JP2020129532A - Power storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電素子に関する。 The present invention relates to a power storage element.
近年、携帯機器の小型化、高性能化に伴い高いエネルギー密度を持つ蓄電素子の特性が向上し、普及しており、より大容量で安全性に優れた蓄電素子の開発も進められ、電気自動車等への搭載も始まっている。 In recent years, the characteristics of power storage elements with high energy density have been improved and become popular with the miniaturization and high performance of mobile devices, and the development of power storage elements with larger capacity and superior safety has been promoted. It has also started to be installed in etc.
このようなエネルギー密度が高く、急速充放電に適した蓄電素子の一つに、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタが上市されている。しかし、これらのキャパシタは、蓄電素子に対するエネルギー密度への需要を充分に満たしてはおらず、さらなる高容量化が求められている。
そこで、導電性ポリマー、炭素材料等を正極に用い、炭素等の負極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液とからなり、充電時には、非水電解液中のアニオンが正極へ、カチオンが負極へ挿入し、放電時には、正極、及び負極に挿入されたアニオン、並びに、カチオンが非水電解液中へ脱離することにより充放電が行われる、いわゆるデュアルインターカレーションタイプの蓄電素子の実用化が期待されている。
Electric double-layer capacitors and lithium-ion capacitors have been put on the market as one of the power storage devices having such a high energy density and suitable for rapid charge/discharge. However, these capacitors do not sufficiently meet the demand for energy density of the storage element, and further higher capacity is required.
Therefore, a conductive polymer, a carbon material or the like is used for the positive electrode, a negative electrode such as carbon and a non-aqueous electrolytic solution prepared by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent, and during charging, anions in the non-aqueous electrolytic solution are A so-called dual intercalation type in which cations are inserted into the negative electrode and cations are inserted into the negative electrode during discharge and the anions and cations inserted into the positive electrode and the negative electrode are desorbed into the non-aqueous electrolyte. Practical application of the electric storage element is expected.
前記蓄電素子におけるアニオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質としては、例えば、黒鉛を用いて層間へのアニオンの吸蔵乃至放出を利用するもの(例えば、特許文献1及び2参照)、アルカリ賦活したソフトカーボンへのアニオンの物理的な吸蔵乃至放出を利用するもの(例えば、特許文献3参照)、粗面化処理により空隙を形成し、表面積を拡大した炭素材料の表面へのアニオンの吸蔵乃至放出を利用するもの(例えば、特許文献4参照)などが提案されている。 As the positive electrode active material capable of occluding and releasing anions in the electricity storage device, for example, graphite is used to occlude or release anions between layers (see, for example, Patent Documents 1 and 2), and alkali activated software. Those utilizing physical occlusion or release of anions to carbon (see, for example, Patent Document 3), and storage and release of anions on the surface of a carbon material having a surface area enlarged by forming voids by roughening treatment. Those to be used (for example, refer to Patent Document 4) have been proposed.
昨今の車載用蓄電素子については更なる高性能化が求められており、前記の高エネルギー密度に加え、長寿命化、高温度への対応、及び、高い安全性が求められる。しかし、蓄電素子には一般的に電解液溶媒として熱分解し易く、可燃性が高い有機溶媒が使用されているため、前記性能の内、高温度対応や安全性については、解決できない。
この点を解決するために、本願出願人は、先に、正極活物質として三次元網目構造を有する細孔が形成されている多孔質炭素を用い、非水電解液が、非水溶媒、電解質塩及びイオン液体を含む非水系蓄電素子を提案している(例えば、特許文献5参照)。
In recent years, further enhancement of performance has been demanded for in-vehicle electric storage elements, and in addition to the above-mentioned high energy density, long life, high temperature support and high safety are required. However, since an electric storage element generally uses an organic solvent that is easily decomposed by heat and has high flammability as an electrolyte solvent, it is not possible to solve the problem of high temperature and safety among the above performances.
In order to solve this point, the present applicant has previously used porous carbon in which pores having a three-dimensional network structure are formed as the positive electrode active material, and the non-aqueous electrolytic solution is a non-aqueous solvent or electrolyte. A non-aqueous power storage element containing a salt and an ionic liquid has been proposed (for example, see Patent Document 5).
本発明は、高温度安定性、高い容量、高いサイクル安定性、及び低温での優れた容量出現率を併せ持つ蓄電素子を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a power storage element having high temperature stability, high capacity, high cycle stability, and an excellent capacity appearance rate at low temperatures.
前記課題を解決するための手段としての本発明の蓄電素子は、アニオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解液と、を有する蓄電素子であって、前記正極活物質が、三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を含み、前記非水電解液の溶媒がイオン液体であり、前記イオン液体のアニオンのイオン半径が2.7Å以上であり、前記非水電解液の電解質塩のアニオンが、前記イオン液体のアニオンと共通している。 An electricity storage device of the present invention as a means for solving the above-mentioned problems is an electricity storage device having a positive electrode containing a positive electrode active material capable of occluding or releasing anions, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte solution. The positive electrode active material contains porous carbon having pores having a three-dimensional network structure, the solvent of the non-aqueous electrolyte is an ionic liquid, and the ionic radius of the anion of the ionic liquid is 2.7Å. As described above, the anion of the electrolyte salt of the non-aqueous electrolyte is common to the anion of the ionic liquid.
本発明によると、高温度安定性、高い容量、高いサイクル安定性、及び低温での優れた容量出現率を併せ持つ蓄電素子を提供することを目的とする。 According to the present invention, it is an object of the present invention to provide a power storage element having high temperature stability, high capacity, high cycle stability, and excellent capacity appearance rate at low temperatures.
(蓄電素子)
本発明の蓄電素子は、アニオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解液と、を有する蓄電素子であって、前記正極活物質が三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を含み、前記非水電解液の溶媒がイオン液体であり、前記イオン液体のアニオンのイオン半径が2.7Å以上であり、前記非水電解液の電解質塩のアニオンと前記イオン液体のアニオンとが同じであり、更に必要に応じてその他の部材を有する。
(Storage element)
An electricity storage device of the present invention is an electricity storage device having a positive electrode containing a positive electrode active material capable of occluding or releasing anions, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode active material is a tertiary An electrolyte of the non-aqueous electrolyte, which contains porous carbon having pores of an original network structure, a solvent of the non-aqueous electrolyte is an ionic liquid, and an anion radius of anions of the ionic liquid is 2.7 Å or more. The anion of the salt and the anion of the ionic liquid are the same, and further have other members as necessary.
本発明の蓄電素子は、従来の正極活物質に高度に黒鉛化された人造黒鉛又は天然黒鉛材料を用いた際には、黒鉛材料にアニオンが電気化学的に吸蔵されると、黒鉛結晶が崩壊(へき開)するため、充放電を繰返し行うことでアニオンの可逆的な吸蔵乃至放出可能な容量が減少するという知見に基づくものである。このことは、アニオンのイオン半径が大きな電解質塩を用いた場合には顕著である。
また、従来のイオン液体を用いた電解液は、従来の有機溶媒を用いた電解液に比べ、低温で容量が低下する、寿命の長期安定性に問題があるなど、熱安定性や安全性以外の性能が大きく低下する。また、このような性能への影響を緩和するために、特許文献5に記載の従来技術では、非水溶媒、電解質塩及びイオン液体を含む非水電解液を使用しているが、高温度耐性、可燃性、低温での容量出現率が低下する問題を解決できない、という問題がある。
In the electricity storage device of the present invention, when a highly graphitized artificial graphite or natural graphite material is used for the conventional positive electrode active material, the graphite crystal collapses when anions are electrochemically occluded in the graphite material. This is based on the finding that the capacity for reversible occlusion or release of anions is reduced by repeating charge/discharge for (cleavage). This is remarkable when an electrolyte salt having a large anion ionic radius is used.
In addition, the electrolytic solution using the conventional ionic liquid is less than the thermal stability and safety such as the capacity decreases at low temperature and the problem of long-term stability of life, compared with the electrolytic solution using the conventional organic solvent. Performance will be significantly reduced. Further, in order to mitigate the influence on such performance, in the conventional technique described in Patent Document 5, a non-aqueous electrolytic solution containing a non-aqueous solvent, an electrolyte salt and an ionic liquid is used, but high temperature resistance However, there is a problem that the problem of flammability and decrease in capacity appearance rate at low temperature cannot be solved.
したがって、本発明においては、非水電解液の溶媒にイオン液体を使用することで、高温度耐性や難燃性を獲得することができる。また、イオン液体のアニオンと電解質塩のアニオンを同じにすることで、他種塩の存在による析出や局所的な結晶化等の現象を抑制可能であり、それにより低温における容量の低下を抑制できる。更に、正極活物質が三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を用いることにより、イオン半径の大きなアニオンの吸蔵、放出を繰返し行っても正極活物質の崩壊(へき開)が発生しないため、充放電を繰返し行っても容量が減少しない。そのため、イオン液体のアニオンと電解質塩のアニオンとが同じであり、イオン半径が2.7Å以上である非水電解液を使用しても、充放電の繰り返しに対し、安定した容量を長期間に亘って維持することができる。 Therefore, in the present invention, high temperature resistance and flame retardancy can be obtained by using the ionic liquid as the solvent of the non-aqueous electrolyte. In addition, by making the anion of the ionic liquid the same as the anion of the electrolyte salt, it is possible to suppress phenomena such as precipitation and local crystallization due to the presence of another kind of salt, thereby suppressing the decrease in capacity at low temperatures. .. Furthermore, since the positive electrode active material uses porous carbon having pores of a three-dimensional network structure, collapse (cleavage) of the positive electrode active material does not occur even after repeated storage and release of anions having a large ionic radius. The capacity does not decrease even after repeated charging and discharging. Therefore, even when using a non-aqueous electrolyte solution in which the anion of the ionic liquid is the same as the anion of the electrolyte salt and the ionic radius is 2.7 Å or more, a stable capacity for a long period of time is maintained against repeated charging and discharging. Can be maintained over.
<正極>
前記正極は、アニオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極集電体上に正極活物質を有する正極材を備えた正極などが挙げられる。
前記、アニオンの正極活物質中への吸蔵とは、正極活物質乃至アニオンの化学的状態が変化し、アニオンが正極活物質中に安定して留まっている状態を意味する。充電時のアニオンの正極活物質中への吸蔵は、例えば、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)法にて確認することができる。使用している電解質がNMR測定可能な核種を有するアニオンを含んでいれば、液体NMRの手法を用いて、電極中のアニオンの存在状態を観察することができる。一般に、活物質が有する細孔のような限られた空間にイオンが存在し、かつ活物質とイオンが接触した状態であると、活物質との相互作用でイオンの化学的状態が変化するため、そのイオンの液体NMRの化学シフトが変化し、細孔内に存在するイオンのシグナルを検出することできる。したがって、例えば、フッ素原子を含むアニオンを有する電解液を使用した場合、充電状態の正極の19F−液体NMRスペクトルを取得することで、そのアニオンに帰属されるピークの化学シフトが未充電状態の電解液中に含まれるアニオンに帰属されるピークの化学シフトより変化していれば、正極活物質中へのアニオンの吸蔵が発現していることを確認できる。
前記正極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状などが挙げられる。
<Positive electrode>
The positive electrode is not particularly limited as long as it contains a positive electrode active material capable of absorbing or releasing anions, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, a positive electrode material having a positive electrode active material on a positive electrode current collector. And a positive electrode provided with.
The above-mentioned occlusion of anions in the positive electrode active material means a state in which the chemical state of the positive electrode active material or the anions is changed and the anions are stably retained in the positive electrode active material. The occlusion of anions in the positive electrode active material during charging can be confirmed, for example, by a nuclear magnetic resonance (NMR: Nuclear Magnetic Resonance) method. If the electrolyte used contains an anion having an NMR-measurable nuclide, the presence state of the anion in the electrode can be observed using the liquid NMR technique. Generally, when ions are present in a limited space such as pores of the active material and the active material and the ions are in contact with each other, the chemical state of the ion changes due to the interaction with the active material. , The chemical shift of the liquid NMR of the ion changes, and the signal of the ion existing in the pore can be detected. Therefore, for example, when an electrolytic solution having an anion containing a fluorine atom is used, by obtaining the 19 F-liquid NMR spectrum of the charged positive electrode, the chemical shift of the peak attributed to the anion is in the uncharged state. If it changes from the chemical shift of the peak attributed to the anion contained in the electrolytic solution, it can be confirmed that the storage of the anion in the positive electrode active material is exhibited.
The shape of the positive electrode is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, and examples thereof include a flat plate shape.
−正極材−
前記正極材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極活物質を少なくとも含み、更に必要に応じて導電助剤、バインダ、増粘剤等を含む。
-Cathode material-
The positive electrode material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, it contains at least a positive electrode active material, and further contains a conductive aid, a binder, a thickener and the like as necessary.
−−正極活物質−−
前記正極活物質としては、三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を用い、三次元網目構造の連通した細孔を有する多孔質炭素を用いることが好ましい。
前記多孔質炭素が「三次元網目構造を形成する細孔を有している」ということは、前記多孔質炭素粒子の表面及び内部に複数の細孔を有し、隣接する細孔が互いにつながって三次元的に連結し、表面に開孔部を有する連通孔が形成されている状態を意味する。デュアルインターカレーションタイプの蓄電素子は、一部のアニオンを炭素骨格内の結晶部分に挿入させることで、高いエネルギー密度を得ることができる。反面結晶部分へのアニオン挿入により炭素が膨張し、結晶部分のへき開や正極活物質の電極からの脱離が生じ、サイクル寿命の悪化が生じる。
三次元網目構造の細孔を有することは、炭素の結晶部分の周囲に細孔が配置されていることになり、アニオンが挿入された結晶部分の膨張を周囲の細孔が収縮することで緩和でき、長サイクル寿命化が可能になる。
--- Positive electrode active material ---
As the positive electrode active material, it is preferable to use porous carbon having pores having a three-dimensional network structure and porous carbon having pores having a continuous three-dimensional network structure.
The porous carbon "has pores forming a three-dimensional network structure" means that the surface and the inside of the porous carbon particles have a plurality of pores, and adjacent pores are connected to each other. And three-dimensionally connected to each other, and a communication hole having an opening is formed on the surface. The dual intercalation type electricity storage device can obtain a high energy density by inserting a part of anions into the crystal part in the carbon skeleton. On the other hand, carbon is expanded due to the insertion of anions into the crystal part, which causes cleavage of the crystal part and desorption of the positive electrode active material from the electrode, which deteriorates the cycle life.
Having the pores of the three-dimensional network structure means that the pores are arranged around the carbon crystal part, and the expansion of the crystal part in which an anion is inserted is relaxed by the contraction of the surrounding pores. And long cycle life is possible.
前記多孔質炭素が三次元網目構造を形成する細孔を有していることを確認する方法としては、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope)、TEM(Transmission Electron Microscope)などを用いて観察する方法などが挙げられる。
前記「三次元網目構造を形成する細孔」を有している前記多孔質炭素の断面は、TEMによる写真に基づいて作製した図1の概略断面図のように示すことができる。なお、図1中101は細孔、100は炭素粒子を示す。
As a method of confirming that the porous carbon has pores forming a three-dimensional network structure, for example, a method of observing using SEM (Scanning Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscope), or the like, etc. Is mentioned.
The cross section of the porous carbon having the “pores forming the three-dimensional network structure” can be shown as the schematic cross-sectional view of FIG. 1 produced based on a photograph by TEM. In FIG. 1, 101 indicates pores and 100 indicates carbon particles.
前記多孔質炭素において、メソ孔は必須であるがミクロ孔は必須ではない。したがって、ミクロ孔は存在していても、存在していなくてもよいが、多孔質炭素の形成源としての有機物質は炭化時に通常揮発性物質を放出して炭化し、したがって、通常は放出跡としてミクロ孔を残すので、ミクロ孔の全くないものを得ることは難しい。これに対して、メソ孔は通常意図的に形成される。例えば、酸(アルカリ)可溶性の金属、金属酸化物や、金属塩、金属含有有機物の筋材と、炭素物質又はその原料たる有機材料とを一緒に成型した後、酸(アルカリ)で筋材部分を溶解し去った痕跡がメソ孔となる場合も多い。 In the porous carbon, mesopores are essential, but micropores are not essential. Therefore, although micropores may or may not be present, organic substances as the source of porous carbon usually release volatiles during carbonization and thus carbonize, and thus usually the traces of release. However, since micropores are left as it is, it is difficult to obtain a product having no micropores. In contrast, mesopores are usually formed intentionally. For example, after reinforcing material of acid (alkali)-soluble metal, metal oxide, metal salt, or metal-containing organic material and carbon material or organic material as a raw material thereof are molded together, the reinforcing material part is treated with acid (alkali). In many cases, the traces of dissolved and removed are mesopores.
ここで、本明細書においては、細孔径が2nm未満のものをミクロ孔、細孔径が2nm以上50nm以下のものをメソ孔と称する。電解質塩のアニオンのサイズは6.5Å以上、即ち0.65nm以上であるから、前記ミクロ孔はイオンの移動にさほど寄与するとは云い難い。したがって、イオンの円滑移動のためには、メソ孔が重要となる。ちなみに、同じ多孔質炭素である活性炭における孔のサイズは、平均1nm程度と云われており、活性炭の場合には、例外なく発熱を伴う(エンタルピーの減少)全ての吸着の1つと見なされる。
前記サイズのメソ孔は、三次元網目構造をなすことが好ましい。前記孔が三次元網目構造を成していれば、イオンが円滑に移動する。
Here, in the present specification, those having a pore size of less than 2 nm are referred to as micropores, and those having a pore size of 2 nm or more and 50 nm or less are referred to as mesopores. Since the size of the anion of the electrolyte salt is 6.5 Å or more, that is, 0.65 nm or more, it is hard to say that the micropores make a significant contribution to the migration of ions. Therefore, mesopores are important for the smooth migration of ions. Incidentally, the pore size in activated carbon, which is the same porous carbon, is said to be about 1 nm on average, and in the case of activated carbon, it is regarded as one of all adsorptions accompanied by exotherm (decrease in enthalpy) without exception.
The mesopores of the above size preferably have a three-dimensional network structure. If the holes have a three-dimensional mesh structure, ions move smoothly.
前記多孔質炭素は結晶性を有することが好ましい。
前記多孔質炭素の結晶性としては、炭素質のすべてが結晶性を有する結晶構造となっている必要はなく、一部に結晶性を有さない非晶質構造が存在してもよく、また、すべてが非晶質構造であってもよい。
前記「結晶性を有する」ということは、炭素間がsp2混成軌道により結合された六角板状の単一結晶が層状に形成された状態(黒鉛層)を意味する。前記多孔質炭素が結晶性を有していることを確認する方法としては、例えば、TEMを用いて黒鉛の層状構造を観察する方法や、X線回折によりスペクトルのピークとして確認する方法、ラマン分光分析を用いて確認する方法などが挙げられる。
前記層状構造の結晶部は、例えば、TEM(JEM−2100、日本電子株式会社製)を用いて確認することができる。TEM像において、メソ孔を形成する炭素部分(炭素質壁)の少なくとも一部に黒鉛層に由来する層状構造の結晶部を確認することができる。また、前記層状構造を有する結晶はメソ孔を囲うように配向している。
前記回折ピークは、例えば、X線回折装置(X’pert PRO、Malvern Panalytical社製)を用いて確認することができる。X線回折スペクトルにおいて、銅管球を用いた時にブラッグ角度2θの25.00以上27.00以下の領域において回折ピークを有していることから確認することが好ましく、前記ブラッグ角度2θの領域において2つの回折ピークを有することを確認することがより好ましい。
前記多孔質炭素の結晶性をラマン分光分析によって確認する場合、黒鉛化度(正極活物質中の非晶性炭素の割合)でも示すことができる。具体的には、ラマン分光スペクトルにおける1,360cm−1のピーク強度と1,580cm−1のピーク強度との比(1,360cm−1/1,580cm−1)(以下、「黒鉛化度Rh」と称することもある)の値で表すことができる。前記多孔質炭素の黒鉛化度Rhは、0.9以上1.6以下であることが好ましく、1.0以上1.3以下であることがより好ましい。
前記黒鉛化度Rhは、例えば、顕微レーザーラマン分光装置(Nanofinder30、東京インスツルメンツ株式会社製)を用いて確認することができる。
The porous carbon preferably has crystallinity.
As the crystallinity of the porous carbon, it is not necessary that all of the carbonaceous matter has a crystal structure having crystallinity, and an amorphous structure having no crystallinity may be present in a part thereof. , All may have an amorphous structure.
The term “having crystallinity” means a state (graphite layer) in which hexagonal plate-shaped single crystals in which carbons are bonded by sp2 hybrid orbital are formed in a layer. As a method of confirming that the porous carbon has crystallinity, for example, a method of observing a layered structure of graphite using TEM, a method of confirming a spectrum peak by X-ray diffraction, and a Raman spectrum Examples include a method of confirming using analysis.
The crystal part of the layered structure can be confirmed using, for example, TEM (JEM-2100, manufactured by JEOL Ltd.). In the TEM image, a crystal part having a layered structure derived from the graphite layer can be confirmed in at least a part of the carbon part (carbonaceous wall) forming the mesopore. The crystals having the layered structure are oriented so as to surround the mesopores.
The diffraction peak can be confirmed using, for example, an X-ray diffractometer (X'pert PRO, manufactured by Malvern Panoramic Co., Ltd.). In the X-ray diffraction spectrum, when a copper tube is used, it is preferable to confirm that it has a diffraction peak in the region of Bragg angle 2θ of 25.00 or more and 27.00 or less, and in the region of the Bragg angle 2θ. It is more preferable to confirm that it has two diffraction peaks.
When the crystallinity of the porous carbon is confirmed by Raman spectroscopic analysis, the graphitization degree (ratio of amorphous carbon in the positive electrode active material) can also be indicated. Specifically, the ratio of the peak intensity at 1,360 cm −1 and the peak intensity at 1,580 cm −1 in the Raman spectrum (1,360 cm −1 /1,580 cm −1 ) (hereinafter, “graphitization degree Rh It may be referred to as “”). The degree of graphitization Rh of the porous carbon is preferably 0.9 or more and 1.6 or less, and more preferably 1.0 or more and 1.3 or less.
The graphitization degree Rh can be confirmed using, for example, a microscopic laser Raman spectroscope (Nanofinder 30, manufactured by Tokyo Instruments Co., Ltd.).
本発明の蓄電素子は、正極活物質へのアニオンの吸蔵乃至放出を用いた充放電を行っているが、その際、前記多孔質炭素の結晶層間へ一部のアニオンが挿入・脱離されることで高いエネルギー密度を有している。この時、正極炭素内の結晶層の一部に、アニオン挿入に伴った層間の拡張が生じるため、アニオン挿入の有無に由来した結晶状態のばらつきが生じることが確認できる。
前記結晶状態のばらつきは、例えば、ラマン分光法による1,580cm−1のピーク半値幅の増加や、in−situX線回折によるブラッグ角度2θの回折ピーク半値幅の増加で確認することができる。
The electricity storage device of the present invention is charged and discharged using occlusion or release of anions in the positive electrode active material, but at that time, some anions are inserted into or removed from the crystalline layers of the porous carbon. It has a high energy density. At this time, it can be confirmed that a part of the crystal layer in the positive electrode carbon expands between layers due to the anion insertion, so that the crystal state varies depending on the presence or absence of the anion insertion.
The variation in the crystalline state can be confirmed by, for example, an increase in the peak half width at 1,580 cm −1 by Raman spectroscopy or an increase in the diffraction peak half width at the Bragg angle 2θ by in-situ X-ray diffraction.
このような多孔質炭素としては、特に制限はなく、適宜製造したものを使用してもよいし、市販品を使用してもよい。
前記市販品としては、例えば、クノーベル(登録商標)(東洋炭素株式会社製)などが挙げられる。
There is no particular limitation on such porous carbon, and appropriately manufactured carbon may be used, or a commercially available product may be used.
Examples of the commercially available product include Knobel (registered trademark) (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.).
前記多孔質炭素のBET比表面積としては、50m2/g以上2,000m2/g以下が好ましく、300m2/g以上1,800m2/g以下がより好ましく、500m2/g以上1,500m2/g以下が更に好ましい。前記BET比表面積が50m2/g以上であることにより、気孔が十分な量形成され、イオンの吸蔵が十分に行われるため、高容量化することができる。また、BET比表面積が2,000m2/g以下であることにより、メソ孔が十分に形成され、イオンの吸蔵を阻害することがないため、高容量化することができる。
前記BET比表面積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)を用いて吸着等温線を取得し、BET法を用いて解析した結果から求めることができる。
The BET specific surface area of the porous carbon is preferably 50 m 2 /g or more and 2,000 m 2 /g or less, more preferably 300 m 2 /g or more and 1,800 m 2 /g or less, and 500 m 2 /g or more and 1,500 m. 2 /g or less is more preferable. When the BET specific surface area is 50 m 2 /g or more, a sufficient amount of pores are formed and ions are sufficiently occluded, so that the capacity can be increased. Further, when the BET specific surface area is 2,000 m 2 /g or less, mesopores are sufficiently formed and the occlusion of ions is not hindered, so that the capacity can be increased.
The BET specific surface area can be obtained, for example, from the result of analysis of the adsorption isotherm by using an automatic specific surface area/pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation) and analyzing using the BET method.
前記多孔質炭素の細孔容積としては、0.2mL/g以上2.3mL/g以下が好ましく、0.2mL/g以上1.7mL/g以下がより好ましい。前記細孔容積が0.2mL/g以上であると、メソ孔が独立した細孔になることが稀になり、アニオンの移動が阻害されることもなく大きい放電容量を得ることができる。一方、前記多孔質炭素の細孔容積が2.3mL/g以下であれば、炭素構造が嵩高くならずに電極としてエネルギー密度が高められ、単位体積当たりの放電容量を増大させることができる。また、前記細孔を形成している炭素質壁が薄くならずに、アニオンの吸蔵及び放出を繰り返しても炭素質壁の形状が保つことができ、充放電特性が向上する点で有利である。
前記多孔質炭素の細孔容積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)を用いて吸着等温線を取得し、BET法を用いて解析した結果から求めることができる。
前記多孔質炭素のミクロ孔容積としては、1.0mL/g以下であることが好ましく、0.1mL/g以上0.6mL/g以下であるこがより好ましい。ミクロ孔容積が1.0mL/gより大きい場合、アニオンの吸蔵及び放出を阻害し、低温下での容量出現率が損なわれる。
前記多孔質炭素のミクロ孔容積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)を用いて吸着等温線を取得し、t−plot法を用いた解析結果から求めることができる。
The pore volume of the porous carbon is preferably 0.2 mL/g or more and 2.3 mL/g or less, and more preferably 0.2 mL/g or more and 1.7 mL/g or less. When the pore volume is 0.2 mL/g or more, it is rare that the mesopores become independent pores, the migration of anions is not hindered, and a large discharge capacity can be obtained. On the other hand, if the pore volume of the porous carbon is 2.3 mL/g or less, the carbon structure is not bulky and the energy density as an electrode is increased, so that the discharge capacity per unit volume can be increased. Further, it is advantageous in that the carbonaceous wall forming the pores does not become thin and the shape of the carbonaceous wall can be maintained even after repeated storage and release of anions, and the charge/discharge characteristics are improved. ..
The pore volume of the porous carbon is obtained, for example, from an analysis result obtained by obtaining an adsorption isotherm using an automatic specific surface area/pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation) and analyzing it using the BET method. be able to.
The micropore volume of the porous carbon is preferably 1.0 mL/g or less, and more preferably 0.1 mL/g or more and 0.6 mL/g or less. When the micropore volume is larger than 1.0 mL/g, the storage and release of anions are inhibited, and the capacity appearance rate at low temperature is impaired.
For the micropore volume of the porous carbon, for example, an adsorption isotherm is obtained using an automatic specific surface area/pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation), and the analysis result using the t-plot method is used. You can ask.
前記多孔質炭素のメソ孔含有率は、15%以上80%以下が好ましく、25%以上70%以下がより好ましく、35%以上60%以下が更に好ましい。
前記メソ孔含有率は、例えば、吸着等温線から算出することが可能であり、吸着等温線は材料を一定温度にし、圧力を変化させた際のガス分子の吸着量を測定することで作製することでき、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)で測定することができる。
前記吸着等温線の相対圧(p/p0)0.3以下のガス分子吸着量がミクロ孔に起因するガス分子吸着量であり、相対圧0.3以上0.96以下がメソ孔に起因するガス分子吸着量となっていることから、下記数式1よりメソ孔含有率を算出することができる。
The mesopore content of the porous carbon is preferably 15% or more and 80% or less, more preferably 25% or more and 70% or less, and further preferably 35% or more and 60% or less.
The mesopore content can be calculated, for example, from the adsorption isotherm, and the adsorption isotherm is prepared by measuring the adsorption amount of gas molecules when the material is kept at a constant temperature and the pressure is changed. For example, it can be measured by an automatic specific surface area/pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation).
The adsorption amount of gas molecules at the relative pressure (p/p 0 ) of 0.3 or less of the adsorption isotherm is the adsorption amount of gas molecules due to the micropores, and the relative pressure of 0.3 or more and 0.96 or less is due to the mesopores. The mesopore content rate can be calculated from the following Equation 1 since the gas molecule adsorption amount is
[数式1]
多孔質炭素は、粒子形状を有することが好ましい。
前記多孔質炭素のメジアン径は、0.3μm以上20μm以下が好ましく、0.4μm以上10μm以下がより好ましく、0.5μm以上5μm以下が更に好ましい。
前記メジアン径は、例えば、レーザー回折/散乱式粒子径分布装置(LA−960、株式会社堀場製作所製)を用いて測定することができる。
前記多孔質炭素の嵩密度は、0.1g/cc以上1.0g/cc以下が好ましく、0.1g/cc以上0.6g/cc以下がより好ましい。
嵩密度が0.1g/cc以上であると、細孔を形成する炭素質壁の厚さが適切であり、良好な細孔構造が得られ、かつ電極化した際に電極密度を高めることができるため、単位体積当たりの放電容量を増大させることができる。
一方、嵩密度が1.0g/ccよりも大きくなると、メソ孔の形成が不十分となり、独立したメソ孔の存在比率が増加してしまうため、アニオンの吸蔵量が減少し、大きい放電容量を得ることができなくなる。
前記嵩密度は、例えば、多機能型粉体物性測定器(マルチテスター MT−1001K、株式会社セイシン企業製)により測定することができる。
真密度は1.0g/cc以上であることが好ましい。真密度が1.0g/cc未満であると、比表面積を確保することが困難であり、炭素質壁の形状が保てなくなることがある。前記真密度は、例えば、乾式自動密度計(アキュピックII1340、株式会社島津製作所製)により測定することができる。
The porous carbon preferably has a particle shape.
The median diameter of the porous carbon is preferably 0.3 μm or more and 20 μm or less, more preferably 0.4 μm or more and 10 μm or less, and further preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less.
The median diameter can be measured using, for example, a laser diffraction/scattering particle size distribution device (LA-960, manufactured by Horiba, Ltd.).
The bulk density of the porous carbon is preferably 0.1 g/cc or more and 1.0 g/cc or less, and more preferably 0.1 g/cc or more and 0.6 g/cc or less.
When the bulk density is 0.1 g/cc or more, the thickness of the carbonaceous wall forming the pores is appropriate, a good pore structure can be obtained, and the electrode density can be increased when formed into an electrode. Therefore, the discharge capacity per unit volume can be increased.
On the other hand, when the bulk density is more than 1.0 g/cc, the formation of mesopores becomes insufficient and the abundance ratio of independent mesopores increases, so that the storage amount of anions decreases and a large discharge capacity is obtained. You will not be able to get it.
The bulk density can be measured by, for example, a multifunctional powder physical property measuring device (Multitester MT-1001K, manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.).
The true density is preferably 1.0 g/cc or more. If the true density is less than 1.0 g/cc, it is difficult to secure a specific surface area, and the shape of the carbonaceous wall may not be maintained. The true density can be measured by, for example, a dry automatic densitometer (Acupic II1340, manufactured by Shimadzu Corporation).
前記多孔質炭素の電気抵抗率は1.0Ω・cm以下が好ましく、1.0×10−1Ω・cm以下がより好ましい。
前記電気抵抗率が1.0Ω・cm以下であると、電極内の電気伝導性が良好となるため、高い出力特性を得ることができる。
なお、電気抵抗率は小さいほど好ましいが、1.0×10−1Ω・cm以下である必要は必ずしもなく、電気抵抗率が1.0Ω・cm以下であれば電極内の導電パスは十分に形成することができる。
前記電気抵抗率は、例えば、粉体抵抗測定システム(MCP−PD51型、三菱化学アナリテック株式会社製)により測定することができる。
The electrical resistivity of the porous carbon is preferably 1.0 Ω·cm or less, more preferably 1.0×10 −1 Ω·cm or less.
When the electrical resistivity is 1.0 Ω·cm or less, the electrical conductivity in the electrode is good, and high output characteristics can be obtained.
The smaller the electric resistivity, the more preferable, but it is not necessarily 1.0×10 −1 Ω·cm or less, and if the electric resistivity is 1.0 Ω·cm or less, the conductive path in the electrode is sufficient. Can be formed.
The electrical resistivity can be measured, for example, by a powder resistance measuring system (MCP-PD51 type, manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.).
前記多孔質炭素の強熱残分は0.1%以上10%以下であることが好ましい。前記強熱残分が0.1%未満の多孔質炭素は量産性が乏しく、反面、強熱残分が10%よりも大きいと、充放電に伴った副反応が生じ、蓄電素子抵抗を高めてしまう。前記強熱残分は、例えば、JIS K 1474−2014に基づき、前記多孔質炭素を電気炉で加熱し、加熱前後の質量変化の割合から確認することができる。
前記多孔質炭素の酸化消耗温度は300℃以上であることが好ましく、500℃以上であることがより好ましく、600℃以上であることが更に好ましい。前記酸化消耗温度は、例えば、TG−DTA(Thermo plus EVO2、株式会社リガク製)で、大気雰囲気で加熱した際、多孔質炭素の重量減少が乏しい部分の延長線と、重量減少が著しい部分の延長線との交点から確認することができる。
The ignition residue of the porous carbon is preferably 0.1% or more and 10% or less. The above-mentioned porous carbon having an ignition residue of less than 0.1% is poor in mass productivity, while on the other hand, if the ignition residue is more than 10%, a side reaction occurs due to charging/discharging, which increases the resistance of the storage element. Will end up. The ignition residue can be confirmed, for example, based on JIS K 1474-2014, by heating the porous carbon in an electric furnace and from the rate of mass change before and after heating.
The oxidation consumption temperature of the porous carbon is preferably 300° C. or higher, more preferably 500° C. or higher, even more preferably 600° C. or higher. The oxidation consumption temperature is, for example, TG-DTA (Thermo plus EVO2, manufactured by Rigaku Co., Ltd.). It can be confirmed from the intersection with the extension line.
前記多孔質炭素の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、三次元網目構造を有する筋材と、多孔質炭素形成源としての有機物質とを成形して炭化させた後、酸又はアルカリで前記筋材を溶解する方法などが挙げられる。この場合、前記筋材を溶解した痕が三次元網目構造を形成する複数のメソ孔となり、意図的に形成することができる。
前記筋材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、金属酸化物、金属塩、金属含有有機物などが挙げられる。これらの中でも、酸又はアルカリ可溶性のものが好ましい。
前記有機物質としては、炭化させることができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、前記有機物質は、炭化時に揮発性物質を放出するため、放出跡としてミクロ孔が形成されるため、ミクロ孔が全く存在しない多孔質炭素を製造することは難しい。
The method for producing the porous carbon is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. For example, a reinforcing material having a three-dimensional network structure and an organic material as a porous carbon forming source are molded. And carbonized, and then the muscle material is dissolved with an acid or an alkali. In this case, the traces of the dissolution of the muscular material form a plurality of mesopores forming a three-dimensional network structure, which can be intentionally formed.
The muscle material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include metals, metal oxides, metal salts, and metal-containing organic substances. Among these, acid- or alkali-soluble ones are preferable.
The organic substance is not particularly limited as long as it can be carbonized, and can be appropriately selected according to the purpose. In addition, since the organic substance releases a volatile substance at the time of carbonization, micropores are formed as an emission trace, and thus it is difficult to manufacture porous carbon having no micropores at all.
−−バインダ及び増粘剤−−
前記バインダ及び増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼインなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
---Binder and thickener---
The binder and the thickener are not particularly limited as long as they are a solvent or an electrolytic solution used during electrode production, and a material that is stable against an applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Fluorinated binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, acrylate latex, carboxymethyl cellulose (CMC) , Methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, alginic acid, oxidized starch, starch phosphate, casein and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), acrylate latex, and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
−−導電助剤−−
本発明において導電助剤とは、電極中に分散して電極の抵抗を低減するために使用される導電性材料を意味し、電極材料間の導電性を補助する役割を担い、導電ネットワークの形成機能を有し、必要に応じて添加される。
前記導電助剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
---Conductive agent---
In the present invention, the conductive aid means a conductive material that is dispersed in the electrodes and used to reduce the resistance of the electrodes, plays a role of assisting the conductivity between the electrode materials, and forms a conductive network. It has a function and is added as needed.
Examples of the conductive aid include metal materials such as copper and aluminum, and carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes. These may be used alone or in combination of two or more.
−正極集電体−
前記正極集電体の材質、形状、大きさ、及び構造としては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたものであり、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタルなどが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、アルミニウムが特に好ましい。
前記正極集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の大きさとしては、蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Positive electrode current collector-
The material, shape, size and structure of the positive electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material of the positive electrode current collector is formed of a conductive material, and is not particularly limited as long as it is stable with respect to the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples include stainless steel, nickel, aluminum, titanium and tantalum. Among these, stainless steel and aluminum are particularly preferable.
The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a power storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
<正極の作製方法>
前記正極は、前記正極活物質に、必要に応じて前記バインダ、前記増粘剤、前記導電助剤、溶媒等を加えてスラリー状とした正極材を、前記正極集電体上に塗布し、乾燥することで製造することができる。前記溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水系溶媒、有機溶媒などが挙げられる。前記水系溶媒としては、例えば、水、アルコールなどが挙げられる。前記有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、トルエンなどが挙げられる。
なお、前記正極活物質をそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたりすることもできる。
<Method for producing positive electrode>
The positive electrode, the positive electrode active material, if necessary, the binder, the thickener, the conductive aid, a positive electrode material in the form of a slurry by adding a solvent or the like, is applied on the positive electrode current collector, It can be manufactured by drying. The solvent is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include aqueous solvents and organic solvents. Examples of the aqueous solvent include water and alcohol. Examples of the organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and toluene.
The positive electrode active material may be roll-formed as it is to form a sheet electrode, or compression-molded to form a pellet electrode.
<負極>
前記負極は、負極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、負極集電体上に負極活物質を有する負極材を備えた負極などが挙げられる。
前記負極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状などが挙げられる。
<Negative electrode>
The negative electrode is not particularly limited as long as it contains a negative electrode active material, and can be appropriately selected according to the purpose, and examples thereof include a negative electrode including a negative electrode material having a negative electrode active material on a negative electrode current collector. To be
The shape of the negative electrode is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, and examples thereof include a flat plate shape.
−負極材−
前記負極材としては、負極活物質を少なくとも含み、更に必要に応じて導電助剤、バインダ、増粘剤などを含む。
-Negative electrode material-
The negative electrode material contains at least a negative electrode active material, and further contains a conductive auxiliary agent, a binder, a thickener, etc., if necessary.
−−負極活物質−−
前記負極活物質としては、非水溶媒系でカチオンを吸蔵及び放出可能であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、カチオンとしてのリチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素質材料、金属酸化物、リチウムと合金化可能な金属又は金属合金、リチウムと合金化可能な金属とリチウムとを含む合金とリチウムとの複合合金化合物、チッ化金属リチウム、単体ケイ素、ケイ素化合物などが挙げられる。
---Negative electrode active material---
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release cations in a non-aqueous solvent system, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, lithium ions as cations can be occluded and released. Carbonaceous materials, metal oxides, metals or metal alloys capable of alloying with lithium, compound alloy compounds of lithium and alloys containing metals capable of alloying with lithium and lithium, lithium metal nitride, elemental silicon, silicon compounds And so on.
前記炭素質材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、黒鉛(グラファイト)、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物などが挙げられる。
前記黒鉛(グラファイト)としては、例えば、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛などが挙げられる。これらの中でも、人造黒鉛、天然黒鉛が好ましい。
前記金属酸化物としては、例えば、酸化アンチモン錫、一酸化珪素などが挙げられる。
前記金属又は金属合金としては、例えば、リチウム、アルミニウム、錫、珪素、亜鉛などが挙げられる。
前記リチウムとの複合合金化合物としては、例えば、チタン酸リチウムなどが挙げられる。
前記チッ化金属リチウムとしては、例えば、チッ化コバルトリチウムなどが挙げられる。
前記ケイ素化合物としては、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイドなどの遷移金属−ケイ素化合物などが挙げられる。また、前記単体ケイ素及びケイ素化合物は導電性カーボンで被覆又は複合化してもよい。
前記負極活物質は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、安全性とコストの点から、炭素質材料、チタン酸リチウムが好ましい。
The carbonaceous material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include graphite and organic pyrolysates under various pyrolysis conditions.
Examples of the graphite include graphite such as coke, artificial graphite, and natural graphite. Of these, artificial graphite and natural graphite are preferable.
Examples of the metal oxides include antimony tin oxide and silicon monoxide.
Examples of the metal or metal alloy include lithium, aluminum, tin, silicon, zinc, and the like.
Examples of the composite alloy compound with lithium include lithium titanate and the like.
Examples of the lithium metal nitride include lithium cobalt nitride and the like.
Examples of the silicon compound include transition metal-silicon compounds such as silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, nickel silicide, and cobalt silicide. The elemental silicon and silicon compound may be coated or compounded with conductive carbon.
The negative electrode active material may be used alone or in combination of two or more. Among these, the carbonaceous material and lithium titanate are preferable from the viewpoint of safety and cost.
−−バインダ及び増粘剤−−
前記バインダ及び増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼインなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
---Binder and thickener---
The binder and the thickener are not particularly limited as long as they are a solvent or an electrolytic solution used during electrode production, and a material that is stable against an applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Fluorinated binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, acrylate latex, carboxymethyl cellulose (CMC) , Methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, alginic acid, oxidized starch, starch phosphate, casein and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
−−導電助剤−−
前記導電助剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
---Conductive agent---
Examples of the conductive aid include metal materials such as copper and aluminum, and carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes. These may be used alone or in combination of two or more.
−負極集電体−
前記負極集電体の材質、形状、大きさ、及び構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、銅などが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、銅、アルミニウムが特に好ましい。
前記負極集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の大きさとしては、蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Negative electrode current collector-
The material, shape, size and structure of the negative electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material of the negative electrode current collector is formed of a conductive material and is not particularly limited as long as it is stable with respect to the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples include steel, nickel, aluminum and copper. Among these, stainless steel, copper and aluminum are particularly preferable.
The shape of the negative electrode current collector is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a power storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
<負極の作製方法>
前記負極は、前記負極活物質に、必要に応じて前記バインダ及び増粘剤、前記導電助剤、溶媒等を加えてスラリー状とした負極材を、前記負極集電体上に塗布し、乾燥することで製造することができる。前記溶媒としては、前記正極の作製方法と同様の溶媒を用いることができる。
また、前記負極活物質に前記バインダ及び増粘剤、前記導電助剤等を加えたものをそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたり、蒸着、スパッタ、メッキ等の手法で前記負極集電体上に前記負極活物質の薄膜を形成することもできる。
前記負極は作製した後、カチオンをドーピングさせてもよい。カチオンのドーピングにより負極電位を低下させることができることから、蓄電素子の充電電位を高めることが可能になり、それに伴ってエネルギー密度の向上を図ることができる。
<Method for producing negative electrode>
The negative electrode, a negative electrode material in the form of a slurry by adding the binder and thickener, the conductive auxiliary agent, a solvent and the like to the negative electrode active material, if necessary, is applied on the negative electrode current collector, and dried. Can be manufactured. As the solvent, the same solvent as used in the method for producing the positive electrode can be used.
Further, the negative electrode active material to which the binder, the thickening agent, the conductive auxiliary agent and the like are added is directly roll-formed into a sheet electrode, or compression-molded into a pellet electrode, or a method such as vapor deposition, sputtering or plating. Then, a thin film of the negative electrode active material may be formed on the negative electrode current collector.
After manufacturing the negative electrode, cations may be doped. Since the negative electrode potential can be lowered by doping with cations, the charge potential of the power storage element can be increased, and accordingly, the energy density can be improved.
<非水電解液>
前記非水電解液は、イオン液体を溶媒とし、この溶媒に電解質塩を溶解させてなる電解液である。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolytic solution is an electrolytic solution obtained by using an ionic liquid as a solvent and dissolving an electrolyte salt in the solvent.
−イオン液体を構成するカチオン−
イオン液体を構成するカチオンは、アニオンと組み合わせることでイオン液体を形成することができるカチオンであれば問題なく使用できる。代表的なイオン液体を形成可能なカチオンとしては、ピロリジニウム系、イミダゾリニウム系等の基本骨格を有するカチオンが挙げられる。これらの中でも、イオン液体を形成する際の固体塩の析出し難さ等の観点から、側鎖が直鎖のアルカンで形成されていることが好ましい。
イオン液体を構成するカチオンとしては、例えば、1−メチル−1−プロピル−ピロリジニウム、1−ブチル−1−メチル−ピロリジニウム、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、1−メチル−1−プロピル−ピロリジニウムが特に好ましい。
-Cation that constitutes ionic liquid-
As the cation that constitutes the ionic liquid, any cation that can form an ionic liquid when combined with an anion can be used without problems. Representative cations capable of forming an ionic liquid include cations having a basic skeleton such as pyrrolidinium-based and imidazolinium-based. Among these, it is preferable that the side chain is formed of a straight-chain alkane from the viewpoint of difficulty in precipitation of a solid salt when forming an ionic liquid.
Examples of the cation constituting the ionic liquid include 1-methyl-1-propyl-pyrrolidinium, 1-butyl-1-methyl-pyrrolidinium, 1-ethyl-3-butylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium. , 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, 1-methyl-1-propyl-pyrrolidinium is particularly preferable.
―イオン液体を構成するアニオン―
前記イオン液体を構成するアニオンとしては、イオン半径が2.7Å以上であり、かつ前記カチオンとイオン液体を形成可能である必要がある。
イオン液体を構成するアニオンとしては、例えば、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオン、ノナフルオロ−1−ブタンスルホン酸アニオン、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、熱安定性や電導度の点から、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンが好ましい。
イオン液体を構成するアニオンのイオン半径が2.7Å以上であり、3.5Å以上が好ましく、3.5Å以上5Å以下がより好ましい。アニオンのイオン半径が2.7Å以上であると、前処理を施した際に確保できる有効なイオンの移動経路が増加することにより、高容量化が得られるという利点がある。
-Anion that constitutes ionic liquid-
The anion that constitutes the ionic liquid must have an ionic radius of 2.7 Å or more and be capable of forming an ionic liquid with the cation.
Examples of the anion constituting the ionic liquid include bis(trifluoromethylsulfonyl)imide anion, nonafluoro-1-butanesulfonic acid anion, tris(trifluoromethylsulfonyl)methide anion, and bis(fluorosulfonyl)imide anion. .. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, bis(fluorosulfonyl)imide anion is preferable from the viewpoint of thermal stability and electric conductivity.
The ionic radius of the anion constituting the ionic liquid is 2.7 Å or more, preferably 3.5 Å or more, and more preferably 3.5 Å or more and 5 Å or less. When the ionic radius of the anion is 2.7 Å or more, there is an advantage that a high capacity can be obtained by increasing the number of effective ion migration paths that can be secured when the pretreatment is performed.
−電解質塩−
電解質塩のアニオンは、熱安定性や電導度の点から、前記イオン液体に選択したアニオンと同一のアニオンとリチウムイオンの塩を用いる。即ち、電解質塩のアニオンのイオン半径が2.7Å以上であり、3.5Å以上が好ましく、3.5Å以上5Å以下がより好ましい。
イオン半径が2.7Å以上のアニオンとしては、例えば、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドアニオン(イオン半径4.7Å)、ノナフルオロ−1−ブタンスルホン酸アニオン(イオン半径3.35Å)、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチドアニオン(イオン半径3.8Å)、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン(イオン半径3.5Å)などの前記イオン液体と同種のアニオンが挙げられる。これらの中でも、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンが好ましい。
-Electrolyte salt-
As the anion of the electrolyte salt, the same anion and lithium ion salt as the anion selected for the ionic liquid is used from the viewpoint of thermal stability and electric conductivity. That is, the ionic radius of the anion of the electrolyte salt is 2.7 Å or more, preferably 3.5 Å or more, and more preferably 3.5 Å or more and 5 Å or less.
Examples of anions having an ionic radius of 2.7 Å or more include bis(trifluoromethylsulfonyl)imide anion (ionic radius 4.7 Å), nonafluoro-1-butane sulfonate anion (ionic radius 3.35 Å), tris(tri The same kind of anion as the above ionic liquid such as fluoromethylsulfonyl)methide anion (ionic radius 3.8Å) and bis(fluorosulfonyl)imide anion (ionic radius 3.5Å) can be mentioned. Among these, bis(fluorosulfonyl)imide anion is preferable.
前記電解質塩の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記非水溶媒中に、0.5mol/L以上5mol/L以下が好ましく、蓄電素子容量と出力の両立の点から、1mol/L以上3mol/L以下がより好ましい。 The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 0.5 mol/L or more and 5 mol/L or less in the non-aqueous solvent, and the capacity and the output of the storage element. From the viewpoint of compatibility of both, 1 mol/L or more and 3 mol/L or less are more preferable.
<セパレータ>
前記セパレータは、正極と負極の短絡を防ぐために正極と負極の間に設けられる。
前記セパレータの材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの材質としては、例えば、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙等の紙、セロハン、ポリエチレングラフト膜、ポリプロピレンメルトブロー不織布等のポリオレフィン不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布、マイクロポア膜などが挙げられる。
これらの中で好ましいものとしては、電解液保持の観点より気孔率50%以上のものが好ましい。形状としては微多孔(マイクロポア)を有する薄膜タイプよりも、気孔率が高い不織布系の方が好ましい。
前記セパレータの平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、20μm以上100μm以下が好ましい。前記平均厚みが、20μm以上であると、電解液の保持量が良好となり、100μm以下であると、エネルギー密度を適正に維持することができる。
前記セパレータの大きさとしては、蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの構造は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
<Separator>
The separator is provided between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
The material, shape, size and structure of the separator are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
Examples of the material of the separator include kraft paper, vinylon mixed paper, paper such as synthetic pulp mixed paper, cellophane, polyethylene graft film, polyolefin nonwoven fabric such as polypropylene meltblown nonwoven fabric, polyamide nonwoven fabric, glass fiber nonwoven fabric, and micropore film. Can be mentioned.
Among these, those having a porosity of 50% or more are preferable from the viewpoint of retaining an electrolytic solution. A non-woven fabric having a higher porosity is preferable as a shape than a thin film type having micropores (micropores).
The average thickness of the separator is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, but it is preferably 20 μm or more and 100 μm or less. When the average thickness is 20 μm or more, the amount of the electrolytic solution retained becomes good, and when it is 100 μm or less, the energy density can be appropriately maintained.
The size of the separator is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a power storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
The structure of the separator may be a single layer structure or a laminated structure.
<蓄電素子の製造方法>
本発明の蓄電素子は、前記正極、前記負極、及び前記非水電解液と、必要に応じて用いられる前記セパレータとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて外装缶等の他の構成部材を用いることも可能である。前記蓄電素子を組み立てる方法としては、特に制限はなく、通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
<Method of manufacturing storage element>
The electricity storage device of the present invention is manufactured by assembling the positive electrode, the negative electrode, the nonaqueous electrolytic solution, and the separator used as necessary into an appropriate shape. Furthermore, it is possible to use other constituent members such as an outer can, if necessary. The method for assembling the electricity storage device is not particularly limited, and can be appropriately selected from the commonly used methods.
本発明の蓄電素子の形状については、特に制限はなく、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、シート電極及びセパレータを平面に積層し、ラミネートで封止したラミネートタイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプなどが挙げられる。 The shape of the electricity storage device of the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly used shapes according to the application. As the shape, for example, a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are formed in a spiral shape, a laminate type in which a sheet electrode and a separator are laminated on a plane and sealed with a laminate, and a cylinder type of an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined. , A coin type in which a pellet electrode and a separator are laminated.
<前処理>
本発明における前処理とは、一般的な特性安定化を与えるためのエージングのような処理に加え、素子作製後、実使用に供する前に実施する処理であって、イオン半径の大きなアニオンの存在下で、一度広い充放電範囲で充放電を施したり、高温度環境下で一定期間保存したりすることで、イオンの移動経路を確保し、有効な容量の増加を促す作業である。これは、本文中に例示した例や、請求項に示した条件のみに限定されるものではない。その例として、規定の温度下にて規定の電圧範囲で規定の電流値による充放電を繰り返す、規定の温度下にて一定電圧まで充電した後、その電圧を維持した状態で一定期間保持する、規定の温度下にて使用電圧を超える電圧を印加する、規定の温度下にて電圧等の負荷をかけずに放置する、などの処理を指す。
<Pretreatment>
The pretreatment in the present invention is a treatment to be performed after the device is manufactured and before being put into actual use, in addition to a treatment such as aging for giving general property stabilization, and the presence of anions having a large ionic radius. Under this condition, a charge/discharge is once performed in a wide charge/discharge range, or the charge/discharge is stored in a high temperature environment for a certain period of time to secure a migration path of ions and promote an increase in effective capacity. This is not limited to only the examples illustrated in the text and the conditions shown in the claims. As an example, the charge and discharge with a specified current value is repeated in a specified voltage range under a specified temperature, after charging to a constant voltage under a specified temperature, the voltage is maintained for a certain period of time, This refers to processing such as applying a voltage that exceeds the operating voltage at a specified temperature, or leaving it at a specified temperature without applying a load such as a voltage.
ここで、本発明の蓄電素子の一例について図2に示す。この図2に示した蓄電素子10は、正極1と、負極2と、イオン液体である溶媒とアニオンのイオン半径が2.7Å以上である電解質塩とを含む非水電解液を保持したセパレータ3と、外装缶4と、正極引き出し線6と、負極引き出し線5とを有し、必要に応じて他の部材を有してなる。蓄電素子10の具体例としては、例えば、非水電解液二次電池、非水電解液キャパシタなどが挙げられる。 Here, an example of the power storage element of the present invention is shown in FIG. The electricity storage device 10 shown in FIG. 2 has a separator 3 that holds a nonaqueous electrolytic solution containing a positive electrode 1, a negative electrode 2, a solvent that is an ionic liquid, and an electrolyte salt in which an ionic radius of anions is 2.7 Å or more. And an outer can 4, a positive electrode lead wire 6, and a negative electrode lead wire 5, and other members if necessary. Specific examples of the electricity storage device 10 include a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte capacitor.
図3は、蓄電素子10の基本構成を分かりやすく説明するための概略図である。
正極11は、例えば、アルミニウム製の正極集電体20と、正極集電体20上に固定された正極活物質としての三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素21と、多孔質炭素21同士を繋ぎとめるバインダ22と、多孔質炭素21間に導電パスを付与する黒丸表示の導電助剤23等を有している。
負極12は、例えば、銅製の負極集電体24と、負極集電体24上に固定された炭素質材料などからなる負極活物質25と、負極活物質25同士を繋ぎとめるバインダ22と、負極活物質25間に導電パスを付与する黒丸表示の導電助剤23等を有している。
正極11と負極12との間にはセパレータ13が配置されているとともに、イオン液体である溶媒とアニオンのイオン半径が2.7Å以上である電解質塩とを含む非水電解液26が配置されている。符号27はイオンを示している。イオンが三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素の細孔に吸蔵乃至放出することで充放電が行われる。
蓄電素子の充放電反応は、例えば、アニオンのイオン半径が2.7Å以上である電解質塩としてリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドを使用した場合には、非水電解液中から正極の三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素の細孔にビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンが吸蔵され、負極の炭素材料にリチウムカチオンが吸蔵されることにより充電が行われ、正極の多孔質炭素からビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンが、負極からリチウムカチオンが非水電解液へ放出することにより放電が行われる。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the basic configuration of the storage element 10 in an easy-to-understand manner.
The positive electrode 11 is, for example, a positive electrode current collector 20 made of aluminum, a porous carbon 21 fixed on the positive electrode current collector 20 and having pores of a three-dimensional network structure as a positive electrode active material, and a porous carbon 21. It has a binder 22 that holds them together, a conductive aid 23 represented by black circles that provides a conductive path between the porous carbons 21, and the like.
The negative electrode 12 includes, for example, a negative electrode current collector 24 made of copper, a negative electrode active material 25 made of a carbonaceous material or the like fixed on the negative electrode current collector 24, a binder 22 that holds the negative electrode active materials 25 together, and a negative electrode. It has a conductive aid 23 and the like indicated by black circles for providing a conductive path between the active materials 25.
A separator 13 is arranged between the positive electrode 11 and the negative electrode 12, and a non-aqueous electrolytic solution 26 containing a solvent which is an ionic liquid and an electrolyte salt having an ionic radius of anion of 2.7 Å or more is arranged. There is. Reference numeral 27 indicates an ion. Charge/discharge is performed by occluding or releasing ions in the pores of porous carbon having pores of a three-dimensional network structure.
For example, when lithium bis(fluorosulfonyl)imide is used as the electrolyte salt in which the ionic radius of the anion is 2.7 Å or more, the charge/discharge reaction of the electricity storage device is performed from the non-aqueous electrolyte to the three-dimensional network structure of the positive electrode. The bis(fluorosulfonyl)imide anion is occluded in the pores of the porous carbon having the pores, and the lithium cation is occluded in the carbon material of the negative electrode, whereby charging is performed. The sulfonyl)imide anion releases lithium cations from the negative electrode to the non-aqueous electrolytic solution, so that discharging is performed.
<用途>
本発明の蓄電素子の用途としては、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、電動自転車、電動工具等の電源、バックアップ電源などが挙げられる。
<Use>
The use of the electricity storage device of the present invention is not particularly limited and can be used for various purposes, for example, a notebook computer, a pen input computer, a mobile computer, an electronic book player, a mobile phone, a mobile fax, a mobile copy, a mobile printer. , Headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, mini disk, transceiver, electronic organizer, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, motor, lighting equipment, toys, game equipment, clock, strobe, camera , Power supplies for electric bicycles, electric tools, etc., backup power supplies, etc.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
以下に、正極活物質として用いられる炭素の細孔の形成状態(多孔質性、三次元網目構造)、BET比表面積、メソ孔の含有率、細孔容積、及び黒鉛化度の測定方法について記載する。
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
Described below are the methods for measuring the state of pore formation of carbon used as the positive electrode active material (porosity, three-dimensional network structure), BET specific surface area, mesopore content, pore volume, and graphitization degree. To do.
<細孔の形成状態(多孔質性、三次元網目構造)>
透過型電子顕微鏡(JEM−2100、日本電子株式会社製)により、多孔質性、三次元網目構造の有無を観察した。
<Pore formation state (porous, three-dimensional network structure)>
The presence or absence of porosity and a three-dimensional network structure was observed with a transmission electron microscope (JEM-2100, manufactured by JEOL Ltd.).
<BET比表面積及び細孔容積>
自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)により、吸着等温線を測定した後、BET(Brunauer、Emmett、Teller)法により、BET比表面積を求めた。また、吸着等温線から、BJH(Barrett、Joyner、Hallender)法により、細孔容積を求めた。
<BET specific surface area and pore volume>
After measuring the adsorption isotherm by an automatic specific surface area/pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation), the BET specific surface area was determined by the BET (Brunauer, Emmett, Teller) method. Further, the pore volume was determined from the adsorption isotherm by the BJH (Barrett, Joyner, Hallender) method.
<メソ孔含有率>
自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)により、吸着等温線を測定した後、下記数式1により、細孔中のメソ孔含有率を求めた。なお、前記吸着等温線の相対圧(p/p0)0.3以下のガス分子吸着量がミクロ孔に起因するガス分子吸着量であり、相対圧0.3以上0.96以下がメソ孔に起因するガス分子吸着量である。
[数式1]
After measuring the adsorption isotherm by an automatic specific surface area/pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation), the mesopore content rate in the pores was calculated by the following mathematical formula 1. The amount of gas molecules adsorbed at a relative pressure (p/p 0 ) of 0.3 or less of the adsorption isotherm is the amount of gas molecules adsorbed due to micropores, and the relative pressure of 0.3 or more and 0.96 or less is mesopores. It is the amount of gas molecules adsorbed due to.
[Formula 1]
<黒鉛化度Rh>
黒鉛化度Rhは、顕微レーザーラマン分光装置(Nanofinder30、東京インスツルメンツ株式会社製)を用いて測定した。
<Graphization degree Rh>
The graphitization degree Rh was measured using a microscopic laser Raman spectroscope (Nanofinder 30, manufactured by Tokyo Instruments Co., Ltd.).
(実施例1)
<正極の作製>
多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)を正極活物質として用い、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状、デンカ株式会社製)、バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A、JSR株式会社製)、及び増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(ダイセル1270、ダイセル化学工業株式会社製)を、固形分の質量比で100:7.5:3.0:7.6になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整しスラリーを得た。次いで、コンマコーターを用い、スラリーを厚み20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥させて電極を作製した。
乾燥後の正極膜内の正極活物質目付け量の平均は、2.8mg/cm2であった。これを塗布面が縦40mm、横25mmとなり、塗布面から電流取り出し用に集電体が出るように打ち抜いた。電流取り出し部にリードタブ(PLUS LEAD、住友電工電子ワイヤー株式会社製)を溶接し、正極を得た。
なお、多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)は、BET比表面積が1,000m2/g、細孔容積が0.6mL/g、メソ孔含有率が44%、メジアン径が0.4μmであり、三次元網目構造の連通した細孔を有している。
(Example 1)
<Production of positive electrode>
Porous carbon (Knobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) was used as a positive electrode active material, acetylene black (Denka black powder, manufactured by Denka Co., Ltd.) as a conduction aid, and acrylate latex (TRD202A, manufactured by JSR Co., Ltd.) as a binder , And carboxymethyl cellulose (Daicel 1270, manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.) as a thickener so that the mass ratio of the solid content is 100:7.5:3.0:7.6, and water is added. And adjusted to an appropriate viscosity to obtain a slurry. Next, using a comma coater, the slurry was applied on both sides of an aluminum foil having a thickness of 20 μm and dried to prepare an electrode.
The average weight of the positive electrode active material in the positive electrode film after drying was 2.8 mg/cm 2 . This was punched so that the coated surface had a length of 40 mm and a width of 25 mm, and a current collector was taken out from the coated surface for current extraction. A lead tab (PLUS LEAD, manufactured by Sumitomo Electric Wire Co., Ltd.) was welded to the current extraction portion to obtain a positive electrode.
The porous carbon (Kunobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) has a BET specific surface area of 1,000 m 2 /g, a pore volume of 0.6 mL/g, a mesopore content of 44%, and a median diameter of 0. It has a diameter of 4 μm and has continuous pores having a three-dimensional network structure.
<負極の作製>
負極活物質として黒鉛(MAGD、日立化成株式会社製)、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状、デンカ株式会社製)、及びバインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(BM−400B、日本ゼオン株式会社製)を、それぞれ固形分の質量比で100:3.0:5.0になるように混合し、N−メチルピロリドン(NMP)を加えて適切な粘度に調整し、スラリーを得た。次いで、コンマコーターを用い、スラリーを厚み8μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥させて電極を作製した。
乾燥後の電極膜内の活物質目付け量の平均は、11.4mg/cm2であった。これを塗布面が縦43mm、横28mm、塗布面から電流取り出し用に集電体が出るように打ち抜いた。電流取り出し部にリードタブ(MINUS LEAD、住友電工電子ワイヤー株式会社製)を溶接し、負極を得た。
<Production of negative electrode>
Graphite (MAGD, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) as a negative electrode active material, acetylene black (Denka black powder, manufactured by Denka Co., Ltd.) as a conduction aid, and polyvinylidene fluoride (PVDF) (BM-400B, Nippon Zeon Co., Ltd.) as a binder. (Manufactured by the company) were mixed so that the mass ratio of the solid content was 100:3.0:5.0, respectively, and N-methylpyrrolidone (NMP) was added to adjust the viscosity to an appropriate level to obtain a slurry. Next, using a comma coater, the slurry was applied on both sides of a copper foil having a thickness of 8 μm and dried to prepare an electrode.
The average basis weight of the active material in the electrode film after drying was 11.4 mg/cm 2 . This was punched so that the coated surface had a length of 43 mm and a width of 28 mm, and a current collector was taken out from the coated surface for current extraction. A lead tab (MINUS LEAD, manufactured by Sumitomo Electric Wire Co., Ltd.) was welded to the current extraction part to obtain a negative electrode.
<非水電解液>
2mol/Lの電解質塩としてのリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドを含有するイオン液体である1−メチル−1−プロピル−ピロリジニウムビス(フルオロスルホニル)イミドの混合溶液を非水電解液として用いた。
<Non-aqueous electrolyte>
A mixed solution of 1-methyl-1-propyl-pyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide, which is an ionic liquid containing lithium bis(fluorosulfonyl)imide as an electrolyte salt of 2 mol/L, was used as a non-aqueous electrolyte. ..
<セパレータ>
セパレータとして、セルロースセパレータ(TDZ3540、ニッポン高度紙工業株式会社製)を縦45mm、横30mmに打ち抜いたものを使用した。
<Separator>
As the separator, a cellulose separator (TDZ3540, manufactured by Nippon Koshigyo Kogyo Co., Ltd.) punched into a length of 45 mm and a width of 30 mm was used.
上記正極2枚、負極3枚、セパレータ12枚を150℃減圧下で乾燥した。これ以降の作業は乾燥アルゴングローブボックス内にて実施した。 The above two positive electrodes, three negative electrodes and 12 separators were dried under reduced pressure at 150°C. The subsequent work was carried out in a dry argon glove box.
<負極プレドープ>
蓄電素子においては、充放電に十分な量のリチウムイオンを供給するため、負極側に予めリチウムを吸蔵させるプレドープ工程を行った。プレドープの方法として、上記負極を1枚取り、その両側を上記セパレータで挟み込み、更にその両側に厚さ2mmのリチウム金属を縦45mm、横30mmに切り抜いたものを配置した後、前記の非水電解液を含侵させ、リチウム金属と負極を短絡させた状態で24時間放置した。以上の工程により、負極活物質にリチウムをプレドープさせた。
<Negative electrode pre-doping>
In the electricity storage device, in order to supply a sufficient amount of lithium ions for charging/discharging, a pre-doping process of previously occluding lithium on the negative electrode side was performed. As a method of pre-doping, one sheet of the above negative electrode is taken, both sides thereof are sandwiched by the above separators, and a lithium metal having a thickness of 2 mm cut out in a length of 45 mm and a width of 30 mm is arranged on both sides thereof, and then the above non-aqueous electrolysis is carried out. The solution was impregnated and left standing for 24 hours with the lithium metal and the negative electrode short-circuited. Through the above steps, the negative electrode active material was pre-doped with lithium.
<蓄電素子の組み立て>
プレドープが完了した負極から金属リチウム及びセパレータを取り除いた後、上記正極2枚、負極3枚、セパレータ6枚を用い、これらをセパレータ−負極−セパレータ−正極−セパレータと積層し、以下繰り返すことで、内部素子を作製した。
その後、内部素子を減圧下で150℃まで加熱し、20時間乾燥した後、金属リチウム箔及び銅箔を圧着面が縦43mm、横28mmとなるように打ち抜き、ずれがないように圧着することでリチウム極とした。上記積層体とリチウム極をずれがないように固定し、非水電解液を含浸させた後、外装材としてアルミラミネートフィルム(昭和電工パッケージング株式会社製)を用いて封止し、蓄電素子を作製した。上記負極とリチウム極を短絡させることで負極へリチウムイオンをドーピングした。その後、リチウム極を取り出し、外装材を再度融着させ、蓄電素子を作製した。これらの組み立て作業は全て乾燥アルゴングローブボックス中で実施した。
<Assembly of storage element>
After removing the metallic lithium and the separator from the negative electrode for which pre-doping is completed, using the above two positive electrodes, three negative electrodes, and six separators, these are laminated with separator-negative electrode-separator-positive electrode-separator, by repeating the following, An internal element was produced.
After that, the internal element is heated to 150° C. under reduced pressure and dried for 20 hours, and then the metal lithium foil and the copper foil are punched out so that the pressure-bonding surface has a length of 43 mm and a width of 28 mm, and pressure-bonded so that there is no deviation. It was a lithium electrode. The laminated body and the lithium electrode were fixed so as not to be displaced, impregnated with a non-aqueous electrolyte, and then sealed using an aluminum laminate film (manufactured by Showa Denko Packaging Co., Ltd.) as an exterior material to form a storage element. It was made. The negative electrode was doped with lithium ions by short-circuiting the negative electrode and the lithium electrode. After that, the lithium electrode was taken out and the exterior material was fused again to manufacture a power storage element. All of these assembly operations were performed in a dry argon glove box.
<蓄電素子の評価>
得られた実施例1の蓄電素子を恒温槽中に保持し、自動電池評価装置(1024B−7V0.1A−4、株式会社エレクトロフィールド製)を用いて、以下に示す各種試験を実施した。
<Evaluation of power storage element>
The obtained electricity storage device of Example 1 was held in a constant temperature bath, and various tests shown below were carried out using an automatic battery evaluation device (1024B-7V0.1A-4, manufactured by Electrofield Corporation).
−前処理−
初回の充放電は前処理として、60℃で充放電レート1C換算の電流値において、充電終止電圧として4.4Vまで定電流充電した。その後、4.4Vにて1時間定電圧維持を行った後、充放電レート0.2C換算の電流値において、放電終止電圧として2.2Vまで定電流放電を行い、この充放電サイクルを2回行った。
なお、1C換算の電流値とは、公称容量値の容量を有する蓄電素子を定電流放電して、1時間で放電終了となる電流値を示す。
-Pretreatment-
As a pretreatment for the first charge and discharge, constant current charging was performed at 60° C. at a charge and discharge rate of 1 C as a current value up to 4.4 V as a charge end voltage. Then, after maintaining a constant voltage at 4.4 V for 1 hour, constant current discharge was performed up to 2.2 V as a discharge end voltage at a charge/discharge rate of 0.2 C, and this charge/discharge cycle was repeated twice. went.
Note that the 1 C-converted current value refers to a current value at which a storage element having a capacity of a nominal capacity value is discharged at a constant current and the discharge ends in 1 hour.
−放電容量の測定−
次に、上記前処理後、常温(25℃)で、充放電レート0.2C換算の電流値において、充電終止電圧として4.2Vまで定電流充電した。その後、充放電レート0.2C換算の電流値において、放電終止電圧として2.2Vまで定電流放電を行い、放電容量を測定した。結果を表3に示した。
なお、放電容量は、正極活物質としての多孔質炭素1g当たりの換算値(単位:mAh/g)である。
-Measurement of discharge capacity-
Next, after the above-mentioned pretreatment, constant current charging was performed at room temperature (25° C.) to a charge end rate of 4.2 V at a charge/discharge rate of 0.2 C. Then, at a current value converted into a charge/discharge rate of 0.2 C, constant current discharge was performed up to a discharge end voltage of 2.2 V, and the discharge capacity was measured. The results are shown in Table 3.
The discharge capacity is a conversion value (unit: mAh/g) per 1 g of porous carbon as the positive electrode active material.
−低温特性の測定−
次に、上記恒温槽の温度を−20℃に設定し、蓄電素子の温度が安定するまで安置した後、温度以外の条件については上記放電容量の測定と同様の条件にて容量を測定した。その後、−20℃にて測定した放電容量を常温(25℃)で測定した放電容量で割り、−20℃における容量の出現率を計算し、低温特性の指標とした。結果を表3に示した。
-Measurement of low temperature characteristics-
Next, the temperature of the constant temperature bath was set to −20° C., and the storage element was left standing until the temperature became stable, and then the capacity was measured under the same conditions as the measurement of the discharge capacity except for the temperature. Then, the discharge capacity measured at −20° C. was divided by the discharge capacity measured at room temperature (25° C.) to calculate the appearance rate of the capacity at −20° C., which was used as an index of low temperature characteristics. The results are shown in Table 3.
−高温度安定性の測定−
次に、上記恒温槽の温度を25℃に設定し、蓄電素子の温度が安定するまで安置した後、充放電レート1C換算の電流値において、充電終止電圧として4.2Vまで定電流充電した。その後、4.2Vにて30分の定電圧維持を行った後、充放電レート1C換算の電流値において、放電終止電圧として2.2Vまで定電流放電した。この際の充放電において、30分定電圧維持直後の放電カーブが直線的に安定したところから、放電開始時間まで直線を延長し、その交点を放電による電圧ドロップとした。この値を元に、蓄電素子の直流抵抗(DC−IR)を計算した。
その後、80℃に設定し、蓄電素子の温度が安定するまで安置した後、充放電レート0.2Cの電流値において充電終止電圧として4.0Vまで充電した。その後、温度及び電圧を維持したまま100時間の定電圧維持を行った。
その後、恒温槽を25℃に戻し、放電容量の測定と同様の方法にてDC−IRの測定を実施した。得られた結果より、高温試験前の抵抗値に対する、高温試験後の抵抗値の増加率を計算し、高温度下における安定性の指標とした。結果を表3に示した。
-Measurement of high temperature stability-
Next, the temperature of the constant temperature bath was set to 25° C., and the storage element was allowed to stand until the temperature became stable, and then constant current charging was performed up to 4.2 V as a charge end voltage at a charge/discharge rate of 1 C. Then, after maintaining a constant voltage at 4.2V for 30 minutes, constant current discharge was performed up to 2.2V as a discharge end voltage at a charge/discharge rate of 1C. In the charging/discharging at this time, from the point where the discharge curve was linearly stable immediately after maintaining the constant voltage for 30 minutes, the straight line was extended to the discharge start time, and the intersection was taken as the voltage drop due to the discharge. Based on this value, the DC resistance (DC-IR) of the storage element was calculated.
After that, the temperature was set to 80° C., the storage element was left standing until the temperature became stable, and then the battery was charged to 4.0 V as a charge end voltage at a current value of a charge/discharge rate of 0.2 C. Thereafter, the constant voltage was maintained for 100 hours while maintaining the temperature and the voltage.
Then, the constant temperature bath was returned to 25° C., and DC-IR measurement was performed by the same method as the discharge capacity measurement. From the obtained results, the rate of increase of the resistance value after the high temperature test with respect to the resistance value before the high temperature test was calculated and used as an index of stability under high temperature. The results are shown in Table 3.
−サイクル安定性の評価−
次に、上記恒温槽の温度を常温(25℃)とし、蓄電素子の温度が安定するまで安置した後、充放電レート10C、充電終止電圧4.2V、放電終止電圧2.2Vの条件で充放電試験を実施し、1,000サイクル経過後に前記の放電容量の測定を実施した。得られた測定結果から、サイクル実施後の放電容量を初期放電容量で割ったものを容量維持率として、サイクル安定性の指標とした。結果を表3に示した。
-Evaluation of cycle stability-
Next, the temperature of the constant temperature bath is set to room temperature (25° C.), and the storage element is left to stand until the temperature stabilizes, and then charged and discharged at a rate of 10 C, a charge end voltage of 4.2 V, and a discharge end voltage of 2.2 V. A discharge test was carried out, and the discharge capacity was measured after 1,000 cycles had elapsed. From the obtained measurement results, the discharge capacity after the cycle was divided by the initial discharge capacity was taken as the capacity retention rate and used as an index of cycle stability. The results are shown in Table 3.
(実施例2〜4)
実施例1において、非水電解液をそれぞれ表2−1に示した組成に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜4の蓄電素子を作製した。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 2 to 4)
Electric storage elements of Examples 2 to 4 were produced in the same manner as in Example 1 except that the compositions of the non-aqueous electrolyte solutions were changed to those shown in Table 2-1. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例5〜8)
実施例1において、電解質塩の濃度を表2−1に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例5〜8の蓄電素子を作製した。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 5 to 8)
Electric storage elements of Examples 5 to 8 were produced in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the electrolyte salt was changed to the value shown in Table 2-1. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例9〜12)
実施例1において、正極活物質として使用する多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)のBET比表面積を表1に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例9〜12の蓄電素子を作製した。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 9 to 12)
Example 1 Example 1 was repeated except that the BET specific surface area of the porous carbon (Knobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) used as the positive electrode active material was changed to the value shown in Table 1. 9-12 storage elements were produced. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例13〜16)
実施例1において、正極活物質として使用する多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)の細孔容積を表1に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例13〜16の蓄電素子を作製した。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 13 to 16)
Example 1 Example 1 was repeated except that the pore volume of porous carbon (Knobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) used as the positive electrode active material was changed to the value shown in Table 1. 13 to 16 storage elements were produced. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例17〜20)
実施例1において、正極活物質として使用する多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)のメソ孔含有率を表1に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例17〜20の蓄電素子を作製した。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 17 to 20)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the mesopore content of the porous carbon (Knobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) used as the positive electrode active material was changed to the value shown in Table 1. The electricity storage devices of Examples 17 to 20 were produced. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例21〜24)
実施例1において、正極活物質として使用する多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)のメソ孔含有率を表1に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例21〜24の作製を行った。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 21 to 24)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the mesopore content of the porous carbon (Knobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) used as the positive electrode active material was changed to the value shown in Table 1. Examples 21 to 24 were produced. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例25〜28)
実施例1において、正極活物質として使用する多孔質炭素(クノーベル、東洋炭素株式会社製)の黒鉛化度Rhを表1に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例25〜28の作製を行った。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 25 to 28)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the graphitization degree Rh of the porous carbon (Knobel, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) used as the positive electrode active material was changed to the value shown in Table 1. Examples 25 to 28 were produced. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例29)
実施例1において、作製した素子に対し、測定前に前処理を施さないように変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例29の作製を行った。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Example 29)
Example 29 was produced in the same manner as in Example 1 except that the element prepared in Example 1 was not subjected to pretreatment before measurement. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(実施例30〜31)
実施例1において、電解質塩濃度を表2−2に示した値に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例30〜31の作製を行った。作製した各蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Examples 30 to 31)
Examples 30 to 31 were produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte salt concentration was changed to the value shown in Table 2-2. With respect to each of the manufactured power storage elements, the power storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(比較例1)
実施例1において、正極活物質に使用する炭素材料を、細孔構造を有しない黒鉛(KS−6、イメリス・グラファイト&カーボン社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の蓄電素子を作製した。作製した蓄電素子について、実施例1と同様にして蓄電素子の評価を実施した。結果を表3に示した。
(Comparative Example 1)
Comparison was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon material used for the positive electrode active material was changed to graphite (KS-6, manufactured by Imerys Graphite & Carbon Co., Ltd.) having no pore structure in Example 1. The electricity storage device of Example 1 was produced. With respect to the manufactured storage element, the storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(比較例2)
実施例1において、正極活物質に使用する炭素材料を、細孔構造は有するものの連通孔構造は有しない活性炭(YP−50F、株式会社クラレ製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例2の蓄電素子を作製した。作製した蓄電素子について、実施例1と同様にして蓄電素子の評価を実施した。結果を表3に示した。
(Comparative example 2)
In Example 1, except that the carbon material used for the positive electrode active material was changed to activated carbon (YP-50F, manufactured by Kuraray Co., Ltd.) having a pore structure but not a communicating pore structure, the same as in Example 1. Thus, the electricity storage device of Comparative Example 2 was produced. With respect to the manufactured storage element, the storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(比較例3)
実施例1において、電解液を表2−2に示した有機溶剤系電解液に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例3の蓄電素子を作製した。作製した蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を実施した。結果を表3に示した。ただし、高温度安定性測定についてのみ、試験開始後24時間放置時点でガス発生が非常に大きく、破裂の危険があったため、この時点で電圧の印加を中止した。
(Comparative example 3)
A storage element of Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution in Example 1 was changed to the organic solvent-based electrolytic solution shown in Table 2-2. With respect to the manufactured storage element, the storage element was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3. However, only for the high temperature stability measurement, gas generation was very large at the time of standing for 24 hours after the start of the test, and there was a risk of bursting, so the application of voltage was stopped at this time.
(比較例4)
実施例1において、電解液に使用するイオン液体と電解質塩のアニオン種をテトラフルオロホウ酸イオンに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例4の蓄電素子を作製した。作製した蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Comparative example 4)
A power storage device of Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 1, except that the ionic liquid used in the electrolytic solution and the anionic species of the electrolyte salt were changed to tetrafluoroborate ions. With respect to the manufactured electricity storage device, the electricity storage device was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(比較例5)
実施例1において、電解液に使用するイオン液体と電解質塩のアニオン種を、表2−2に示した異なる種類にアニオンに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例5の蓄電素子を作製した。作製した蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Comparative example 5)
Storage of Comparative Example 5 in the same manner as in Example 1 except that the anionic species of the ionic liquid used in the electrolytic solution and the anionic species of the electrolyte salt were changed to anions different from those shown in Table 2-2. A device was produced. With respect to the manufactured electricity storage device, the electricity storage device was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
(比較例6)
実施例1において、電解液を表2−2に示した有機電解液にイオン液体を10質量%添加したものに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例6の蓄電素子を作製した。作製した蓄電素子について、実施例1と同様にして、蓄電素子の評価を行った。結果を表3に示した。
(Comparative example 6)
A power storage device of Comparative Example 6 was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution in Example 1 was changed to the organic electrolytic solution shown in Table 2-2 to which 10% by mass of the ionic liquid was added. did. With respect to the manufactured electricity storage device, the electricity storage device was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
表3の結果から、実施例1〜4は、比較例1〜6と比較して、高温度安定性、高い容量、高いサイクル安定性、及び高い低温での容量出現率を併せ持つことがわかる。これは、以下に示す本発明の要件を満足していることに起因している。
(1)イオン液体を使用しているため、高温に対する安定性が高い。
(2)正極活物質に三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を使用しているため、イオン半径の大きなアニオンのインターカレーションによる体積膨張の影響を吸収可能であり、活物質の剥離や割れが発生し難く、サイクルに対する安定性が高い。
(3)アニオン種としてイオン半径が2.7Å以上のアニオンを使用し、前処理を施していることで、イオンの移動経路を確保したことによる有効な容量の増加が促進されている。
(4)イオン液体と電解質塩のアニオン種に共通のアニオン種を使用していることで、異種のイオンが存在することによる局所的な析出や結晶化が発生しないため、低温での容量出現率が高い。
From the results of Table 3, it can be seen that Examples 1 to 4 have high temperature stability, high capacity, high cycle stability, and high capacity appearance rate at low temperatures, as compared with Comparative Examples 1 to 6. This is because the requirements of the present invention shown below are satisfied.
(1) Since it uses an ionic liquid, it has high stability to high temperatures.
(2) Since the positive electrode active material uses porous carbon having pores having a three-dimensional network structure, it is possible to absorb the influence of volume expansion due to intercalation of anions having a large ionic radius, and exfoliation of the active material. It does not easily crack or crack, and has high cycle stability.
(3) By using an anion having an ionic radius of 2.7 Å or more as the anion species and performing pretreatment, the effective capacity increase is promoted by ensuring the ion migration path.
(4) By using a common anion species as the anion species of the ionic liquid and the electrolyte salt, local precipitation or crystallization due to the presence of different kinds of ions does not occur, so the capacity appearance rate at low temperature Is high.
また、実施例5〜8を見ると、実施例1と比較して、電解質塩濃度が0.5mol/L未満である実施例5は若干容量が低く、また、電解質塩濃度が5.0mol/L以上である実施例8は若干低温での容量出現率が低い。このことから、最適な電解質塩濃度は0.5mol/L以上5.0mol/L以下の範囲であることがわかる。
また、実施例9〜12を見ると、実施例1と比較して、炭素材料のBET比表面積が50m2/gを下回る実施例9は放電容量が若干低く、また、2,000m2/gを上回る実施例12はサイクルの安定性が低下している。このことから、正極に用いる炭素のBET比表面積は、50m2/g以上2,000m2/g以下の範囲内であることが好ましい。
また、実施例13〜16を見ると、実施例1と比較して、炭素材料の細孔容積が0.2mL/gを下回っている実施例13は放電容量が低く、2.3mL/gを上回っている実施例16は、サイクル安定性が低下している。このことから、正極に用いる炭素材料の細孔容積は、0.2mL/g以上2.3mL/g以下の範囲内であることが好ましい。
また、実施例17〜20を見ると、実施例1と比較して、炭素材料のメソ孔含有率が25%を下回る実施例17はサイクル安定性が低く、80%を上回っている実施例20は初期容量が若干低下している。このことから、正極に用いる炭素材料のメソ孔含有率は、25%以上80%以下の範囲内であることが好ましい。
実施例17〜20では、実施例1に対し、炭素材料のミクロ孔容積が1.0mL/gより大きい実施例20は低温容量出現率の低下、高温負荷後DC−IR上昇率が高まっている。このことから、正極に用いる炭素材料のミクロ孔容積は、1.0mL/g以下の範囲内であることが望ましい。
また、実施例21〜24を見ると、実施例1と比して、炭素材料のメソ孔含有率が15%を下回る実施例21はサイクル安定性が低く、80%を上回っている実施例24は初期容量が若干低下している。このことから、正極に用いる炭素材料のメソ孔含有率は、15〜80%の範囲内であることが望ましい。
実施例25〜28では、実施例1に対し、炭素材料の黒鉛化度Rhが0.9より小さい実施例25は低温容量出現率が低下し、1.6より大きい実施例28は初期容量が低下している。このことから、正極に用いる炭素材料の黒鉛化度Rhは、0.9〜1.6の範囲内であることが望ましい。
また、実施例29を見ると、実施例1と比して、測定前に前処理を行わない条件は、初期容量及び低温の容量出現率が若干低下している。このことから、前処理は実施する方が望ましい。
Further, looking at Examples 5 to 8, as compared with Example 1, Example 5 having an electrolyte salt concentration of less than 0.5 mol/L has a slightly lower capacity, and the electrolyte salt concentration is 5.0 mol/L. In Example 8 having L or more, the capacity appearance rate at a slightly low temperature is low. From this, it is understood that the optimum electrolyte salt concentration is in the range of 0.5 mol/L or more and 5.0 mol/L or less.
Further, looking at Examples 9 to 12, as compared with Example 1, Example 9 in which the BET specific surface area of the carbon material is less than 50 m 2 /g has a slightly lower discharge capacity and also 2,000 m 2 /g. Example 12 above that has reduced cycle stability. From this, the BET specific surface area of carbon used for the positive electrode is preferably in the range of 50 m 2 /g or more and 2,000 m 2 /g or less.
Further, looking at Examples 13 to 16, in comparison with Example 1, Example 13 in which the pore volume of the carbon material is less than 0.2 mL/g has a low discharge capacity and 2.3 mL/g. In Example 16, which exceeds the above, the cycle stability is deteriorated. From this, the pore volume of the carbon material used for the positive electrode is preferably in the range of 0.2 mL/g or more and 2.3 mL/g or less.
Further, looking at Examples 17 to 20, in comparison with Example 1, Example 17 in which the mesopore content of the carbon material is less than 25% has low cycle stability and exceeds 80%. Initial capacity is slightly reduced. From this, the mesopore content of the carbon material used for the positive electrode is preferably in the range of 25% to 80%.
In Examples 17 to 20, as compared with Example 1, in Example 20 in which the micropore volume of the carbon material is larger than 1.0 mL/g, the low-temperature capacity appearance rate decreases and the DC-IR increase rate after high-temperature loading increases. .. From this, the micropore volume of the carbon material used for the positive electrode is preferably within the range of 1.0 mL/g or less.
Further, looking at Examples 21 to 24, compared with Example 1, Example 21 in which the mesopore content of the carbon material is less than 15% has low cycle stability and exceeds 80%. Initial capacity is slightly reduced. From this, the mesopore content of the carbon material used for the positive electrode is preferably in the range of 15 to 80%.
In Examples 25 to 28, the low-temperature capacity appearance rate was lower in Example 25 in which the graphitization degree Rh of the carbon material was smaller than 0.9, and the initial capacity was higher in Example 28 than 1.6. It is falling. From this, the graphitization degree Rh of the carbon material used for the positive electrode is preferably in the range of 0.9 to 1.6.
Further, looking at Example 29, as compared with Example 1, under the condition that the pretreatment is not performed before the measurement, the initial capacity and the low-temperature capacity appearance rate are slightly lowered. Therefore, it is desirable to carry out the pretreatment.
比較例に注目して表3の結果を見ると、比較例1で作製した蓄電素子は、実施例1と比較して初期容量及びサイクル安定性が低下していることがわかる。これは、細孔構造を有していないため、前処理により増加する細孔容積が存在せず、また、サイクル印加に伴うアニオンインターカレーション時の体積膨張の影響を吸収できず、活物質の剥離や割れが発生したことに起因している。
また、比較例2で作製した蓄電素子は、実施例1と比較してサイクル安定性が低下していることがわかる。これは、細孔構造を有するためものの、連通孔構造を有していないため、サイクル印加に伴うアニオンインターカレーション時の体積膨張の影響を吸収できず、活物質の剥離や割れが発生したことに起因している。
また、比較例3で作製した蓄電素子は、実施例1と比較して、高温下での試験時にガス発生が非常に大きい。これは、電解液にエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒を使用したため、高温下で溶媒の分解反応が発生し、溶媒の分解成分がガス化したことに起因している。
また、比較例4で作製した蓄電素子は、実施例1と比較して、初期容量及び低温での容量出現率が低下している。これは、イオン液体及び電解質塩に使用したアニオン種のイオン半径が2.7Å以下であることに起因している。即ち、初期容量については、イオン半径が小さすぎるために前処理による容量の活性化効果が得られないこと、低温の容量出現率については、イオン半径が小さいために低温での結晶化が発生しやすくなったことに起因している。
また、比較例5で作製した蓄電素子は、実施例1と比較して、低温での容量出現率が低下している。これは、イオン液体と電解質塩に使用したアニオン種がそれぞれ異なることで、低温での結晶化が発生しやすくなったことに起因している。
また、比較例6で作製した蓄電素子は、実施例1と比較して、高温負荷印加後のDC−IRの増加率が大幅に大きかった。これは、イオン液体を10質量%添加した場合であっても、基本となる溶媒が有機溶媒系であるため、高温度負荷の条件下では有機溶媒の分解反応を完全には防ぐことができないことに起因している。
Looking at the results in Table 3 focusing on the comparative example, it can be seen that the electricity storage device manufactured in Comparative Example 1 has lower initial capacity and cycle stability as compared with Example 1. Since this does not have a pore structure, there is no pore volume that increases due to pretreatment, and the effect of volume expansion during anion intercalation accompanying cycle application cannot be absorbed, and the active material This is due to the occurrence of peeling and cracking.
Further, it can be seen that the electricity storage device manufactured in Comparative Example 2 has lower cycle stability as compared with Example 1. This is because it has a pore structure, but it does not have a continuous pore structure, so the effect of volume expansion during anion intercalation accompanying cycle application could not be absorbed, and peeling or cracking of the active material occurred. Due to.
In addition, the electricity storage device manufactured in Comparative Example 3 generated much more gas than in Example 1 during the test at a high temperature. This is because the mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate was used for the electrolytic solution, so that the decomposition reaction of the solvent occurred at high temperature and the decomposed component of the solvent was gasified.
In addition, the electricity storage device manufactured in Comparative Example 4 has a lower initial capacity and a lower capacity appearance rate at low temperatures than in Example 1. This is because the ionic radius of the anionic species used in the ionic liquid and the electrolyte salt is 2.7 Å or less. That is, for the initial capacity, the effect of capacity activation by pretreatment cannot be obtained because the ionic radius is too small, and for the capacity appearance rate at low temperature, crystallization occurs at low temperature because the ionic radius is small. This is because it has become easier.
Further, the electricity storage device manufactured in Comparative Example 5 has a lower capacity appearance rate at low temperatures than in Example 1. This is because the anion species used in the ionic liquid and the anion species used in the electrolyte salt are different from each other, which facilitates crystallization at low temperature.
In addition, in the electricity storage device manufactured in Comparative Example 6, the increase rate of DC-IR after applying the high temperature load was significantly larger than that in Example 1. This is because even if 10% by mass of the ionic liquid is added, the basic solvent is an organic solvent system, so that the decomposition reaction of the organic solvent cannot be completely prevented under the condition of high temperature load. Due to.
このように、本発明に記載した技術を使用することにより、高温度での安定性と、低温度での高い容量出現率を合わせ持った広い使用温度範囲を有し、高いサイクル安定性を有し、かつ高い容量を有する素子を作製することができる。 As described above, by using the technique described in the present invention, it has a wide operating temperature range having stability at high temperature and high capacity appearance rate at low temperature, and has high cycle stability. In addition, an element having high capacitance can be manufactured.
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
<1> アニオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解液と、を有する蓄電素子であって、
前記正極活物質が、三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を含み、
前記非水電解液の溶媒がイオン液体であり、前記イオン液体のアニオンのイオン半径が2.7Å以上であり、前記非水電解液の電解質塩のアニオンが、前記イオン液体のアニオンと共通していることを特徴とする蓄電素子である。
<2> 前記電解質塩が、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、ノナフルオロ−1−ブタンスルホン酸リチウム、リチウムトリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド、及びリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドから選択される少なくとも1種である前記<1>に記載の蓄電素子である。
<3> 前記電解質塩が、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドである前記<1>から<2>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<4> 前記電解質塩の電解液全体に対する含有率が、0.5mol/L以上5mol/L以下である前記<1>から<3>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<5> 前記蓄電素子に対し、使用前に前処理を施している前記<1>から<4>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<6> 前記多孔質炭素のBET比表面積が、50m2/g以上2,000m2/g以下である前記<1>から<5>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<7> 前記多孔質炭素の細孔容積が、0.2mL/g以上2.3mL/g以下である前記<1>から<6>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<8> 前記多孔質炭素はミクロ孔を有し、前記多孔質炭素のミクロ孔容積は、1.0mL/g以下である前記<1>から<7>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<9> 前記多孔質炭素における三次元網目構造の細孔がメソ孔を含み、前記多孔質炭素のメソ孔含有率が15%以上80%以下である前記<1>から<8>のいずれかに記載の蓄電素子である。
<10> 前記多孔質炭素の黒鉛化度が0.9以上1.6以下である前記<1>から<9>のいずれかに記載の蓄電素子である。
Aspects of the present invention are as follows, for example.
<1> An electricity storage device comprising a positive electrode containing a positive electrode active material capable of occluding and releasing anions, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode active material contains porous carbon having pores of a three-dimensional network structure,
The solvent of the non-aqueous electrolyte is an ionic liquid, the ionic radius of the anion of the ionic liquid is 2.7 Å or more, and the anion of the electrolyte salt of the non-aqueous electrolyte is common to the anion of the ionic liquid. It is an electric storage element characterized by being present.
<2> At least the electrolyte salt is selected from lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, lithium nonafluoro-1-butanesulfonate, lithium tris(trifluoromethylsulfonyl)methide, and lithium bis(fluorosulfonyl)imide. The electricity storage device according to <1>, which is one type.
<3> The electricity storage device according to any one of <1> to <2>, wherein the electrolyte salt is lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.
<4> The electricity storage device according to any one of <1> to <3>, wherein the content of the electrolyte salt in the entire electrolytic solution is 0.5 mol/L or more and 5 mol/L or less.
<5> The electricity storage device according to any one of <1> to <4>, in which the electricity storage device is pretreated before use.
<6> The electricity storage device according to any one of <1> to <5>, wherein the BET specific surface area of the porous carbon is 50 m 2 /g or more and 2,000 m 2 /g or less.
<7> The electricity storage device according to any one of <1> to <6>, wherein the porous carbon has a pore volume of 0.2 mL/g or more and 2.3 mL/g or less.
<8> The electricity storage device according to any one of <1> to <7>, wherein the porous carbon has micropores, and the micropore volume of the porous carbon is 1.0 mL/g or less. ..
<9> Any one of <1> to <8>, wherein the pores of the three-dimensional network structure in the porous carbon include mesopores, and the mesopore content of the porous carbon is 15% or more and 80% or less. The electric storage device according to 1.
<10> The electricity storage device according to any one of <1> to <9>, wherein the degree of graphitization of the porous carbon is 0.9 or more and 1.6 or less.
前記<1>から<10>のいずれかに記載の蓄電素子によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。 According to the electricity storage device described in any one of the above items <1> to <10>, various problems in the related art can be solved and the object of the present invention can be achieved.
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 外装缶
5 負極引き出し線
6 正極引き出し線
10 蓄電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Negative electrode 3 Separator 4 Outer can 5 Negative electrode lead wire 6 Positive electrode lead wire 10 Storage element
Claims (10)
前記正極活物質が、三次元網目構造の細孔を有する多孔質炭素を含み、
前記非水電解液の溶媒がイオン液体であり、前記イオン液体のアニオンのイオン半径が2.7Å以上であり、前記非水電解液の電解質塩のアニオンが、前記イオン液体のアニオンと共通していることを特徴とする蓄電素子。 A power storage device comprising a positive electrode containing a positive electrode active material capable of occluding or releasing anions, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte solution,
The positive electrode active material contains porous carbon having pores of a three-dimensional network structure,
The solvent of the non-aqueous electrolyte is an ionic liquid, the ionic radius of the anion of the ionic liquid is 2.7 Å or more, and the anion of the electrolyte salt of the non-aqueous electrolyte is common to the anion of the ionic liquid. An electric storage element characterized by being present.
The electricity storage device according to claim 1, wherein the degree of graphitization of the porous carbon is 0.9 or more and 1.6 or less.
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