JP2019212794A - 蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える層状構造体の剥片を電極活物質として含む電極と、
一般式(1)で表される化合物を1.0質量%未満の範囲で含み、キャリアイオンを伝導する非水電解液と、
を備えたものである。
[実施例1]
(電極活物質:4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウムの層状構造体の合成)
4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウムの合成には、出発原料として4,4’−ビフェニルジカルボン酸および水酸化リチウム1水和物(LiOH・H2O)を用いた。0.44mol/Lとなるように水に水酸化リチウムを加え撹拌し、水溶液を調製した。そして、4,4’−ビフェニルジカルボン酸のモル数A(mol)に対する水酸化リチウムのモル数B(mol)の比であるモル比B/Aが2.2となるように、すなわち、4,4’−ビフェニルジカルボン酸が0.20mol/Lとなるように水溶液を調整した。調製した水溶液を用いてスプレードライヤー(Mini Spray Dryer B−290、日本ビュッヒ製)を用いて噴霧乾燥させ、4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウムを析出させた。用いたスプレードライヤーのノズル直径は1.4mm、溶液の噴霧量は0.4L/時間、乾燥温度は150℃で行い、4,4’−ビフェニルジカルボン酸リチウムを合成した。
上記手法で作製した4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウムを85質量部、粒子状炭素導電材としてカーボンブラック(東海カーボン、TB5500)を15質量部、水系バインダーであるカルボキシメチルセルロースナトリウム(ダイセル,1120)を4.5質量部、ゴム系バインダーであるスチレンブタジエン共重合体(JSR、TRD102A)を3質量部、の割合で混合し、分散剤として水を適量添加、分散してスラリー状合材とした。このスラリー状合材を10μm厚の銅箔集電体に単位面積当たりの4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウム活物質が3.0mg/cm2となるように均一に塗布し、120℃で真空加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後、塗布シートを加圧プレス処理し、2cm2の面積に打ち抜いて円盤状の電極を準備した。
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比で30:40:30の割合で混合した非水溶媒に、支持電解質の六フッ化リン酸リチウムを1.0mol/Lになるように溶解させた。そこに、0.1質量%のリチウムビスオキサレートボラート(LiBOB)を添加して非水電解液を調製した。
上記の手法にて作製した4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウム電極を作用極とし、リチウム金属箔(厚さ200μm)を対極として、両電極の間に上記非水電解液を含浸させたポリプロピレン製セパレータ(Polypore社製Celgard2500)を挟んで二極式評価セルを作製した。
非水電解液の調製にあたり0.2質量%のLiBOBを添加した以外は実施例1と同じものを、実施例2とした。また、非水電解液の調製にあたり0.5質量%のLiBOBを添加した以外は実施例1と同じもの、を実施例3とした。
非水電解液の調製にあたりLiBOBを添加しなかった以外は実施例1と同じものを、比較例1とした。また、非水電解液の調製にあたり各々1.0質量%、2.0質量%、5.0質量%のLiBOBを添加した以外は実施例1と同じものを、比較例2〜4とした。
(電極:4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウム電極の作製)のスラリー状合材において、水系バインダーをポリビニルアルコール(ゴウセネックス,T−330,日本合成化学)とし、ゴム系バインダーをスチレンブタジエン共重合体(日本ゼオン、BM−400B)とした以外は、比較例1と同じものを、参考例1とした。スプレードライヤーにて4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウムを合成した後に、120℃で真空乾燥を行った以外は参考例1と同じものを、参考例2とした。
4,4’−ビフェニルジカルボン酸に対する水酸化リチウムのモル比を2.5として水溶液を調製し、スプレードライヤーにて合成した以外は参考例1と同じものを、参考例3とした。また、スプレードライヤーにて4,4’−ビフェニルジカルボン酸ジリチウムを合成した後に、120℃で真空乾燥を行った以外は参考例3と同じものを、参考例4とした。
支持電解質に1.1mol/Lとなるように四フッ化ホウ酸リチウムを添加し作製した非水電解液を用いた以外は参考1と同じものを参考例5とした。支持電解質に1.1mol/Lとなるように四フッ化ホウ酸リチウムを添加し作製した非水電解液を用いた以外は、参考例2と同じものを参考例6とした。支持電解質に1.1mol/Lとなるように四フッ化ホウ酸リチウムを添加し作製した非水電解液を用いた以外は、参考例3と同じものを参考例7とした。支持電解質に1.1mol/Lとなるように四フッ化ホウ酸リチウムを添加し作製した非水電解液を用いた以外は、参考例4と同じものを参考例8とした。
出発原料として4,4’−ビフェニルジカルボン酸および水酸化リチウム1水和物(LiOH・H2O)を用いて、水酸化リチウム1水和物(0.556g)にメタノール(100mL)を加え撹拌した後に4,4’−ビフェニルジカルボン酸1.0gを加え、1時間撹拌した。その後、撹拌後溶媒を除去し、真空下150℃で16時間乾燥することにより、白色の粉末試料の4,4’−ビフェニルジカルボン酸リチウムを得た。これを用いた以外は、参考例1と同じものを参考例9とした。
(SEM観察)
参考例1、9の電極活物質を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。なお、参考例1の電極活物質は、実施例1〜3及び比較例1〜4の電極活物質と同じである。SEM観察は、走査型電子顕微鏡(日本FEI社製Quanta200FEG)を用い、1000〜50000倍の条件で行った。また、電子線マイクロアナライザ分析装置(JEOL製JXA−8500F)により、電極の切断面の元素分布(酸素分布マッピング)を検討した。
参考例1〜9の電極活物質及び電極のX線回折測定を行った。測定は、放射線としてCuKα線(波長1.54051Å)を使用し、X線回折装置(リガク製UltimaIV)を用いて行った。また、測定は、X線の単色化にはグラファイトの単結晶モノクロメーターを用い、印加電圧を40kV、電流30mAに設定し、5°/分の走査速度で、電極活物質については2θ=5°〜60°の角度範囲で行い、電極については2θ=5°〜30°の角度範囲で行った。
参考例1〜9の二極式評価セルを20℃の温度環境下、0.1mAで0.5Vまで還元した容量を放電容量とした。また、その後0.1mAで1.5Vまで酸化した容量を充電容量とした。また、得られた充放電カーブを用い、電位差に対して充放電カーブの微分値を算出し微分曲線を得た。また、この微分曲線にある2つの異なる内部抵抗性微分カーブのピーク差から充放電分極を算出し、印加電流を考慮してIV抵抗を算出した。なお、IV抵抗は、2サイクル目の充放電カーブを用いた。また、上記作製した二極式評価セルを用い、20℃の温度環境下、上記条件で10サイクルの連続充放電試験を行い、容量維持率を検討した。この充放電操作の1回目の充電容量をQ(1st)、10回目の充電容量をQ(10th)とし、Q(10th)/Q(1st)×100を充放電サイクル後の容量維持率(%)とした。
まず、参考例1〜9を用いて、活物質について検討した。表1に参考例1〜9の製造方法、Li組成、活物質の乾燥の有無、二次電池の支持塩、IV抵抗、参考例5を基準とした比抵抗、最大放電容量及び充放電サイクルの容量維持率をまとめて示す。図4は、参考例1のSEM写真である。図5は、参考例9のSEM写真である。図5に示すように、従来の溶媒乾固法で作製した層状構造体の電極活物質は、1μmの粒子が凝集した状態であった。これに対して、図4に示すように、スプレードライ法により作製した参考例の層状構造体の電極活物質は、粒径が10μm以下の大きさの中空粒子になっていることがわかった。また、内部が露出している粒子を拡大視すると、この電極活物質は、数nmの厚さの層状構造体の剥片の集合を内包して形成される中空球状構造を有することがわかった。また、この電極活物質は、層状構造体の剥片が中心から不規則に外周側へ向かう構造(剥片が外周側から不規則に中心へ向かう構造と同義)を有していることがわかった。
次に、実施例1〜3及び比較例1〜4を用いて、非水電解液について検討する。なお、実施例1〜3及び比較例1〜4で用いた活物質は、いずれも参考例1,5で用いた活物質と同じである。表3に、実施例1〜3及び比較例1〜4のLiBOBの添加割合、3サイクル目の放電容量、3サイクル目のクーロン効率を示した。図19は、実施例1〜3及び比較例1の10サイクル中の放電容量の変化を示すグラフである。図20は、実施例1〜3及び比較例1の10サイクル中のクーロン効率の変化を示すグラフである。図21は、LiBOBの添加量と初期容量との関係を示すグラフである。図22は、実施例1〜3及び比較例1のLiBOBの添加量と放電容量及びクーロン効率との関係を示すグラフである。
Claims (8)
- 芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える層状構造体の剥片を電極活物質として含む電極と、
一般式(1)で表される化合物を1.0質量%未満の範囲で含み、キャリアイオンを伝導する非水電解液と、
を備えた、蓄電デバイス。
- 前記非水電解液は、前記一般式(1)で表される化合物を0.5質量%以下の範囲で含む、請求項1に記載の蓄電デバイス。
- 前記一般式(1)で表される化合物は、ビスオキサレートボラート塩である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス。
- 前記電極活物質は、前記層状構造体の剥片の集合を内包して形成される中空球状構造を有するか、前記中空球状構造を解砕した剥片状構造を有するか、の少なくとも一方を満たす、請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
- 前記電極は、下記(1)〜(5)のうち1以上を満たす、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
(1)X線回折測定での(111)のピーク強度に対する(300)のピーク強度比P(300)/P(111)が2.0以上を示す。
(2)X線回折測定での(011)のピーク強度に対する(300)のピーク強度比P(300)/P(011)が2.0以上を示す。
(3)X線回折測定での(111)のピーク強度に対する(100)のピーク強度比P(100)/P(111)が6.0以上を示す。
(4)X線回折測定での(011)のピーク強度に対する(100)のピーク強度比P(100)/P(011)が5.0以上を示す。
(5)X線回折測定での(300)のピーク強度に対する(100)のピーク強度比P(100)/P(300)が1.5以上を示す。 - 前記電極活物質は、式(2)〜(4)のうち1以上で表される構造を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
- 前記電極は負極である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
- 前記電極活物質は、芳香族ジカルボン酸アニオンとアルカリ金属カチオンとを溶解した調製溶液を噴霧乾燥装置を用いて噴霧乾燥する工程を経て得られたものである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
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