.
Liイミド塩は、例えば下記一般式:
Li[N(X1SO2)(X2SO2)]
〔ただし式中、X1およびX2はそれぞれ独立に、フッ素原子、または炭素数1〜6のフルオロアルキル基を示す。〕
により表されてもよい。
Examples of the Li imide salt include the following general formula:
Li [N (X 1 SO 2 ) (X 2 SO 2 )]
[Wherein, X 1 and X 2 each independently represent a fluorine atom or a fluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms. ]
May be represented by
「フルオロアルキル基」は、アルキル基に含まれる水素原子の一部または全部がフッ素原子で置換された官能基を示す。フルオロアルキル基は、例えば、フルオロメチル基、ジフルオロメチル基、トリフルオロメチル基、フルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基等であってもよい。 The “fluoroalkyl group” refers to a functional group in which part or all of the hydrogen atoms contained in the alkyl group are substituted with fluorine atoms. The fluoroalkyl group may be, for example, a fluoromethyl group, a difluoromethyl group, a trifluoromethyl group, a fluoroethyl group, a difluoroethyl group, a trifluoroethyl group, or a pentafluoroethyl group.
Li塩は1種のLiイミド塩を単独で含んでいてもよい。Li塩は2種以上のLiイミド塩を含んでいてもよい。Li塩は、例えば、LiFSI、LiTFSIおよびリチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(BETI)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 Li salt may contain 1 type of Li imide salt independently. Li salt may contain 2 or more types of Li imide salt. The Li salt may include, for example, at least one selected from the group consisting of LiFSI, LiTFSI, and lithium bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide (BETI).
Liイミド塩は高い解離度を有し得る。そのためLi塩がLiイミド塩を含むことにより、例えば抵抗の低減が期待される。ただしLiイミド塩は正極集電体(Al箔)を腐食するという欠点を有する。正極集電体の腐食により、抵抗が却って増加する可能性もある。本実施形態は、正極10がAl箔(正極集電体)を必要としない構成であり得る。したがって実施形態では、Liイミド塩による抵抗低減効果が大きくなることが期待される。
Li imide salts can have a high degree of dissociation. Therefore, when Li salt contains Li imide salt, reduction of resistance is anticipated, for example. However, the Li imide salt has a drawback of corroding the positive electrode current collector (Al foil). There is a possibility that the resistance may increase due to corrosion of the positive electrode current collector. The present embodiment may be configured such that the
Li塩は例えばLiFSIを含んでいてもよい。すなわちLiイミド塩はLiFSIであってもよい。Li塩は実質的にLiFSIのみからなっていてもよい。 Li salt may contain LiFSI, for example. That is, the Li imide salt may be LiFSI. The Li salt may consist essentially of LiFSI.
電解液は、溶媒およびLi塩に加えて、各種の添加剤をさらに含んでいてもよい。電解液は、例えば被膜形成剤、ガス発生剤(過充電添加剤)、難燃剤等を含んでいてもよい。被膜形成剤としては、例えばLi[B(C2O4)2](LiBOB)等が考えられる。ガス発生剤としては、例えばシクロヘキシルベンゼン(CHB)等が考えられる。難燃剤としては、例えばホスファゼン等が考えられる。 The electrolytic solution may further contain various additives in addition to the solvent and the Li salt. The electrolytic solution may contain, for example, a film forming agent, a gas generating agent (overcharge additive), a flame retardant, and the like. As the film forming agent, for example, Li [B (C 2 O 4 ) 2 ] (LiBOB) can be considered. As the gas generating agent, for example, cyclohexylbenzene (CHB) can be considered. As the flame retardant, for example, phosphazene can be considered.
《空隙、負極容量密度および正極容量密度の関係》
本実施形態では、正極10が充填されるべき空隙30、負極容量密度および正極容量密度が特定の関係を満たすことにより、電池容量が大きくなることが期待される。すなわち体積エネルギー密度のいっそうの向上が期待される。
<< Relationship between void, negative electrode capacity density and positive electrode capacity density >>
In the present embodiment, it is expected that the battery capacity is increased when the
本実施形態では、負極20の体積(真体積)および空隙30の体積の合計に対する、空隙30の体積の比率が「空隙率(X,単位 %)」と記される。
空隙率(X)は下記式(I):
[100/{(B/A)+1}]−10≦X≦[100/{(B/A)+1}]
…(I)
の関係を満たしてもよい。
In the present embodiment, the ratio of the volume of the void 30 to the sum of the volume of the negative electrode 20 (true volume) and the volume of the void 30 is described as “porosity (X, unit%)”.
The porosity (X) is represented by the following formula (I):
[100 / {(B / A) +1}] − 10 ≦ X ≦ [100 / {(B / A) +1}]
... (I)
May be satisfied.
上記式(I)中「A」は負極容量密度(単位 mAh/cm3)を示す。負極容量(単位 mAh)は半電池(ハーフセル)において測定される。半電池において負極20の対極はLi金属である。負極容量密度は、負極容量が負極20の体積(真体積)で除されることにより算出される。負極容量密度(A)は例えば250mAh/cm3以上であってもよい。
In the above formula (I), “A” represents the negative electrode capacity density (unit: mAh / cm 3 ). The negative electrode capacity (unit: mAh) is measured in a half battery (half cell). In the half battery, the counter electrode of the
上記式(I)中「B」は正極容量密度(単位 mAh/cm3)を示す。正極容量(単位 mAh)は半電池において測定される。半電池において正極10の対極はLi金属である。正極容量密度は、正極容量が正極10の体積(真体積)で除されることにより算出される。正極容量密度(B)は例えば146mAh/cm3以上であってもよい。正極容量密度が適度に高いことにより、正極10中に密な導電ネットワークが形成されやすいと考えられる。
In the above formula (I), “B” represents a positive electrode capacity density (unit: mAh / cm 3 ). The positive electrode capacity (unit: mAh) is measured in a half-cell. In the half cell, the counter electrode of the
上記式(I)の関係が満たされることにより、充放電効率の向上も期待される。正極容量に対する負極容量の比が適度に大きくなることにより、不可逆容量が抑制されるためと考えられる。 By satisfying the relationship of the above formula (I), an improvement in charge / discharge efficiency is also expected. This is probably because the irreversible capacity is suppressed by appropriately increasing the ratio of the negative electrode capacity to the positive electrode capacity.
以下本開示の実施例が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Examples of the present disclosure are described below. However, the following description does not limit the scope of the claims.
以下本開示の実施例では、溶媒が炭酸エステルからなる電解液が「エステル系電解液」とも記される。溶媒がエーテルからなる電解液が「エーテル系電解液」とも記される。 Hereinafter, in the examples of the present disclosure, an electrolytic solution whose solvent is a carbonate ester is also referred to as an “ester electrolytic solution”. An electrolytic solution whose solvent is ether is also referred to as “ether-based electrolytic solution”.
<実験1>
実験1では体積エネルギー密度が評価された。
<
In
《実施例1》
1.負極の準備
炭素繊維集合体21として炭素繊維不織布が準備された。熱CVD法により炭素繊維(芯部1a)のそれぞれの表面が非晶質炭素材料で被覆された。非晶質炭素材料はコールタールピッチである。被覆後、炭素繊維集合体21が1000℃で熱処理された。これにより非晶質炭素材料の結晶性が調整された。すなわち鞘部1bが形成された。
Example 1
1. Preparation of Negative Electrode A carbon fiber nonwoven fabric was prepared as the
PVDF−HFPがNMPに溶解されることにより、高分子溶液が調製された。高分子溶液に炭素繊維集合体21が浸漬された。炭素繊維集合体21が高分子溶液から引き上げられた。高分子溶液が付着した炭素繊維集合体21が乾燥された。これにより炭素繊維1の各々の表面に高分子膜22が形成された。
A polymer solution was prepared by dissolving PVDF-HFP in NMP. The
以上より負極20が形成された。高分子膜22の形成後、空隙率(X)は64.2%である。負極容量密度(A)は289mAh/cm3である。
Thus, the
2.正極の準備
以下の材料が準備された。
粒子群:
正極活物質:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
導電材:アセチレンブラックおよびVGCF
電解液(エステル系電解液):
Li塩:LiPF6(濃度 1mol/L)
溶媒:EC+DMC+EMC[EC:DMC:EMC=3:4:3(体積比)]
2. Preparation of positive electrode The following materials were prepared.
Particle group:
Cathode active material: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2
Conductive materials: Acetylene black and VGCF
Electrolyte (ester electrolyte):
Li salt: LiPF 6 (
Solvent: EC + DMC + EMC [EC: DMC: EMC = 3: 4: 3 (volume ratio)]
55.6質量部の粒子群11および44.4質量部の電解液12が混合されることにより、正極10が準備された。粒子群11は50質量部の正極活物質および5.6質量部の導電材からなる。正極容量密度(B)は146mAh/cm3である。
The
実施例1では上記式(I)の右辺の計算結果が66.4%となり、かつ上記式(I)の左辺の計算結果が56.4%となる。実施例1での空隙率(X)は64.2%である。したがって実施例1では上記式(I)の関係が満たされている。 In Example 1, the calculation result of the right side of the above formula (I) is 66.4%, and the calculation result of the left side of the above formula (I) is 56.4%. The porosity (X) in Example 1 is 64.2%. Therefore, in Example 1, the relationship of the above formula (I) is satisfied.
3.組み立て
高分子膜22の一部が剥離されることにより、炭素繊維集合体21において炭素繊維1の一部が露出した。炭素繊維1が露出した部分に金(Au)が蒸着された。これにより集電部が形成された。集電部に負極端子92(タブリード)が電気的に接続された。負極端子92はNi製である。
3. Assembly Part of the
ケース90が準備された。ケース90はSUS製である。ケース90の内部空間の体積は1.4cm3である。ケース90に負極20が収納された。さらにケース90に正極10が流し込まれた。これにより負極20内の空隙30に正極10が充填されたと考えられる。さらに正極10に含まれる電解液12が高分子膜22に浸透し、高分子膜22が膨潤したと考えられる。ケース90が密閉された。以上より電池100が製造された。
5.評価
ケース90(正極端子)および負極端子92が充放電試験装置に接続された。0.2Cの電流により、3〜4.2Vの電圧範囲において充放電が数回繰り返された。0.2Cの電流では、電池100の設計容量が5時間で放電される。
5. Evaluation Case 90 (positive electrode terminal) and
数回の充放電後、電池100の実効容量が測定された。実効容量は130mAhである。したがって体積エネルギー密度は356Wh/Lであると見積もられる。さらに電池100の抵抗が測定された。
After several charge / discharge cycles, the effective capacity of the
《実施例2》
実施例2では、負極20が68.2%の空隙率(X)を有するように形成された。実施例2では、上記式(I)の右辺の計算結果が73.2%となり、かつ上記式(I)の左辺の計算結果が63.2%となるように、負極容量密度(A)および正極容量密度(B)が調整された。したがって実施例2でも上記式(I)の関係が満たされている。さらに実施例2では、以下の電解液(エーテル系電解液)が使用された。これらを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。実施例1と同様に実効容量が測定され、体積エネルギー密度が算出された。実施例1と同様に抵抗が測定された。
Example 2
In Example 2, the
電解液(エーテル系電解液):
Li塩:LiFSI(濃度 1mol/L)
溶媒:DX+DME[DX:DME=5:5(体積比)]
Electrolyte (ether electrolyte):
Li salt: LiFSI (
Solvent: DX + DME [DX: DME = 5: 5 (volume ratio)]
《比較例1》
図4は積層電極群を示す第1概略図である。
比較例1では、積層電極群200を含むラミネート電池が製造された。同ラミネート電池は従来の電極構造を有する。
<< Comparative Example 1 >>
FIG. 4 is a first schematic diagram showing a laminated electrode group.
In Comparative Example 1, a laminated battery including the
図5は積層電極群を示す第2概略図である。
積層電極群200は、平板正極210と平板負極220とが交互に積層されることにより形成されている。平板正極210と平板負極220との間には、セパレータ230が配置されている。各部材は以下の手順で製造されている。
FIG. 5 is a second schematic diagram showing the laminated electrode group.
The
1.負極の準備
以下の材料が準備された。
負極活物質:球形化天然黒鉛
バインダ:カルボキシメチルセルロース(CMC)およびスチレンブタジエンゴム(SBR)
溶媒:水
負極集電体:銅(Cu)箔
1. Preparation of negative electrode The following materials were prepared.
Negative electrode active material: Spherical natural graphite Binder: Carboxymethylcellulose (CMC) and styrene butadiene rubber (SBR)
Solvent: Water Negative electrode current collector: Copper (Cu) foil
球形化天然黒鉛、CMC、SBRおよび水が混合されることによりスラリーが調製された。スラリーがCu箔の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより、塗膜が形成された。塗膜の目付量(単位面積あたりの質量)は15mg/cm2である。塗膜が圧縮された。圧縮後の塗膜密度は1.6g/cm3である。以上より負極原反が製造された。負極原反が所定の寸法に切断されることにより、平板負極220が製造された。
A slurry was prepared by mixing spheronized natural graphite, CMC, SBR and water. The slurry was applied to the surface (both front and back surfaces) of the Cu foil and dried to form a coating film. The basis weight of the coating film (mass per unit area) is 15 mg / cm 2 . The coating was compressed. The film density after compression is 1.6 g / cm 3 . Thus, a negative electrode raw material was produced. The negative electrode original fabric was cut into a predetermined dimension, whereby a flat plate
2.正極の準備
以下の材料が準備された。
正極活物質:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
導電材:アセチレンブラック
バインダ:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)
溶媒:N−メチル−2−ピロリドン(NMP)
正極集電体:Al箔
2. Preparation of positive electrode The following materials were prepared.
Cathode active material: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2
Conductive material: Acetylene black Binder: Polyvinylidene fluoride (PVDF)
Solvent: N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)
Positive electrode current collector: Al foil
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、アセチレンブラック、PVDFおよびNMPが混合されることによりスラリーが調製された。スラリーがAl箔の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより、塗膜が形成された。塗膜の目付量は25mg/cm2である。塗膜が圧縮された。圧縮後の塗膜密度は3.2g/cm3である。以上より正極原反が製造された。正極原反が所定の寸法に切断されることにより、平板正極210が製造された。
A slurry was prepared by mixing LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , acetylene black, PVDF and NMP. The slurry was applied to the surface (both front and back surfaces) of the Al foil and dried to form a coating film. The basis weight of the coating film is 25 mg / cm 2 . The coating was compressed. The coating density after compression is 3.2 g / cm 3 . Thus, a positive electrode raw material was manufactured. The plate
3.組み立て
セパレータ230が準備された。セパレータ230はポリエチレン製の多孔質膜である。セパレータ230は15μmの厚さを有する。平板正極210と平板負極220とが交互に積層されることにより積層電極群200が形成された。平板正極210と平板負極220との各間にはセパレータ230が配置された。
3.
アルミラミネートフィルム製のパウチが準備された。積層電極群200がパウチに収納された。パウチに実施例1のエステル系電解液が注入された。電解液の注入後、パウチが密封された。以上よりラミネート電池が製造された。実施例1と同様に実効容量が測定され、体積エネルギー密度が算出された。実施例1と同様に抵抗が測定された。
An aluminum laminate film pouch was prepared. The
《比較例2》
実施例2のエーテル系電解液が使用されることを除いては、比較例1と同様にラミネート電池が製造された。実施例1と同様に実効容量が測定され、体積エネルギー密度が算出された。実施例1と同様に抵抗が測定された。
<< Comparative Example 2 >>
A laminated battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the ether electrolyte solution of Example 2 was used. The effective capacity was measured in the same manner as in Example 1, and the volume energy density was calculated. The resistance was measured in the same manner as in Example 1.
《実験結果》
下記表1に実験1の結果が示される。下記表1中「体積エネルギー密度」は、比較例1の体積エネルギー密度が100とされたときの相対値である。下記表1中「抵抗」は、比較例1の抵抗が100とされたときの相対値である。
"Experimental result"
Table 1 below shows the results of
実施例1は比較例1に比して体積エネルギー密度が向上している。実施例1の電極構造は、比較例1の電極構造に比して、活物質の充填率が高いと考えられる。 In Example 1, the volume energy density is improved as compared with Comparative Example 1. The electrode structure of Example 1 is considered to have a higher active material filling rate than the electrode structure of Comparative Example 1.
実施例1は比較例1に比して抵抗が低減している。比較例1の電極構造は二次元的構造である。二次元的構造では、正極と負極とが平面的に隣接している。すなわち二次元的構造では、平板正極210と平板負極220とが互いに対向している(図5を参照のこと)。実施例1の電極構造は三次元的構造である(図2を参照のこと)。実施例1の電極構造では、正極10と負極20とが立体的に隣接し得る(図2および図3を参照のこと)。三次元的構造では、二次元的構造に比して単位体積あたりの対向面積(反応面積)が大きくなると考えられる。これにより抵抗が低減すると考えられる。
In Example 1, the resistance is reduced as compared with Comparative Example 1. The electrode structure of Comparative Example 1 is a two-dimensional structure. In the two-dimensional structure, the positive electrode and the negative electrode are adjacent in a plane. That is, in the two-dimensional structure, the plate
比較例2は比較例1に比して体積エネルギー密度が低下している。負極活物質(黒鉛)においてエーテル(DXおよびDME)の共挿入が起こることにより、充放電効率が低下していると考えられる。 The volume energy density of Comparative Example 2 is lower than that of Comparative Example 1. It is considered that charge / discharge efficiency is reduced by co-insertion of ether (DX and DME) in the negative electrode active material (graphite).
実施例2は実施例1に比して体積エネルギー密度が向上している。実施例1および2では負極活物質が炭素繊維である。炭素繊維は黒鉛よりも結晶性が低いと考えられる。炭素繊維では、共挿入が起こっても、構造の崩壊が起こり難いと考えられる。エーテルの共挿入によって構造が適度に乱されることにより、Liイオンの拡散パスが広がり、容量が増加しているとも考えられる。また実施例2は、実施例1に比して負極20の空隙率(X)が高いため、その分、正極10の充填量を多くできることも、体積エネルギー密度の向上に寄与していると考えられる。
In Example 2, the volume energy density is improved as compared with Example 1. In Examples 1 and 2, the negative electrode active material is carbon fiber. Carbon fiber is considered to have lower crystallinity than graphite. In carbon fiber, even if co-insertion occurs, it is considered that the structure is unlikely to collapse. It is considered that the structure is moderately disturbed by the co-insertion of ether, so that the diffusion path of Li ions spreads and the capacity increases. Further, in Example 2, since the porosity (X) of the
比較例2は比較例1に比して抵抗が増加している。Li塩(LiFSI)が正極集電体(Al箔)を腐食するためと考えられる。 In Comparative Example 2, the resistance is increased as compared with Comparative Example 1. This is probably because the Li salt (LiFSI) corrodes the positive electrode current collector (Al foil).
実施例2は実施例1に比して抵抗が低減している。実施例1および2では正極集電体(Al箔)が存在しない。そのためAl箔の腐食が起こらない。LiFSIの解離度が高いため、正極内の抵抗成分(例えば電荷移動抵抗等)が低減され、入出力特性が改善されていると考えられる。 In Example 2, the resistance is reduced as compared with Example 1. In Examples 1 and 2, there is no positive electrode current collector (Al foil). Therefore, corrosion of Al foil does not occur. Since the degree of dissociation of LiFSI is high, it is considered that resistance components (for example, charge transfer resistance) in the positive electrode are reduced and input / output characteristics are improved.
以上の結果より本開示の電池100は高い体積エネルギー密度を有し得ると考えられる。
From the above results, it is considered that the
<実験2>
実験2では、各種負極活物質と各種電解液との組み合わせにおける充放電挙動が調査された。
<
In
《2極式電気化学セル》
以下の構成を備える2極式電気化学セルが作製された。
作用極(WE):PAN系炭素繊維不織布、ピッチ系炭素繊維不織布、または黒鉛負極
対極(CE):Li金属
電解液:エステル系電解液またはエーテル系電解液
<< Bipolar Electrochemical Cell >>
A bipolar electrochemical cell having the following configuration was produced.
Working electrode (WE): PAN-based carbon fiber nonwoven fabric, pitch-based carbon fiber nonwoven fabric, or graphite negative electrode Counter electrode (CE): Li metal Electrolytic solution: Ester-based electrolytic solution or ether-based electrolytic solution
黒鉛負極は上記比較例1および2の平板負極220から切り出されたものである。
エステル系電解液は上記実施例1で使用されたものである。
エーテル系電解液は上記実施例2で使用されたものである。
The graphite negative electrode is cut from the flat plate
The ester electrolyte solution is the one used in Example 1 above.
The ether electrolyte solution is the one used in Example 2 above.
《実験結果》
2極式電気化学セルにおいて充放電試験が実施された。結果は図6〜9に示される。
"Experimental result"
A charge / discharge test was conducted in a bipolar electrochemical cell. The results are shown in FIGS.
図6は実験2の結果を示す第1グラフである。
図6には黒鉛負極における初回充放電曲線が示されている。エーテル系電解液では、初回充電時、1V vs.Li+/Li付近に微小なプラトー(電位が平坦な部分)が認められる。該プラトーはエーテルの共挿入に由来すると考えられる。黒鉛負極においては、エーテル系電解液が使用された場合、エステル系電解液が使用された場合に比して、充放電容量が減少している。エーテルの共挿入により、炭素六角網面同士が剥離し、黒鉛結晶構造が崩壊していると考えられる。
FIG. 6 is a first graph showing the results of
FIG. 6 shows an initial charge / discharge curve in the graphite negative electrode. In the case of an ether electrolyte, 1 V vs. A minute plateau (potential flat portion) is observed in the vicinity of Li + / Li. The plateau is believed to be derived from co-insertion of ether. In the graphite negative electrode, when the ether electrolyte is used, the charge / discharge capacity is reduced as compared with the case where the ester electrolyte is used. It is considered that the carbon hexagonal network surfaces are separated from each other by co-insertion of ether, and the graphite crystal structure is destroyed.
図7は実験2の結果を示す第2グラフである。
図7にはピッチ系炭素繊維不織布における初回充放電曲線が示されている。エーテル系電解液では、初回充電時、1V vs.Li+/Li付近に微小なプラトーが認められる。該プラトーはエーテルの共挿入に由来すると考えられる。ピッチ系炭素繊維においては、エーテル系電解液が使用された場合、エステル系電解液が使用された場合に比して、充放電容量が増加している。さらに分極の低減も認められる。
FIG. 7 is a second graph showing the results of
FIG. 7 shows an initial charge / discharge curve in the pitch-based carbon fiber nonwoven fabric. In the case of an ether electrolyte, 1 V vs. A minute plateau is observed in the vicinity of Li + / Li. The plateau is believed to be derived from co-insertion of ether. In pitch-based carbon fibers, the charge / discharge capacity is increased when an ether electrolyte is used, compared to when an ester electrolyte is used. Furthermore, a reduction in polarization is also observed.
図8は実験2の結果を示す第3グラフである。
図8にはPAN系炭素繊維不織布における初回充放電曲線が示されている。エーテル系電解液では、初回充電時、1V vs.Li+/Li付近に微小なプラトーが認められる。該プラトーはエーテルの共挿入に由来すると考えられる。PAN系炭素繊維においては、エーテル系電解液が使用された場合、エステル系電解液が使用された場合に比して、充放電容量が増加している。さらに分極の低減も認められる。
FIG. 8 is a third graph showing the results of
FIG. 8 shows an initial charge / discharge curve in the PAN-based carbon fiber nonwoven fabric. In the case of an ether electrolyte, 1 V vs. A minute plateau is observed in the vicinity of Li + / Li. The plateau is believed to be derived from co-insertion of ether. In the PAN-based carbon fiber, the charge / discharge capacity is increased when an ether electrolyte is used, compared to when an ester electrolyte is used. Furthermore, a reduction in polarization is also observed.
炭素繊維とエーテル系電解液との組み合わせにより容量が増加する理由は、現時点では明らかではない。例えば初回充電時、エーテルの共挿入によって炭素繊維表面の構造が適度に乱されることにより、炭素繊維内部へのLiイオンの拡散パスが広がっていると考えられる。その結果、容量が増加している可能性がある。 The reason why the capacity is increased by the combination of the carbon fiber and the ether electrolyte is not clear at present. For example, at the time of initial charge, it is considered that the diffusion path of Li ions into the carbon fiber is expanded by moderately disturbing the structure of the carbon fiber surface by co-insertion of ether. As a result, the capacity may increase.
図9は実験2の結果を示す第4グラフである。
図9には初回充放電効率の変化率と、放電容量の変化率との関係が示されている。
「初回充放電効率の変化率」は下記式(II):
(初回充放電効率の変化率)=(エーテル系電解液が使用された時の初回充放電効率)÷(エステル系電解液が使用された時の初回充放電効率)×100 …(II)
により算出されている。
FIG. 9 is a fourth graph showing the results of
FIG. 9 shows the relationship between the change rate of the initial charge / discharge efficiency and the change rate of the discharge capacity.
“Change rate of initial charge / discharge efficiency” is expressed by the following formula (II):
(Change rate of initial charge / discharge efficiency) = (initial charge / discharge efficiency when ether electrolyte is used) ÷ (initial charge / discharge efficiency when ester electrolyte is used) × 100 (II)
It is calculated by.
「放電容量の変化率」は下記式(III):
(放電容量の変化率)=(エーテル系電解液が使用された時の放電容量)÷(エステル系電解液が使用された時の放電容量)×100 …(III)
により算出されている。
“Change rate of discharge capacity” is expressed by the following formula (III):
(Change rate of discharge capacity) = (discharge capacity when ether electrolyte is used) ÷ (discharge capacity when ester electrolyte is used) × 100 (III)
It is calculated by.
図9に示されるようにPAN系炭素繊維では、電解液がエステル系からエーテル系に変更されることにより、初回充放電効率が低下せず、なおかつ放電容量が増加している。したがって、本開示の電池100の構成において、PAN系炭素繊維とエーテル系電解液とが組み合わされて使用されることにより、体積エネルギー密度がいっそう向上することが期待される。
As shown in FIG. 9, in the PAN-based carbon fiber, when the electrolytic solution is changed from the ester system to the ether system, the initial charge / discharge efficiency does not decrease and the discharge capacity increases. Therefore, in the configuration of the
本開示の実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。 Embodiments and examples of the present disclosure are illustrative in all respects and not restrictive. The technical scope determined by the description of the claims includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.
1 炭素繊維、1a 芯部、1b 鞘部、10 正極、11 粒子群、12 電解液、20 負極、21 炭素繊維集合体、22 高分子膜、30 空隙、80 絶縁材料、90 ケース、92 負極端子、100 電池(リチウムイオン二次電池)、200 積層電極群、210 平板正極、220 平板負極、230 セパレータ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記負極は多孔質であり、
前記負極は炭素繊維集合体および高分子膜を含み、
前記炭素繊維集合体は複数本の炭素繊維が三次元的に結合することにより形成されており、
前記高分子膜は前記複数本の炭素繊維の各々の表面を被覆しており、
前記正極は粒子群および電解液を含み、
前記粒子群は前記電解液中に分散しており、
前記粒子群は正極活物質および導電材を含み、
前記負極内の空隙に前記正極が充填されており、
前記高分子膜が前記電解液により膨潤している、
リチウムイオン二次電池。 Including at least a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode is porous;
The negative electrode includes a carbon fiber aggregate and a polymer film,
The carbon fiber aggregate is formed by three-dimensionally bonding a plurality of carbon fibers,
The polymer film covers the surface of each of the plurality of carbon fibers,
The positive electrode includes a particle group and an electrolytic solution,
The particle group is dispersed in the electrolyte solution,
The particle group includes a positive electrode active material and a conductive material,
The positive electrode is filled in the voids in the negative electrode,
The polymer membrane is swollen by the electrolyte;
Lithium ion secondary battery.
前記溶媒はエーテルを含む、
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 The electrolyte includes at least a solvent and a lithium salt,
The solvent includes ether;
The lithium ion secondary battery according to claim 1.
請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。 The solvent includes at least one selected from the group consisting of 1,4-dioxane and 1,2-dimethoxyethane;
The lithium ion secondary battery according to claim 2.
前記リチウムイミド塩は、リチウムイオンと、含フッ素スルホニルイミドアニオンとの塩である、
請求項2または請求項3に記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium salt includes a lithium imide salt,
The lithium imide salt is a salt of a lithium ion and a fluorine-containing sulfonylimide anion.
The lithium ion secondary battery according to claim 2 or claim 3.
請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium salt includes lithium bis (fluorosulfonyl) imide,
The lithium ion secondary battery according to claim 4.
請求項2〜請求項5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 The plurality of carbon fibers include polyacrylonitrile-based carbon fibers.
The lithium ion secondary battery of any one of Claims 2-5.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US16/351,649 US10826066B2 (en) | 2018-03-23 | 2019-03-13 | Lithium-ion secondary battery |
CN201910220519.3A CN110299507B (en) | 2018-03-23 | 2019-03-22 | Lithium ion secondary battery |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018055859 | 2018-03-23 | ||
JP2018055859 | 2018-03-23 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019169460A true JP2019169460A (en) | 2019-10-03 |
JP7035928B2 JP7035928B2 (en) | 2022-03-15 |
Family
ID=68108436
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018172132A Active JP7035928B2 (en) | 2018-03-23 | 2018-09-14 | Lithium ion secondary battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7035928B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019185963A (en) * | 2018-04-06 | 2019-10-24 | トヨタ自動車株式会社 | Lithium ion secondary battery |
JP2020181806A (en) * | 2019-04-25 | 2020-11-05 | 株式会社豊田自動織機 | Electrolyte solution and lithium ion secondary battery |
JP2021082516A (en) * | 2019-11-20 | 2021-05-27 | 株式会社豊田自動織機 | Electrolyte and lithium ion secondary battery |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010225498A (en) * | 2009-03-25 | 2010-10-07 | Panasonic Corp | Organic electrolyte battery |
JP2010244911A (en) * | 2009-04-08 | 2010-10-28 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Electrode cell and lithium ion secondary battery |
WO2017048341A1 (en) * | 2015-09-14 | 2017-03-23 | Nanotek Instruments, Inc. | Alkali metal or alkali-ion batteries having high volumetric and gravimetric energy densities |
JP2017517853A (en) * | 2014-06-13 | 2017-06-29 | エルジー・ケム・リミテッド | Lithium electrode and lithium secondary battery including the same |
-
2018
- 2018-09-14 JP JP2018172132A patent/JP7035928B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010225498A (en) * | 2009-03-25 | 2010-10-07 | Panasonic Corp | Organic electrolyte battery |
JP2010244911A (en) * | 2009-04-08 | 2010-10-28 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | Electrode cell and lithium ion secondary battery |
JP2017517853A (en) * | 2014-06-13 | 2017-06-29 | エルジー・ケム・リミテッド | Lithium electrode and lithium secondary battery including the same |
WO2017048341A1 (en) * | 2015-09-14 | 2017-03-23 | Nanotek Instruments, Inc. | Alkali metal or alkali-ion batteries having high volumetric and gravimetric energy densities |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019185963A (en) * | 2018-04-06 | 2019-10-24 | トヨタ自動車株式会社 | Lithium ion secondary battery |
JP7036652B2 (en) | 2018-04-06 | 2022-03-15 | トヨタ自動車株式会社 | Lithium ion secondary battery |
JP2020181806A (en) * | 2019-04-25 | 2020-11-05 | 株式会社豊田自動織機 | Electrolyte solution and lithium ion secondary battery |
JP7287252B2 (en) | 2019-04-25 | 2023-06-06 | 株式会社豊田自動織機 | Electrolyte and lithium ion secondary battery |
JP2021082516A (en) * | 2019-11-20 | 2021-05-27 | 株式会社豊田自動織機 | Electrolyte and lithium ion secondary battery |
JP7287251B2 (en) | 2019-11-20 | 2023-06-06 | 株式会社豊田自動織機 | Electrolyte and lithium ion secondary battery |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7035928B2 (en) | 2022-03-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11374254B2 (en) | Solid state electrolyte for lithium secondary battery | |
JP5216936B1 (en) | ELECTRODE FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, ITS MANUFACTURING METHOD, AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY | |
JP2021536112A (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP5999604B2 (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
CN110707287B (en) | Metal lithium negative electrode, preparation method thereof and lithium battery | |
WO2005089391A2 (en) | Battery and method of manufacturing the same | |
KR20190030345A (en) | Pre-lithiation method of negative electrode for secondary battery | |
JP6592256B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP7035928B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
WO2023070989A1 (en) | Electrochemical device and electronic device comprising same | |
TWI623132B (en) | Negative electrode material for lithium ion secondary battery and method of manufacturing the same, negative electrode material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery | |
US20240283028A1 (en) | Secondary battery and power consumption device | |
JP2010027553A (en) | Separator for electrochemical element and lithium-ion battery using the same | |
KR102230038B1 (en) | Lithium secondary battery | |
JP2013157318A (en) | Anode, method for manufacturing the same, and lithium battery including the same | |
JP2012084426A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JP2013098027A (en) | Lithium secondary battery | |
EP3751643A1 (en) | Method for producing positive electrode | |
CN108258299A (en) | A kind of lithium-ion-power cell | |
JP2010027547A (en) | Separator for electrochemical element and lithium-ion battery using the same | |
CN114938688A (en) | Electrochemical device and electronic device comprising the same | |
CN115152058A (en) | Electrochemical device and electronic device including the same | |
CN110299507B (en) | Lithium ion secondary battery | |
KR20220098164A (en) | Si-anode-based semi-solid cell with solid separator | |
JP2017016945A (en) | Lithium ion secondary battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210126 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20211118 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211124 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220113 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220201 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220214 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7035928 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |