JP6449555B2 - Electrochemical capacitor - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオンキャパシタに代表される電気化学キャパシタに関する。 The present invention relates to an electrochemical capacitor typified by a lithium ion capacitor.
近年、キャパシタは高容量かつ高寿命が求められている。リチウムイオンキャパシタは負極の放電深度を浅くすることや、分極性の正極を使用することで、電池と比較して長寿命を実現できる。しかし、電池と同様に、上限電圧ばかりではなく下限電圧も設定されている。電池と同様に、上限電圧は電解液の電位窓の限界を考慮して定められる。他方、下限電圧はリチウムイオンキャパシタ固有の劣化に関連する。リチウムイオンキャパシタは、正極及び負極の両方において炭素が使用される。このため、リチウムイオン二次電池において生じる負極でのリチウムインターカレート反応が、リチウムイオンキャパシタでは、正極および副部材で起こる。このことが、前記劣化に関連する。 In recent years, capacitors have been required to have a high capacity and a long life. Lithium ion capacitors can achieve a longer life than batteries by reducing the discharge depth of the negative electrode or using a polarizable positive electrode. However, like the battery, not only the upper limit voltage but also the lower limit voltage is set. Similar to the battery, the upper limit voltage is determined in consideration of the limit of the potential window of the electrolyte. On the other hand, the lower limit voltage is related to the inherent degradation of the lithium ion capacitor. Lithium ion capacitors use carbon in both the positive and negative electrodes. For this reason, the lithium intercalation reaction at the negative electrode occurring in the lithium ion secondary battery occurs at the positive electrode and the sub member in the lithium ion capacitor. This is related to the deterioration.
特許文献1の発明では、正極にグラファイトが含まれる。通常の使用時には問題ないが、リチウム基準で2.0V以下で異常使用をした場合には、リチウムイオン存在下では、グラファイトはリチウムイオン電池と同様に電極表面での副反応が起こる。このため、グラファイトの種類によってはガス発生による充放電特性の劣化につながる可能性がある。 In the invention of Patent Document 1, the positive electrode contains graphite. There is no problem during normal use, but when abnormal use is performed at 2.0 V or less on the basis of lithium, in the presence of lithium ions, graphite undergoes a side reaction on the electrode surface in the same manner as lithium ion batteries. For this reason, depending on the type of graphite, it may lead to deterioration of charge / discharge characteristics due to gas generation.
特許文献2の発明では、リチウムイオンが負極にインターカレート(ドーピング)される際の副反応を制御するために、無機材料を負極表面に被覆している。しかし、無機材料は電子伝導性が乏しいため、材料間の電子伝導が阻害されて特性が低下する可能性がある。
In the invention of
上記を鑑みて、本発明は、出力特性を高めつつ、低電圧下における劣化を抑制し得るリチウムイオンキャパシタ等の電気化学デバイスの提供を課題とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide an electrochemical device such as a lithium ion capacitor that can suppress deterioration under a low voltage while improving output characteristics.
本発明者らが鋭意検討した結果、以下の内容の本発明を完成した。
本発明で提供される電気化学デバイスは、正負両極とその間に介在するイオン伝導媒体とを備える。正極は分極性電極からなる。この分極性電極には導電性助剤が含まれる。導電性助剤は、黒鉛構造をもつ炭素材料とリチウムとからなる。前記リチウムは前記炭素材料の中にドープされている。正極には好ましくは0.1〜5wt%の導電性助剤が含まれる。導電性助剤の全重量に占める、ドープされた前記リチウムの割合は好ましくは0.1wt%以上である。負極は炭素材料を有し、この炭素材料はリチウムイオンが脱挿入し得る材料である。光電子分光装置(XPS)による50μm以下の微小範囲の分析における前記正極表面の酸素濃度が3mol%以上である。
As a result of intensive studies by the present inventors, the present invention having the following contents was completed.
The electrochemical device provided by the present invention includes both positive and negative electrodes and an ion conducting medium interposed therebetween. The positive electrode consists of a polarizable electrode. This polarizable electrode contains a conductive aid. The conductive auxiliary agent is composed of a carbon material having a graphite structure and lithium. The lithium is doped in the carbon material. The positive electrode preferably contains 0.1 to 5 wt% of a conductive aid. The proportion of the doped lithium in the total weight of the conductive aid is preferably 0.1 wt% or more. The negative electrode has a carbon material, and the carbon material is a material from which lithium ions can be inserted and removed. The oxygen concentration on the surface of the positive electrode in an analysis in a minute range of 50 μm or less by a photoelectron spectrometer (XPS) is 3 mol% or more.
本発明によれば、正極にはグラファイトなどの黒鉛構造をもつ炭素材料が含有されているため、電子伝導に優れ良好な出力特性を示す。また、前記炭素材料にあらかじめリチウムがドーピングされているためセル電圧が異常に低下して正極電位が低くなった場合においても、電解液と前記炭素材料が反応して表面に分解物が堆積して抵抗が高くなったり、ガス発生により内圧が上昇することがないため長期使用が可能となる。 According to the present invention, since the positive electrode contains a carbon material having a graphite structure such as graphite, it exhibits excellent electron conduction and excellent output characteristics. In addition, since the carbon material is preliminarily doped with lithium, even when the cell voltage is abnormally lowered and the positive electrode potential is lowered, the electrolytic solution reacts with the carbon material to deposit decomposition products on the surface. Since resistance does not increase and the internal pressure does not increase due to gas generation, it can be used for a long time.
以下、図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the illustrated embodiment, and in the drawings, the characteristic portions of the invention may be emphasized and expressed, so that the accuracy of the scale is not necessarily guaranteed in each part of the drawings. Not.
本発明によれば、電気化学デバイスは、電解液の電気化学反応を利用するデバイスであり、その種類は特に限定されず、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、レドックスキャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどが挙げられる。以下、リチウムイオンキャパシタの例を主として記載するが、本発明は他の電気化学デバイスにも適用可能である。 According to the present invention, the electrochemical device is a device that uses an electrochemical reaction of an electrolytic solution, and the type thereof is not particularly limited, and examples thereof include an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, a redox capacitor, and a hybrid capacitor. . Hereinafter, although the example of a lithium ion capacitor is mainly described, this invention is applicable also to another electrochemical device.
リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオンを含有した電解質を含む非水系電解液を使用する蓄電素子であって、正極においては電気二重層キャパシタと同様の陰イオンまたは陽イオンの吸着・脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン電池と同様のリチウムイオンの吸蔵・放出によるファラデー反応によって充放電を行う電気化学デバイスである。リチウムイオンキャパシタは、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応による充放電を行うことによって、優れた出力特 性と高いエネルギー密度を両立することができる。 A lithium ion capacitor is a power storage element that uses a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte containing lithium ions, and in the positive electrode, a non-Faraday reaction by adsorption / desorption of anions or cations similar to an electric double layer capacitor, In the negative electrode, it is an electrochemical device that charges and discharges by a Faraday reaction by insertion and extraction of lithium ions, similar to a lithium ion battery. A lithium ion capacitor can achieve both excellent output characteristics and high energy density by performing charge and discharge by a non-Faraday reaction at the positive electrode and a Faraday reaction at the negative electrode.
本発明の電気化学デバイスは、正負両極とその間に介在するイオン伝導媒体とを備える。正極は分極性電極からなる。分極性電極は、電位を印加しても電流が流れない電位範囲がとれる電極であり、白金電極、金電極、カーボン電極、活性炭などをバインダで結合させてなる電極などが例示される。本発明では、従来公知の分極性電極を特に制限なく用いることができる。 The electrochemical device of the present invention includes both positive and negative electrodes and an ion conducting medium interposed therebetween. The positive electrode consists of a polarizable electrode. The polarizable electrode is an electrode that can take a potential range in which no current flows even when a potential is applied. Examples thereof include an electrode formed by bonding a platinum electrode, a gold electrode, a carbon electrode, activated carbon, and the like with a binder. In the present invention, a conventionally known polarizable electrode can be used without particular limitation.
正極としての分極性電極には、黒鉛構造をもつ炭素材料が含まれる。黒鉛構造を微視的にみると、炭素原子は強固な共有結合を形成してなる層状構造を構成し、層間は弱いファンデルワールス結合によって結ばれている。より詳細には、黒鉛構造は、炭素の4個の価電子の内、3個がSP2混成軌道を形成し、層状の六角網面を形成している。残り1個の荷電子はπ電子であり、前記六角網面に垂直に配向して面間のファンデルワールス結合を形成している。黒鉛構造をもつ炭素材料として、天然黒鉛、人造黒鉛、グラフェンが例示される。 The polarizable electrode as the positive electrode includes a carbon material having a graphite structure. When the graphite structure is viewed microscopically, carbon atoms form a layered structure formed by forming strong covalent bonds, and the layers are connected by weak van der Waals bonds. More specifically, in the graphite structure, three of the four valence electrons of carbon form SP 2 hybrid orbitals and form a layered hexagonal network surface. The remaining one valence electron is a π-electron and is oriented perpendicular to the hexagonal network surface to form a van der Waals bond between the surfaces. Examples of the carbon material having a graphite structure include natural graphite, artificial graphite, and graphene.
黒鉛構造をもつ炭素材料にはリチウムがドープされている。図1は正極の微視的構造の模式図である。図1の態様では、バインダ4で結合された活性炭1が基板としてのアルミニウム箔5に塗布されることにより、分極性電極が形成されている。正極には黒鉛構造をもつ炭素材料3と、この炭素材料3にドープされたリチウム2も含まれる。炭素材料3とその中にドープされたリチウム2とが導電性助剤を構成する。
The carbon material having a graphite structure is doped with lithium. FIG. 1 is a schematic diagram of a microscopic structure of a positive electrode. In the embodiment shown in FIG. 1, a polarizable electrode is formed by applying activated carbon 1 bound by a binder 4 to an aluminum foil 5 as a substrate. The positive electrode includes a carbon material 3 having a graphite structure and
導電性助剤の全重量に占めるドープされたリチウムの割合は、好ましくは0.1wt%以上であり、より好ましくは0.1〜0.5wt%である。ドープされた前記リチウムの重量割合は、以下のようにICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)により測定することができる。あらかじめ重量を測定したグラファイトを燃焼させて残留物を純水に溶解させる。溶液をICP発行分析法により含有量を測定する。含有量から溶液に含まれるリチウム量を測定し、グラファイトにドープされていたリチウムのドープ量とする。グラファイトはあらかじめ純水洗浄することで表面に付着したリチウムを除去することが可能となるため、ドープされたリチウムを正しく測定することが可能となる。 The proportion of doped lithium in the total weight of the conductive aid is preferably 0.1 wt% or more, more preferably 0.1 to 0.5 wt%. The weight percentage of the doped lithium can be measured by ICP emission spectroscopy (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) as follows. The graphite whose weight has been measured in advance is burned to dissolve the residue in pure water. The content of the solution is measured by ICP issue analysis. The amount of lithium contained in the solution is measured from the content, and is defined as the amount of lithium doped in the graphite. Since graphite can remove lithium adhering to the surface by washing with pure water in advance, doped lithium can be measured correctly.
正極全重量に占める導電性助剤の割合は、好ましくは0.1〜5wt%である。前記範囲であると、電子伝導の優れた向上効果が発現しやすく、良好な出力特性を呈する電気化学デバイスが得られやすくなる。導電性助剤の重量割合は、以下のようにX線回折により測定することができる。分極性電極に使用される活性炭は一般的に結晶性が低い炭素材料が使用される。一方、導電助剤に使用される炭素材料としてカーボンブラックと呼ばれる結晶性の低い不定形炭素と結晶性の高いグラファイトが挙げられる。本発明に使用されるグラファイトは結晶性が高いため、X線回折装置によりグラファイト固有の002回折線により含有量を定量できる。グラファイトの種類により関連する回折線のピークと強度比が異なることがあるため、その他、グラファイト特有の004回折線や110回折線との比率を確認することでグラファイトの種類を特定した上で分析することで電極中に含まれるグラファイトの含有量を適切に測定することが可能となる。 The ratio of the conductive auxiliary agent to the total weight of the positive electrode is preferably 0.1 to 5 wt%. Within the above range, an excellent improvement effect of electronic conduction is likely to be exhibited, and an electrochemical device exhibiting good output characteristics is easily obtained. The weight ratio of the conductive auxiliary agent can be measured by X-ray diffraction as follows. As the activated carbon used for the polarizable electrode, a carbon material having low crystallinity is generally used. On the other hand, examples of the carbon material used for the conductive additive include amorphous carbon having low crystallinity called carbon black and graphite having high crystallinity. Since the graphite used in the present invention has high crystallinity, the content can be quantified with an 002 diffraction line unique to graphite by an X-ray diffractometer. Since the peak and intensity ratio of the related diffraction line may differ depending on the type of graphite, the analysis is performed after identifying the type of graphite by confirming the ratio with the 004 diffraction line and 110 diffraction line peculiar to graphite. This makes it possible to appropriately measure the content of graphite contained in the electrode.
炭素材料3へのリチウム2のドープの形態については特に限定は無く、使用時にリチウム2が炭素材料3から離脱しない程度の結びつきが存在していればよい。リチウム2を炭素材料3へドープさせる方法については特に限定は無く、水分を含まぬ媒体中で炭素材料3とリチウム2とを混合・攪拌することなどが例示される。このほか、リチウムのドーピングに関する従来技術を適宜参照することができる。
There is no particular limitation on the form of doping of the carbon material 3 with the
本発明者らは、リチウムのドープの程度が、グラファイト表面の酸素濃度に反映されることを新たに見出した。本発明のように、炭素材料3に所望量のリチウム2をドープさせると、グラファイトの表面の酸素濃度が10mol%以上、好ましくは12〜20mol%になる。他方、リチウムをドープさせない従来の電極においては、不所望にリチウムが電極に混入することがあったとしても、この場合は、正極の大部分を占める活性炭表面の酸素濃度は高々2mol%程度にまで達するのみであり、本発明のような10mol%には遠く及ばない。換言すると、炭素材料3に所望量のリチウム2を意図的にドープしようとしない限り、偶然には、グラファイト表面の酸素濃度は決して10mol%以上はならない。活性炭とグラファイトとを混合して電極化した場合においてもリチウムをドープしたグラファイトの影響を受けて正極表面の酸素濃度は高くなるが正極の大部分を占有する活性炭とグラファイトの比率からすると正極表面全体へ酸素濃度への影響は小さい。電極の極狭い範囲の微小分析を繰り返し測定することでその影響を評価することが可能となる。電極化したときの酸素濃度は、後述するXPSの微小分析を実施して3%以上になることが必要であり、好ましくは3〜5%である。3%未満の場合、グラファイト含有量が少ないまたはリチウムドープ率が低いため、本発明の効果が見られない。5%を大きく超える場合は、グラファイト含有率が高いため、活性炭含有量が低くエネルギー密度が低くなる。また、ドーピング処理量が多いため処理過程で形成する不純物が堆積して反応を阻害する可能性がある。
The present inventors have newly found that the degree of lithium doping is reflected in the oxygen concentration on the graphite surface. If the carbon material 3 is doped with a desired amount of
正極の炭素材料3にリチウム2をドープすることと、正極表面の酸素濃度との関係については、メカニズムは必ずしも明確ではないが、概ね、以下のように推察される。水分を含まない溶媒にグラファイトとリチウムを共存させることによりドーピングが進む。リチウムは酸素と結合しやすい性質があるため、リチウムが炭素内にドーピングされる過程で炭素内にリチウムが挿入されるとともに空気中に酸素を炭素表面に結合させると考えられる。一方、デバイス化された場合は素子が外気に触れることがないためドーピング過程で炭素表面の酸素量が増加することはない。
Although the mechanism of the relationship between doping the carbon material 3 of the
正極表面の酸素濃度を高めるためには、例えば、リチウムのドープ量を増やしたり、リチウムがドープされた炭素材料の正極への重量割合を増やすことなどが挙げられ、正極表面の酸素濃度を低くするためには、前記と逆の方法が挙げられる。正極表面の酸素濃度は酸素を含まない雰囲気下において光電子分光装置(XPS)によって測定する。具体的な測定方法は以下のとおりである。酸素濃度5ppm以下としたアルゴンガスを充填したグローブボックス中でデバイスを分解して正極を取り出す。取り出した正極をデバイスで使用していた電解液と同じ溶媒で洗浄する。このとき洗浄溶媒として水分量20ppm以下の溶媒を使用する。洗浄した正極は室温で減圧乾燥する。乾燥した正極を測定装置の試料台に固定し、大気に触れることなく装置に導入可能な専用の容器に封止して装置に導入する。装置をあらかじめ水分および酸素がない状態としてアルゴンガスを充填してから測定する。測定範囲を0.1mm以下にすることで、平均的には活性炭の酸素濃度である3mol%以下の酸素濃度を示すがグラファイトを多く含む領域においては3mol%以上の高い値を示す。測定範囲をφ50μmとして20点測定した最大値を測定することでグラファイトにリチウムイオンがドープされていることが確認できる。定性的な手法であるがエネルギー分散形X線分光器(Energy Dispersive X-ray Spectrometer:EDS)を使用することで正極中のグラファイトの酸素濃度が高いことが分析可能である。 In order to increase the oxygen concentration on the positive electrode surface, for example, the amount of lithium doped can be increased, or the weight ratio of the lithium-doped carbon material to the positive electrode can be increased to lower the oxygen concentration on the positive electrode surface. For this purpose, the reverse method to the above is mentioned. The oxygen concentration on the positive electrode surface is measured by a photoelectron spectrometer (XPS) in an atmosphere containing no oxygen. The specific measurement method is as follows. The device is disassembled in a glove box filled with argon gas with an oxygen concentration of 5 ppm or less, and the positive electrode is taken out. The extracted positive electrode is washed with the same solvent as the electrolyte used in the device. At this time, a solvent having a water content of 20 ppm or less is used as a cleaning solvent. The washed positive electrode is dried under reduced pressure at room temperature. The dried positive electrode is fixed to the sample stage of the measuring apparatus, sealed in a special container that can be introduced into the apparatus without being exposed to the atmosphere, and introduced into the apparatus. The measurement is carried out after the apparatus is preliminarily filled with argon gas without water and oxygen. By setting the measurement range to 0.1 mm or less, an oxygen concentration of 3 mol% or less, which is the oxygen concentration of activated carbon, is shown on average, but a high value of 3 mol% or more is shown in a region containing a large amount of graphite. It can be confirmed that the graphite is doped with lithium ions by measuring the maximum value measured at 20 points with a measurement range of φ50 μm. Although it is a qualitative technique, it is possible to analyze that the oxygen concentration of graphite in the positive electrode is high by using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS).
負極はリチウムイオンが脱挿入し得る炭素材料を含む。そのような炭素材料として、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン等が例示される。 The negative electrode includes a carbon material from which lithium ions can be inserted and removed. Examples of such a carbon material include graphite, hard carbon, and soft carbon.
上述したリチウム2の炭素材料3へのドープにより、有機溶媒中での正極の電位が好ましくは1.8〜2.7Vになる。このときの基準となる電極は、ニッケル網にリチウムを貼り付けてなる電極である。
By doping the carbon material 3 with
負極については、リチウムイオンが脱挿入し得る炭素材料を含んでいればよく、その他の成分、負極全体の構成、製造方法などについては従来の電極構造を適宜参照してもよく、また、具体的な製造例として後述の実施例を参照することもできる。負極全体に占める、リチウムイオンが脱挿入し得る炭素材料の割合は好ましくは80wt%以上であり、より好ましくは90〜99wt%である。 The negative electrode only needs to contain a carbon material from which lithium ions can be inserted and removed. For other components, the overall configuration of the negative electrode, the manufacturing method, etc., the conventional electrode structure may be referred to as appropriate. Examples described later can also be referred to as examples of production. The ratio of the carbon material from which lithium ions can be desorbed / inserted in the entire negative electrode is preferably 80 wt% or more, and more preferably 90 to 99 wt%.
電気化学デバイスは、上述する正負両極と、これら両極間に介在するイオン伝導媒体とを備える。図2は、電気化学デバイスの模式構成図である。図2の形態では、正極10と負極20との間にセパレータ30が挟まれている。イオン伝導媒体は正極10と負極20との間に介在する電解液や、電解液を含浸させたセパレータなどが例示される。
The electrochemical device includes the above-described positive and negative electrodes and an ion conductive medium interposed between these electrodes. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an electrochemical device. In the form of FIG. 2, a
電解液の構成は電気化学デバイスにおける従来技術を適宜参照することができ、電解液における電解質は、例えば、LiN(SO2C2F5)2、LiBF4、LiPF6を挙げることができる。これらの電解質を溶解する非水系電解液の溶媒としては、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)に代表される環状炭酸エステル、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(MEC)に代表される鎖状炭酸エステル、γ−ブチロラクトン(γBL)などのラクトン類、及びこれらの混合溶媒を挙げることができる。 The structure of the electrolytic solution can refer to the prior art in electrochemical devices as appropriate, and examples of the electrolyte in the electrolytic solution include LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiBF 4 , and LiPF 6 . Examples of the non-aqueous electrolyte solution for dissolving these electrolytes include cyclic carbonates represented by ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate ( Examples thereof include chain carbonates represented by MEC), lactones such as γ-butyrolactone (γBL), and mixed solvents thereof.
本発明において、特記していない各構成については、電気化学デバイスにおける従来技術を適宜参照することができる。例えば、正負各電極の集電体の構成、電極のパッケージング、発生した電流を取り出す手段などは、本発明では特に限定されない。 In the present invention, for each component not specifically mentioned, the prior art in electrochemical devices can be referred to as appropriate. For example, the configuration of the current collector for each of the positive and negative electrodes, the packaging of the electrodes, and a means for taking out the generated current are not particularly limited in the present invention.
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は実施例の態様に限定される訳ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the embodiments.
[リチウムのドープ]
平均粒径10μmのグラファイトを準備した。100℃以上の温度でこのグラファイトを12時間乾燥した。水分を除去した電解液にて、乾燥後のグラファイト10gとリチウム0.015gとを混合し攪拌した。これにより、リチウムがグラファイト中にドーピングされた。用いた電解液はヘキサフルオロリン酸リチウム1mol/L溶液であり、その溶媒は、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との1:2(体積比)混合物である。リチウムがすべて消失した後に密閉した状態で12時間保持した。その後、フィルターでろ過することによりグラファイトを回収し、これをエタノール、次いで、純水で洗浄した。純水での洗浄は洗液のpHが9以下となるまで繰り返した。純粋による洗浄の終了後、フィルターでろ過して100℃の減圧乾燥を12時間実施した。これにより、リチウムをドープした乾燥状態のグラファイトを得た。上述の測定方法により、原料として用いたリチウムは一部がグラファイト中にドープされたことを確認した。10gのグラファイトに0.01gのリチウムがドープされたのを確認した。ドープ量は0.1wt%であった。
[Lithium dope]
Graphite with an average particle size of 10 μm was prepared. The graphite was dried at a temperature of 100 ° C. or higher for 12 hours. In the electrolytic solution from which moisture was removed, 10 g of dried graphite and 0.015 g of lithium were mixed and stirred. Thereby, lithium was doped in the graphite. The electrolyte used was a 1 mol / L lithium hexafluorophosphate solution, and the solvent was a 1: 2 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC). After all the lithium had disappeared, it was kept in a sealed state for 12 hours. Thereafter, the graphite was recovered by filtration through a filter, and this was washed with ethanol and then with pure water. Washing with pure water was repeated until the pH of the washing solution was 9 or less. After completion of washing with pure, the mixture was filtered through a filter and dried at 100 ° C. under reduced pressure for 12 hours. As a result, dry graphite doped with lithium was obtained. It was confirmed by the above measurement method that a part of lithium used as a raw material was doped in graphite. It was confirmed that 10 g of graphite was doped with 0.01 g of lithium. The dope amount was 0.1 wt%.
[正極の電圧]
上記処理により得られた、リチウムをドープしたグラファイト(100重量部)と、PTFE(10重量部)とを混練してシート化して、アルミ箔に配置した(作用極)。これとは別に、ニッケル網にリチウムを貼り付けて基準となるリチウム極を作成した(Li極)。作用極とLi極とを、リチウムのドーピングの際に用いたものと同組成の電解液に浸漬して電圧を測定した。その結果、作用極の電圧が1.8Vであることを確認した。
[Positive voltage]
Lithium-doped graphite (100 parts by weight) obtained by the above treatment and PTFE (10 parts by weight) were kneaded to form a sheet and placed on an aluminum foil (working electrode). Separately, lithium was attached to a nickel net to create a reference lithium electrode (Li electrode). The working electrode and the Li electrode were immersed in an electrolytic solution having the same composition as that used for lithium doping, and the voltage was measured. As a result, it was confirmed that the working electrode voltage was 1.8V.
[電気デバイスの製造と評価]
正極:活性炭(90重量部)、カルボキシメチルセルロース(CMC)(3重量部)、スチレンブタジエンゴム(SBR)(3重量部)、アセチレンブラック(AB)(3重量部)、上記にて調製した、リチウムドープされたグラファイト(1重量部)を純水中で混合し、スラリーを得た。このスラリーをアルミ箔に塗布して乾燥させることにより、厚さ0.1mmの電極を形成した。この電極(正極)に集電のためのアルミリボンを溶接した。
[Manufacture and evaluation of electrical devices]
Positive electrode: activated carbon (90 parts by weight), carboxymethyl cellulose (CMC) (3 parts by weight), styrene butadiene rubber (SBR) (3 parts by weight), acetylene black (AB) (3 parts by weight), lithium prepared above Doped graphite (1 part by weight) was mixed in pure water to obtain a slurry. The slurry was applied to an aluminum foil and dried to form an electrode having a thickness of 0.1 mm. An aluminum ribbon for current collection was welded to this electrode (positive electrode).
負極:グラファイト(95重量部)、CMC(2重量部)、SBR(3重量部)を純水中で混合し、スラリーを得た。このスラリーを銅箔に塗布して乾燥させることにより、厚さ0.03mmの板状体を形成した。この板状体に、リチウム箔をポリプロピレン製ローラーで伸ばしてから貼り付けることにより、負極を形成した。リチウム箔の重量は、グラファイト1gあたり0.08gとし、負極面積の20%以上をリチウム箔が占めるようにした。この負極に集電のためのニッケルリボンを溶接した。 Negative electrode: Graphite (95 parts by weight), CMC (2 parts by weight), and SBR (3 parts by weight) were mixed in pure water to obtain a slurry. The slurry was applied to a copper foil and dried to form a plate-like body having a thickness of 0.03 mm. A negative electrode was formed by sticking a lithium foil to the plate-like body after extending it with a polypropylene roller. The weight of the lithium foil was 0.08 g per 1 g of graphite, and the lithium foil occupied 20% or more of the negative electrode area. A nickel ribbon for current collection was welded to the negative electrode.
セパレータとしての電解紙を、上記正極と負極との間に介在させて、素子を構成した。作成した素子の3辺を熱融着し、残りの1辺から電解液を注液して封止した。厚さ1mmのPP板で封止後の素子を挟んで固定することにより、実施例1の電気デバイスを得た。電解液の溶媒は炭酸エチレン(EC)と炭酸エチルメチル(EMC)との1:2(体積比)混合溶媒であり、この溶媒にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで溶解させた。
他の実施例・比較例については、正極に用いる炭素材料(グラファイト)の量および前記炭素材料へのリチウムのドープ量(wt%)を表1記載のように変更して各電気デバイスを得た。負極表面の酸素濃度は上述した測定方法にて求めた。製造条件を表1にまとめる。例えば、実施例1では、上述したように電圧が1.8Vとなるようにリチウムをドープしたグラファイトと活性炭とを混合することにより、表1記載のように電極電位が2.5Vのものを得た。
An element was configured by interposing an electrolytic paper as a separator between the positive electrode and the negative electrode. Three sides of the prepared element were heat-sealed, and an electrolyte solution was injected from the remaining one side and sealed. An electric device of Example 1 was obtained by fixing the sealed element with a PP plate having a thickness of 1 mm. The solvent of the electrolyte is a 1: 2 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC), and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved at a concentration of 1 mol / L in this solvent. I let you.
For other examples and comparative examples, the amount of carbon material (graphite) used for the positive electrode and the amount of lithium doped into the carbon material (wt%) were changed as shown in Table 1 to obtain each electric device. . The oxygen concentration on the negative electrode surface was determined by the measurement method described above. The manufacturing conditions are summarized in Table 1. For example, in Example 1, as described above, by mixing graphite doped with lithium and activated carbon so that the voltage becomes 1.8 V, an electrode potential of 2.5 V as shown in Table 1 is obtained. It was.
[評価]
各電子デバイスについて、作成直後の抵抗値と電池容量を測定し、これらを初期特性であると評価した。各電子デバイスを2週間室温で放置した。その後、各電圧にて過放電させて電気デバイスの膨れを目視にて評価した。また、25Cの出力を測定した。測定結果を表2にまとめる。表2の「初期特性」および「25Cの出力」においては、実施例1における結果を100%であるとして、他の実施例・比較例の結果を相対値で記載する。なお、「出力」は単位時間あたりに放電できる電流値である。
[Evaluation]
About each electronic device, the resistance value and battery capacity immediately after preparation were measured, and these were evaluated as initial characteristics. Each electronic device was left at room temperature for 2 weeks. Thereafter, overdischarge was performed at each voltage, and the swelling of the electric device was visually evaluated. Moreover, the output of 25C was measured. The measurement results are summarized in Table 2. In "Initial characteristics" and "Output of 25C" in Table 2, the results in Example 1 are 100%, and the results of other examples and comparative examples are described as relative values. The “output” is a current value that can be discharged per unit time.
1 活性炭 2 リチウム 3 炭素材料
4 バインダ 5 アルミニウム箔
10 正極 20 負極 30 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
リチウムイオンが脱挿入し得る炭素材料を有する負極、及び
前記正極と負極との間に介在するイオン伝導媒体、を備え、
光電子分光装置(XPS)による50μm以下の微小範囲の分析における前記正極表面の酸素濃度が3mol%以上であり、
前記導電性助剤が正極全重量の0.2〜3wt%を占める、電気化学デバイス。 A positive electrode comprising a polarizable electrode containing a conductive auxiliary comprising a carbon material having a graphite structure and lithium doped in the carbon material;
A negative electrode having a carbon material from which lithium ions can be removed and inserted, and an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The oxygen concentration on the surface of the positive electrode in the analysis of a minute range of 50 μm or less by a photoelectron spectrometer (XPS) is 3 mol% or more,
An electrochemical device in which the conductive auxiliary agent accounts for 0.2 to 3 wt% of the total weight of the positive electrode.
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