JP2021064477A - Active material film and power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書では、活物質膜及び蓄電デバイスを開示する。 This specification discloses an active material membrane and a power storage device.
従来、この種の蓄電デバイスとしては、例えば、磁化率異方性を有する正極活物質(LiFePO4など)を含むスラリーを集電体に塗布した後、磁場中に放置することで活物質を配向させた電極としたリチウムイオン電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この電池では、正極活物質結晶構造のリチウムイオン伝導面を効率的に隣接配置させることが可能となり、充放電容量の増加を図ることができるとしている。また、正極活物質と鱗片黒鉛粉末及び/又は気相成長炭素繊維と結着材からなるスラリーを正極集電体上に塗布する際に、磁場を印加してから乾燥させることで、鱗片黒鉛及び/又は気相成長炭素繊維が集電体に対して垂直に配向させたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この電極では、少ない添加量で高い集電性を発揮可能になるとともに、サイクルを繰り返しても集電体と反応層間の抵抗増加を抑制することができるとしている。また、正極合材層に繊維長が10〜1000nm、繊維径が1〜100nmの炭素繊維を0.25〜1.5質量%含んだ正極を用いたリチウム二次電池が提案されている(例えば、特許文献3参照)。この電池では、高容量かつ負荷特性とサイクル特性に優れたものを提供することができるとしている。また、正極活物質層に複数の複合髭状体(カーボンナノチューブや炭素繊維)を有し、髭状体の表面に正極活物質が担持された電池が提案されている(例えば、特許文献4参照)。この電池は、繰り返し充放電により破損し難い正極体および電池を提供することができるとしている。 Conventionally, as this type of power storage device, for example, a slurry containing a positive electrode active material having magnetic susceptibility anisotropy (LiFePO 4 or the like) is applied to a current collector and then left in a magnetic field to orient the active material. A lithium ion battery as a negative electrode has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this battery, the lithium ion conductive surfaces of the positive electrode active material crystal structure can be efficiently arranged adjacent to each other, and the charge / discharge capacity can be increased. Further, when a slurry composed of a positive electrode active material, scaly graphite powder and / or vapor-grown carbon fibers and a binder is applied onto a positive electrode current collector, a magnetic field is applied and then dried to obtain scaly graphite and / Or a vapor-grown carbon fiber oriented perpendicular to the current collector has been proposed (see, for example, Patent Document 2). It is said that this electrode can exhibit high current collector performance with a small amount of addition, and can suppress an increase in resistance between the current collector and the reaction layer even if the cycle is repeated. Further, a lithium secondary battery using a positive electrode containing 0.25 to 1.5% by mass of carbon fibers having a fiber length of 10 to 1000 nm and a fiber diameter of 1 to 100 nm in a positive electrode mixture layer has been proposed (for example). , Patent Document 3). According to the company, it is possible to provide a battery having a high capacity and excellent load characteristics and cycle characteristics. Further, a battery having a plurality of composite whiskers (carbon nanotubes and carbon fibers) in the positive electrode active material layer and having the positive electrode active material supported on the surface of the whiskers has been proposed (see, for example, Patent Document 4). ). It is said that this battery can provide a positive electrode body and a battery that are not easily damaged by repeated charging and discharging.
しかしながら、特許文献1では、活物質内のリチウムイオン拡散の方向を揃えることで電極内のイオン伝導性向上を狙っているが、活物質のイオン拡散係数を考慮すると電極の膜厚方向のイオン拡散を活物質内のみで賄うことは現実的では無く、また磁場配向させるLiFePO4は電子伝導性が低く、活物質表面に炭素被覆が必須であり、イオン拡散が阻害されることがあった。また、特許文献2では、正極中の導電材である鱗片黒鉛や気相成長炭素繊維を磁場配向させることで膜厚方向の電子伝導を改良するものであるが、磁場配向させるためには、塗工する際のスラリー粘度を通常よりも低下させるために溶媒を過剰に加えた上でゆっくりと乾燥する必要があり、バインダー成分のマイグレーションが生じて電極の結着強度不良となることがあった。また、特許文献3では、正極合材層に含まれるカーボンナノチューブのサイズを規定しているが、その含まれる方向は考慮されておらず、膜厚方向の電子伝導性を十分に向上させているとはいえなかった。また、特許文献4では、正極活物質を髭状体(カーボンナノチューブや炭素繊維)を用いているため、電極における活物質の充填体積密度が低く、電池の高エネルギー密度化は困難であった。
However, in Patent Document 1, although the aim is to improve the ion conductivity in the electrode by aligning the directions of lithium ion diffusion in the active material, the ion diffusion in the film thickness direction of the electrode is considered in consideration of the ion diffusion coefficient of the active material. It is not realistic to cover this only in the active material, and LiFePO 4 that is magnetically oriented has low electron conductivity, a carbon coating is essential on the surface of the active material, and ion diffusion may be hindered. Further, in
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、入出力特性をより高めることができる活物質膜を提供することを主目的とする。また、エネルギー密度をより高め、高入出力特性を両立することができる蓄電デバイスを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and an object of the present disclosure is to provide an active material film capable of further enhancing input / output characteristics. Another object of the present invention is to provide a power storage device capable of further increasing the energy density and achieving both high input / output characteristics.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、活物質膜の面方向且つ集電部に対して炭素繊維材を配向させ、柱状の電極に対向させて蓄電デバイスを構成すると、エネルギー密度をより高め、高入出力特性を両立することができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, the present inventors constructed a power storage device by orienting the carbon fiber material in the plane direction of the active material film and with respect to the current collecting portion and facing the columnar electrodes. Then, it was found that the energy density could be further increased and the high input / output characteristics could be compatible with each other, and the invention disclosed in the present specification was completed.
即ち、本明細書で開示する活物質膜は、
蓄電デバイスの電極に用いられ、単独で取り扱い可能な自立膜である活物質膜であって、
活物質と平均繊維径が1μm以上平均繊維長が10μm以上である炭素繊維材とを含み、前記炭素繊維材は前記活物質膜の膜平面に対して平行な方向に沿って含まれているものである。
That is, the active material membrane disclosed in this specification is
An active material membrane that is used as an electrode of a power storage device and is a self-supporting membrane that can be handled independently.
It contains an active material and a carbon fiber material having an average fiber diameter of 1 μm or more and an average fiber length of 10 μm or more, and the carbon fiber material is contained along a direction parallel to the film plane of the active material film. Is.
本明細書で開示する蓄電デバイスは、
所定方向に所定間隔で配列された複数の柱状の第1電極と、
上述した活物質膜を含む第2電極と、
イオン伝導性及び絶縁性を有し前記第1電極を被覆しており前記第1電極と前記第2電極との間に介在する分離膜と、
を備えたものである。
The power storage device disclosed in this specification is
A plurality of columnar first electrodes arranged in a predetermined direction at predetermined intervals,
The second electrode containing the active material film described above and
A separation membrane that has ionic conductivity and insulating properties and covers the first electrode and is interposed between the first electrode and the second electrode.
It is equipped with.
本開示は、エネルギー密度をより高め、高入出力特性を両立することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、炭素繊維材が膜平面に対して平行な方向に沿って含まれている活物質膜を用いることで、必要な電極面内の電子伝導度を保持しながら集電箔を除くことが可能となる。その結果、高いエネルギー密度の蓄電デバイスを実現することができる。これは、電極の面内で炭素繊維材を集電部に対して垂直に配向させることで、電子的なつながりを確保することができる。この効果は、一般的な積層構造の電池においても発現させることが可能であるが、柱状電極を用いた蓄電デバイスにおいては、柱状電極の周囲の電子伝導性確保が課題となるため、この活物質膜を用いることで、より効果的に高エネルギー密度と高入出力とを両立することができるものと推察される。ここで、炭素繊維材は、長尺(例えば、10cm以上など)の炭素繊維を短くしたものをいうものとする。この炭素繊維材は、平均繊維径が1μm以上、平均繊維長が10μm以上であるが、平均繊維径が5μm以上や、平均繊維長が50μm以上であるものとしてもよい。 The present disclosure can further increase the energy density and achieve both high input / output characteristics. The reason why such an effect can be obtained is presumed as follows. For example, by using an active material film in which carbon fiber material is contained along a direction parallel to the film plane, it is possible to remove the current collecting foil while maintaining the required electron conductivity in the electrode surface. It becomes. As a result, a storage device having a high energy density can be realized. This can ensure an electronic connection by orienting the carbon fiber material perpendicular to the current collector in the plane of the electrode. This effect can be exhibited even in a battery having a general laminated structure, but in a power storage device using a columnar electrode, ensuring electron conductivity around the columnar electrode becomes an issue, so this active material It is presumed that by using a film, it is possible to achieve both high energy density and high input / output more effectively. Here, the carbon fiber material refers to a short carbon fiber having a long length (for example, 10 cm or more). This carbon fiber material has an average fiber diameter of 1 μm or more and an average fiber length of 10 μm or more, but may have an average fiber diameter of 5 μm or more or an average fiber length of 50 μm or more.
(活物質膜)
本実施形態で説明する活物質膜は、蓄電デバイスの電極に用いられ、単独で取り扱い可能な自立膜である。蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、リチウム二次電池、リチウムイオン電池などとしてもよい。ここでは、リチウムイオンをキャリアとしたリチウム二次電池をその主たる一例として以下説明する。図1は、活物質膜10の一例を示す模式図である。活物質膜10は、炭素繊維材11と、活物質12とを含む。この活物質膜10において、炭素繊維材11は活物質膜10の膜平面13に対して平行な方向に沿って含まれている。この活物質膜10において、炭素繊維材11は、膜平面13に対して平行な方向、且つ活物質膜10が接続される集電部(第2集電部26)に対して垂直な方向に沿って含まれているものとしてもよい。このように配向することで、導電性をより向上することによって、蓄電デバイスの入出力特性をより高めることができる。ここで、「所定方向に沿って」とは、完全な垂直方向や平行方向を含むほか、完全に沿っていない角度であるものが存在することを許容する。例えば、「活物質膜10の膜平面13に対して平行方向に沿って」とは、膜平面13に対して平行方向において、角度θが±30°以内である炭素繊維材が90%以上あるものをいうものとする。また、活物質膜10が接続される集電部(第2集電部26)に対して垂直方向において±30°以内の繊維が90%以上あるものをいうものとする。また、炭素繊維材は、長尺(例えば、10cm以上など)の炭素繊維を短化工程を経て繊維長を制御し、短くしたものとしてもよい。
(Active material membrane)
The active material film described in the present embodiment is a self-supporting film that is used as an electrode of a power storage device and can be handled independently. The power storage device may be, for example, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, a lithium secondary battery, a lithium ion battery, or the like. Here, a lithium secondary battery using a lithium ion as a carrier will be described below as a main example thereof. FIG. 1 is a schematic view showing an example of the
活物質膜10には、導電材として炭素繊維材11が含まれており、更に粒状炭素および気相成長炭素繊維のうち1以上が含まれているものとしてもよい。また、導電材として、粒状炭素、気相成長炭素繊維および炭素繊維材の3種が含まれていることがより好ましい。導電性をより向上することができるためである。気相成長炭素繊維は、炭素繊維材とは機能及び形状の異なる材料であり、例えば、炭化水素ガスを加熱して成長させたものとしてもよい。気相成長炭素繊維は、カーボンナノチューブとしてもよい。この気相成長炭素繊維は、平均直径が1.0μm未満としてもよいし、0.5μm以下としてもよいし、0.25μm以下としてもよい。また、気相成長炭素繊維は、平均長さが10μm未満としてもよいし、6μm以下としてもよいし、1μm以下としてもよい。この気相成長炭素繊維は、炭素繊維材よりも平均直径及び平均長さが極めて小さいため、粒状炭素に近い導電特性を付与するものと推察される。炭素繊維材11は、例えば、真密度が2.0g/cm3以上であるものとしてもよく、2.1g/cm3以上であることが好ましく、2.12g/cm3以上であることがより好ましい。また、この炭素繊維材は、真密度が3.0g/cm3以下であるものとしてもよい。炭素繊維材11は、その平均繊維長X(μm)が活物質膜10の厚さT(μm)よりも長い長さであるものとしてもよい。このような炭素繊維材11では、所定方向に配向させやすく好ましい。平均繊維長Xは、例えば、厚さTに対して、1.5倍以上の長さとしてもよいし、2倍以上の長さとしてもよいし、10倍以上の長さとしてもよい。例えば、活物質膜10の厚さTは、10μm以上200μm以下の範囲としてもよいし、50μm以上100μm以下の範囲としてもよい。炭素繊維材11の平均繊維径は、例えば、1μm以上であり、5μm以上としてもよいし、7.5μm以上としてもよいし、10μm以上としてもよい。また、炭素繊維材11の平均繊維径は、50μm以下の範囲としてもよいし、25μm以下としてもよいし、20μm以下としてもよい。平均繊維長Xは、10μm以上であるが、50μm以上としてもよいし、100μm以上としてもよいし、150μm以上としてもよい。また、平均繊維長Xは、500μm以下の範囲としてもよいし、300μm以下としてもよいし、250μm以下としてもよい。炭素繊維材11の平均繊維径や平均繊維長Xは、蓄電デバイスに要求される使用に基づいて適宜設定すればよい。なお、炭素繊維材11の平均繊維径や平均繊維長は、走査型電子顕微鏡を用いて炭素繊維材11の画像を撮影し、画像に含まれる炭素繊維の太さや長さを計測して集計し、繊維数で除算することにより求めるものとする。
The
炭素繊維材11は、活物質膜10の全体に対して1質量%以上の範囲で含まれているものとしてもよい。1質量%以上では、導電性をより向上することによって、蓄電デバイスの入出力特性をより高めることができる。この炭素繊維材11の含有量は、3質量%以上であることが好ましく、3.5質量%以上がより好ましく、4質量%以上であるものとしてもよい。また、この炭素繊維材11の含有量は、8質量%以下の範囲で含まれているものとしてもよい。含有量が8質量%以下では、蓄電デバイスのIV抵抗をより低減することができ好ましい。この炭素繊維材11含有量は、7.5質量%以下がより好ましく、7質量%以下であるものとしてもよい。また、炭素繊維材11は、活物質膜10に含まれる全ての導電材に対する含有量が10質量%以上であるものとしてもよい。この含有量が10質量%以上では、配向した炭素繊維材11により、導電性をより向上することができる。この含有量は、20質量%以上が好ましく、30質量%以上としてもよい。また、炭素繊維材11の含有量は、全ての導電材に対して50質量%以下であるものとしてもよい。この含有量が50質量%以下では、IV抵抗をより低減して、蓄電デバイスの入出力特性をより高めることができる。この含有量は、40質量%以下が好ましく、35質量%以下としてもよい。
The
活物質12は、例えば、正極活物質としてもよいし、負極活物質としてもよいが正極活物質であることが好ましい。正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物が好ましい。具体的には、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0≦x≦1、以下同じ)やLi(1-x)Mn2O4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMncO4(但し0<a<1、0<b<1、0<c<2、a+b+c=2を満たす)や、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMncO2(但し0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1を満たす)などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV2O3などとするリチウムバナジウム複合酸化物などを用いることができる。また、基本組成式をLiFePO4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、各元素の組成にずれがあってもよいし、他の元素(例えば、AlやMgなど)を含んでもよい趣旨である。
The
(蓄電デバイス)
蓄電デバイスは、第1電極と、第2電極と、分離膜と、を備えているものとしてもよい。また、第1電極は負極であり、第2電極は正極であることが好ましいが、第1電極は正極であり、第2電極は負極であるものとしてもよい。第1電極は、平板状であっても柱状であってもよいが、柱状である方が、エネルギー密度の向上や、キャリアイオンの吸蔵放出の速度などに有利であり、好ましい。第1電極は、所定方向に所定間隔で配列された複数の柱状部材としてもよい。第1電極は、第1活物質を含むものとしてもよい。ここで、「柱状」とは、屈曲しない太さのもののほか、屈曲可能な繊維状の太さのものも含むものとする。この第1電極は、柱状であればよく、その断面は円形であってもよいし、多角形であってもよい。第2電極は、上述した活物質膜を含むものとしてもよい。この第2電極は、第1電極の周りに存在するものとしてもよいし、第1電極の間の空間に充填されているものとしてもよい。分離膜は、イオン伝導性及び絶縁性を有し、第1電極と第2電極との間に介在するものとしてもよい。この分離膜は、第1電極を被覆しているものとしてもよい。この蓄電デバイスは、第1電極、第2電極及び分離膜のうち1以上に電解液を含むものとしてもよい。また、正極及び負極には、集電線などの集電部材が埋設されているものとしてもよいし、この集電部材を備えないものとしてもよい。ここでは、説明の便宜のため、第1電極を柱状の負極とし、第2電極を正極とし、リチウムイオンをキャリアとするリチウム二次電池をその主たる一例として以下説明する。
(Power storage device)
The power storage device may include a first electrode, a second electrode, and a separation membrane. Further, the first electrode is preferably a negative electrode and the second electrode is preferably a positive electrode, but the first electrode may be a positive electrode and the second electrode may be a negative electrode. The first electrode may have a flat plate shape or a columnar shape, but a columnar shape is preferable because it is advantageous in improving the energy density and the rate of occlusion and release of carrier ions. The first electrode may be a plurality of columnar members arranged in a predetermined direction at predetermined intervals. The first electrode may contain the first active material. Here, the term "columnar" includes not only those having a non-bending thickness but also those having a flexible fibrous thickness. The first electrode may be columnar, and its cross section may be circular or polygonal. The second electrode may include the above-mentioned active material film. The second electrode may be present around the first electrode, or may be filled in the space between the first electrodes. The separation membrane has ionic conductivity and insulating property, and may be interposed between the first electrode and the second electrode. This separation membrane may cover the first electrode. In this power storage device, one or more of the first electrode, the second electrode, and the separation membrane may contain an electrolytic solution. Further, the positive electrode and the negative electrode may be embedded with a current collecting member such as a current collecting wire, or may not be provided with the current collecting member. Here, for convenience of explanation, a lithium secondary battery having a columnar negative electrode as a columnar negative electrode, a second electrode as a positive electrode, and a lithium ion carrier will be described below as a main example thereof.
本実施形態で開示する蓄電デバイスについて図面を用いて説明する。図2は、蓄電デバイス20の一例を示す模式図である。蓄電デバイス20は、図1に示すように、負極である第1電極21と、第1電極21に接続される第1集電部25と、分離膜24と、正極である第2電極22と、第2電極22に接続される第2集電部26と、を備えている。この蓄電デバイス20は、柱状の負極活物質からなる第1電極21と、第1電極21の周りに分離膜24を介して形成された活物質膜10によって構成された第2電極22とを備えている。この蓄電デバイス20は、分離膜24が形成された第1電極21を所定間隔で配列し、活物質膜10をその上下に配置して圧縮し、第1電極21の周りに活物質12が充填された構造を有している。
The power storage device disclosed in this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic view showing an example of the
第1電極21は、活物質を含む柱状の物質である。この蓄電デバイス20では、複数の柱状体の負極が所定方向に配列されている。第1電極21は、端面以外の外周が分離膜24を介して第2電極22に対向している。例えば、第1電極21は、セル全体の負極容量の1/nの容量を有し、n個が第1集電部25に並列接続されているものとしてもよい。この第1電極21は、長手方向に垂直な断面の直径Dが10μm以上であることが好ましく、15μm以上であることがより好ましく、30μm以上であるものとしてもよい。また、第1電極21の直径Dは、800μm以下であることが好ましく、500μm以下であることがより好ましく、400μm以下であるものとしてもよい。この直径Dが10μm以上では、電極構造体としての強度を担保することができ安定した充放電ができる。また、この直径Dが800μm以下ではキャリアのイオンの移動距離が長くなりすぎず、高出力性能が得られる。また、この直径Dが10〜500μmの範囲では、単位体積あたりのエネルギー密度をより高めることができる。あるいは、この範囲では、キャリアのイオンの移動距離をより短くすることができ、より大きな電流で充放電を行うことができる。この柱状体の長手方向の長さは、二次電池の用途などに応じて適宜定めることができ、例えば、20mm以上200mm以下の範囲などとしてもよい。柱状体の長さが20mm以上では、電池容量をより高めることができ好ましく、200mm以下では、負極の電気抵抗をより低減することができ好ましい。この負極は、負極活物質としての炭素材料を含むものとしてもよい。炭素材料としては、例えば、グラファイト類や、コークス類、ガラス状炭素類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類のうち1以上が挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が好ましい。また、グラファイト構造を有する炭素繊維としてもよい。このような炭素繊維は、例えば、繊維方向である長手方向に結晶が配向したものが好ましい。また、長手方向(繊維方向)に直交する方向に断面視したときに結晶が中心から外周面側に放射状に配向したものであることが好ましい。あるいは、柱状の第1電極21は、キャリアのイオンを吸蔵放出可能な複合酸化物を柱状体に成形したものとしてもよい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。この負極は、その表面の少なくとも一部に導電成分が形成されているものとしてもよい。この導電成分により、導電性をより高めることができる。この導電成分は、導電性の高い材料であれば特に限定されないが、例えば、金属としてもよい。
The
第1集電部25は、導電性を有する部材であり、第1電極21の端面が電気的に接続されている。第1集電部25には、50本以上の第1電極21が並列接続されているものとしてもよい。この第1集電部25は、例えば、カーボンペーパー、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、白金、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化(還元)性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀、白金、金などで処理したものも用いることができる。第1集電部25の形状は、複数の第1電極21が接続できるものであれば特に限定されず、例えば、板状、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。
The first
分離膜24は、キャリアであるイオン(例えばリチウムイオン)のイオン伝導性を有し第1電極21と第2電極22とを絶縁するものである。分離膜24は、第2電極22と対向する第1電極21の外周面の全体に形成されており、第1電極21と第2電極22との短絡を防止している。分離膜24は、イオン伝導性と絶縁性とを有する樹脂を含むものとしてもよい。この分離膜24は、例えば、樹脂を含む原料溶液から自立膜を作製し、第1電極21の表面をこの自立膜で被覆させることにより形成されてもよいし、原料溶液へ第1電極21を浸漬させてその表面にコートすることにより形成されるものとしてもよい。この分離膜24の樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)や、PVdFとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(PVdF−HFP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、及びPMMAとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。例えば、PVdFとHFPとの共重合体では、電解液の一部がこの膜を膨潤ゲル化し、イオン伝導膜となる。この分離膜24の厚さLは、例えば、2μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、8μm以上であるものとしてもよい。厚さLが2μm以上では、絶縁性を確保する上で好ましい。特に、分離膜24の厚さが2μm以上であれば、作製しやすい。また、分離膜24の厚さLは、15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。厚さLが15μm以下では、イオン伝導性の低下を抑制できる点や、セルに占める体積をより低減する上で好ましい。厚さLが2〜15μmの範囲では、イオン伝導性及び絶縁性が好適である。
The
分離膜24は、キャリアであるイオンを伝導する電解液を含むものとしてもよい。この電解液は、例えば、非水系溶媒などが挙げられる。電解液の溶媒としては、例えば、非水電解液の溶媒などが挙げられる。この溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート、エチル−n−ブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジ−i−プロピルカーボネート、t−ブチル−i−プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3−ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。この電解液には、蓄電デバイス20のキャリアであるイオンを含む支持塩を溶解したものとしてもよい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。
The
第2電極22は、正極活物質を有し、第1電極21の外周に分離膜24を介して形成されている。第2電極22は、蓄電デバイス20の作製時において、複数の活物質膜10を重ね、その間に分離膜24を介した第1電極21を配置して圧縮して得られたものとしてもよい(後述図3参照)。この第2電極22は、複数の第1電極21の間に存在するものとすればよい。この第2電極22は、その端面が第2集電部26に直接接続されているものとしてもよいし、側面全体に第2集電部26が接続されるものとしてもよい。第2電極22は、活物質膜10により形成されており、炭素繊維材11や正極活物質を含んでいる。この第2電極22は、例えば、正極活物質と、炭素繊維材11と、必要に応じて結着材とを混合し成形した活物質膜10により構成されるものとしてもよい。正極活物質は、例えば、キャリアであるリチウムを吸蔵放出可能な材料が挙げられる。正極活物質としては、例えば、リチウムと遷移金属とを有する化合物、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。
The
第2電極22に含まれる導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、粒状炭素、気相成長炭素繊維、および炭素繊維材11のうち1以上が含まれているものとしてもよい。この導電材には、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着材は、活物質粒子や導電材粒子を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
The conductive material contained in the
第2電極22において、正極活物質の含有量は、より多いことが好ましく、第2電極22の質量全体に対して70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい。導電材の含有量は、第2電極22の全体の質量に対して0質量%以上20質量%以下の範囲であることが好ましく、5質量%以上10質量%以下の範囲であることがより好ましい。このような範囲では、電池容量の低下を抑制し、導電性を十分に付与することができる。また、結着材の含有量は、第2電極22の質量全体に対して0.1質量%以上5質量%以下の範囲であることが好ましく、0.2質量%以上3質量%以下の範囲であることがより好ましい。
In the
第2集電部26は、導電性を有する部材であり、第2電極22に電気的に接続されている。この第2集電部26は、第1集電部25と同様の部材とするものとしてもよい。
The second
この蓄電デバイス20において、分離膜24のイオン伝導度は、より高いことが好ましいが、1.0mS/cm以上であることが好ましく、3.0mS/cm以上であることがより好ましく、3.5mS/cm以上であることが更に好ましい。イオン伝導度がより高ければ、放電容量をより高めることなどができる。この蓄電デバイス20において、放電容量は、より大きいことが好ましいが、0.175mAh以上であることが好ましく、0.180mAh以上がより好ましく、0.182mAh以上が更に好ましい。このときの蓄電デバイス20の体積エネルギー密度は、より高いことがより好ましく、例えば、650Wh/L以上であることが好ましく、830Wh/L以上であることがより好ましく、900Wh/L以上であることが更に好ましい。
In this
この蓄電デバイス20において、正極活物質の容量に対する負極活物質の容量の比である正負極容量比(負極容量/正極容量)は、1.0以上1.5以下の範囲とすることが好ましく、より好ましくは1.2以下の範囲である。第2電極22の形成厚さは、第1電極21の直径及び正負極容量比に応じて適宜設定されるが、例えば、5μm以上50μm以下の範囲としてもよい。
In this
(蓄電デバイス20の製造方法)
次に、蓄電デバイス20の製造方法について説明する。図3は、活物質膜10を用いた蓄電デバイス20の製造工程の一例を示す説明図である。図3において、図3Aが活物質膜10の形成処理、図3Bが活物質膜10の剥離処理、図3Cが電極構造体18の作製処理、図3Dが電極構造体18の説明図、図3Eが第2集電部26の接続処理、図3Fが第1集電部25の接続処理の説明図である。なお、この製造方法は、上述した活物質膜10や蓄電デバイス20を製造する方法であるため、上述した活物質膜10や蓄電デバイス20で説明した部材や配合比などを適宜用いるものとする。
(Manufacturing method of power storage device 20)
Next, a method of manufacturing the
この製造方法は、形成処理、剥離処理、作製処理、接続処理などを含むものとしてもよい。形成処理では、炭素繊維材11と活物質12と必要に応じて結着材とを含む電極合材を調製し、支持体15の上に形成する処理を行う(図3A)。電極合材は、例えば、活物質12と炭素繊維材11を含む導電材と結着材とを混合し、必要に応じて溶媒を添加して調製するものとしてもよい。電極合材は、ペースト状としてもよいし、坏土状としてもよい。支持体15は、表面が平滑であるものであれば柔軟性を有してもよいし、柔軟性のないものであってもよく、例えば、金属箔や樹脂シート、樹脂プレート、ガラスなどが挙げられる。支持体15上への電極合材の形成は、例えば、コンマコータや、ドクターブレード。スピンコートなどで行うことができる。炭素繊維材11を膜平面13に対して平行方向に沿ったものとすることから、コンマコータやドクターブレードなどが好ましい。支持体15上に電極合材を形成したあと、必要に応じて乾燥処理してもよい。次に、支持体15から活物質膜10を剥離させる(図3B)。この活物質膜10は、炭素繊維材11が含まれるため、ハンドリングするのに十分な強度を有すると共に、柔軟性を有するため、自立した状態で取り扱うことができる。
This manufacturing method may include a forming treatment, a peeling treatment, a manufacturing treatment, a connecting treatment, and the like. In the forming treatment, an electrode mixture containing the
次に、作製処理では、複数の活物質膜10の間に、分離膜24を形成した複数の第1電極21を所定間隔で配列させ、これを膜平面13の上下から押圧し(図3C)、電強構造体18を得る(図3D)。このとき、活物質膜10は、活物質膜10が接続される第2集電部26の接続面に対して炭素繊維材11が垂直方向に沿うように、活物質膜10を配置する。第1電極21は、先端以外に分離膜24が形成されているものとする。第1電極21及び分離膜24の先端側の一部は、第2電極22から露出させるものとしてもよい。続いて、電極構造体18の活物質膜10に第2集電部26を接続し(図3E)、第1電極21も第1集電部25を接続する接続処理を行い(図3F)、蓄電デバイス20を得る。このように、蓄電デバイス20を作製することができる。
Next, in the fabrication process, a plurality of
なお、図3では、第1電極21の軸に直交する方向に炭素繊維材11を配向し、第1集電部25を正面に配設し、第2集電部26を電極構造体18の側面に配設するものとしたが、特にこれに限定されない。図4は、別の蓄電デバイス20Bの一例を示す模式図である。この蓄電デバイス20Bは、第1電極21の軸に平行な方向に炭素繊維材11を配向し、第1集電部25を正面に配設し、第2集電部26を電極構造体18の背面に配設するものとした。
In FIG. 3, the
以上詳述した活物質膜10では、入出力特性をより高めることができる。また、蓄電デバイス20では、エネルギー密度をより高め、高入出力特性を両立することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、活物質膜10を用いることで、必要な電極面内の電子伝導度を保持しながら集電箔を除くことが可能となる。その結果、高いエネルギー密度の蓄電デバイス20を実現することができる。これは、電極の面内で炭素繊維材11を第2集電部26に対して垂直に配向させることで、電子的なつながりを確保することができる。この効果は、一般的な積層構造の電池においても発現させることが可能であるが、柱状電極である第1電極21を用いた蓄電デバイス20においては、柱状電極の周囲の電子伝導性確保が課題となるため、この活物質膜10を用いることで、より効果的に高エネルギー密度と高入出力とを両立することができるものと推察される。また、この蓄電デバイス20では、第2電極22の面内で炭素繊維材11を第2集電部26に対して垂直に配向させることで、電子的な繋がりを確保するため、電極構造体18の内部に集電箔などがなくても導電性を確保することができる。例えば、蓄電デバイス20の内部に金属の集電箔などがある場合は、この集電箔の酸化反応(例えばテルミット反応)が起きる可能性があるが、上述した蓄電デバイス20では、電極構造体18の内部に金属の集電箔を除くことで、酸化反応を防ぐことが可能となり、より安全なものとすることができる。
With the
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various embodiments as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.
例えば、上述した実施形態では、蓄電デバイス20において、負極や正極は、集電部材を内包しないものについて説明したが、特にこれに限定されず、各電極は、集電線などの集電部材を埋設していてもよい。
For example, in the above-described embodiment, in the
上述した実施形態では、活物質膜10及び第1電極21が複数層に積層された電極構造体18を有する蓄電デバイス20を説明したが、第1電極21が1層であり、その上下に活物質膜10が配設された電極構造体を有する蓄電デバイスとしてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、二次電池のキャリアをリチウムイオンとしたが、特にこれに限定されず、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの2族元素イオンとしてもよい。また、正極活物質は、キャリアのイオンを含むものとすればよい。また、電解液を非水系電解液としたが、水溶液系電解液としてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the carrier of the secondary battery is lithium ion, but the carrier is not particularly limited to this, and as an alkali metal ion such as sodium ion or potassium ion, or a
上述した実施形態では、柱状体の第1電極21は、円柱形状である例を説明したが、特にこれに限定されず、四角柱や六角柱などの形状としてもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the
上述した実施形態では、正極活物質を遷移金属複合酸化物としたが、特に限定されず、例えば、キャパシタに用いられる炭素材料としてもよい。炭素材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。なお、正極では、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を吸着・脱離して蓄電するものと考えられるが、さらに、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を挿入・脱離して蓄電するものとしてもよい。 In the above-described embodiment, the positive electrode active material is a transition metal composite oxide, but the present invention is not particularly limited, and for example, it may be a carbon material used for a capacitor. The carbon material is not particularly limited, but for example, activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, graphitizable carbons, thermally decomposed carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, etc. Examples include graphite. Of these, activated carbons showing a high specific surface area are preferable. Activated carbon as a carbon material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 / g or more, and more preferably 1500 m 2 / g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 / g or more, the discharge capacity can be further increased. The specific surface area of this activated carbon is preferably 3000 m 2 / g or less, and more preferably 2000 m 2 / g or less, from the viewpoint of ease of production. It is considered that at the positive electrode, at least one of the anion and the cation contained in the ion conduction medium is adsorbed and desorbed to store the electricity, but further, at least one of the anion and the cation contained in the ion conduction medium is inserted and desorbed. It may be used to store electricity.
上述した実施形態では、活物質12は正極活物質としたが、特にこれに限定されず、活物質12は負極活物質としてもよい。負極活物質としては、例えば、リチウム、リチウム合金、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。
In the above-described embodiment, the
以下には、上述した二次電池を具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例2〜6が本開示の実施例に相当し、実験例1、7、8が比較例に相当する。 Hereinafter, an example in which the above-mentioned secondary battery is specifically manufactured will be described as an experimental example. Experimental Examples 2 to 6 correspond to the examples of the present disclosure, and Experimental Examples 1, 7 and 8 correspond to Comparative Examples.
(実験例1〜6)
(正極活物質膜の作製)
正極活物質(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)および導電材としてアセチレンブラック(デンカ製HS−100)、気相成長炭素繊維(昭和電工製VGCF)、炭素繊維材を質量比で85:5:2:3となるように混合したあと、残りの5質量%に相当する結着材(クレハ製PVdF7305)を加えてN−メチルピロリドンで粘度調整をして正極スラリーを得た。炭素繊維材は、高結晶性炭素繊維(日本グラファイトファイバー製XN−90−60S:繊維径10μm)をミキサーで破砕し、平均繊維長が200μmとなるように作製した。なお、高結晶性炭素繊維を10μmの粒子状となるまで破砕したものも用意した。炭素繊維材の平均繊維長は、走査型電子顕微鏡を用いて炭素繊維材の画像を撮影し、画像に含まれる炭素繊維の長さを計測して集計し、繊維数で除算することにより求めた。作製した正極スラリーをコンマコータで支持体としてのアルミ箔に塗工、乾燥して塗工正極活物質膜を作製したあと、箔を剥がすことで厚さ180μmの正極自立膜を得た。ロールプレスにより2.5g/cm3の正極活物質密度となるように調整し、得られた自立膜を実験例4とした。また、炭素繊維材の質量割合を変更したものを作製した。正極合材における導電材の10質量%は固定した上で、炭素繊維材の質量比率を0〜8質量%で制御した。他の2種類の導電材(アセチレンブラックとVGCF)は5:2の質量比率を固定した上で、炭素繊維材の質量比率に応じて添加量を調製した。炭素繊維材の質量比率が0質量%、0.5質量%、1質量%、3質量%、5質量%及び8質量%としたものをそれぞれ、実験例1〜6とした。得られた正極自立膜はSEM観察をして導電材の分散状態について確認をした。また、正極膜の面内電子抵抗を4端子法を用いて評価した。
(Experimental Examples 1 to 6)
(Preparation of positive electrode active material film)
Positive electrode active material (LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 ), acetylene black (HS-100 manufactured by Denka), vapor-grown carbon fiber (VGCF manufactured by Showa Denko), and carbon fiber material as conductive materials in a mass ratio of 85: 5: After mixing to a ratio of 2: 3, a binder (PVdF7305 manufactured by Kureha) corresponding to the remaining 5% by mass was added, and the viscosity was adjusted with N-methylpyrrolidone to obtain a positive electrode slurry. The carbon fiber material was prepared by crushing highly crystalline carbon fibers (XN-90-60S manufactured by Nippon Graphite Fiber:
(実験例7、8)
正極合材における導電材の10質量%は固定し、他の2種類の導電材(アセチレンブラックとVGCF)の5:2の質量比率を固定した上で、高結晶性炭素繊維を過度に破砕して平均粒径10μmに調整した炭素繊維材を3質量%用いたものを実験例7とした。また、図5に示すように、活物質膜を含む層が接続される集電部26に対して炭素繊維材の配向方向が平行になるようにしたものを実験例8とした。図5は、第2集電部26に対して平行方向に炭素繊維材11が配向した蓄電デバイス120の一例を示す模式図である。
(Experimental Examples 7 and 8)
After fixing 10% by mass of the conductive material in the positive electrode mixture and fixing the mass ratio of 5: 2 of the other two types of conductive materials (acetylene black and VGCF), the highly crystalline carbon fibers were excessively crushed. As Experimental Example 7, a carbon fiber material adjusted to an average particle size of 10 μm was used in an amount of 3% by mass. Further, as shown in FIG. 5, Experimental Example 8 was set in which the orientation direction of the carbon fiber material was parallel to the
(カーボンロッド負極へのセパレータ形成)
フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF−HFP)をN−メチルピロリドンに溶解させた溶液を直径160μm、長さ6.0cmのカーボンロッドに対してディップ法を用いて被覆、乾燥することで、約7μmの膜厚でカーボンロッド表面にポリマー膜を均一塗布した。
(Formation of separator on carbon rod negative electrode)
A solution of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP) dissolved in N-methylpyrrolidone is coated on a carbon rod having a diameter of 160 μm and a length of 6.0 cm by a dip method and dried. Then, a polymer film was uniformly applied to the surface of the carbon rod with a thickness of about 7 μm.
(電池作製)
上記のプレス済み正極自立膜の塗工方向に対して垂直にポリマー被覆カーボンロッドを並べて、カーボンロッドの両端をAgペーストを介してNiタブに接続した。また、正極自立膜の端部はカーボンペーパー(炭素繊維不織布)を介してAlタブと接続した。Alラミネートにセッティングしたあと、非水電解液を注液して封止することでセルを作製した。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で30/40/30で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解させたものを用いた。
(Battery production)
The polymer-coated carbon rods were arranged perpendicular to the coating direction of the pressed positive electrode self-supporting film, and both ends of the carbon rods were connected to the Ni tab via Ag paste. Further, the end portion of the positive electrode self-supporting film was connected to the Al tab via carbon paper (carbon fiber non-woven fabric). After setting the Al laminate, a non-aqueous electrolytic solution was injected and sealed to prepare a cell. In the non-aqueous electrolytic solution, LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 30/40/30. Was used.
(電池の充放電評価)
電池のコンディショニング充放電を行ったのち、IV測定を実施して電流−電圧の傾きより抵抗値を得た。コンディショニング充放電は、終止電圧を2.5〜4.1V、電流値を0.1C、試験温度を25℃として実施した。IV測定では、電池容量の50%の充電状態(SOC=50%)に調整した後に、測定温度25℃において0.2C、1C、3C、5Cに相当する電流で放電し、10秒後の電圧値を測定することにより、流した電流と電圧を直線近似し、その傾きからIV抵抗を求めた。
(Battery charge / discharge evaluation)
After conditioning the battery, charging and discharging was performed, then IV measurement was performed, and the resistance value was obtained from the slope of current-voltage. Conditioning charge / discharge was carried out with a final voltage of 2.5 to 4.1 V, a current value of 0.1 C, and a test temperature of 25 ° C. In the IV measurement, after adjusting to a charged state (SOC = 50%) of 50% of the battery capacity, the battery is discharged at a measurement temperature of 25 ° C. with a current corresponding to 0.2C, 1C, 3C, and 5C, and the voltage after 10 seconds. By measuring the value, the applied current and voltage were linearly approximated, and the IV resistance was obtained from the gradient.
(結果と考察)
図6は、実験例1,4のSEM写真であり、図6Aが実験例1の5000倍の画像、図6Bが実験例4の5000倍の画像、図6Cが実験例1の100倍の画像、図6Dが実験例4の100倍の画像である。表1に、実験例1〜8の、高結晶性炭素繊維(炭素繊維材)の、正極合材に対する配合比率(質量%)、導電材全体に対する配合比率(質量%)、繊維長X(μm)、配向の有無、炭素繊維材の配向性、面内電子抵抗、IV抵抗をまとめて示す。配向の有無は、SEMで観察した画像内において、活物質膜が接続される集電部に対して垂直方向において±30°以内の繊維が90%以上あるものを「配向有り」とした。また、実験例8においては、活物質膜が接続される集電部に対して平行方向において±30°以内の繊維が90%以上あるものを「配向有り」とした。炭素繊維材の配向性は、活物質膜が接続される集電部に対する炭素繊維材の方向を示した。また、面内電子抵抗及びIV抵抗は、炭素繊維材を含まない実験例1を100として規格化した。
(Results and discussion)
6A and 6B are SEM photographs of Experimental Examples 1 and 4, FIG. 6A is an image of 5000 times that of Experimental Example 1, FIG. 6B is an image of 5000 times that of Experimental Example 4, and FIG. 6C is an image of 100 times that of Experimental Example 1. , FIG. 6D is an image 100 times larger than that of Experimental Example 4. Table 1 shows the compounding ratio (mass%) of the highly crystalline carbon fibers (carbon fiber material) to the positive electrode mixture, the compounding ratio (mass%) to the entire conductive material, and the fiber length X (μm) of Experimental Examples 1 to 8. ), Presence or absence of orientation, orientation of carbon fiber material, in-plane electron resistance, and IV resistance are shown together. Regarding the presence or absence of orientation, in the image observed by SEM, 90% or more of the fibers within ± 30 ° in the direction perpendicular to the current collector to which the active material film is connected were defined as “aligned”. Further, in Experimental Example 8, those having 90% or more of fibers within ± 30 ° in the parallel direction with respect to the current collector to which the active material film is connected were regarded as “aligned”. The orientation of the carbon fiber material indicated the direction of the carbon fiber material with respect to the current collector to which the active material membrane was connected. The in-plane electron resistance and IV resistance were standardized with Experimental Example 1 containing no carbon fiber material as 100.
図6に示すように、炭素繊維材を含まない実験例1では、図中の黒色部分のように、粒子状の導電材が凝集するような構造が見受けられた。一方、正極合材スラリーを所定方向に塗工して作製した実験例4では、導電材の凝集が抑制され分散しており、炭素繊維材が集電部に直交する方向に沿って存在していることがわかった。 As shown in FIG. 6, in Experimental Example 1 containing no carbon fiber material, a structure in which the particulate conductive material aggregates was observed as shown in the black portion in the figure. On the other hand, in Experimental Example 4 produced by coating the positive electrode mixture slurry in a predetermined direction, aggregation of the conductive material is suppressed and dispersed, and the carbon fiber material exists along the direction orthogonal to the current collecting portion. It turned out that there was.
表1に示すように、実験例1〜6の結果より、炭素繊維材が含まれている正極自立膜は面内電子抵抗を低減することが可能であり、これを用いたリチウムイオン二次電池の入出力特性を大幅に向上可能なことを見出した。特に、実験例3〜5において、IV抵抗をより低減できより好ましいことがわかった。この効果は、炭素繊維材が自立膜内で膜平面に対して平行な方向、且つ集電部に対して垂直な方向に配向した際に発現するものと推察された。実験例7のように、炭素繊維材が電極膜厚よりも短いと配向させることができず、上記効果は得られなかった。また、実験例8(図5)のように、集電部に対して平行方向に繊維が配向した場合も、上記効果は得られなかった。また、炭素繊維材の量が正極合材に対して、0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上であれば面内電子抵抗が低減することがわかった。また、炭素繊維材が全ての導電材の量に対して50質量%より多いものとすると、面内抵抗は低減するが、電池としてのIV抵抗が増加することが分かった。活物質と導電材との電子接合を確保するためには、粒子状のアセチレンブラックやVGCFが含まれることがより好ましいと推察された。 As shown in Table 1, from the results of Experimental Examples 1 to 6, it is possible to reduce the in-plane electron resistance of the positive electrode self-supporting film containing the carbon fiber material, and the lithium ion secondary battery using this is possible. It was found that the input / output characteristics of the above can be significantly improved. In particular, in Experimental Examples 3 to 5, it was found that the IV resistance could be further reduced, which was more preferable. It is presumed that this effect is exhibited when the carbon fiber material is oriented in the free-standing film in the direction parallel to the membrane plane and in the direction perpendicular to the current collector. As in Experimental Example 7, if the carbon fiber material was shorter than the electrode film thickness, it could not be oriented, and the above effect could not be obtained. Further, as in Experimental Example 8 (FIG. 5), the above effect was not obtained even when the fibers were oriented in the direction parallel to the current collector. It was also found that when the amount of the carbon fiber material was 0.5% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, the in-plane electronic resistance was reduced with respect to the positive electrode mixture. It was also found that when the carbon fiber material is more than 50% by mass with respect to the total amount of the conductive material, the in-plane resistance is reduced, but the IV resistance as a battery is increased. In order to secure the electronic bonding between the active material and the conductive material, it was presumed that it is more preferable to contain particulate acetylene black or VGCF.
なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present disclosure is not limited to the above-described examples, and it goes without saying that the present disclosure can be carried out in various aspects as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.
10 活物質膜、11 炭素繊維材、12 活物質、13 膜平面、15 支持体、20,20B,120 蓄電デバイス、21 第1電極、22 第2電極、24 分離膜、25 第1集電部、26 第2集電部。 10 Active material film, 11 Carbon fiber material, 12 Active material, 13 Membrane plane, 15 Support, 20, 20B, 120 Power storage device, 21 1st electrode, 22 2nd electrode, 24 Separation film, 25 1st current collector , 26 Second current collector.
Claims (7)
活物質と平均繊維径が1μm以上平均繊維長が10μm以上である炭素繊維材とを含み、前記炭素繊維材は前記活物質膜の膜平面に対して平行な方向に沿って含まれている、活物質膜。 An active material membrane that is used as an electrode of a power storage device and is a self-supporting membrane that can be handled independently.
It contains an active material and a carbon fiber material having an average fiber diameter of 1 μm or more and an average fiber length of 10 μm or more, and the carbon fiber material is contained along a direction parallel to the film plane of the active material film. Active material film.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の活物質膜を含む第2電極と、
イオン伝導性及び絶縁性を有し前記第1電極を被覆しており前記第1電極と前記第2電極との間に介在する分離膜と、
を備えた蓄電デバイス。 A plurality of columnar first electrodes arranged in a predetermined direction at predetermined intervals,
The second electrode including the active material film according to any one of claims 1 to 6 and the second electrode.
A separation membrane that has ionic conductivity and insulating properties and covers the first electrode and is interposed between the first electrode and the second electrode.
Power storage device equipped with.
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