JP4906886B2 - 蓄電デバイス用複合電極、その製造方法及び蓄電デバイス - Google Patents
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Description
また、アモルファスの酸化物ウィスカーを形成し、電気化学的容量を発現させた電気化学キャパシタが提案されている(特許文献2参照。)。
更に、酸化タングステンウィスカー等を形成した基板を電極として用いたリチウムイオン二次電池が提案されている(特許文献3参照。)。
また、上記特許文献2に記載の電気化学キャパシタにおいては、単一組成のウィスカーを用いているため、容量と導電性の両立が難しいという問題点があった。
更に、上記特許文献3に記載のリチウムイオン電池における電極は、好適な性能を有するが、更なる高容量化について改善の余地があった。
そして、その結果、基材上に形成された所定のウィスカー又はファイバーの表面に所定の被覆層を形成することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
(1)タングステンとモリブデンの少なくとも1つを含む基材原料又はその前駆体を、酸化雰囲気中で加熱処理して、基材上に該ウィスカー又はファイバーを形成する工程
(2)上記工程(1)の後に実施され、上記ウィスカー又はファイバーの表面の少なくとも一部に、活物質を含む被覆層を電解析出法により形成する工程
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「主成分」とは、各部位における構成成分全量を基準として、50質量%以上含まれることをいう。
本実施形態の蓄電デバイス用複合電極は、基材と、該基材の表面に形成され、金属及び金属化合物のいずれか一方又は双方を含有するウィスカー又はファイバーと、該ウィスカー又はファイバーの表面に形成され、活物質を含有し、且つ表面に凹凸を有する被覆層とを有するものである。
また、被覆層としては、例えばウィスカー又はファイバーが複数形成されている場合に、隣接するウィスカー又はファイバーの表面に形成された被覆層同士の間に間隙を有していることが望ましい。つまり、ウィスカー又はファイバー同士の間の間隙を完全に埋めることなく被覆層が形成されていることが望ましい。
このような構成とすることにより、被覆層を有するウィスカー又はファイバー同士の間隙を電解質や溶媒分子がスムーズに移動でき、容量発現が妨げられず、より優れた応答性を発揮することができる。
また、表面に凹凸を有する被覆層は、一部の凸部が他の凸部や被覆層表面と接触していてもよい。この場合、表面に凹凸を有する被覆層は、多孔質な被覆層であるとも言える。
なお、ウィスカー及びファイバーはそれぞれを単独で又は組み合わせて適用することができる。
例えば、ウィスカー又はファイバーの表面に活物質からなる被覆層を形成した場合には、活物質量は必ず増加するが、増加分に見合った被覆層表面の増加がなければ高い容量や優れた応答性を十分に発揮することは難しく、ウィスカー等の表面に凹凸を有する被覆層を形成することによって、これらを達成することができる。
例えば電解液から電極表面への拡散ディメンジョンが高次であるもの、具体的には、平面状のものよりも線状(針状)、半球状、点状であるものであることが望ましい。また、被覆層内部の拡散距離が短いものであること、具体的には、微細凹凸は細いものであることが望ましい。更に、電極全体での抵抗減少させるもの、具体的には、集電体までの距離が短いもの、換言すれば一つの構造として長くないものであることが望ましい。
このように電極表面に微細凹凸が形成されていることで、例えば電解液中のイオン(例えばLi+)の拡散がスムーズとなり、更にウィスカー等により空間を効率よく使うことができるため、優れた応答性を示す空間充填構造となる。
表面に凹凸を有する被覆層を形成することにより、被覆層形成前に比べて表面積を例えば約3.3倍に増加させることは比較的容易である。
同等の表面積をウィスカーの形態制御(ウィスカーのアスペクト比制御)のみによって確保する場合には、例えば(1)ウィスカー長さを約3.3倍にすることや(2)ウィスカーの太さを約1/3.3にして、従来と同様に密生させることなどが考えられる。(1)の場合には、理論的には、ウィスカー1本当たりの抵抗が約3.3倍に増加し、(2)の場合には、理論的にはウィスカー1本当たりの抵抗が約10倍に増加することとなる。
しかしながら、被覆層を形成することにより表面積を増加させた場合には、ウィスカーの長さを長くする必要がなく、内部抵抗の増加量を低く抑えることが可能であるため、得られた電極は高い容量と優れた応答性を発現し得るものとなる。
なお、蓄電デバイス用複合電極の容量及び応答性は、基本的には、トレードオフの関係にあるが、被覆層の厚みや被覆層における活物質量により、蓄電デバイス用複合電極の容量及び応答性は適宜制御することができる。
このような構成とすることにより、例えば本発明が奏する効果を発揮することができるだけでなく、優れたサイクル特性を発揮することができる。
なお、被覆層を構成する材料の全てが活物質である必要はなく、例えば体積変化を調整する材料と混合させたり、導電材料と複合化させたりすることもできる。
このような構成とすることにより、特に導電性酸化物のウィスカーやファイバーとの密着性が向上するため、より優れた応答性や優れたサイクル特性を発揮することができる。
このような構成とすることにより、集電体としての役割を果たすだけでなく、例えばそれ自体も活物質として作用することが可能であり、また例えば被覆層として特に重要な酸化物活物質との界面密着性を向上させることが可能であり、複合電極としての内部抵抗を小さくすることができ、より優れた応答性を発揮することができる。
このような構成とすることにより、より優れた応答性を発揮することができる。
一方、ファイバーとしては、例えば平均径が0.01〜1μm、平均長さが1μm〜10cm程度のものを使用できる。
このような構成とすることにより、ウィスカーやファイバーと基材との密着性がより向上し、電気的な接触も向上するため、複合電極としての内部抵抗を小さくすることができ、より優れた応答性を発揮することができる。
また、セラミックスとしては、例えば窒化タングステン、炭化タングステン、ホウ化タングステン、窒化モリブデン、炭化モリブデン、ホウ化モリブデンなどを挙げることができる。
このような構成とすることにより、ウィスカーと基材との密着性を維持しながら、物理強度や導電性に優れた別の組成の材料を芯材として使用することができるため、複合電極としての内部抵抗を小さくすることができ、より優れた応答性を発揮することができる。また、物理強度を向上させることもできる。
なお、上記芯材としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル、ニオブ、モリブデン、白金、チタンなどの金属や酸化アルミニウム、酸化ケイ素などの高融点セラミックスなどを挙げることができる。
本実施形態の蓄電デバイス用複合電極の製造方法は、上述した蓄電デバイス用複合電極の製造方法の一実施形態であって、下記の工程(1)及び(2)を含む製造方法である。
(1)ウィスカー又はファイバーの構成金属を含む基材原料又はその前駆体を、酸化雰囲気中で加熱処理して、基材上に該ウィスカー又は該ファイバーを形成する工程
(2)上記工程(1)の後に実施され、上記ウィスカー又はファイバーの表面に活物質含有し且つ表面に凹凸を有する被覆層を形成する工程
基材として、ウィスカー又はファイバーの構成金属を含むものを用いることにより、均一なウィスカーの直接形成が可能であり、基材とウィスカーやファイバーの密着性を向上させることができる。
なお、「ウィスカー又はファイバーの構成金属を含む基材原料又はその前駆体」と記載したのは、基材原料などが加熱処理によって若干の組成変化する場合を考慮したものである。
これによって、安定した性能を発揮できる蓄電デバイス用複合電極を容易に得ることができる。
なお、被覆層の構成成分に応じて析出させる時間や電流密度は適宜調整することができる。例えば活物質としてバナジウム酸化物を含有し、且つ表面に凹凸を有する被覆層を形成する場合においては、電流密度を0.1〜100mA/cm2とした電解析出を行うことが望ましい。電流密度が非常に大きい場合、副反応の発生などにより被覆層の制御が困難になる上、表面性状が悪くなるため高速な充放電に向かないことがある。また、電流密度が低い場合は、析出に非常に大きな時間がかかり、望ましくない。析出時間は、電流密度にしたがって決めればよいが、6分間〜100時間の範囲にあることが好ましい。
本実施形態の蓄電デバイスは、上述した蓄電デバイス用複合電極と、電解質とを有するものである。
なお、蓄電デバイス用複合電極は、被覆層の組成(活物質の種類)により正極にも負極にも適用することができる。例えば、正極には高電位側で容量を発現する活物質を含む被覆層を有するものを、負極には低電位側で安定で容量を発現する活物質を含む被覆層を有するものを組み合わせることが望ましい。また、両極に同じ組成のものを使用することも可能である。
非水系電解液の具体例としては、有機系電解液やイオン液体などを挙げることができる。
このような構成とすることにより、セルの安全面やサイクル特性などの面で扱いやすいという利点がある。また、固体又はゲル状の電解質は、一般的には液体の電解質と比較してイオン伝導性が低いため、上述した優れた応答性を有する蓄電デバイス用複合電極との組み合わせによる利点が大きい。
固体又はゲル状の電解質の具体例としては、高分子系、ゲル系、固体酸などを挙げることができる。
タングステン金属平板を、酸素含有アルゴンガス気流中(酸素濃度:1体積%、流量:15cm3/分(1atm、25℃))、100℃まで加熱し、次いで、アルゴンガス気流中、昇温速度550℃/時で1100℃まで加熱し、更に、1100℃で2時間保持し、しかる後、室温まで冷却して、タングステン金属平板上にタングステン酸化物のウィスカーを形成した。なお、得られたタングステン金属平板上にタングステン酸化物のウィスカーが形成されたものを複合前電極という。複合前電極は、1cm×1cm、厚みが0.1mmであった。
得られた複合前電極の断面走査型電子顕微鏡(断面SEM)写真を図1(a)に、得られた複合前電極の上面走査型電子顕微鏡(上面SEM)写真を図1(b)に示す。
また、形成されたウィスカーをX線回折装置(XRD)で評価したところ、W18O49を主成分として含むことを確認した。また、形成されたウィスカーの平均長さは30μmであった。
本例の蓄電デバイス用複合電極の上面SEM写真を図2に示す。
実施例1で得られた複合前電極と、対極であるPtとを、1mol/L VOSO4水溶液のメッキ浴に浸し、電流密度5mA/cm2で1時間電析を行って、本例の蓄電デバイス用複合電極を得た。
本例の蓄電デバイス用複合電極の上面SEM写真を図3に示す。
実施例1で得られた複合前電極と、対極であるPtとを、1mol/L VOSO4水溶液のメッキ浴に浸し、電流密度10mA/cm2で0.5時間電析を行って、本例の蓄電デバイス用複合電極を得た。
本例の蓄電デバイス用複合電極の上面SEM写真を図4に示す。
上記実施例1〜3の蓄電デバイス用複合電極が試験極、リチウム箔が補助電極及び参照極であり、電解液がエチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=50:50(体積比)の割合で混合した溶媒に、1mol/Lの割合で過塩素酸リチウムを溶解させたものである三極式セルを用いて、充放電試験、及びサイクリックボルタンメトリー(CV)によって、各例の蓄電デバイス用複合電極の性能を評価した。
上記実施例1〜3の蓄電デバイス用複合電極のCV曲線を図5〜7に示す。
また、比較として、実施例1の蓄電デバイス用複合電極を実施例1で得られた複合前電極に替えた三極式セルを用いて、充放電試験、及びサイクリックボルタンメトリー(CV)によって、実施例1で得られた複合前電極の性能を評価した。
実施例1で得られた複合前電極のCV曲線を図8に示す。
一方、電析時の電流密度が低い場合、表面積は広がるが、固体内の拡散距離が伸びるために容量は維持しても高速充放電の特性が劣ると考えられる。
また、図5〜8より、本発明の範囲に属する実施例1〜3の蓄電デバイス用複合電極は、本発明外の実施例1で得られた複合前電極と比較して、表面積が増加しており、容量が向上していることが分かる。
実施例1〜3の蓄電デバイス用複合電極及び実施例1で得られた複合前電極を、リチウム箔が補助電極及び参照極であり、電解液がエチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=50:50(体積比)の割合で混合した溶媒に1mol/Lの割合で過塩素酸リチウムを溶解させたものである3極式セルを用いて、Cレート特性の評価を行った。なお、Cレートの定義は、それぞれ2.5mA/cm2で電析させたものについては1.03mA、5mA/cm2で電析させたものについては0.99mA、10mA/cm2で電析させたものについては0.91mAでの定電流充電(レート1C)とし、充電は常に1Cで行った。放電時の電流は充電時と同様の電流値を1Cと定義し、1Cの定電流放電から開始、放電後の緩和時間を3時間とし、サイクルごとに電流密度を増加させて定電流放電を繰り返し、レート増加時の容量変化を1Cでの容量を100%として評価した。
得られたレート特性結果を図9に示す。
また、実施例1〜3の蓄電デバイス用複合電極及び実施例1で得られた複合前電極のインピーダンスを、以下の条件下で測定した。即ち、補助電極及び参照極にはリチウム箔を用い、電解液にはエチレンカーボネート(EC):プロピレンカーボネート(PC)=50:50(体積比)の割合で混合した溶媒に濃度2mol/LとなるようにLiBF4を溶解させたものを用いて、開回路電圧(OCP)において、10mVの電位差を1M〜0.1Hzの周波数で与えた場合の交流インピーダンス法により評価した。
実施例1の蓄電デバイス用複合電極及び実施例1で得られた複合前電極について、得られた結果を図10に示す。
Claims (13)
- 基材と、
上記基材上に形成され、タングステン酸化物又はモリブデン酸化物から成るウィスカー又はファイバーと、
上記ウィスカー又はファイバーの表面の少なくとも一部に形成され、マンガン、ニッケル、インジウム、バナジウム、コバルト、チタン及びルテニウムから成る群より選ばれた少なくとも1つの酸化物を主成分として含有する活物質を含む被覆層と、
を備えており、
上記被覆層の表面に凹凸を有することを特徴とする蓄電デバイス用複合電極。 - 上記被覆層が、上記ウィスカー又はファイバーの上記表面に略全面に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 複数の上記ウィスカー又は複数の上記ファイバーを有し、隣接する上記ウィスカー又はファイバーの上記表面に形成された上記被覆層同士の間に間隙を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 上記被覆層形成前における単位体積当たりの上記活物質の表面積が、上記被覆層形成後における単位体積当たりの上記活物質の表面積より大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 上記被覆層形成後における内部抵抗の増加量が、上記被覆層形成前のウィスカー又はファイバーを被覆層形成時と同表面積とする形態制御後における内部抵抗の増加量より小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 上記ウィスカー又はファイバーがW 18 O 49 の構造を主成分として含むことを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 上記基材が、タングステンとモリブデンの少なくとも1つを含む合金とセラミックスの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 上記基材が、その表面に、タングステンとモリブデンの少なくとも1つを含む金属層を備えていることを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用複合電極。
- 請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の蓄電デバイス用複合電極と、電解質と、を備えていることを特徴とする蓄電デバイス。
- 上記電解質が、非水系電解液であることを特徴とする請求項9に記載の蓄電デバイス。
- 上記電解質が、固体又はゲル状体であることを特徴とする請求項9に記載の蓄電デバイス。
- 請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の蓄電デバイス用複合電極の製造方法であって、下記の工程(1)及び(2)
(1)タングステンとモリブデンの少なくとも1つを含む基材原料又はその前駆体を、酸化雰囲気中で加熱処理して、基材上に上記ウィスカー又はファイバーを形成する工程と、
(2)上記工程(1)の後に実施され、上記ウィスカー又はファイバーの表面の少なくとも一部に、活物質を含む被覆層を電解析出法により形成する工程と、
を含むことを特徴とする蓄電デバイス用複合電極の製造方法。 - 上記被覆層の表面には、針状の凹凸を有することを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用複合電極。
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