JP5877631B2 - Electrochemical capacitor - Google Patents

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本発明は、負極にチタン酸リチウムナノ粒子を用い、正極に分極性電極を用いた電気化学キャパシタに関する。   The present invention relates to an electrochemical capacitor using lithium titanate nanoparticles as a negative electrode and a polarizable electrode as a positive electrode.

従来より、電気化学素子負極用のリチウム吸蔵、放出活物質として、チタン酸リチウムが用いられている。また、結晶性の優れたチタン酸リチウム粒子を形成する方法として、湿式法(特許文献1参照)が知られているが、出力特性が十分でないといった問題点があった。   Conventionally, lithium titanate has been used as a lithium storage / release active material for electrochemical element negative electrodes. Further, a wet method (see Patent Document 1) is known as a method for forming lithium titanate particles having excellent crystallinity, but there is a problem that output characteristics are not sufficient.

そこで、本出願人等は、従来にない液相反応において反応を促進・制御する方法を提供し、さらにはこの反応方法を用いて作成したチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンを含有する電極を用いた電気化学キャパシタを提供することを目的として、特開2008−86009(特許文献2参照)を特許出願した。
特開2000−36441号公報 特開2008−86009号公報
Therefore, the present applicants provide a method for accelerating and controlling the reaction in an unprecedented liquid phase reaction, and further containing carbon in which lithium titanate nanoparticles prepared using this reaction method are highly dispersed and supported. For the purpose of providing an electrochemical capacitor using the electrode to be applied, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-86009 (see Patent Document 2) has been filed.
JP 2000-36441 A JP 2008-86009 A

しかしながら、上述したような先願の明細書に記載された電気化学キャパシタにおいて、さらに出力特性の良好で、寿命特性、すなわちサイクル特性の良好な電気化学キャパシタが求められており、本発明の目的は、この要求にこたえることのできる電気化学キャパシタ及びその製造方法を提供することにある。   However, in the electrochemical capacitor described in the specification of the prior application as described above, there is a demand for an electrochemical capacitor having further excellent output characteristics and excellent life characteristics, that is, cycle characteristics. An object of the present invention is to provide an electrochemical capacitor and a method for manufacturing the same that can meet this requirement.

前記の目的を達成するため、本発明の電気化学キャパシタは、タン酸リチウムナノ粒子が高分散坦持されたカーボンを含有する電極よりなる負極と、分極性電極よりなる正極と、ビニレンカーボネートを含む電解液と、を備える電気化学キャパシタであって、前記チタン酸リチウムナノ粒子は、結晶化してなり、複数の酸素欠損と、前記複数の酸素欠損の一部にドープされた窒素と、前記複数の酸素欠損の残りの部分であり、前記窒素の未ドープにより空き状態となることで形成される、リチウムイオンの吸脱着部と、を有すること、を特徴とする。 To achieve the above object, the electrochemical capacitor of the present invention, a negative electrode made of the electrode containing the carbon titanium lithium nanoparticles are highly dispersed carrying a positive electrode composed of a polarizable electrode, a vinylene carbonate an electrolytic solution containing, an electrochemical capacitor comprising a lithium titanate nanoparticles become crystallized, and a plurality of oxygen vacancies, doped in a part of said plurality of oxygen-deficient nitrogen, said plurality And a lithium ion adsorption / desorption portion formed by becoming empty due to undoped nitrogen.

前記カーボンが化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物とカーボンにずり応力と遠心力を加えて、化学反応を促進、制御させると同時に、生成物とカーボンを分散させる反応方法によって形成したことを特徴とする。   In the course of the chemical reaction of the carbon, a shearing stress and centrifugal force are applied to the reactant containing the reaction inhibitor and carbon in the swirling reactor to promote and control the chemical reaction, while at the same time dispersing the product and carbon. It was formed by the reaction method to be made.

前記カーボンが旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物を含む薄膜を生成し、この薄膜にずり応力と遠心力を加えて、化学反応を促進、制御させることを特徴とする反応方法によって形成したことを特徴とする。   A reaction method characterized by generating a thin film containing a reaction product containing a reaction inhibitor in a reactor in which the carbon rotates, and applying a shear stress and a centrifugal force to the thin film to promote and control a chemical reaction. It is formed.

前記反応器が、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔を備えるとともに、外筒の開口部にせき板を配置してなり、内筒の旋回による遠心力によって、内筒内の反応抑制剤を含む反応物を内筒の貫通孔を通じて外筒の内壁面に移動させ、外筒の内壁面に反応抑制剤を含む反応物を含む薄膜を生成させると共に、この薄膜にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進、制御させる反応方法であることを特徴とする。   The reactor comprises a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder, and has a through-hole on the side surface of the inner cylinder, and a slat plate is disposed at the opening of the outer cylinder, and by centrifugal force due to the turning of the inner cylinder, The reactant containing the reaction inhibitor in the inner cylinder is moved to the inner wall surface of the outer cylinder through the through hole of the inner cylinder, and a thin film containing the reactant containing the reaction inhibitor is formed on the inner wall surface of the outer cylinder. It is a reaction method in which a chemical reaction is promoted and controlled by applying a shear stress and a centrifugal force.

前記薄膜が、その厚さが5mm以下であることを特徴とする。   The thin film has a thickness of 5 mm or less.

前記反応器の内筒内の反応物に加えられる遠心力が、1500N(kgms-2)以上であることを特徴とする。 The centrifugal force applied to the reaction product in the inner cylinder of the reactor is 1500 N (kgms −2 ) or more.

前記化学反応が、金属塩の加水分解反応および/または縮合反応であることを特徴とする。   The chemical reaction is a hydrolysis reaction and / or a condensation reaction of a metal salt.

本発明によれば、酸素欠損を有し、窒素をドープしたチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンを含有する電極を負極に用いることによって、酸素欠損部がリチウムの吸脱着部となり、さらに窒素がドープすることで電気伝導度が高くなって、出力特性が向上し、またビニレンカーボネートが前記電極の表面に電解液との反応を抑制する安定的な皮膜を生成することによるものと思われるが、サイクル特性が向上する。このように、本願の構成によって、高出力特性を有し、さらにサイクル特性の良好な電気化学キャパシタを実現することができる。   According to the present invention, the oxygen-deficient portion becomes a lithium adsorption / desorption portion by using, as the negative electrode, an electrode containing carbon in which lithium titanate nanoparticles having oxygen deficiency and doped with nitrogen are highly dispersed and supported. Further, doping with nitrogen increases the electrical conductivity, improving the output characteristics, and vinylene carbonate seems to form a stable film that suppresses reaction with the electrolyte on the surface of the electrode. However, the cycle characteristics are improved. Thus, with the configuration of the present application, an electrochemical capacitor having high output characteristics and good cycle characteristics can be realized.

本発明のチタン酸リチウムナノ粒子とカーボンの複合体において、酸素欠損スピネル構造が存在することを示すグラフ。The graph which shows that the oxygen deficient spinel structure exists in the composite_body | complex of lithium titanate nanoparticle and carbon of this invention. 本発明のチタン酸リチウムナノ粒子とカーボンの複合体において、チタン−窒素結合が存在することを示すグラフ。The graph which shows that a titanium-nitrogen bond exists in the composite_body | complex of lithium titanate nanoparticle and carbon of this invention. 本発明の電気化学キャパシタのサイクル特性を示す図。The figure which shows the cycling characteristics of the electrochemical capacitor of this invention.

本発明を実施するための形態について、以下、説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

本発明で用いる負極を作製する反応方法は、本出願人等が先に特許出願した特許文献2に示した方法と同様のメカノケミカル反応であって、化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応物と反応抑制剤にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進、制御させ、その後窒素雰囲気中で加熱するものである。   The reaction method for producing the negative electrode used in the present invention is a mechanochemical reaction similar to the method shown in Patent Document 2 previously filed by the present applicant and the like, and in the reactor that rotates in the course of the chemical reaction. In this method, shear reaction and centrifugal force are applied to the reactant and reaction inhibitor to promote and control the chemical reaction, and then heated in a nitrogen atmosphere.

この反応方法は、特許文献2に示されるように、開口部にせき板を有する外筒と、貫通孔を有し旋回する内筒からなる反応器の内筒内部に反応物と反応抑制剤を投入し、内筒を旋回することによってその遠心力で内筒内部の反応物が内筒の貫通孔を通って外筒の内壁に移動する。この時反応物は内筒の遠心力によって外筒の内壁に衝突し、薄膜状となって内壁の上部へずり上がる。この状態では反応物には内壁との間のずり応力と内筒からの遠心力の双方が同時に加わり、薄膜状の反応物に大きな機械的エネルギーが加わることになる。この機械的なエネルギーが反応に必要な化学エネルギー、いわゆる活性化エネルギーに転化するものと思われるが、短時間で反応が進行し、チタン酸リチウムナノ粒子前駆体とカーボンの分散体を生成する。その後、窒素雰囲気で加熱することによって、カーボンの還元作用によって、チタン酸リチウムに酸素欠損が発生し、この欠損部に窒素がドープし、酸素欠損を有し、窒素をドープしたチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンを生成することができる。   In this reaction method, as shown in Patent Document 2, a reactant and a reaction inhibitor are placed inside an inner cylinder of a reactor which includes an outer cylinder having a claw plate at an opening and a rotating inner cylinder having a through hole. When the inner cylinder is turned and the inner cylinder is swung, the reactant inside the inner cylinder moves to the inner wall of the outer cylinder through the through hole of the inner cylinder by the centrifugal force. At this time, the reaction product collides with the inner wall of the outer cylinder by the centrifugal force of the inner cylinder, and forms a thin film and slides up to the upper part of the inner wall. In this state, both the shear stress between the inner wall and the centrifugal force from the inner cylinder are simultaneously applied to the reactant, and a large mechanical energy is applied to the thin-film reactant. This mechanical energy is considered to be converted into chemical energy necessary for the reaction, so-called activation energy, but the reaction proceeds in a short time to produce a dispersion of lithium titanate nanoparticle precursor and carbon. Thereafter, by heating in a nitrogen atmosphere, oxygen deficiency occurs in the lithium titanate due to the reducing action of carbon, and this deficient portion is doped with nitrogen, has oxygen deficiency, and is doped with nitrogen titanate lithium titanate nanoparticles Can be produced in a highly dispersed state.

この反応において、薄膜状であると反応物に加えられる機械的エネルギーは大きなものとなるため、薄膜の厚みは5mm以下、好ましくは2.5mm以下、さらに好ましくは1.0mm以下である。なお、薄膜の厚みはせき板の幅、反応液の量によって設定することができる。   In this reaction, since the mechanical energy applied to the reaction product is large when it is in the form of a thin film, the thickness of the thin film is 5 mm or less, preferably 2.5 mm or less, more preferably 1.0 mm or less. The thickness of the thin film can be set according to the width of the dam plate and the amount of the reaction solution.

この反応方法は、反応物に加えられるずり応力と遠心力の機械的エネルギーによって実現できるものと考えられるが、このずり応力と遠心力は内筒内の反応物に加えられる遠心力によって生じる。したがって、本発明に必要な内筒内の反応物に加えられる遠心力は1500N(kgms-2)以上、好ましくは60000N(kgms-2)以上、さらに好ましくは270000N(kgms-2)以上である。 This reaction method is considered to be realized by the mechanical energy of the shear stress and the centrifugal force applied to the reactant, and the shear stress and the centrifugal force are generated by the centrifugal force applied to the reactant in the inner cylinder. Thus, the centrifugal force applied to the reactants in the inner cylinder necessary for the present invention is 1500 N (kgms -2) or more, preferably 60000N (kgms -2) or more, more preferably 270000N (kgms -2) or more.

この反応方法においては、反応物にずり応力と遠心力の双方の機械的エネルギーが同時に加えられることによって、このエネルギーが化学エネルギーに転化することによるものと思われるが、従来にない速度で化学反応を促進させることができる。   In this reaction method, mechanical energy of both shear stress and centrifugal force is applied to the reactant at the same time, which seems to be due to the conversion of this energy into chemical energy. Can be promoted.

本発明に係るチタン酸リチウムナノ粒子の反応物としては、例えば、チタンアルコキシドなどのチタン源、酢酸リチウムなどのリチウム源を出発原料として使用し、反応過程で所定のカーボンを加えることによって、前記メカノケミカル反応により、チタン酸リチウムナノ粒子の前駆体とカーボンの分散体を生成する。このカーボンを窒素雰囲気中で加熱することにより、5〜20nmの酸素欠損を有し窒素がドープされた本発明のチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンが生成される。チタン源としてはチタンアルコキシド、リチウム源としては酢酸リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、水酸化リチウム等をあげることができる。   As the reactant of the lithium titanate nanoparticles according to the present invention, for example, a titanium source such as titanium alkoxide or a lithium source such as lithium acetate is used as a starting material, and a predetermined carbon is added in the reaction process, whereby the mechano A chemical reaction produces a dispersion of lithium titanate nanoparticles precursor and carbon. By heating this carbon in a nitrogen atmosphere, carbon in which the lithium titanate nanoparticles of the present invention having 5 to 20 nm of oxygen vacancies and doped with nitrogen are highly dispersed and supported is generated. Examples of the titanium source include titanium alkoxide, and examples of the lithium source include lithium acetate, lithium nitrate, lithium carbonate, and lithium hydroxide.

すなわち、反応器の内筒の内部に金属塩と上記の反応抑制剤と所定のカーボンを投入して、内筒を旋回して金属塩と上記の反応抑制剤とカーボンを混合、分散する。さらに内筒を旋回させながら水酸化ナトリウムなどの触媒を投入して加水分解、縮合反応を進行させ、チタン酸リチウム前駆体を生成すると共に、このチタン酸リチウム前駆体とカーボンを分散状態で、混合する。反応終了と共にチタン酸リチウムナノ粒子の前駆体とカーボンの分散体を生成することができ、さらに窒素雰囲気中で加熱することによって、酸素欠損を有し窒素がドープされたチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンを形成することができる。   That is, a metal salt, the above reaction inhibitor, and a predetermined carbon are introduced into the inner cylinder of the reactor, and the inner cylinder is rotated to mix and disperse the metal salt, the above reaction inhibitor, and carbon. Further, while turning the inner cylinder, a catalyst such as sodium hydroxide is added to proceed with hydrolysis and condensation reaction to produce a lithium titanate precursor, and this lithium titanate precursor and carbon are mixed in a dispersed state. To do. Upon completion of the reaction, a lithium titanate nanoparticle precursor and a dispersion of carbon can be produced. Further, by heating in a nitrogen atmosphere, the lithium titanate nanoparticles doped with nitrogen having oxygen deficiency can be increased. Dispersed and supported carbon can be formed.

ここで用いるカーボンとしては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、無定形炭素、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、メソポーラス炭素等を挙げることができ、これらの複合材を用いることもできる。   Examples of the carbon used here include carbon blacks such as ketjen black and acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, amorphous carbon, carbon fibers, natural graphite, artificial graphite, activated carbon, mesoporous carbon, and the like. Composite materials can also be used.

溶媒としては、アルコール類、水、これらの混合溶媒を用いることができる。例えば、酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解した混合溶媒を使用することができる。   As the solvent, alcohols, water, or a mixed solvent thereof can be used. For example, a mixed solvent in which acetic acid and lithium acetate are dissolved in a mixture of isopropanol and water can be used.

特許文献2に記載のように、前記メカノケミカル反応を適用する所定のチタン源に、反応抑制剤として該チタン源と錯体を形成する所定の化合物を添加することができる。これにより、化学反応が促進しすぎるのを抑制して制御することができる。   As described in Patent Document 2, a predetermined compound that forms a complex with the titanium source can be added as a reaction inhibitor to a predetermined titanium source to which the mechanochemical reaction is applied. Thereby, it can suppress and control that a chemical reaction promotes too much.

すなわち、チタン源に、これと錯体を形成する酢酸等の所定の化合物をチタン源1モルに対して、1〜3モル添加して錯体を形成することにより、反応を抑制、制御することができることが分かった。なお、この反応によって生成されるのは、チタン酸リチウムナノ粒子の前駆体である、リチウムと酸化チタンの複合体のナノ粒子であり、これを焼成することにより、チタン酸リチウムの結晶が得られる。   That is, the reaction can be suppressed and controlled by adding 1 to 3 mol of a predetermined compound such as acetic acid forming a complex with the titanium source to 1 mol of the titanium source to form a complex. I understood. It is to be noted that the lithium titanate nanoparticle precursor, which is a precursor of lithium titanate nanoparticles, is produced by this reaction, and a lithium titanate crystal is obtained by firing this. .

このように、反応抑制剤として酢酸等の所定の化合物を添加することにより、化学反応が促進しすぎるのを抑制することができるのは、酢酸等の所定の化合物がチタン源と安定な錯体を形成するためであると考えられる。   Thus, by adding a predetermined compound such as acetic acid as a reaction inhibitor, the chemical reaction can be prevented from being promoted too much because the predetermined compound such as acetic acid can form a stable complex with the titanium source. It is thought that it is for forming.

チタン源と錯体を形成することができる物質としては、酢酸の他、クエン酸、蓚酸、ギ酸、乳酸、酒石酸、フマル酸、コハク酸、プロピオン酸、レプリン酸等のカルボン酸、EDTA等のアミノポリカルボン酸、トリエタノールアミン等のアミノアルコールに代表される錯化剤が挙げられる。   Substances that can form complexes with the titanium source include acetic acid, citric acid, succinic acid, formic acid, lactic acid, tartaric acid, fumaric acid, succinic acid, propionic acid, amino acids such as repric acid, and aminopolyesters such as EDTA. Examples include complexing agents represented by amino alcohols such as carboxylic acid and triethanolamine.

本発明は、チタン酸リチウムナノ粒子の前駆体とカーボンの分散体を窒素雰囲気中で加熱することによって、酸素欠損が生じて、このサイトにリチウムが吸蔵、脱離するので、容量、出力特性が向上し、さらにこの酸素欠損のサイトに窒素がドープして、チタン酸リチウムの電気伝導性が向上し、出力特性が向上するというメカニズムによるものと考えられる。   In the present invention, when a lithium titanate nanoparticle precursor and a carbon dispersion are heated in a nitrogen atmosphere, oxygen deficiency occurs, and lithium is occluded and desorbed at this site. It is thought that this is due to a mechanism in which the oxygen deficient site is doped with nitrogen, the electrical conductivity of lithium titanate is improved, and the output characteristics are improved.

得られたチタン酸リチウムナノ粒子の前駆体の焼成工程において、室温から700〜900℃まで急熱することによって、チタン酸リチウムの結晶化が良好に進行することが分かった。この温度未満では良好な結晶化の進行が得られず、この温度を越えると相転移によって、エネルギー貯蔵特性の良好なチタン酸リチウムが得られない。   It was found that crystallization of lithium titanate proceeds well by rapid heating from room temperature to 700 to 900 ° C. in the step of firing the precursor of the obtained lithium titanate nanoparticles. Below this temperature, good progress of crystallization cannot be obtained, and when this temperature is exceeded, lithium titanate with good energy storage characteristics cannot be obtained due to phase transition.

本発明により得られたチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンは、バインダーと混錬、成型し、電気化学素子の電極、すなわち電気エネルギー貯蔵用電極とすることができ、その電極は高出力特性、高容量特性を示す。   The carbon in which the lithium titanate nanoparticles obtained by the present invention are highly dispersed and supported can be kneaded and molded with a binder to form an electrode of an electrochemical element, that is, an electrode for storing electrical energy. Shows output characteristics and high capacity characteristics.

本発明の電気化学キャパシタは、以上のようにして形成した電極を負極として用い、正極として分極性電極を用い、ビニレンカーボネートを含む電解液を用いて形成する。   The electrochemical capacitor of the present invention is formed using the electrode formed as described above as a negative electrode, a polarizable electrode as a positive electrode, and an electrolyte containing vinylene carbonate.

負極は、前記のチタン酸リチウムナノ粒子を高分散担持させたカーボンとバインダーを混合し、混練した後シート状に成形し、これを集電体に接合して形成する。バインダーとしてポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等を用いる。また、カーボンとバインダーの混合液をドクターブレード法等によって集電体上に塗工し、乾燥したものを用いてもよい。   The negative electrode is formed by mixing carbon kneaded with the above-mentioned lithium titanate nanoparticles in a highly dispersed manner and a binder, kneading the mixture, forming it into a sheet, and bonding it to a current collector. Polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene or the like is used as the binder. Alternatively, a mixture of carbon and binder coated on a current collector by a doctor blade method or the like and dried may be used.

正極として用いる分極性電極は、活性炭粉末と導電材との混合物にバインダーを混合し、混練した後シート状に成形し、これを集電体に接合して形成する。バインダーとしてポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等を用いる。また、活性炭粉末と導電材粉末とバインダーの混合液をドクターブレード法等によって集電体上に塗工し、乾燥したものを用いてもよい。活性炭としては、やしがら、フェノール樹脂、石油コークス等が挙げられ、また活性炭原料の賦活方法としては水蒸気賦活法、溶融アルカリ賦活法等が挙げられる。導電材としては導電性のカーボンブラックまたは黒鉛を挙げることができる。   The polarizable electrode used as the positive electrode is formed by mixing a binder with a mixture of activated carbon powder and a conductive material, kneading, forming into a sheet, and bonding this to a current collector. Polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene or the like is used as the binder. Alternatively, a mixture of activated carbon powder, conductive material powder and binder coated on a current collector by a doctor blade method or the like and dried may be used. Examples of the activated carbon include palm, phenol resin, petroleum coke and the like, and examples of the activated carbon raw material activation method include a steam activation method and a molten alkali activation method. Examples of the conductive material include conductive carbon black or graphite.

電解液にはリチウム塩を用いるが、用いるリチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiN(SOCF、LiN(SO、CFSOLi、LiC(SOCF、およびLiPF(Cからなる群から選ばれる1種以上を用いることができる。 Lithium salt is used for the electrolytic solution. As the lithium salt to be used, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , CF 3 SO 3 Li One or more selected from the group consisting of LiC (SO 2 CF 3 ) 3 and LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 can be used.

電解液に用いる四級アンモニウム塩としては、カチオンとしてテトラエチルアンモニウム、テトラエチルメチルアンモニウム等を挙げることができ、アニオンとしてBF4 -、PF6 -、ClO4 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、またはRfSO3 -、(RfSO22-、RfCO2 -(Rfは炭素数1〜8のフルオロアルキル基)等を挙げることができる。 Examples of the quaternary ammonium salt used in the electrolytic solution include tetraethylammonium, tetraethylmethylammonium and the like as cations, and BF 4 , PF 6 , ClO 4 , AsF 6 , SbF 6 and AlCl 4 as anions. -, or RfSO 3 -, (RfSO 2) 2 N -, RfCO 2 - (Rf is a fluoroalkyl group having 1 to 8 carbon atoms), and the like.

電解液に用いる溶媒としては、以下に挙げるものが用いられる。なお、これらの溶媒はそれぞれ単独で使用してもよく、2種以上混合して使用してもよい。例えば、プロピレンカーボネート、プロピレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート、エチレンカーボネート誘導体、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジオキソラン、リン酸トリエステル、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、1,3−プロパンスルトン、4,5−ジヒドロピラン誘導体、ニトロベンゼン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン誘導体、シドノン化合物、アセトニトリル、ニトロメタン、アルコキシエタン、トルエン等を用いることができる。   Examples of the solvent used in the electrolytic solution include those listed below. These solvents may be used alone or in combination of two or more. For example, propylene carbonate, propylene carbonate derivative, ethylene carbonate, ethylene carbonate derivative, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, dimethyl sulfoxide, sulfolane, formamide, dimethylformamide, dimethyl Acetamide, dioxolane, phosphate triester, maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, 1,3-propane sultone, 4,5-dihydropyran derivative, nitrobenzene, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran derivatives, It can be used non-compound, acetonitrile, nitromethane, alkoxy ethane, and toluene.

(電極材1)
チタンアルコキシド1モルに対して、酢酸1.8モル、酢酸リチウム1モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、ケッチェンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、商品名:ケッチェンブラックEC600JD、空隙率78Vol.%、一次粒子径34nm、平均二次粒径337.8nm)を旋回反応器内に投入し、66,000N(kgms-2)の遠心力で5分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したケッチェンブラックを得た。
(Electrode material 1)
A mixed solvent was prepared by dissolving acetic acid and lithium acetate in an amount of 1.8 mol of acetic acid and 1 mol of lithium acetate in a mixture of isopropanol and water with respect to 1 mol of titanium alkoxide. This mixed solvent, titanium alkoxide, isopropyl alcohol, ketjen black (manufactured by ketjen black international, trade name: ketjen black EC600JD, porosity 78 Vol.%, Primary particle size 34 nm, average secondary particle size 337.8 nm) Into the swirl reactor, and the inner cylinder is swirled with a centrifugal force of 66,000 N (kgms -2 ) for 5 minutes to form a thin film of the reactant on the inner wall of the outer cylinder. A chemical reaction was promoted by applying centrifugal force to obtain Ketjen Black carrying a highly dispersed lithium titanate precursor.

得られたチタン酸リチウムの前駆体を高分散担持させたケッチェンブラックを、真空中において80℃で17時間乾燥することにより、チタン酸リチウムの前駆体がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。   The obtained Ketjen black carrying a highly dispersed lithium titanate precursor was dried at 80 ° C. for 17 hours in a vacuum to obtain a composite in which the lithium titanate precursor was carried highly dispersed by Ketjen black. A body powder was obtained.

得られたチタン酸リチウムの前駆体がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を、窒素雰囲気中で800℃まで急速加熱してリチウムを含有するチタン酸化物の結晶化を進行させ、チタン酸リチウムのナノ粒子がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。   The obtained composite powder in which the precursor of lithium titanate is highly dispersed and supported on ketjen black is rapidly heated to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere to promote crystallization of lithium-containing titanium oxide. A composite powder in which lithium acid nanoparticles were highly dispersed and supported on ketjen black was obtained.

(電極材2)
電極材1において、窒素雰囲気中で800℃まで急速加熱にかえて、真空中で800℃まで急速加熱して、同様にチタン酸リチウムのナノ粒子がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。
(Electrode material 2)
In the electrode material 1, instead of rapid heating to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, rapid heating to 800 ° C. in a vacuum is performed, and similarly, a composite powder in which lithium titanate nanoparticles are highly dispersed and supported on ketjen black Got.

以上の複合体粉末のXPS_O 1s、XPS_N 1sの分析結果を図1、図2に示す。なお、従来のチタン酸リチウムの焼結体の分析結果を加えてしめす。このXPS_O 1sの分析結果によれば、電極材1では酸素欠損に由来するスペクトルを示すO 1s結合エネルギーのピーク533〜534eVが確認され、電極材2においては、通常の酸化物に由来するスペクトルを示す結合エネルギーのピーク530eVが確認される。また、このXPS_N 1sの分析結果によれば、電極材1では、Ti−N結合を示すN 1s結合エネルギーのピーク396eVが検知されており、窒素がドープしていることが確認される。一方、電極材2では、396eVではN1s結合エネルギーのピークは確認されず、Ti−N結合が存在しない、すなわち窒素ドープが行われていないことが確認される。 The analysis results of XPS_O 1s and XPS_N 1s of the above composite powder are shown in FIGS. In addition, the analysis result of the conventional sintered body of lithium titanate is added and shown. According to the XPS_O 1s analysis results, the electrode material 1 has O 1s binding energy peaks 533 to 534 eV indicating a spectrum derived from oxygen deficiency, and the electrode material 2 has a spectrum derived from a normal oxide. A peak 530 eV of binding energy shown is confirmed. Further, according to the XPS_N 1s analysis result, in the electrode material 1, a peak 396 eV of N 1s bond energy indicating Ti—N bond is detected, and it is confirmed that nitrogen is doped. On the other hand, in the electrode material 2, the peak of N1s bond energy is not confirmed at 3 96 eV, and it is confirmed that no Ti—N bond exists, that is, nitrogen doping is not performed.

(実施例)
上記のようにして得られた電極材1、9重量部と、1重量部のPVDF(ポリフッ化ビニリデン)バインダーと、導電性材料としてカーボンナノファイバー(昭和電工製、VGCF−S)1重量部とを混練し、圧延してシートを形成した。このシートを真空乾燥後、銅箔に接合し、負極とした。
(Example)
1, 9 parts by weight of the electrode material obtained as described above, 1 part by weight of PVDF (polyvinylidene fluoride) binder, and 1 part by weight of carbon nanofiber (VGCF-S, manufactured by Showa Denko) as a conductive material Were kneaded and rolled to form a sheet. This sheet was vacuum dried and then joined to a copper foil to obtain a negative electrode.

また、活性炭(クラレケミカル社製、YP−17)8重量部と、1重量部のPTFEバインダー(ポリテトラフルオロエチレン)、導電性材料としてケッチェンブラック1重量部とを混練し、圧延してシートを形成した。このシートを真空乾燥後、アルミニウム箔に接合し、正極とした。   Also, 8 parts by weight of activated carbon (manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., YP-17), 1 part by weight of PTFE binder (polytetrafluoroethylene), and 1 part by weight of ketjen black as a conductive material are kneaded, rolled and sheeted Formed. This sheet was vacuum dried and then joined to an aluminum foil to form a positive electrode.

これらの電極を、電解液として1wt%のビニレンカーボネートを含有する1MLiBF4、プロピレンカーボネート溶液を注入したビーカーに、セルロース系のセパレータを介して、対向させて電気化学キャパシタセルを作製した。 These electrodes were made to face each other through a cellulosic separator in a beaker into which 1 M LiBF 4 containing 1 wt% vinylene carbonate as an electrolytic solution and a propylene carbonate solution were injected to produce an electrochemical capacitor cell.

(比較例1)
実施例において、電解液にビニレンカーボネートを含有させなかった以外は実施例と同様にして電気化学キャパシタセルを作製した。
(Comparative Example 1)
In the example, an electrochemical capacitor cell was produced in the same manner as in the example except that vinylene carbonate was not included in the electrolytic solution.

(比較例2)
比較例1において、電極材1にかえて電極材2を用いた以外は比較例1と同様にして電気化学キャパシタセルを作製した。
(Comparative Example 2)
An electrochemical capacitor cell was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the electrode material 2 was used instead of the electrode material 1 in Comparative Example 1.

以上の電気化学キャパシタセルについて、レート特性を測定した。400Cでの容量維持率は実施例、比較例1は20%であり、比較例2は10%であった。以上のように実施例は比較例2より出力特性は良好である。   The rate characteristics of the above electrochemical capacitor cell were measured. The capacity retention rate at 400 C was 20% in Example and Comparative Example 1, and 10% in Comparative Example 2. As described above, the output characteristics of the example are better than those of the comparative example 2.

ついで、実施例、比較例1のサイクル特性を行った。結果を図1に示す。図1からわかるように、実施例は比較例2よりサイクル特性は良好である。以上のように、本願の電気化学キャパシタは出力特性が良好で、さらにサイクル特性が良好であり、本願の効果が明らかである。   Next, the cycle characteristics of Example and Comparative Example 1 were performed. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 1, the example has better cycle characteristics than Comparative Example 2. As described above, the electrochemical capacitor of the present application has good output characteristics, and further has good cycle characteristics, and the effects of the present application are clear.

Claims (1)

タン酸リチウムナノ粒子が高分散坦持されたカーボンを含有する電極よりなる負極と、
分極性電極よりなる正極と、
ビニレンカーボネートを含む電解液と、
を備える電気化学キャパシタであって、
前記チタン酸リチウムナノ粒子は、結晶化してなり、
複数の酸素欠損と、
前記複数の酸素欠損の一部にドープされた窒素と、
前記複数の酸素欠損の残りの部分であり、前記窒素の未ドープにより空き状態となることで形成される、リチウムイオンの吸脱着部と、
を有すること、
を特徴とする電気化学キャパシタ。
A negative electrode made of the electrode containing the carbon titanium lithium nanoparticles are highly dispersed carrying,
A positive electrode comprising a polarizable electrode;
An electrolyte containing vinylene carbonate ;
An electrochemical capacitor comprising:
The lithium titanate nanoparticles are crystallized,
Multiple oxygen deficiencies,
Nitrogen doped into some of the plurality of oxygen vacancies;
The remaining part of the plurality of oxygen vacancies, formed by becoming unoccupied by undoped nitrogen, and lithium ion adsorption / desorption portion;
Having
An electrochemical capacitor characterized by .
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