JP4345920B2 - Electrode for electrochemical device, method for producing the same, and electrochemical device using the electrode - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学素子用電極、その製造方法および前記電極を用いた電気化学素子に関し、さらに詳しくは、Li(リチウム)イオンなどの金属カチオンをインターカレートすることが可能な8チタン酸ナノシートと炭素材料とを含む電気化学素子用電極、その製造方法および前記電極を用いたリチウムイオン二次電池などの電気化学素子に関する。   The present invention relates to an electrode for an electrochemical device, a method for producing the same, and an electrochemical device using the electrode, and more specifically, an 8-titanate nanosheet capable of intercalating metal cations such as Li (lithium) ions. The present invention relates to an electrode for an electrochemical element containing carbon and a carbon material, a manufacturing method thereof, and an electrochemical element such as a lithium ion secondary battery using the electrode.

リチウムイオン二次電池は、炭素材料を負極の活物質とし、LiCoO2 、LiNiO2 、LiMn2 4 などのLiと遷移金属との複合酸化物を正極の活物質として用い、ポリオレフィンの微多孔膜をセパレータとし、LiPF6 、LiBF4 などのリチウム塩を電解質とする有機電解液を用いることによって、充電時にはLiイオンが負極の炭素材料にインターカレートし、放電時にはLiイオンが正極のLiと遷移金属との複合酸化物にインターカレートすることによって充放電を行っている。
米国特許第4,567,031号明細書
A lithium ion secondary battery uses a carbon material as an active material for a negative electrode, a composite oxide of Li and a transition metal such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 as an active material for a positive electrode, and a polyolefin microporous film Is used as a separator and Li ion such as LiPF 6 and LiBF 4 is used as an electrolyte, Li ions intercalate with the carbon material of the negative electrode during charging, and Li ions transition with Li of the positive electrode during discharging. Charging / discharging is performed by intercalating a complex oxide with metal.
US Pat. No. 4,567,031

また、リチウムイオン二次電池では、上記した材料以外にMnO2 、V2 5 、Li4 Ti6 12、Li2 Ti3 7 などのLiイオンをインターカレートすることが可能な活物質を用いて電池を構成することができることも知られている。 In addition, in the lithium ion secondary battery, an active material capable of intercalating Li ions such as MnO 2 , V 2 O 5 , Li 4 Ti 6 O 12 , Li 2 Ti 3 O 7 in addition to the above materials. It is also known that a battery can be constructed using

しかしながら、これらの活物質はLiイオンのインターカレーション、ディインターカレーションの速度が遅いため、高速での充放電が困難であるという問題があった。   However, these active materials have a problem that it is difficult to charge and discharge at high speed because Li ion intercalation and deintercalation are slow.

また、高速充放電が可能なデバイスで最も高容量として知られている電気二重層キャパシタでは、正極および負極の活物質として活性炭が用いられている。この活性炭は比表面積が非常に大きく、この大きな比表面積を利用して活物質の表面にイオンを吸着させることにより充放電を行っている。しかしながら、活性炭の表面による吸着のみでは、得られる容量がリチウムイオン二次電池で用いられているインターカレーション材料の1/100程度であって、電池として用いるには得られる容量が小さすぎるという問題があった。   Further, in an electric double layer capacitor known as the highest capacity among devices capable of high-speed charge / discharge, activated carbon is used as an active material for the positive electrode and the negative electrode. The activated carbon has a very large specific surface area, and charging / discharging is performed by adsorbing ions on the surface of the active material using the large specific surface area. However, only by adsorption on the surface of activated carbon, the capacity obtained is about 1/100 of the intercalation material used in lithium ion secondary batteries, and the capacity obtained for use as a battery is too small. was there.

従って、本発明は、高速での充放電が可能でかつ高容量の電気化学素子を構成できる電気化学素子用電極を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an electrode for an electrochemical element that can be charged and discharged at a high speed and can constitute a high-capacity electrochemical element.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、化学式がH2 Ti8 17・nH2 O(n=0〜2.0)で表される8チタン酸ナノシートと炭素材料とを含ませて電気化学素子用電極を構成するときは、上記8チタン酸ナノシートがインターカレーション材料でありながら高速充放電が可能であって高容量の電気化学素子を構成することができることを見出し、本発明を完成するにいたった。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have found that 8 titanate nanosheets represented by the chemical formula H 2 Ti 8 O 17 .nH 2 O (n = 0 to 2.0) and carbon When an electrode for an electrochemical element is formed by including a material, the above-mentioned 8 titanate nanosheet is an intercalation material and can be charged / discharged at high speed to form a high-capacity electrochemical element. As a result, the present invention has been completed.

特に、上記化学式がH2 Ti8 17・nH2 O(n=0〜2.0)で表される8チタン酸ナノシートと炭素材料とを複合化させ、その8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体を活物質として電気化学素子用電極を構成するときは、炭素材料との複合化に基づき、導電性が向上して、より負荷特性が向上し、高速充放電が可能な容量が大きくなる。 In particular, an 8 titanate nanosheet represented by the chemical formula H 2 Ti 8 O 17 .nH 2 O (n = 0 to 2.0) and a carbon material are combined, and the 8 titanate nanosheet and the carbon material are combined. When an electrode for an electrochemical element is formed using the composite of the above as an active material, the conductivity is improved based on the composite with the carbon material, the load characteristics are further improved, and the capacity capable of high-speed charge / discharge is large. Become.

本発明の電気化学素子用電極は、充放電の際の8チタン酸ナノシートのLiイオンの拡散距離が短いので、高速での充放電が可能であり、また、8チタン酸ナノシートや該8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体がLiイオンをインターカレーション、ディインターカレーションさせることができるので高容量を得ることができる。特に8チタン酸ナノシートと炭素材料とを複合化させた場合は、その炭素材料との複合化により、導電性が向上して、負荷特性がより一層向上するので、高速充放電での容量がより大きくなる。従って、これらの電気化学素子用電極を電気化学素子の電極として用いることにより、高速での充放電が可能でかつ高容量の電気化学素子を構成することができる。   Since the electrode for electrochemical devices of the present invention has a short diffusion distance of Li ions in the 8 titanate nanosheet during charge / discharge, it can be charged / discharged at high speed, and the 8 titanate nanosheet or the 8 titanate Since the composite of the nanosheet and the carbon material can intercalate and deintercalate Li ions, a high capacity can be obtained. In particular, when the 8 titanate nanosheet and the carbon material are combined, the combination with the carbon material improves the conductivity and further improves the load characteristics. growing. Therefore, by using these electrodes for electrochemical elements as the electrodes of the electrochemical elements, it is possible to construct a high-capacity electrochemical element that can be charged and discharged at high speed.

本発明においては、前記8チタン酸ナノシートを活物質とし、それに導電性を付与するために導電材料を混合するだけでも、前記のように、高速での充放電が可能でかつ高容量の電気化学素子を提供することができるが、特に好ましいのは、8チタン酸ナノシートと炭素材料とを複合化し、その複合体を活物質として用いる場合であることから、以下、その8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体を活物質として用いる場合について詳しく説明する。   In the present invention, the above-described 8 titanate nanosheet is used as an active material, and it is possible to charge and discharge at high speed and have a high capacity as described above just by mixing a conductive material in order to impart electrical conductivity thereto. Although an element can be provided, it is particularly preferable that the 8 titanate nanosheet and the carbon material are composited and the composite is used as an active material. The case where the composite is used as an active material will be described in detail.

上記8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体は、化学式がH2 Ti4 9 ・nH2 O(n=0〜2.0)で表される4チタン酸を層間剥離し、その層間剥離した4チタン酸を炭素材料と複合化して再構築したのちに熱処理または電磁波処理することによって得られる。 The composite of the 8 titanate nanosheet and the carbon material is obtained by delamination of 4 titanic acid represented by the chemical formula H 2 Ti 4 O 9 .nH 2 O (n = 0 to 2.0), and delamination thereof. The obtained 4 titanic acid is combined with a carbon material and reconstructed, and then heat treated or electromagnetically treated.

4チタン酸を層間剥離する方法としては、4チタン酸にテトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、デシルトリメチルアンモニウムイオン、ジデシルジメチルアンモニウムイオンなどのテトラアルキルアンモニウムイオンをインターカレートし、その生成物を水洗し、乾燥するといった従来公知の方法を採用することができる(例えば、Journal of Material Chemistry,2002,12,3814−3818、特開2003−201121号公報、特開2001−270022号公報など)。   As a method of delamination of 4 titanic acid, tetraalkylammonium ion such as tetramethylammonium ion, tetraethylammonium ion, tetrapropylammonium ion, tetrabutylammonium ion, decyltrimethylammonium ion, didecyldimethylammonium ion, etc. Can be employed, and conventionally known methods such as washing the product with water and drying can be employed (for example, Journal of Material Chemistry, 2002, 12, 3814-3818, JP-A-2003-201121, JP-A-2001-270022).

層間剥離した4チタン酸と炭素材料とを複合化する方法としては、例えば、層間剥離した4チタン酸を水中に分散してゾルを形成し、そのゾルにカーボン粉末などの炭素材料を加えて攪拌混合し、酸またはアルカリ水溶液中に注入し、乾燥することにより、4チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体(以下、簡略化して、「4チタン酸ナノシート炭素複合体」という)を得る方法が採用される。上記酸としては、例えば、濃度が0.1mol/lの塩酸を用いることができ、アルカリ水溶液としては、例えば、濃度が1mol/lの水酸化リチウム水溶液を用いることができる。また、上記4チタン酸ナノシート炭素複合体は必要に応じて酸処理などの方法により残留のアルカリ分を除くことができる。複合化に用いる炭素材料としては、複合化することにより活物質としての複合体に電子伝導性を付与することのできる物質であれば特に制限されることはないが、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、非晶質炭素、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレン類などが好適に用いられる。   As a method of combining delaminated 4 titanic acid and a carbon material, for example, delaminated 4 titanic acid is dispersed in water to form a sol, and a carbon material such as carbon powder is added to the sol and stirred. A method of obtaining a composite of a 4 titanate nanosheet and a carbon material (hereinafter simply referred to as a “4 titanate nanosheet carbon composite”) by mixing, pouring into an acid or alkaline aqueous solution, and drying. Adopted. As the acid, for example, hydrochloric acid having a concentration of 0.1 mol / l can be used. As the alkaline aqueous solution, for example, a lithium hydroxide aqueous solution having a concentration of 1 mol / l can be used. Further, the 4 titanate nanosheet carbon composite can remove residual alkali by a method such as acid treatment, if necessary. The carbon material used for the composite is not particularly limited as long as it is a substance that can impart electronic conductivity to the composite as an active material by compositing. For example, artificial graphite, natural graphite Acetylene black, ketjen black, carbon black, vapor grown carbon fiber (VGCF), amorphous carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene and the like are preferably used.

得られた4チタン酸ナノシート炭素複合体を用いて電気化学素子用電極を構成するには、まず、上記4チタン酸ナノシートを集電体に塗布または圧着して、集電体に密着させるか、あるいはペレット化する必要がある。その際、いずれの方法をとってもよいが、高速充放電特性をより適切に活かすためには、4チタン酸ナノシート炭素複合体を集電体に塗布する方法を採用することが好ましい。集電体に用いる基材としては、電気化学素子の集電体として一般に用いられる材料であればいずれでもよいが、Cu、Al、Ni、ステンレス鋼などが好適に用いられる。これらの基材は、箔状、メッシュ状などに加工した状態で集電体として用いることができる。また、集電体との密着性を向上させる目的で、4チタン酸ナノシート炭素複合体に高分子バインダーなどを添加してもよい。上記高分子バインダーとしては、必要な密着力が得られ、電解液に対する溶解性がなく、使用する電圧範囲で酸化や還元による分解などの副反応を起こさず、4チタン酸から8チタン酸への変換を行う際の熱処理や電磁波処理に対して安定である化合物であればいずれも用い得るが、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系ポリマーが、化学的安定性および熱的安定性が優れていることから特に好ましい。そして、上記のようにして得られた電極体を熱処理または電磁波処理することによって4チタン酸から8チタン酸へ変換することができ、それによって、8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体を活物質とする電気化学素子用電極が得られる。   In order to construct an electrode for an electrochemical device using the obtained 4 titanate nanosheet carbon composite, first, the 4 titanate nanosheet is applied to or crimped to the current collector, Or it needs to be pelletized. At that time, any method may be used, but in order to utilize the high-speed charge / discharge characteristics more appropriately, it is preferable to employ a method of applying the 4 titanate nanosheet carbon composite to the current collector. The base material used for the current collector may be any material that is generally used as a current collector for electrochemical devices, but Cu, Al, Ni, stainless steel, and the like are preferably used. These base materials can be used as a current collector in a state of being processed into a foil shape, a mesh shape, or the like. Further, for the purpose of improving the adhesion with the current collector, a polymer binder or the like may be added to the tetratitanate nanosheet carbon composite. As the above-mentioned polymer binder, necessary adhesion can be obtained, there is no solubility in the electrolytic solution, and no side reaction such as decomposition by oxidation or reduction is caused in the voltage range to be used, from 4 titanic acid to 8 titanic acid. Any compound can be used as long as it is a compound that is stable with respect to heat treatment and electromagnetic wave treatment during conversion, but a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene, It is particularly preferable because of its excellent chemical stability and thermal stability. The electrode body obtained as described above can be converted from 4 titanic acid to 8 titanic acid by heat treatment or electromagnetic wave treatment, whereby the composite of 8 titanate nanosheet and carbon material is activated. An electrode for an electrochemical device as a substance is obtained.

このようにして得られた8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体(以下、簡略化して、「8チタン酸ナノシート炭素複合体」という)を活物質とする電極を正極または負極に用いることによって電気化学素子を構成することができる。上記8チタン酸ナノシート炭素複合体を活物質とする電極を正極に用いる場合の対極としては、金属リチウムやLiAl合金、Sn、SiなどのLiと合金を形成する金属、あるいは非晶質炭素、人造黒鉛、天然黒鉛、フラーレン、ナノチューブなどの炭素材料を用いることができる。ただし、本発明の8チタン酸ナノシート炭素複合体の高速充放電特性をより適切に活かすためには、対極には金属リチウムやLiAl合金、Sn、SiなどのLiと合金を形成する金属などの金属系のものを用いることが好ましい。   By using, as a positive electrode or a negative electrode, an electrode using the composite of the thus obtained 8 titanate nanosheet and carbon material (hereinafter simply referred to as “8 titanate nanosheet carbon composite”) as an active material. An electrochemical element can be constructed. The counter electrode in the case where an electrode using the above 8 titanate nanosheet carbon composite as an active material is used as a positive electrode includes metallic lithium, LiAl alloy, metal that forms an alloy with Li such as Sn, Si, amorphous carbon, artificial Carbon materials such as graphite, natural graphite, fullerene, and nanotubes can be used. However, in order to utilize the high-speed charge / discharge characteristics of the 8 titanate nanosheet carbon composite of the present invention more appropriately, the counter electrode is made of metal such as metal lithium, LiAl alloy, Sn, Si or other metal that forms an alloy with Li. It is preferable to use a system.

上記8チタン酸ナノシート炭素複合体を活物質とする電極を負極として用いる場合は、対極にはリチウムイオンをインターカレートし電位がLi/Li+ 基準で2V以上の電位を持つ活物質を用いた電極であればいずれも用いることができる。例えば、対極には、層状構造のLiCoO2 、LiNiO2 、LiMnO2 、スピネル構造のLiMn2 4 、オリビン構造のLiFePO4 などのLiと遷移金属の複合酸化物、V3 6 、MnO2 、WO3 などの金属酸化物、トンネル状構造のβ−FeOOH、あるいはポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン、ポリパラフェニレンなどの導電性高分子類を用いることができる。 When an electrode using the 8 titanate nanosheet carbon composite as an active material is used as the negative electrode, an active material having a potential of 2 V or more on the basis of Li / Li + reference is used for the counter electrode. Any electrode can be used. For example, the counter electrode includes LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 having a layered structure, LiMn 2 O 4 having a spinel structure, LiFePO 4 having a olivine structure, a complex oxide of Li and a transition metal, V 3 O 6 , MnO 2 , Metal oxides such as WO 3 , β-FeOOH having a tunnel-like structure, or conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyacene, and polyparaphenylene can be used.

また、8チタン酸ナノシートと炭素材料との混合物を含む電極も、上記8チタン酸ナノシート炭素材料複合体を活物質とする電極と同様に、正極、負極のいずれかに用いることによって電気化学素子を構成することができ、その対極も8チタン酸ナノシート炭素材料複合体を活物質とする電極の場合と同様のものを用いることができる。   In addition, an electrode including a mixture of 8 titanate nanosheets and a carbon material is used for either a positive electrode or a negative electrode in the same manner as an electrode using the 8 titanate nanosheet carbon material composite as an active material. The counter electrode can be the same as that of the electrode using the 8 titanate nanosheet carbon material composite as an active material.

本発明の電気化学素子用電極における8チタン酸ナノシートは、その厚みが薄いほど好ましく、具体的には、厚みが100nm以下であることが好ましい。   The 8 titanate nanosheet in the electrode for electrochemical devices of the present invention is preferably as thin as possible. Specifically, the thickness is preferably 100 nm or less.

8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合化は、前記のように、8チタン酸ナノシートに変換する前の4チタン酸ナノシートの段階でしておけばよいが、その複合化量としては、特に限定されることはないものの、炭素材料との複合化による導電性の向上と8チタン酸ナノシートの減少による容量減少を抑制するという観点から、8チタン酸ナノシートと炭素材料とが質量比で40:60〜90:10であることが好ましい。   As described above, the 8 titanate nanosheet and the carbon material may be combined at the stage of the 4 titanate nanosheet before being converted into the 8 titanate nanosheet, but the amount of the composite is particularly limited. Although not carried out, from the viewpoint of improving the conductivity by combining with the carbon material and suppressing the capacity reduction due to the decrease of the 8 titanate nanosheet, the mass ratio of the 8 titanate nanosheet and the carbon material is 40:60. ~ 90: 10 is preferred.

本発明の電気化学素子用電極を用いて電気化学素子を構成するにあたり、電解液としてはLi塩を有機溶媒に溶解したものが用いられる。上記Li塩としては、溶媒中で解離してLi+ イオンを形成し、素子として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであればいずれでもよく、例えば、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiClO4 などの無機化合物、LiN(SO2 CF3 2 、LiN(SO2 2 5 2 、LiN(SO2 CFa )(SO2 4 9 )、LiC(SO2 CF2 3 、LiC(SO2 2 5 2 、LiPF8-n (C2 5 n (nは1から6までの整数)、LiSO3 CF3 、LiSO3 2 5 、LiSO3 4 8 などの有機化合物などを用いることができる。 In constructing an electrochemical element using the electrode for an electrochemical element of the present invention, an electrolytic solution in which a Li salt is dissolved in an organic solvent is used. The Li salt may be any one as long as it dissociates in a solvent to form Li + ions and does not cause a side reaction such as decomposition in the voltage range used as the device. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 and other inorganic compounds, LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF a ) (SO 2 C 4 F 9 ), LiC (SO 2 CF 2) 3, LiC ( SO 2 C 2 F 5) 2, LiPF 8-n (C 2 F 5) n ( n is an integer from 1 to 6), LiSO 3 CF 3, LiSO 3 C 2 F 5 Organic compounds such as LiSO 3 C 4 F 8 can be used.

そして、有機溶媒としては、Li塩を溶解し、素子として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであればいずれでもよいか、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル、ジメトキシエタン、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルなどのニトリル類を、それぞれ単独で用いることもできるし、また、2種以上併用することもできる。ただし、良好な特性を得るためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒などの高い導電率を得ることができる組み合わせを用いることが好ましい。   The organic solvent may be any one that dissolves the Li salt and does not cause side reactions such as decomposition in the voltage range used as the device. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene Cyclic carbonates such as carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and methyl ethyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyrolactone, chain ethers such as dimethoxyethane, diglyme, triglyme and tetraglyme, dioxane, tetrahydrofuran, 2- Cyclic ethers such as methyltetrahydrofuran, nitriles such as acetonitrile, propionitrile, and methoxypropionitrile can be used alone or in combination of two or more. It is also possible to use. However, in order to obtain good characteristics, it is preferable to use a combination capable of obtaining high conductivity such as a mixed solvent of ethylene carbonate and chain carbonate.

これらの電解液には、安全性、サイクル性、高温貯蔵性などの特性を向上させる目的で、添加剤、例えば、ビニレンカーボネートまたはその誘導体、ベンゼンまたはその誘導体、1,3−プロパンサルトン、ジフェニル−ジスルフィドまたはその誘導体、ビフェニルまたはその誘導体などの添加剤を適宜加えることができる。   These electrolytes contain additives such as vinylene carbonate or derivatives thereof, benzene or derivatives thereof, 1,3-propane sultone, diphenyl for the purpose of improving safety, cycleability, high temperature storage properties and the like. -Additives such as disulfide or a derivative thereof, biphenyl or a derivative thereof can be appropriately added.

また、有機溶媒に代えて、エチル−メチルイミダゾリウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、ヘブチル−トリメチルアンモニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、ピリジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、グアジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミドなどの常温溶融塩を用いることもできる。   Also, instead of organic solvents, room temperature molten salts such as ethyl-methylimidazolium trifluoromethylsulfonium imide, hebutyl-trimethylammonium trifluoromethylsulfonium imide, pyridinium trifluoromethylsulfonium imide, guanidinium trifluoromethylsulfonium imide, etc. It can also be used.

さらに、上記した電解液にポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体、主鎖または側鎖にエチレンオキシド鎖を含む架橋ポリマーなどのゲル電解質形成可能なホストポリマーを添加してゲル化した電解液を用いることもできる。   Further, the above electrolyte solution is crosslinked with polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polypropylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymer, ethylene oxide chain in the main chain or side chain. An electrolytic solution obtained by adding a host polymer capable of forming a gel electrolyte such as a polymer to be gelled can also be used.

また、電解液に代えて、ポリエチレンオキシド、側鎖にエチレンオキシド基を含むシロキサンポリマー、側鎖にエチレンオキシド基を含む(メタ)アクリレート、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、アンヒドログルシトール基含有ポリカーボネートなどのポリマーとリチウム塩とからなる高分子電解質を用いることもできる。   Also, instead of electrolyte, polymers such as polyethylene oxide, siloxane polymers containing ethylene oxide groups in the side chains, (meth) acrylates containing ethylene oxide groups in the side chains, polyethylene carbonates, polypropylene carbonates, polycarbonates containing anhydroglucitol groups It is also possible to use a polymer electrolyte comprising lithium salt.

さらに、電解液に代えて、Li2 S−SiS2 −Li4 SiO4 、Li2 S−SiS2 −P2 5 −LiI、LiO2 −Al2 3 −TiO2 −P2 5 などの無機ガラス電解質、LiTi2 (PO4 3 などのNASICON型、La0.57Li0.28TiO3 などのペロブスカイト型、Li3.25Ge0.250.754 、Li3.4 Si0.4 0.6 4 などのLISICON型の無機固体電解質を用いることもできる。 Further, instead of the electrolytic solution, Li 2 S—SiS 2 —Li 4 SiO 4 , Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, LiO 2 —Al 2 O 3 —TiO 2 —P 2 O 5, etc. Inorganic glass electrolyte, NASICON type such as LiTi 2 (PO 4 ) 3 , perovskite type such as La 0.57 Li 0.28 TiO 3 , LISICON type such as Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 3.4 Si 0.4 P 0.6 S 4 An inorganic solid electrolyte can also be used.

これらの構成材料を用いて電気化学素子が構築されるが、その際の素子の形態としては、従来公知の円筒形、角形、コイン形あるいはラミネートタイプなどのいずれの形状、形態であってもよく、特に制限されることはない。例えば、円筒形の電気化学素子を作製する場合、集電体への塗布または圧着などを経て作製されたシート状の正極と負極とをポリオレフィン微多孔膜からなるセパレータを介して巻回し、得られた巻回構造の電極をステンレス鋼またはアルミニウムなどの材料でできた有底円筒状の缶に挿入し、正負極端子を取り付け、電解液を注入し、封口することによって作製される。封口の方法にはガスケットを介したかしめ、レーザー溶接などの方法を採用することができる。また、アルミニウムを芯材とするアルミラミネートフィルムなどを外装材としたラミネートタイプの電気化学素子を作製する場合は、前記した巻回体を円筒形ではなく、長円形に巻回し、袋状にしたアルミニウムラミネートフィルムの袋内に挿入し、端子を取り出し、電解液を注入し、熱融着などによりラミネートフィルムを封止することによって作製される。また、コイン形の電気化学素子を作製する場合は、プレスにより形成したペレット状電極と対極をセパレータを介して缶内に配し、電解液を注入し、対極缶を被せて封口ガスケットを介してかしめることによって作製される。   An electrochemical element is constructed using these constituent materials, and the form of the element at that time may be any shape and form such as a conventionally known cylindrical shape, square shape, coin shape or laminate type. There is no particular limitation. For example, when producing a cylindrical electrochemical element, a sheet-like positive electrode and negative electrode produced through application or pressure bonding to a current collector are wound through a separator made of a polyolefin microporous film. An electrode having a wound structure is inserted into a bottomed cylindrical can made of a material such as stainless steel or aluminum, a positive and negative electrode terminal is attached, an electrolyte is injected, and the electrode is sealed. As a sealing method, a method such as caulking through a gasket or laser welding can be employed. In addition, when producing a laminate type electrochemical element using an aluminum laminate film having aluminum as a core material as an exterior material, the wound body is wound not in a cylindrical shape but in an oval shape to form a bag. It is produced by inserting it into a bag of aluminum laminate film, taking out the terminal, injecting an electrolyte, and sealing the laminate film by heat fusion or the like. Moreover, when producing a coin-shaped electrochemical element, a pellet-shaped electrode formed by pressing and a counter electrode are placed in a can via a separator, an electrolyte is injected, a counter electrode can is covered, and a sealing gasket is interposed. It is produced by caulking.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に詳細に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例などにおいて、溶液などの濃度を示す%は、特にその基準を付記しない限り、質量%である。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples. In the following examples and the like,% indicating the concentration of a solution or the like is mass% unless otherwise specified.

実施例1
この実施例1の電気化学素子用電極について、〔4チタン酸の層間剥離〕、〔炭素材料との複合化〕、〔電極の作製〕の順に説明する。
〔4チタン酸の層間剥離〕
4チタン酸2水和物(H2 Ti4 9 ・2H2 O)をエチルアミン水溶液中に質量比で4チタン酸:エチルアミン=1:8になるように溶解し、室温で24時間攪拌後、遠心分離、真空乾燥を行って、エチルアミンインターカレーテット4チタン酸(以下、「C2 N−HT4 」で示す)を得た。
Example 1
The electrode for an electrochemical element of Example 1 will be described in the order of [4 delamination of titanic acid], [composite with carbon material], and [production of electrode].
[4 Titanic acid delamination]
4 titanic acid dihydrate (H 2 Ti 4 O 9 .2H 2 O) was dissolved in an ethylamine aqueous solution so that the mass ratio was 4 titanic acid: ethylamine = 1: 8, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours. Centrifugation and vacuum drying were carried out to obtain ethylamine intercalate 4 titanate (hereinafter referred to as “C 2 N-HT 4 ”).

このC2 N−HT4 を10%水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液にモル比でC2 N−HT4 とテトラブチルアンモニウムとが1:2になるように溶解し、室温で24時間攪拌した後、遠心分離、真空乾燥を行い、テトラブチルアンモニウムをインターカレートした4チタン酸(以下、「TBA−HT4 」で示す)を得た。上記TBA−HT4 を純水中で10分間攪拌して層間剥離を行い、4チタン酸ナノシートのゾルを得た。 This C 2 N-HT 4 was dissolved in a 10% aqueous tetrabutylammonium hydroxide solution at a molar ratio of C 2 N-HT 4 and tetrabutylammonium in a ratio of 1: 2, and stirred at room temperature for 24 hours. Centrifugation and vacuum drying were performed to obtain tetratitanic acid intercalated with tetrabutylammonium (hereinafter referred to as “TBA-HT 4 ”). The TBA-HT 4 was stirred in pure water for 10 minutes to perform delamination to obtain a sol of 4 titanate nanosheets.

〔炭素材料との複合化〕
上記4チタン酸ナノシートのゾルに気相成長炭素繊維(以下、「VGCF」で示す)を質量比でTBA−HT4 :VGCF=93.3:50となるように添加し、24時間攪拌して混合し、得られた混合物を1mol/l塩酸中に注ぎ、48時間攪拌した後、洗浄し、乾燥して4チタン酸ナノシート炭素複合体を得た。
[Composite with carbon material]
Vapor growth carbon fiber (hereinafter referred to as “VGCF”) was added to the sol of 4 titanate nanosheets so that the mass ratio was TBA-HT 4 : VGCF = 93.3: 50, and stirred for 24 hours. After mixing, the resulting mixture was poured into 1 mol / l hydrochloric acid, stirred for 48 hours, washed and dried to obtain a 4-titanate nanosheet carbon composite.

〔電極の作製〕
上記4チタン酸ナノシート炭素複合体に結着剤としてポリテトラフルオロエチレンを4チタン酸ナノシート炭素複合体90質量部に対して10質量部の割合で添加して混合し、得られた混合物をNi網に圧着し、200℃で2時間熱処理することによって、8チタン酸ナノシート炭素複合体を活物質とする電極を得た。得られた8チタン酸ナノシートの化学式はH2 Ti817・H2 Oであり、複合体中の8チタン酸ナノシートとVGCFとの質量比は50:50で、電極上の活物質量は20mg/cm3 であった。なお、得られた電極については、後に詳記するように、それを用いて三極式セルを組み立て、そのセルを用いて高速充放電での負荷特性およびサイクル特性を調べる。
[Production of electrodes]
The tetratitanate nanosheet carbon composite was mixed with polytetrafluoroethylene as a binder at a ratio of 10 parts by mass with respect to 90 parts by mass of the 4 titanate nanosheet carbon composite. An electrode using an 8 titanate nanosheet carbon composite as an active material was obtained by heat-bonding to 200 ° C. for 2 hours. The chemical formula of the obtained 8 titanate nanosheet is H 2 Ti 8 O 17 · H 2 O, the mass ratio of 8 titanate nanosheet to VGCF in the composite is 50:50, and the amount of active material on the electrode is It was 20 mg / cm 3 . In addition, about the obtained electrode, as will be described in detail later, a tripolar cell is assembled using the electrode, and load characteristics and cycle characteristics in high-speed charge / discharge are examined using the cell.

実施例2
実施例1で得たTBA-HTとVGCFとの複合体を乾燥せずにそのままペースト状でNi網に塗布し乾燥する工程を経由した以外は、実施例1と同様の方法で電極を作製した。
Example 2
An electrode was produced in the same manner as in Example 1, except that the composite of TBA-HT 4 and VGCF obtained in Example 1 was applied as it was in a paste form to a Ni net and dried without drying. did.

実施例3
実施例1でカーボンとの複合化を行わず、TBA−HT4 を純水中で10分間攪拌して得たゾルを、そのまま、1mol/l塩酸中に注ぎ48時間攪拌した後、洗浄、乾燥し、4チタン酸ナノシートを得た。
Example 3
A sol obtained by stirring TBA-HT 4 in pure water for 10 minutes without being combined with carbon in Example 1 was poured into 1 mol / l hydrochloric acid as it was and stirred for 48 hours, followed by washing and drying. And the 4 titanic acid nanosheet was obtained.

得られた4チタン酸ナノシートとアセチレンブラック(以下、「AB」で示す)とを質量比で50:50で混合し、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレンを10質量%添加して混合し、得られた混合物をNi網に圧着し、200℃で2時間熱処理して4チタン酸を8チタン酸に変換することによって電極を得た。得られた8チタン酸ナノシートの化学式はH2 Ti817・H2 Oであり、8チタン酸ナノシートとABとの質量比は50:50で、電極上の活物質量は20mg/cm3 であった。 The obtained 4 titanate nanosheet and acetylene black (hereinafter referred to as “AB”) were mixed at a mass ratio of 50:50, and 10% by mass of polytetrafluoroethylene was added and mixed as a binder. The mixture was pressure-bonded to a Ni net and heat treated at 200 ° C. for 2 hours to convert 4 titanic acid to 8 titanic acid to obtain an electrode. The chemical formula of the obtained 8 titanate nanosheet is H 2 Ti 8 O 17 · H 2 O, the mass ratio of 8 titanate nanosheet to AB is 50:50, and the amount of active material on the electrode is 20 mg / cm 3. Met.

比較例1
層間剥離した4チタン酸に代えて、繊維長20μm、径800nmの繊維状4チタン酸を用い、その繊維状4チタン酸とVGCFとを質量比55:50で混合し、以後、実施例3と同様にポリテトラフルオロエチレンとの混合およびNi網への圧着を行い、200℃で2時間熱処理することによって電極を作製した。得られた8チタン酸の化学式はH2 Ti817・H2 Oであり、電極上の活物質量は20mg/cm2 であった。
Comparative Example 1
Instead of delaminated 4 titanic acid, fibrous 4 titanic acid having a fiber length of 20 μm and a diameter of 800 nm was used, and the fibrous 4 titanic acid and VGCF were mixed at a mass ratio of 55:50. Similarly, an electrode was prepared by mixing with polytetrafluoroethylene and press-bonding to a Ni net and heat-treating at 200 ° C. for 2 hours. The chemical formula of the obtained 8 titanic acid was H 2 Ti 8 O 17 · H 2 O, and the amount of active material on the electrode was 20 mg / cm 2 .

比較例2
比較例1でVGCFの代わりにABを用いた以外は、比較例1と同様にして電極を作製した。
Comparative Example 2
An electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that AB was used instead of VGCF in Comparative Example 1.

得られた実施例1〜3および比較例1〜2の電気化学素子用電極を用い、それぞれ、次に示すようにして、三極式セルを組み立て、そのセルを用いて、高速充放電での負荷特性およびサイクル特性を調べた。上記三極式セルの組立、負荷特性の評価方法、サイクル特性の評価方法は、次に示す通りである。   Using the obtained electrodes for electrochemical elements of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, a tripolar cell was assembled as shown below, and the cell was used for high-speed charge / discharge. The load characteristics and cycle characteristics were investigated. The assembly of the triode cell, the evaluation method for load characteristics, and the evaluation method for cycle characteristics are as follows.

三極式セルの組立て:
上記のようにして得られた実施例1〜3および比較例1〜2の電極を用い、それぞれ、対極および参照極に金属リチウムを用い、セパレータにポリエチレン製微多孔膜を用い、電解液に1M LiClO4 PC溶液〔プロピレンカーボネート(PC)にLiClO4 を1mol/l溶解させたもの〕を用いて三極式セルを組み立てた。
Assembling the tripolar cell:
Using the electrodes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 obtained as described above, metallic lithium was used for the counter electrode and the reference electrode, a polyethylene microporous membrane was used for the separator, and the electrolyte was 1M. A tripolar cell was assembled using a LiClO 4 PC solution (1 mol / l of LiClO 4 dissolved in propylene carbonate (PC)).

負荷特性の評価方法:
上記実施例1〜3および比較例1〜2の電極を用いて組み立てたセルを、25℃で、充電電流密度100mA/g、放電電流密度50mA/g〜2.00A/g〔すなわち、充電電流密度は100mA/gに固定し、放電電流密度は50mA/g(0.05A/g)から2.00A/gまで適宜変動させる〕で、電圧1.2V〜3.6Vの間で充放電させて、10回目の放電時の放電容量を測定した。その結果を図1に示す。この図1の高放電電流密度領域である1.00A/g以上の放電電流密度での放電容量から負荷特性が評価できる。
Evaluation method of load characteristics:
Cells assembled using the electrodes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were charged at a current density of 100 mA / g and a discharge current density of 50 mA / g to 2.00 A / g at 25 ° C. The density is fixed at 100 mA / g, and the discharge current density is appropriately varied from 50 mA / g (0.05 A / g) to 2.00 A / g]. The discharge capacity at the 10th discharge was measured. The result is shown in FIG. The load characteristics can be evaluated from the discharge capacity at a discharge current density of 1.00 A / g or more, which is the high discharge current density region of FIG.

負荷特性の評価方法:
上記実施例1〜3および比較例1〜2の電極を用いて組み立てたセルを、25℃で充電電流密度、放電電流密度とも100mA/gで、電圧1.2〜3.6Vの間で充放電させ、サイクル毎の放電容量を測定した。その結果を図2に示す。この図2におけるサイクル数の増加に伴う放電容量の低下からサイクル特性を評価することができる。
Evaluation method of load characteristics:
The cells assembled using the electrodes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 were charged at a charge current density and discharge current density of 100 mA / g at 25 ° C. and a voltage of 1.2 to 3.6 V. The discharge capacity was measured for each cycle. The result is shown in FIG. The cycle characteristics can be evaluated from the decrease in the discharge capacity accompanying the increase in the number of cycles in FIG.

図1に示すように、実施例1〜3は、比較例1〜2に比べて、1.00A/g以上の高い電流密度で放電させたときの放電容量の低下が少なく、負荷特性が優れていた。また、図2に示すように、実施例1〜3のサイクルの数の増加に伴う放電容量の低下は、比較例1〜2のそれと変わらず、サイクル特性の低下は特に認められなかった。なお、8チタン酸ナノシートと炭素材料とを複合化させたものを活物質として用いた実施例1〜2は、比較例1〜2や、8チタン酸ナノシートと炭素材料とを混合したものを用いた実施例3に比べて、常に高い放電容量を示し、8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合化によって、高速充放電時により高容量が得られることを示していた。   As shown in FIG. 1, Examples 1 to 3 have less load capacity reduction and excellent load characteristics when discharged at a high current density of 1.00 A / g or more compared to Comparative Examples 1 and 2. It was. Further, as shown in FIG. 2, the decrease in the discharge capacity accompanying the increase in the number of cycles in Examples 1 to 3 was not different from that in Comparative Examples 1 and 2, and no particular deterioration in cycle characteristics was observed. In addition, Examples 1-2 which used what compounded 8 titanate nanosheet and carbon material as an active material used the thing which mixed Comparative Examples 1-2 and 8 titanate nanosheet and carbon material. In comparison with Example 3, the discharge capacity was always high, and it was shown that the composite of the 8 titanate nanosheet and the carbon material can provide a higher capacity during high-speed charge / discharge.

実施例1〜3および比較例1〜2の電気化学素子用電極を用い、対極および参照極に金属Liを用いて構成したセルの高速充放電時での負荷特性を示す図である。It is a figure which shows the load characteristic at the time of the high-speed charge / discharge of the cell comprised using the electrode for electrochemical elements of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2, and using the metal Li for the counter electrode and the reference electrode. 実施例1〜3および比較例1〜2の電気化学素子用電極を用い、対極および参照極に金属Liを用いて構成したセルの高速充放電時でのサイクル特性を示す図である。It is a figure which shows the cycling characteristics at the time of the high-speed charge / discharge of the cell comprised using the electrode for electrochemical elements of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2, and using the metal Li for the counter electrode and the reference electrode.

Claims (6)

化学式がH2 Ti8 17・nH2 O(n=0〜2.0)で表される8チタン酸ナノシートと導電性を付与するための炭素材料とを少なくとも含むことを特徴とする電気化学素子用電極。 Electrochemistry characterized in that it contains at least an 8 titanate nanosheet represented by the chemical formula H 2 Ti 8 O 17 .nH 2 O (n = 0 to 2.0) and a carbon material for imparting conductivity. Element electrode. 化学式がH2 Ti8 17・nH2 O(n=0〜2.0)で表される8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体を活物質とすることを特徴とする電気化学素子用電極。 For an electrochemical device characterized in that a composite of 8 titanate nanosheets represented by the chemical formula H 2 Ti 8 O 17 .nH 2 O (n = 0 to 2.0) and a carbon material is used as an active material. electrode. 厚みが100nm以下の8チタン酸ナノシートを含むことを特徴とする請求項1または2記載の電気化学素子用電極。 The electrode for an electrochemical element according to claim 1, comprising an 8 titanate nanosheet having a thickness of 100 nm or less. 炭素材料が、人造黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、気相成長炭素繊維、非晶質炭素、炭素繊維、カーボンナノチューブおよびフラーレン類よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学素子用電極。 The carbon material includes at least one selected from the group consisting of artificial graphite, acetylene black, ketjen black, carbon black, vapor grown carbon fiber, amorphous carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerenes. The electrode for an electrochemical element according to any one of? 化学式がH2 Ti4 9 ・nH2 O(n=0〜2.0)で表される4チタン酸を層間剥離し、その層間剥離した4チタン酸を炭素材料と複合化して再構築したのちに金属集電体に圧着または塗布することにより集電体に密着させ、熱処理することによって4チタン酸を8チタン酸に変換することを特徴とする8チタン酸ナノシートと炭素材料との複合体を活物質とする電気化学素子用電極の製造方法。 4 titanic acid represented by the chemical formula H 2 Ti 4 O 9 .nH 2 O (n = 0 to 2.0) was delaminated, and the delaminated 4 titanic acid was combined with a carbon material and reconstructed. A composite of an 8 titanate nanosheet and a carbon material, wherein the 4 titanate is converted into 8 titanate by being bonded to the current collector by pressure bonding or coating and then heat-treated. For producing an electrode for an electrochemical element using a material as an active material. 請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学素子用電極を用いたことを特徴とする電気化学素子。 An electrochemical element using the electrode for an electrochemical element according to claim 1.
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