JP6736833B2 - Non-aqueous electrolyte storage element - Google Patents
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Description
本発明は、正極にアニオン、負極にカチオンを挿入乃至脱離する非水電解液蓄電素子に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte storage element in which an anion is inserted into a positive electrode and a cation is inserted into or released from a negative electrode.
近年、携帯機器の小型化、高性能化に伴い高いエネルギー密度を持つ非水電解液蓄電素子の特性が向上し、普及しており、より大容量で安全性に優れた非水電解液蓄電素子の開発も進められ、電気自動車等への搭載も始まっている。 In recent years, with the miniaturization and higher performance of mobile devices, the characteristics of non-aqueous electrolyte storage elements with high energy density have been improved and are becoming widespread. Is being developed, and it is being installed in electric vehicles.
このような非水電解液蓄電素子としては、リチウムコバルト複合酸化物等の正極と、炭素の負極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液とからなり、充電時には、正極中のリチウムが脱離して負極の炭素に挿入され、放電時には負極に挿入されたリチウムが脱離して正極の複合酸化物に戻ることにより充放電されるリチウムイオン二次電池が多く使用されている。 Such a non-aqueous electrolyte storage element is composed of a positive electrode such as a lithium cobalt composite oxide, a carbon negative electrode, and a non-aqueous electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent. Lithium ion secondary batteries are often used in which lithium is desorbed and inserted into the carbon of the negative electrode, and during discharge, the lithium inserted in the negative electrode is desorbed and returns to the composite oxide of the positive electrode to be charged and discharged. ..
一方、蓄電素子がハイブリット自動車等に使用される場合には、瞬時に大電流の出力が可能であることが必須であり、さらには回生エネルギーで充電できることが望ましく、エネルギー密度よりも高速充放電特性が重要となってくるため、化学反応を必要とせず高速で充放電可能な電気二重層キャパシタが使用されている。しかし、リチウムイオン蓄電素子と比較すると、エネルギー密度は数10分の1であり十分な容量を確保するためには重い蓄電素子が必要となり、自動車に積載した場合には燃費向上を妨げていた。 On the other hand, when the power storage device is used in a hybrid vehicle, it is essential that a large current can be instantaneously output, and it is desirable that the power storage device can be charged with regenerative energy. Therefore, an electric double layer capacitor that does not require a chemical reaction and can be charged and discharged at high speed is used. However, compared with the lithium-ion power storage element, the energy density is several tenths, and a heavy power storage element is required to secure a sufficient capacity, which hinders improvement of fuel consumption when loaded in an automobile.
エネルギー密度が高く、高速充放電に適した蓄電素子として、導電性高分子、炭素材料等を正極に用い、炭素等の負極と、非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液とからなり、充電時には、非水電解液中のアニオンが正極へ、カチオンが負極へ挿入し、放電時には、正極、および、負極に挿入されたアニオン、及び、カチオンが電解液中へ脱離することにより充放電が行われる、いわゆるデュアルインターカレーションタイプの非水電解液蓄電素子の実用化が期待されている。 As a power storage element having a high energy density and suitable for high-speed charging/discharging, a conductive polymer, a carbon material or the like is used as a positive electrode, a negative electrode such as carbon, and a non-aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent. When charging, the anions in the non-aqueous electrolyte are inserted into the positive electrode and the cations are inserted into the negative electrode, and during discharge, the anions and cations inserted in the positive electrode and the negative electrode are desorbed into the electrolytic solution. It is expected that a so-called dual intercalation type non-aqueous electrolyte storage element, which is charged and discharged by means of the above, will be put to practical use.
リチウム塩としてLiPF6を使用した場合には、下記反応式に示すように、非水電解液中から正極にPF6 −が挿入され、負極にLi+が挿入されることにより充電が行われ、正極からPF6 −、負極からLi+が非水電解液へ脱離することにより放電が行われる。 When LiPF 6 is used as the lithium salt, as shown in the following reaction formula, PF 6 − is inserted into the positive electrode and Li + is inserted into the negative electrode from the nonaqueous electrolytic solution, whereby charging is performed. Discharge is performed by desorbing PF 6 − from the positive electrode and Li + from the negative electrode into the nonaqueous electrolytic solution.
アニオンを吸蔵・放出する活物質としては、特許文献1〜3のように黒鉛を用いた場合が知られている。
正極活物質として黒鉛を用いた場合には、特許文献1(特許第4392169号公報)記載のように充電終止電圧リチウム参照極に対して5.3〜5.6Vとすることにより、高容量の二次電池が得られることが知られている。特許文献2(特許第4314087号公報)には、ホウ素化黒鉛を用いることによりサイクル特性の優れた二次電池が得られる旨記載され、特許文献3(特許第4569126号公報)には、高速放電特性を得るための特に負極として、金属リチウム、又はBET法比表面積が0.5m2/g〜25.0m2/gで、粒径1μm〜100μmの炭素質材料を用いることが開示されている
しかし、本発明者らの検討によれば、正極に黒鉛を用いた場合、容量を十分に高めることができない。
It is known that graphite is used as an active material that stores and releases anions, as in Patent Documents 1 to 3.
When graphite is used as the positive electrode active material, as described in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4392169), the end-of-charge voltage is set to 5.3 to 5.6 V with respect to the lithium reference electrode, thereby increasing the capacity. It is known that a secondary battery can be obtained. Patent Document 2 (Japanese Patent No. 4314087) describes that a secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained by using borated graphite, and Patent Document 3 (Japanese Patent No. 4569126) discloses high-speed discharge. particularly negative for obtaining the properties, metallic lithium, or BET specific surface area of at 0.5m 2 /g~25.0m 2 / g, it is disclosed that the use of carbonaceous material having a particle size 1μm~100μm However, according to the studies by the present inventors, when graphite is used for the positive electrode, the capacity cannot be sufficiently increased.
特許文献4のWO2008−123606号公報には、植物由来の材料を800゜C乃至1400゜Cにて炭素化した後、酸又はアルカリで処理する植物由来の材料を原料とした多孔質炭素材料の製造方法により、ケイ素の含有率が10重量%以上である植物由来の材料を原料とし電極用多孔質炭素材料を得ることができる旨記載されているが、この技術は、燃料電池に関するものであって、二次電池に関するものではなく、また、得られる多孔質炭素材料は、窒素BET法による比表面積の値が10m2/g、細孔の容積が0.1cm3/gという貧多孔質のものである。
特許文献5のWO2011−065484号公報には、比表面積が200〜3000m2/gでの炭素多孔質材料を電極に用いてなる電気二重層キャパシタを有する電池が記載されているが、この技術も、窒素含有炭素材料が燃料電池のEDLC用電極材料としてより適しているとの認識による、燃料電池に関するものであって、二次電池に関するものではなく、また、メラミン樹脂の原料であるメラミンモノマーは、熱処理によって昇華するため、直接、窒素含有多孔質炭素材料の原料とすることができず、容易に窒素含有多孔質炭素材料を製造することが難しかった点の克服を主眼とするものであるにすぎない。
WO 2008-123606 of Patent Document 4 discloses a porous carbon material using a plant-derived material as a raw material, which is obtained by carbonizing the plant-derived material at 800°C to 1400°C and then treating it with an acid or an alkali. It is described that a porous carbon material for an electrode can be obtained from a plant-derived material having a silicon content of 10% by weight or more as a raw material by the manufacturing method, but this technique relates to a fuel cell. It does not relate to secondary batteries, and the obtained porous carbon material is a poorly porous carbon material having a specific surface area by nitrogen BET method of 10 m2/g and a pore volume of 0.1 cm3/g. is there.
WO 2011-065484 of Patent Document 5 describes a battery having an electric double layer capacitor in which a carbon porous material having a specific surface area of 200 to 3000 m 2 /g is used for an electrode, but this technique is also used. The melamine monomer, which is a raw material of the melamine resin, is related to the fuel cell, not to the secondary battery, based on the recognition that the nitrogen-containing carbon material is more suitable as the electrode material for EDLC of the fuel cell. Since it is sublimated by heat treatment, it cannot be directly used as a raw material of the nitrogen-containing porous carbon material, and it is intended to overcome the difficulty of easily producing the nitrogen-containing porous carbon material. Only.
本発明は、上記従来技術に鑑みて、高いエネルギー密度を有する非水電解液蓄電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above prior art, and an object thereof is to provide a non-aqueous electrolyte storage element having a high energy density.
前記課題を解決するための手段としては、以下のとおりである。即ち、前記本発明の目的は、つぎの(1)に記載の「非水電解液蓄電素子」によって解決される。
(1)「 アニオンを挿入乃至脱離可能な正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水溶媒、ハロゲン原子を含む電解質塩、及びハロゲン原子を含むアニオンを結合可能な部位を有する化合物を含有する非水電解液と、を有する非水電解液蓄電素子であって、前記正極活物質に用いる炭素活物質が、三次元網目構造の連通した孔径2nm以上のメソ孔を有する非晶質の多孔質炭素であることを特徴とする非水電解液蓄電素子」。
The means for solving the above problems are as follows. That is, the above-mentioned object of the present invention is solved by the “non-aqueous electrolyte storage element” described in (1) below.
(1) “A positive electrode containing a positive electrode active material capable of inserting or releasing anions, a negative electrode containing a negative electrode active material, a non-aqueous solvent, an electrolyte salt containing a halogen atom, and a site capable of binding an anion containing a halogen atom. And a non-aqueous electrolyte solution containing a compound having ##STR3## wherein the carbon active material used as the positive electrode active material has continuous mesopores having a three-dimensional network structure and having a pore diameter of 2 nm or more. A non-aqueous electrolyte storage element characterized by being amorphous porous carbon".
以下の詳細かつ具体的な説明から明らかなように、本発明によれば、(1)黒鉛以上の比容量を有することのできる蓄電素子を提供でき、(2)正極へのアニオンの挿入を利用することができ高容量の蓄電素子を提供でき、(3)高濃度の電解液が使用可能であり、セルのエネルギー密度を高めることができる。 As will be apparent from the detailed and specific description below, according to the present invention, it is possible to provide (1) an electricity storage device having a specific capacity equal to or higher than that of graphite, and (2) use insertion of anions into a positive electrode. It is possible to provide a high-capacity electricity storage element, (3) a high-concentration electrolyte solution can be used, and the energy density of the cell can be increased.
以下、本発明を詳細に説明する。本発明は、上記(1)に記載の構成を有する「非水電解液蓄電素子」に係るものであるが、この「非水電解液蓄電素子」は、以降の詳細な説明から理解されるように、つぎの(2)〜(4)に記載される態様の「非水電解液蓄電素子」をも包含するので、これらについても併せて詳細に説明する。
(2)「 前記多孔質炭素のBET比表面積の値が500〜2000m2/g、メソ孔直径の値が2〜200nm、ミクロ孔容積が0.01〜1.00mL/gである前記(1)に記載の非水電解液蓄電素子。」
(3)「 前記負極活物質も炭素質材料からなりである両極炭素二次電池であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の非水電解液蓄電素子。」
(4)「 前記正極活物質に用いる炭素活物質が、PF6 ̄イオンをインターカレーションするものであることを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1に記載の非水電解液蓄電素子。」
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present invention relates to the “non-aqueous electrolyte storage element” having the configuration described in (1) above, but this “non-aqueous electrolyte storage element” will be understood from the detailed description below. In addition, since the "non-aqueous electrolyte storage element" of the embodiments described in (2) to (4) below is also included, these will also be described in detail.
(2) “The porous carbon has a BET specific surface area value of 500 to 2000 m 2 /g, a mesopore diameter value of 2 to 200 nm, and a micropore volume of 0.01 to 1.00 mL/g. The non-aqueous electrolyte storage element described in (1).
(3) "The non-aqueous electrolyte storage element according to (1) or (2) above, wherein the negative electrode active material is also a bipolar carbon secondary battery made of a carbonaceous material."
(4) "The non-aqueous electrolysis according to any one of (1) to (3), wherein the carbon active material used for the positive electrode active material is one that intercalates PF 6 ions. Liquid storage element."
[非水電解液蓄電素子の構成]
(1.正極)
前記正極は、正極蓄電物質(正極活物質等)を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極集電体上に正極活物質を有する正極材を備えた正極、などが挙げられる。
前記正極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状、などが挙げられる。
[Configuration of non-aqueous electrolyte storage element]
(1. Positive electrode)
The positive electrode is not particularly limited as long as it contains a positive electrode electricity storage material (such as a positive electrode active material), and can be appropriately selected according to the purpose. For example, a positive electrode material having a positive electrode active material on a positive electrode current collector is used. A positive electrode provided therewith and the like can be mentioned.
The shape of the positive electrode is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a flat plate shape.
(1−1.正極材)
前記正極材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極活物質を少なくとも含み、更に必要に応じて導電助剤、バインダ、増粘剤、などを含んでなる。
(1-1. Positive electrode material)
The positive electrode material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, the positive electrode material may include at least a positive electrode active material, and further may include a conductive additive, a binder, a thickener, and the like. Become.
(1)正極活物質
正極活物質としては、炭素活物質が三次元網目構造の連通した孔径2nm以上の細孔(メソ孔)を有した非晶質多孔質炭素を用いる。該「三次元網目構造の連通した孔径2nm以上のメソ孔を有する正極活物質」は、メソ孔(空洞部)と炭素材料部とが接する面の両側に亘り正負の電解質イオンが対をなして存在することにより電荷層が形成される。
非晶質多孔質炭素についてみると、該キャパシタの時定数(充放電時の応答の遅さ)は、非水電解液のキャパシタンスだけでなく、これにオーミックコンタクトする炭素材料部
の抵抗値にも因る。さらに、両電解質イオンは、それぞれのための極活物質と結合-分離を繰り返す化学反応を伴うので、そのための部位の多いことが好ましい点をも考慮することができる。
(1) Positive Electrode Active Material As the positive electrode active material, amorphous porous carbon in which the carbon active material has pores (mesopores) having a pore diameter of 2 nm or more and having a continuous three-dimensional network structure is used. The "positive electrode active material having a continuous three-dimensional network structure having mesopores having a pore diameter of 2 nm or more" has positive and negative electrolyte ions paired on both sides of the surface where the mesopores (cavities) are in contact with the carbon material portion. electrostatic loading layer by present are Ru is formed.
As for amorphous porous carbon, the time constant of the capacitor (slow response during charging/discharging) depends not only on the capacitance of the non-aqueous electrolyte but also on the resistance value of the carbon material portion in ohmic contact therewith. Due to Furthermore, since both electrolyte ions are involved in a chemical reaction in which bond-separation is repeated with a polar active material for each, it is possible to consider that it is preferable that there are many sites therefor.
多孔質炭素において、メソ孔は必須であるがミクロ孔は必須ではない。したがって、ミクロ孔は存在していても、存在していなくても良いが、炭素材料形成源としての有機物質は炭化時に通常揮発性物質を放出して炭化し、したがって通常は放出跡としてミクロ孔を残すので、ミクロ孔の全くないものは難かしい。これに対して、メソ孔は、通常、意図的に形成される。例えば、知られているように、酸(アルカリ)可溶性の金属、例えばSiO2のような金属酸化物や金属塩、金属含有有機物のスケルトンと炭素物質又はその原料たる有機材料とを一緒に成型したのち、酸(又はアルカリ)でスケルトン部分を溶解し去った痕跡がメソ孔となる場合も多い。
ここで、本明細書においては、細孔径が2nm未満のものをミクロ孔、細孔径が2〜50nmのものをメソ孔と称することとする。電解質イオンのサイズは0.5nm〜2nmであるから、ミクロ孔はイオンの移動にさほど寄与するとは云い難い。したがって、イオンの円滑移動のためには、メソ孔が重要となる。ちなみに、同じ炭素質材料である活性炭における孔のサイズは、平均1nm程度と云われており、活性炭の場合には、例外なく発熱を伴う(エンタルピーの減少)全ての吸着の1つと見なされる。
上記サイズのメソ孔は3次元網目構造を成すことが望ましい。三次元網目構造とは、立体的にメソ孔がつながった構造のものである。メソ孔が3次元網目構造を成していれば、イオンが円滑に移動する。
In porous carbon, mesopores are essential, but micropores are not. Therefore, although micropores may or may not be present, organic substances as a carbon material forming source usually emit volatile substances during carbonization and carbonize, and therefore, usually micropores are left as traces of emission. It is difficult to use the one without micropores because it leaves. In contrast, mesopores are usually formed intentionally. For example, as is known, an acid (alkali)-soluble metal, for example, a metal oxide or metal salt such as SiO 2 , a skeleton of a metal-containing organic material, and a carbon material or an organic material as a raw material thereof are molded together. After that, traces of the skeleton part dissolved away with an acid (or alkali) often become mesopores.
Here, in the present specification, those having a pore size of less than 2 nm are referred to as micropores, and those having a pore size of 2 to 50 nm are referred to as mesopores. Since the size of the electrolyte ion is 0.5 nm to 2 nm, it is hard to say that the micropores contribute a lot to the migration of ions. Therefore, mesopores are important for the smooth migration of ions. By the way, the pore size in activated carbon, which is the same carbonaceous material, is said to be about 1 nm on average, and in the case of activated carbon, it is regarded as one of all adsorptions accompanied by heat generation (decrease in enthalpy) without exception.
It is desirable that the mesopores of the above size form a three-dimensional network structure. The three-dimensional network structure is a structure in which mesopores are three-dimensionally connected. If the mesopores have a three-dimensional network structure, the ions move smoothly.
比表面積は500m2/g以上であることが望ましい。
比表面積が500m2/g未満であると、気孔の形成量が不十分で、イオンの挿入が十分に行われず、高容量化できない。
一方、比表面積は2000m2/g以下であることが望ましい比表面積が2000m2/gを超えると、メソ孔の形成が十分でないため、イオンの挿入を阻害してしまうため、高容量化できない。
上記メソ孔は開気孔であって、気孔部分が連続するような構成となっていることが必要である。上記構成であれば、イオンが円滑に移動する。
上記ミクロ孔の容積は1.00ml/g以下であることが望ましい。
ミクロ孔の容積が1.00ml/gを超えると、イオンの挿入、脱離の阻害となり、容量低下を起こす可能性がある。
なお、このような多孔質炭素は、材料自体としては公知であり、したがって、本明細書において本発明実施のためその入手法(例えば,製法)を縷々詳述することは、差し控える。
例えば、特開2001−229914号公報には、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールまたはポリビニルピロリドン等の熱可塑性樹脂を焼成して得られ、熱重量測定(TG)において、200ml/分の空気気流中、昇温速度20℃/分にて昇温した際、第一段目の重量減少の開始温度が350〜600℃であり、該第一段目の重量減少量が昇温前の重量の3〜20%である非晶質炭素の被膜が記載されている。ただし当該公報には、この被膜は、従来と同様、Liイオンのみが電極−電解質間を移動するリチウムイオン二次電池(LiB)の負極活性物質として用いることが記載されるだけであって、Liイオン負イオンの双方が両電極−電解質間を移動する両極炭素二次電池(DCB)の正極活性物質として用いることを示唆するものではない。
換言すれば、本発明においては、PF6 ̄イオンのような大きいサイズの負イオンが、正極活物質としての前記炭素活物質のメソ孔から侵入して該炭素活物質中にインターカレーションし得るものであることを意味している。
The specific surface area is preferably 500 m 2 /g or more.
When the specific surface area is less than 500 m 2 /g, the amount of pores formed is insufficient, ions are not sufficiently inserted, and the capacity cannot be increased.
On the other hand, it is desirable that the specific surface area is 2000 m 2 /g or less. When the specific surface area exceeds 2000 m 2 /g, the mesopores are not sufficiently formed, and the ion insertion is hindered, so that the capacity cannot be increased.
The mesopores are open pores, and it is necessary that the mesopores have continuous pores. With the above configuration, the ions move smoothly.
The volume of the micropores is preferably 1.00 ml/g or less.
If the volume of the micropores exceeds 1.00 ml/g, the intercalation and desorption of ions may be hindered and the capacity may be reduced.
It should be noted that such porous carbon is known as a material per se, and therefore, detailed description of a method for obtaining the same (for example, a manufacturing method) for carrying out the present invention is omitted here.
For example, in JP 2001-229914 A, it is obtained by firing a thermoplastic resin such as polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, or polyvinylpyrrolidone, and in thermogravimetric measurement (TG), it is elevated in an air stream of 200 ml/min. When the temperature is raised at a temperature rate of 20° C./min, the starting temperature for weight loss in the first stage is 350 to 600° C., and the amount of weight loss in the first stage is 3 to 20 of the weight before raising temperature % Amorphous carbon coating is described. However, this publication only describes that this film is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery (LiB) in which only Li ions move between the electrode and the electrolyte, as in the conventional case. It does not suggest that both ionic and negative ions be used as a positive electrode active material of a bipolar carbon secondary battery (DCB) that moves between both electrodes and an electrolyte.
In other words, in the present invention, a large size negative ion such as PF 6 − ion can enter from the mesopores of the carbon active material as the positive electrode active material and intercalate into the carbon active material. It means that it is a thing.
(2)バインダおよび増粘剤
前記バインダ、および、増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
(2) Binder and Thickener The binder and the thickener are not particularly limited as long as they are materials that are stable with respect to the solvent and electrolytic solution used at the time of manufacturing the electrode, and the potential applied, and depending on the purpose. Can be appropriately selected by, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber. , Acrylate latex, carboxymethyl cellulose (CMC), methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, alginic acid, oxidized starch, starch starch, casein, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine binders such as polytetrafluoroethylene (PTFE), acrylate latex, and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
(3)導電助剤
前記導電助剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(3) Conductivity Auxiliary Agent Examples of the conductivity auxiliary agent include metal materials such as copper and aluminum, carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes. These may be used alone or in combination of two or more.
(1−2.正極集電体)
前記正極集電体の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタル、などが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、アルミニウムが特に好ましい。
前記正極集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
(1-2. Positive electrode current collector)
The material, shape, size and structure of the positive electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material for the positive electrode current collector is formed of a conductive material and is not particularly limited as long as it is stable with respect to the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples include stainless steel, nickel, aluminum, titanium, tantalum, and the like. Among these, stainless steel and aluminum are particularly preferable.
The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected depending on the purpose.
(1−3.正極の作製方法)
前記正極は、前記正極活物質に、必要に応じて前記バインダ、前記増粘剤、前記導電剤、溶媒等を加えてスラリー状とした正極材を、前記正極集電体上に塗布し、乾燥することで製造することができる。前記溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水系溶媒、有機系溶媒、などが挙げられる。前記水系溶媒としては、例えば、水、アルコール、などが挙げられる。前記有機系溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、トルエン、などが挙げられる。
なお、前記正極活物質をそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたりすることもできる。
(1-3. Method for producing positive electrode)
The positive electrode is formed by adding the binder, the thickening agent, the conductive agent, a solvent and the like to the positive electrode active material as a slurry to form a positive electrode material on the positive electrode current collector, followed by drying. It can be manufactured. The solvent is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, and examples thereof include an aqueous solvent and an organic solvent. Examples of the aqueous solvent include water and alcohol. Examples of the organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and toluene.
The positive electrode active material may be directly roll-formed into a sheet electrode, or may be compression-formed into a pellet electrode.
(2.負極)
前記負極は、負極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、負極集電体上に負極活物質を有する負極材を備えた負極、などが挙げられる。
前記負極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状、などが挙げられる。
(2. Negative electrode)
The negative electrode is not particularly limited as long as it contains a negative electrode active material, and can be appropriately selected depending on the purpose, for example, a negative electrode including a negative electrode material having a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and the like. Can be mentioned.
The shape of the negative electrode is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, and examples thereof include a flat plate shape.
(2−1.負極材)
前記負極材としては、負極蓄電物質(負極活物質等)を少なくとも含み、更に必要に応じて導電助剤、バインダ、増粘剤、などを含んでなる。
(2-1. Negative electrode material)
The negative electrode material contains at least a negative electrode electricity storage material (negative electrode active material, etc.), and further contains a conductive auxiliary agent, a binder, a thickener, etc., if necessary.
(1)負極活物質
前記負極活物質としては、少なくとも非水溶媒系でリチウムイオンを吸蔵脱離する物質であれば特に制限はなく、具体的には、炭素質材料、酸化アンチモン錫、一酸化珪素等のリチウムを吸蔵、放出可能な金属酸化物、アルミニウム、錫、珪素、亜鉛等のリチウムと合金化可能な金属又は金属合金、リチウムと合金化可能な金属と該金属を含む合金とリチウムとの複合合金化合物、チッ化コバルトリチウム等のチッ化金属リチウム、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、安全性とコストの点から、炭素質材料が特に好ましい。
前記炭素質材料としては、例えば、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物、などが挙げられる。これらの中でも、人造黒鉛、天然黒鉛が特に好ましい。
(1) Negative Electrode Active Material The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a substance that absorbs and desorbs lithium ions in at least a non-aqueous solvent system, and specifically, carbonaceous material, antimony tin oxide, monoxide. Metal oxides capable of occluding and releasing lithium such as silicon, metals or metal alloys capable of alloying with lithium such as aluminum, tin, silicon and zinc, metals capable of alloying with lithium, alloys containing the metal and lithium. And the like, and lithium metal nitride such as lithium cobalt nitride. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, carbonaceous materials are particularly preferable from the viewpoint of safety and cost.
Examples of the carbonaceous material include coke, artificial graphite, graphite such as natural graphite, and thermally decomposed products of organic substances under various thermal decomposition conditions. Among these, artificial graphite and natural graphite are particularly preferable.
(2)バインダおよび増粘剤
前記バインダおよび増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
(2) Binder and Thickening Agent The binder and the thickening agent are not particularly limited as long as they are materials that are stable to the solvent and electrolytic solution used at the time of manufacturing the electrode, and the potential applied, and are appropriately selected depending on the purpose. It can be selected, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), a fluorine-based binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, acrylate. Examples thereof include system latex, carboxymethyl cellulose (CMC), methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, alginic acid, oxidized starch, starch phosphate, and casein. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, fluorine-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
(3)導電助剤
前記導電助剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(3) Conductivity Auxiliary Agent Examples of the conductivity auxiliary agent include metal materials such as copper and aluminum, carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes. These may be used alone or in combination of two or more.
2−2.負極集電体
前記負極集電体の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、銅、などが挙げられる。これらの中でもステンレススチール、銅、アルミニウムが特に好ましい。
前記集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記集電体の大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
2-2. Negative Electrode Current Collector The material, shape, size and structure of the negative electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material of the negative electrode current collector is made of a conductive material and is not particularly limited as long as it is stable with respect to the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Steel, nickel, aluminum, copper, etc. are mentioned. Among these, stainless steel, copper and aluminum are particularly preferable.
The shape of the current collector is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the current collector is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
2−3.負極の作製方法
前記負極は、前記負極活物質に、必要に応じて前記バインダおよび増粘剤、前記導電剤、溶媒等を加えてスラリー状とした負極材を、前記負極集電体上に塗布し、乾燥することで製造することができる。前記溶媒としては、前記正極の作製方法と同様の溶媒を用いることができる。
また、前記負極活物質に前記バインダおよび増粘剤、前記導電剤等を加えたものをそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたり、蒸着、スパッタ、メッキ等の手法で前記負極集電体上に前記負極活物質の薄膜を形成することもできる。
2-3. Negative Electrode Preparation Method The negative electrode is formed by adding the binder and the thickening agent, the conductive agent, a solvent, and the like to the negative electrode active material as a slurry to form a negative electrode material on the negative electrode current collector. Then, it can be manufactured by drying. As the solvent, the same solvent as used in the method for producing the positive electrode can be used.
Further, by adding the binder and the thickener, the conductive agent and the like to the negative electrode active material to form a sheet electrode by roll molding as it is, or a pellet electrode by compression molding, by vapor deposition, sputtering, plating, etc. A thin film of the negative electrode active material may be formed on the negative electrode current collector.
(3.非水電解液)
前記非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を溶解してなる電解液である。
(3. Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolytic solution is an electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent.
(3−1.非水溶媒)
前記非水溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、非プロトン性有機溶媒が好適である。
前記非プロトン性有機溶媒としては、鎖状カーボネート、環状カーボネート等のカーボネート系有機溶媒が用いられ、低粘度な溶媒が好ましい。これらの中でも、電解質塩の溶解力が高い点から、鎖状カーボネートが好ましい。
(3-1. Non-aqueous solvent)
The non-aqueous solvent is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, but it is preferably an aprotic organic solvent.
As the aprotic organic solvent, a carbonate-based organic solvent such as a chain carbonate or a cyclic carbonate is used, and a low-viscosity solvent is preferable. Among these, chain carbonates are preferable from the viewpoint of high solubility of the electrolyte salt.
前記鎖状カーボネートとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、などが挙げられる。これらの中でも、ジメチルカーボネート(DMC)が好ましい。
前記DMCの含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記非水溶媒に対して70質量%以上が好ましく、83質量%以上がより好ましい。前記DMCの含有量が、70質量%未満であると、残りの溶媒は誘電率が高い環状物質(環状カーボネートや環状エステル等)である場合には、誘電率が高い環状物質の量が増えるため、3M以上の高濃度の非水電解液を作製したときに粘度が高くなりすぎ、非水電解液の電極へのしみ込みや、イオン拡散の点で不具合を生じることがある。
Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (EMC), and the like. Of these, dimethyl carbonate (DMC) is preferable.
The content of the DMC is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, but it is preferably 70% by mass or more and more preferably 83% by mass or more with respect to the non-aqueous solvent. When the content of the DMC is less than 70% by mass, the amount of the cyclic substance having a high dielectric constant increases when the remaining solvent is a cyclic substance having a high dielectric constant (such as a cyclic carbonate or a cyclic ester). When a high-concentration non-aqueous electrolytic solution of 3 M or more is prepared, the viscosity becomes too high, and the non-aqueous electrolytic solution may impregnate the electrode or cause a problem in terms of ion diffusion.
前記環状カーボネートとしては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、などが挙げられる。
前記環状カーボネートとしてエチレンカーボネート(EC)と、前記鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネート(DMC)とを組み合わせた混合溶媒を用いる場合には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合割合は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、質量比(EC:DMC)が、3:10〜1:99が好ましく、3:10〜1:20がより好ましい。
Examples of the cyclic carbonate include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), and the like.
When a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as the cyclic carbonate and dimethyl carbonate (DMC) as the chain carbonate is used, the mixing ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) is There is no limitation and it can be appropriately selected according to the purpose, but the mass ratio (EC:DMC) is preferably from 3:10 to 1:99, more preferably from 3:10 to 1:20.
なお、前記非水溶媒としては、必要に応じて、環状エステル、鎖状エステル等のエステル系有機溶媒、環状エーテル、鎖状エーテル等のエーテル系有機溶媒、などを用いることができる。
前記環状エステルとしては、例えば、γ−ブチロラクトン(γBL)、2−メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、などが挙げられる。
前記鎖状エステルとしては、例えば、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル(酢酸メチル(MA)、酢酸エチル等)、ギ酸アルキルエステル(ギ酸メチル(MF)、ギ酸エチル等)、などが挙げられる。
前記環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、アルキル−1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキソラン、などが挙げられる。
前記鎖状エーテルとしては、例えば、1,2−ジメトシキエタン(DME)、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、テトラエチレングリコールジアルキルエーテル、などが挙げられる。
As the non-aqueous solvent, if necessary, an ester organic solvent such as a cyclic ester or a chain ester, an ether organic solvent such as a cyclic ether or a chain ether, and the like can be used.
Examples of the cyclic ester include γ-butyrolactone (γBL), 2-methyl-γ-butyrolactone, acetyl-γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and the like.
Examples of the chain ester include propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, acetic acid alkyl ester (methyl acetate (MA), ethyl acetate, etc.), formic acid alkyl ester (methyl formate (MF), ethyl formate, etc.), etc. Are listed.
Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, alkyltetrahydrofuran, alkoxytetrahydrofuran, dialkoxytetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, alkyl-1,3-dioxolane, and 1,4-dioxolane.
Examples of the chain ether include 1,2-dimethoxyethane (DME), diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, diethylene glycol dialkyl ether, triethylene glycol dialkyl ether, tetraethylene glycol dialkyl ether, and the like.
(3−2.電解質塩)
前記電解質塩としては、リチウム塩を使用する。非水溶媒に溶解し、高いイオン伝導度を示すものであれば特に制限はなく、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、塩化リチウム(LiCl)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)、六弗化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(C2F5SO2)2)、リチウムビスファーフルオロエチルスルホニルイミド(LiN(CF2F5SO2)2)、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、炭素電極中へのアニオンの吸蔵量の大きさの観点から、LiPF6が特に好ましい。
前記電解質塩の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記非水溶媒中に、0.5mol/L〜6mol/Lが好ましく、電池容量と出力の両立の点から、2mol/L〜4mol/Lがより好ましい。
(3-2. Electrolyte salt)
A lithium salt is used as the electrolyte salt. There is no particular limitation as long as it dissolves in a non-aqueous solvent and exhibits high ionic conductivity, and examples thereof include lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium perchlorate (LiClO4), lithium chloride (LiCl), and borofluoride. Lithium (LiBF4), lithium arsenide hexafluoride (LiAsF6), lithium trifluorometasulfonate (LiCF3SO3), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN(C2F5SO2)2), lithium bis-furfluoroethylsulfonyl imide (LiN(CF2F5SO2)). 2), and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, LiPF6 is particularly preferable from the viewpoint of the amount of storage of anions in the carbon electrode.
The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 0.5 mol/L to 6 mol/L in the non-aqueous solvent and is compatible with battery capacity and output. From this point, 2 mol/L to 4 mol/L is more preferable.
(4.セパレータ)
前記セパレータは、正極と負極の短絡を防ぐために正極と負極の間に設けられる。
前記セパレータの材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの材質としては、例えば、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙等の紙、セロハン、ポリエチレングラフト膜、ポリプロピレンメルトブロー不織布等のポリオレフィン不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布、マイクロポア膜などが挙げられる。
これらの中で好ましいものとしては、電解液保持の観点より気孔率50%以上のものが好ましい。形状としては微多孔(マイクロポア)を有する薄膜タイプよりも、不織布系が気孔率が高いため好ましい。厚みとしては短絡防止と電解液保持の観点から20μm以上が好ましい。
前記セパレータの大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの構造は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
(4. Separator)
The separator is provided between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
The material, shape, size and structure of the separator are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
Examples of the material of the separator include kraft paper, vinylon mixed paper, paper such as synthetic pulp mixed paper, cellophane, polyethylene graft membrane, polyolefin nonwoven fabric such as polypropylene meltblown nonwoven fabric, polyamide nonwoven fabric, glass fiber nonwoven fabric, and micropore membrane. Can be mentioned.
Among these, those having a porosity of 50% or more are preferable from the viewpoint of retaining an electrolytic solution. As a shape, a non-woven fabric type is preferable since it has a higher porosity than a thin film type having micropores (micropores). The thickness is preferably 20 μm or more from the viewpoint of preventing short circuit and retaining the electrolytic solution.
The size of the separator is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
The structure of the separator may be a single layer structure or a laminated structure.
(5.非水電解液蓄電素子の製造方法)
本発明の非水電解液蓄電素子は、前記正極、前記負極、及び前記非水電解液と、必要に応じて用いられるセパレータとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて電池外装缶等の他の構成部材を用いることも可能である。前記非水電解液蓄電素子を組み立てる方法としては、特に制限はなく、通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
本発明の非水電解液蓄電素子の形状については、特に制限はなく、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ、などが挙げられる。
(5. Method for manufacturing non-aqueous electrolyte storage element)
The non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is manufactured by assembling the positive electrode, the negative electrode, the non-aqueous electrolyte, and a separator used as necessary into an appropriate shape. Further, other constituent members such as a battery outer can can be used if necessary. The method for assembling the non-aqueous electrolyte storage element is not particularly limited, and can be appropriately selected from the methods usually adopted.
The shape of the non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly used shapes according to the application. Examples of the shape include a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are formed in a spiral shape, a cylinder type in which an inside-out structure is formed by combining a pellet electrode and a separator, and a coin type in which pellet electrodes and a separator are stacked.
(6.用途)
本発明の非水電解液蓄電素子の用途としては、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、などが挙げられる。
前記導電助剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(6. Use)
The use of the non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is not particularly limited and can be used for various purposes, for example, notebook personal computer, pen input personal computer, mobile personal computer, electronic book player, mobile phone, mobile fax, mobile phone. Copy, portable printer, headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, mini disk, transceiver, electronic organizer, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, backup power supply, motor, lighting equipment, toys, games Devices, clocks, strobes, cameras, etc.
Examples of the conductive aid include metal materials such as copper and aluminum, carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes. These may be used alone or in combination of two or more.
(1−2.正極集電体)
前記正極集電体の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタル、などが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、アルミニウムが特に好ましい。
前記正極集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
(1-2. Positive electrode current collector)
The material, shape, size and structure of the positive electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material for the positive electrode current collector is formed of a conductive material and is not particularly limited as long as it is stable with respect to the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples include stainless steel, nickel, aluminum, titanium, tantalum, and the like. Among these, stainless steel and aluminum are particularly preferable.
The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected depending on the purpose.
(1−3.正極の作製方法)
前記正極は、前記正極活物質に、必要に応じて前記バインダ、前記増粘剤、前記導電剤、溶媒等を加えてスラリー状とした正極材を、前記正極集電体上に塗布し、乾燥することで製造することができる。前記溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水系溶媒、有機系溶媒、などが挙げられる。前記水系溶媒としては、例えば、水、アルコール、などが挙げられる。前記有機系溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、トルエン、などが挙げられる。
なお、前記正極活物質をそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたりすることもできる。
(1-3. Method for producing positive electrode)
The positive electrode is formed by adding the binder, the thickening agent, the conductive agent, a solvent and the like to the positive electrode active material as a slurry to form a positive electrode material on the positive electrode current collector, followed by drying. It can be manufactured. The solvent is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, and examples thereof include an aqueous solvent and an organic solvent. Examples of the aqueous solvent include water and alcohol. Examples of the organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and toluene.
The positive electrode active material may be directly roll-formed into a sheet electrode, or may be compression-formed into a pellet electrode.
(2.負極)
前記負極は、負極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、負極集電体上に負極活物質を有する負極材を備えた負極、などが挙げられる。
前記負極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状、などが挙げられる。
(2. Negative electrode)
The negative electrode is not particularly limited as long as it contains a negative electrode active material, and can be appropriately selected depending on the purpose, for example, a negative electrode including a negative electrode material having a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and the like. Can be mentioned.
The shape of the negative electrode is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, and examples thereof include a flat plate shape.
(2−1.負極材)
前記負極材としては、負極蓄電物質(負極活物質等)を少なくとも含み、更に必要に応じて導電助剤、バインダ、増粘剤、などを含んでなる。
(2-1. Negative electrode material)
The negative electrode material contains at least a negative electrode electricity storage material (negative electrode active material, etc.), and further contains a conductive auxiliary agent, a binder, a thickener, etc., if necessary.
(1)負極活物質
前記負極活物質としては、少なくとも非水溶媒系でリチウムイオンを吸蔵脱離する物質であれば特に制限はなく、具体的には、炭素質材料、酸化アンチモン錫、一酸化珪素等のリチウムを吸蔵、放出可能な金属酸化物、アルミニウム、錫、珪素、亜鉛等のリチウムと合金化可能な金属又は金属合金、リチウムと合金化可能な金属と該金属を含む合金とリチウムとの複合合金化合物、チッ化コバルトリチウム等のチッ化金属リチウム、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、安全性とコストの点から、炭素質材料が特に好ましい。
前記炭素質材料としては、例えば、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物、などが挙げられる。これらの中でも、人造黒鉛、天然黒鉛が特に好ましい。
(1) Negative Electrode Active Material The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a substance that absorbs and desorbs lithium ions in at least a non-aqueous solvent system, and specifically, carbonaceous material, antimony tin oxide, monoxide. Metal oxides capable of occluding and releasing lithium such as silicon, metals or metal alloys capable of alloying with lithium such as aluminum, tin, silicon and zinc, metals capable of alloying with lithium, alloys containing the metal and lithium. And the like, and lithium metal nitride such as lithium cobalt nitride. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, carbonaceous materials are particularly preferable from the viewpoint of safety and cost.
Examples of the carbonaceous material include coke, artificial graphite, graphite such as natural graphite, and thermally decomposed products of organic substances under various thermal decomposition conditions. Among these, artificial graphite and natural graphite are particularly preferable.
(2)バインダおよび増粘剤
前記バインダおよび増粘剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液、印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系バインダ、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
(2) Binder and Thickening Agent The binder and the thickening agent are not particularly limited as long as they are materials that are stable to the solvent and electrolytic solution used at the time of manufacturing the electrode, and the potential applied, and are appropriately selected depending on the purpose. It can be selected, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), a fluorine-based binder such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, acrylate. Examples thereof include system latex, carboxymethyl cellulose (CMC), methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, alginic acid, oxidized starch, starch phosphate, and casein. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, fluorine-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
(3)導電助剤
前記導電助剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素質材料、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(3) Conductivity Auxiliary Agent Examples of the conductivity auxiliary agent include metal materials such as copper and aluminum, carbonaceous materials such as carbon black, acetylene black, and carbon nanotubes. These may be used alone or in combination of two or more.
2−2.負極集電体
前記負極集電体の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、銅、などが挙げられる。これらの中でもステンレススチール、銅、アルミニウムが特に好ましい。
前記集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記集電体の大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
2-2. Negative Electrode Current Collector The material, shape, size and structure of the negative electrode current collector are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
The material of the negative electrode current collector is made of a conductive material and is not particularly limited as long as it is stable with respect to the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Steel, nickel, aluminum, copper, etc. are mentioned. Among these, stainless steel, copper and aluminum are particularly preferable.
The shape of the current collector is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the current collector is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
2−3.負極の作製方法
前記負極は、前記負極活物質に、必要に応じて前記バインダおよび増粘剤、前記導電剤、溶媒等を加えてスラリー状とした負極材を、前記負極集電体上に塗布し、乾燥することで製造することができる。前記溶媒としては、前記正極の作製方法と同様の溶媒を用いることができる。
また、前記負極活物質に前記バインダおよび増粘剤、前記導電剤等を加えたものをそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としたり、蒸着、スパッタ、メッキ等の手法で前記負極集電体上に前記負極活物質の薄膜を形成することもできる。
2-3. Negative Electrode Preparation Method The negative electrode is formed by adding the binder and the thickening agent, the conductive agent, a solvent, and the like to the negative electrode active material as a slurry to form a negative electrode material on the negative electrode current collector. Then, it can be manufactured by drying. As the solvent, the same solvent as used in the method for producing the positive electrode can be used.
Further, by adding the binder and the thickener, the conductive agent and the like to the negative electrode active material to form a sheet electrode by roll molding as it is, or a pellet electrode by compression molding, by vapor deposition, sputtering, plating, etc. A thin film of the negative electrode active material may be formed on the negative electrode current collector.
(3.非水電解液)
前記非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を溶解してなる電解液である。
(3. Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolytic solution is an electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent.
(3−1.非水溶媒)
前記非水溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、非プロトン性有機溶媒が好適である。
前記非プロトン性有機溶媒としては、鎖状カーボネート、環状カーボネート等のカーボネート系有機溶媒が用いられ、低粘度な溶媒が好ましい。これらの中でも、電解質塩の溶解力が高い点から、鎖状カーボネートが好ましい。
(3-1. Non-aqueous solvent)
The non-aqueous solvent is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, but it is preferably an aprotic organic solvent.
As the aprotic organic solvent, a carbonate-based organic solvent such as a chain carbonate or a cyclic carbonate is used, and a low-viscosity solvent is preferable. Among these, chain carbonates are preferable from the viewpoint of high solubility of the electrolyte salt.
前記鎖状カーボネートとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、などが挙げられる。これらの中でも、ジメチルカーボネート(DMC)が好ましい。
前記DMCの含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記非水溶媒に対して70質量%以上が好ましく、83質量%以上がより好ましい。前記DMCの含有量が、70質量%未満であると、残りの溶媒は誘電率が高い環状物質(環状カーボネートや環状エステル等)である場合には、誘電率が高い環状物質の量が増えるため、3M以上の高濃度の非水電解液を作製したときに粘度が高くなりすぎ、非水電解液の電極へのしみ込みや、イオン拡散の点で不具合を生じることがある。
Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (EMC), and the like. Of these, dimethyl carbonate (DMC) is preferable.
The content of the DMC is appropriately selected depending on the intended purpose without any limitation, but it is preferably 70% by mass or more and more preferably 83% by mass or more with respect to the non-aqueous solvent. When the content of the DMC is less than 70% by mass, the amount of the cyclic substance having a high dielectric constant increases when the remaining solvent is a cyclic substance having a high dielectric constant (such as a cyclic carbonate or a cyclic ester). When a high-concentration non-aqueous electrolytic solution of 3 M or more is prepared, the viscosity becomes too high, and the non-aqueous electrolytic solution may impregnate the electrode or cause a problem in terms of ion diffusion.
前記環状カーボネートとしては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、などが挙げられる。
前記環状カーボネートとしてエチレンカーボネート(EC)と、前記鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネート(DMC)とを組み合わせた混合溶媒を用いる場合には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合割合は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、質量比(EC:DMC)が、3:10〜1:99が好ましく、3:10〜1:20がより好ましい。
Examples of the cyclic carbonate include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), and the like.
When a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as the cyclic carbonate and dimethyl carbonate (DMC) as the chain carbonate is used, the mixing ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) is There is no limitation and it can be appropriately selected according to the purpose, but the mass ratio (EC:DMC) is preferably from 3:10 to 1:99, more preferably from 3:10 to 1:20.
なお、前記非水溶媒としては、必要に応じて、環状エステル、鎖状エステル等のエステル系有機溶媒、環状エーテル、鎖状エーテル等のエーテル系有機溶媒、などを用いることができる。
前記環状エステルとしては、例えば、γ−ブチロラクトン(γBL)、2−メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、などが挙げられる。
前記鎖状エステルとしては、例えば、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル(酢酸メチル(MA)、酢酸エチル等)、ギ酸アルキルエステル(ギ酸メチル(MF)、ギ酸エチル等)、などが挙げられる。
前記環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、アルキル−1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキソラン、などが挙げられる。
前記鎖状エーテルとしては、例えば、1,2−ジメトシキエタン(DME)、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、テトラエチレングリコールジアルキルエーテル、などが挙げられる。
As the non-aqueous solvent, if necessary, an ester organic solvent such as a cyclic ester or a chain ester, an ether organic solvent such as a cyclic ether or a chain ether, and the like can be used.
Examples of the cyclic ester include γ-butyrolactone (γBL), 2-methyl-γ-butyrolactone, acetyl-γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and the like.
Examples of the chain ester include propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, acetic acid alkyl ester (methyl acetate (MA), ethyl acetate, etc.), formic acid alkyl ester (methyl formate (MF), ethyl formate, etc.), etc. Are listed.
Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, alkyltetrahydrofuran, alkoxytetrahydrofuran, dialkoxytetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, alkyl-1,3-dioxolane, and 1,4-dioxolane.
Examples of the chain ether include 1,2-dimethoxyethane (DME), diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, diethylene glycol dialkyl ether, triethylene glycol dialkyl ether, tetraethylene glycol dialkyl ether, and the like.
(3−2.電解質塩)
前記電解質塩としては、リチウム塩を使用する。非水溶媒に溶解し、高いイオン伝導度を示すものであれば特に制限はなく、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、塩化リチウム(LiCl)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)、六弗化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(C2F5SO2)2)、リチウムビスファーフルオロエチルスルホニルイミド(LiN(CF2F5SO2)2)、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、炭素電極中へのアニオンの吸蔵量の大きさの観点から、LiPF6が特に好ましい。
前記電解質塩の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記非水溶媒中に、0.5mol/L〜6mol/Lが好ましく、電池容量と出力の両立の点から、2mol/L〜4mol/Lがより好ましい。
(3-2. Electrolyte salt)
A lithium salt is used as the electrolyte salt. There is no particular limitation as long as it dissolves in a non-aqueous solvent and exhibits high ionic conductivity, and examples thereof include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium chloride (LiCl), and borohydride. Lithium fluoride (LiBF 4 ), lithium arsenide hexafluoride (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), lithium bis fur fluoroethyl imide (LiN (CF 2 F 5 SO 2) 2), and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, LiPF 6 is particularly preferable from the viewpoint of the amount of storage of anions in the carbon electrode.
The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 0.5 mol/L to 6 mol/L in the non-aqueous solvent and is compatible with battery capacity and output. From this point, 2 mol/L to 4 mol/L is more preferable.
(4.セパレータ)
前記セパレータは、正極と負極の短絡を防ぐために正極と負極の間に設けられる。
前記セパレータの材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの材質としては、例えば、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙等の紙、セロハン、ポリエチレングラフト膜、ポリプロピレンメルトブロー不織布等のポリオレフィン不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布、マイクロポア膜などが挙げられる。
これらの中で好ましいものとしては、電解液保持の観点より気孔率50%以上のものが好ましい。形状としては微多孔(マイクロポア)を有する薄膜タイプよりも、不織布系が気孔率が高いため好ましい。厚みとしては短絡防止と電解液保持の観点から20μm以上が好ましい。
前記セパレータの大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの構造は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
(4. Separator)
The separator is provided between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
The material, shape, size and structure of the separator are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose.
Examples of the material of the separator include kraft paper, vinylon mixed paper, paper such as synthetic pulp mixed paper, cellophane, polyethylene graft membrane, polyolefin nonwoven fabric such as polypropylene meltblown nonwoven fabric, polyamide nonwoven fabric, glass fiber nonwoven fabric, and micropore membrane. Can be mentioned.
Among these, those having a porosity of 50% or more are preferable from the viewpoint of retaining an electrolytic solution. As a shape, a non-woven fabric type is preferable since it has a higher porosity than a thin film type having micropores (micropores). The thickness is preferably 20 μm or more from the viewpoint of preventing short circuit and retaining the electrolytic solution.
The size of the separator is not particularly limited as long as it is a size that can be used for a non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
The structure of the separator may be a single layer structure or a laminated structure.
(5.非水電解液蓄電素子の製造方法)
本発明の非水電解液蓄電素子は、前記正極、前記負極、及び前記非水電解液と、必要に応じて用いられるセパレータとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて電池外装缶等の他の構成部材を用いることも可能である。前記非水電解液蓄電素子を組み立てる方法としては、特に制限はなく、通常採用されている方法の中から適宜選択することができる。
本発明の非水電解液蓄電素子の形状については、特に制限はなく、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ、などが挙げられる。
(5. Method for manufacturing non-aqueous electrolyte storage element)
The non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is manufactured by assembling the positive electrode, the negative electrode, the non-aqueous electrolyte, and a separator used as necessary into an appropriate shape. Further, other constituent members such as a battery outer can can be used if necessary. The method for assembling the non-aqueous electrolyte storage element is not particularly limited, and can be appropriately selected from the methods usually adopted.
The shape of the non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly used shapes according to the application. Examples of the shape include a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are formed in a spiral shape, a cylinder type in which an inside-out structure is formed by combining a pellet electrode and a separator, and a coin type in which pellet electrodes and a separator are stacked.
(6.用途)
本発明の非水電解液蓄電素子の用途としては、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、などが挙げられる。
(6. Use)
The use of the non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is not particularly limited and can be used for various purposes, for example, notebook personal computer, pen input personal computer, mobile personal computer, electronic book player, mobile phone, mobile fax, mobile phone. Copy, portable printer, headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, mini disk, transceiver, electronic organizer, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, backup power supply, motor, lighting equipment, toys, games Devices, clocks, strobes, cameras, etc.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
正極活物質として炭素A(東洋炭素製)、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状:電気化学工業)、バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A:JSR)、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル2200:ダイセル化学工業)を、各々、固形分の重量比で100:7.6:5:4になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整したスラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付け量の平均は1.2mg/cm2であった。これをφ16mmに打ち抜いて正極とした。
セパレータは、ガラス濾紙(gA100:ADVANTEC)をφ16mmに打ち抜いたものを2枚、負極にはφ16mmのリチウム金属箔を用いた。
電解液は2mol/LのLiPF6のDMC溶液を用いた。
[Example 1]
Carbon A (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) as a positive electrode active material, acetylene black (Denka Black powder: Denki Kagaku Kogyo) as a conduction aid, acrylate latex (TRD202A:JSR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (Daicel 2200: as a thickener). Daicel Chemical Industries, Ltd.) were mixed so that the weight ratio of solids was 100:7.6:5:4, and water was added to the slurry to adjust the viscosity to a 20 μm thick aluminum foil. It was applied to one side using a doctor blade. The average basis weight after drying was 1.2 mg/cm 2 . This was punched out to a diameter of 16 mm to obtain a positive electrode.
As the separator, two glass filter papers (gA100: ADVANTEC) punched out to φ16 mm were used, and a lithium metal foil of φ16 mm was used for the negative electrode.
As the electrolytic solution, a 2 mol/L LiPF6 DMC solution was used.
<電池の作製、測定>
上記、正極、および、セパレータを150℃で4時間真空乾燥後、乾燥アルゴングローブボックス中で、2032型コインセルを組み立てた。
作製した蓄電素子を25℃の恒温槽中に保持し、以下のような条件で充放電試験を実施した。基準電流値を0.3mAとした。また、全て、充電はカットオフ電圧5.2Vで定電流、放電はカットオフ電圧3.0Vとし、充電と放電、放電と充電の間には5分間の休止を入れた。
充放電試験条件;充電 2mA 放電 2mA 10回
<Battery preparation and measurement>
After vacuum drying the above positive electrode and separator at 150° C. for 4 hours, a 2032 type coin cell was assembled in a dry argon glove box.
The prepared electricity storage device was held in a constant temperature bath at 25° C., and a charge/discharge test was carried out under the following conditions. The reference current value was 0.3 mA. Further, in all cases, the cutoff voltage was 5.2 V for charging, a constant current was used for discharging, and the cutoff voltage was 3.0 V for discharging, and a pause of 5 minutes was inserted between charging and discharging and discharging and charging.
Charge/discharge test conditions; charge 2mA discharge 2mA 10 times
[実施例2]
正極活物質として炭素B(東洋炭素製)、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状:電気化学工業)、バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A:JSR)、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル2200:ダイセル化学工業)を、各々、固形分の重量比で100:7.5:2.9:15.3になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整したスラリーを、厚さ20μmのアルミニウ箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付け量の平均は1.8mg/cm2であった。これをφ16mmに打ち抜いて正極とした。それ以外は実施例1と同じ方法で電極、及び電池を作成した。基準電流値を0.3mAとしそれ以外は実施例1と同じ方法で評価した。
[Example 2]
Carbon B (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) as a positive electrode active material, acetylene black (Denka Black powder: Denki Kagaku Kogyo) as a conduction aid, acrylate latex (TRD202A:JSR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (Daicel 2200: as a thickener). Daicel Chemical Industries, Ltd.) were mixed so that the weight ratio of the solid content was 100:7.5:2.9:15.3, and water was added to adjust the slurry to an appropriate viscosity. The aluminum foil was coated on one side with a doctor blade. The average basis weight after drying was 1.8 mg/cm 2 . This was punched out to a diameter of 16 mm to obtain a positive electrode. An electrode and a battery were produced in the same manner as in Example 1 except for the above. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the reference current value was 0.3 mA.
[実施例3]
正極活物質として炭素C(東洋炭素製)を使用し、それ以外は実比較例1と同じ方法で電極、及び電池を作成した。乾燥後の目付け量の平均は1.0mg/cm2であった。基準電流値を0.3mAとしそれ以外は実施例1と同じ方法で評価した。
[Example 3]
Carbon C (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) was used as the positive electrode active material, and an electrode and a battery were prepared by the same method as in Comparative Example 1 except for the above. The average basis weight after drying was 1.0 mg/cm 2 . Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the reference current value was 0.3 mA.
[参考例4]
正極活物質として炭素D(東洋炭素製)を使用し、それ以外は実施例1と同じ方法で電極、及び電池を作成した。乾燥後の目付け量の平均は2.5mg/cm2であった。基準電流値を0.3mAとしそれ以外は実施例1と同じ方法で評価した。
[ Reference Example 4 ]
Carbon D (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) was used as the positive electrode active material, and other than that, an electrode and a battery were prepared by the same method as in Example 1 . The average basis weight after drying was 2.5 mg/cm 2 . Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the reference current value was 0.3 mA.
[比較例1]
正極活物質としては、天然黒鉛(特CP:日本黒鉛工業製)を用い、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状:電気化学工業)、バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A:JSR)、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル2200:ダイセル化学工業)を、各々、固形分の重量比で100:7.5:3.0:3.8になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整したスラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付け量の平均は10.5mg/cm2であった。それ以外は実施例1と同じ方法で電極、及び電池を作成した。基準電流値を0.075mAとしそれ以外は実施例1と同じ方法で評価した。
[Comparative Example 1]
As the positive electrode active material, natural graphite (special CP: manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) is used, acetylene black (Denka Black powder: Electrochemical Industry) is used as a conduction aid, acrylate latex (TRD202A: JSR) is used as a binder, and a thickening agent is used. Carboxymethyl cellulose (Daicel 2200: Daicel Chemical Industries) as an agent is mixed so that the weight ratio of solids is 100:7.5:3.0:3.8, and water is added to obtain an appropriate viscosity. The adjusted slurry was applied to one surface of an aluminum foil having a thickness of 20 μm using a doctor blade. The average basis weight after drying was 10.5 mg/cm 2 . An electrode and a battery were produced in the same manner as in Example 1 except for the above. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the reference current value was 0.075 mA.
[比較例2]
正極活物質としては、活性炭(ベルファインAP:ATエレクトロード製)を用いた。それ以外は実比較例1と同じ方法で電極、及び電池を作成した。乾燥後の目付け量の平均は8.9mg/cm2であった。基準電流値を2.0mAとしそれ以外は実施例1と同じ方法で評価した。
[Comparative example 2]
Activated carbon (Belle Fine AP: manufactured by AT Electrode) was used as the positive electrode active material. An electrode and a battery were prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except for the above. The average basis weight after drying was 8.9 mg/cm 2 . Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the reference current value was 2.0 mA.
[比較例3]
正極活物質としては、メソポーラスカーボン(カーボンメソポーラス:シグマアルドリッチ製)を用い、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状:電気化学工業)、バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A:JSR)、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル2200:ダイセル化学工業)を、各々、固形分の重量比で100:7.5:5.8:17.8になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整したスラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付け量の平均は1.3mg/cm2であった。
それ以外は実施例1同じ方法で電極、及び電池を作成した。
基準電流値を0.075mAとしそれ以外は実施例1と同じ方法で評価した。
これらの結果を表1に纏めて示す。
[Comparative Example 3]
Mesoporous carbon (carbon mesoporous: manufactured by Sigma-Aldrich) is used as the positive electrode active material, acetylene black (Denca black powder: Electrochemical Industry) as a conductive additive, an acrylate latex (TRD202A: JSR) as a binder, and a thickener. As a mixture, carboxymethyl cellulose (Daicel 2200: Daicel Chemical Industries) is mixed so that the weight ratio of solids is 100:7.5:5.8:17.8, and water is added to adjust to an appropriate viscosity. The obtained slurry was applied to one surface of an aluminum foil having a thickness of 20 μm using a doctor blade. The average basis weight after drying was 1.3 mg/cm 2 .
An electrode and a battery were prepared in the same manner as in Example 1 except for the above.
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the reference current value was 0.075 mA.
The results are summarized in Table 1.
表1に充放電試験結果として、基準電流値における5回目の放電容量と10回目の放電容量をそれぞれ(I)、(II)に示す。また、正極活物質の物性値も合わせて示した。D50はレーザー回折法、 メソ孔直径はガス吸着曲線のBJH法より算出、比表面積はガス吸着法による測定値である。放電容量は、正極活物質重量あたりの比容量として記載している。 Table 1 shows, as the charge/discharge test results, the discharge capacity at the fifth time and the discharge capacity at the tenth time at the reference current value in (I) and (II), respectively. The physical property values of the positive electrode active material are also shown. D50 is laser diffraction method, mesopore diameter is calculated by BJH method of gas adsorption curve, and specific surface area is measured value by gas adsorption method. The discharge capacity is described as the specific capacity per weight of the positive electrode active material.
実施例1は、基準電流値における5回目の放電容量が100mAh/gを超える高容量となった。10回目の放電容量は63mAh/gであった。
実施例2は基準電流値における5回目の放電容量が100mAh/gを超える高容量となり、10回目の放電容量は44mAh/gであった。
実施例3は基準電流値における5回目の放電容量が100mAh/gを超える高容量となり、10回目の放電容量は92mAh/gであった。
参考例4は基準電流値における5回目の放電容量が72mAh/gと高容量であり,10回目の放電容量は60mAh/gであった。
これに対し、比較例1(天然黒鉛)は基準電流値における5回目の放電容量は実施例1、2、3、参考例4より低く、49mAh/gであり、基準電流値における10回目の放電容量も実施例1、2、参考例4より低く、実施例3と同等の47mAh/gであった。比較例2(活性炭)は比表面積が高いものの基準電流値における5回目の放電容量は実施例1、2,3,参考例4より低く41mAh/gであり、基準電流値における10回目の放電容量も実施例1、2,3,参考例4より低く、40mAh/gであった。比較例3(メソポーラスカーボン)は基準電流値における5回目の放電容量は実施例1、2、3、参考例4より低く、25mAh/gであり、基準電流値における10回目の放電容量も実施例1、2,3,参考例4より低く、25mAh/gであった。これは、メソ孔を有するものの三次元網目構造を有しておらず、イオンが円滑に移動していないためと考えられる。
In Example 1, the discharge capacity at the fifth time at the reference current value was a high capacity exceeding 100 mAh/g. The discharge capacity at the 10th time was 63 mAh/g.
In Example 2, the discharge capacity at the 5th time at the reference current value was a high capacity exceeding 100 mAh/g, and the discharge capacity at the 10th time was 44 mAh/g.
In Example 3, the discharge capacity at the 5th time at the reference current value was a high capacity exceeding 100 mAh/g, and the discharge capacity at the 10th time was 92 mAh/g.
In Reference Example 4, the discharge capacity at the 5th time at the reference current value was as high as 72 mAh/g, and the discharge capacity at the 10th time was 60 mAh/g.
On the other hand, Comparative Example 1 (natural graphite) has a discharge capacity of 49 mAh/g at the reference current value, which is lower than that of Examples 1, 2, 3, and Reference Example 4 , and is 49 mAh/g. The capacities were lower than those of Examples 1 and 2 and Reference Example 4 and were 47 mAh/g, which is the same as that of Example 3. Comparative Example 2 (activated carbon) has a high specific surface area, but the discharge capacity at the 5th time at the reference current value is 41 mAh/g, which is lower than those of Examples 1, 2, 3 and Reference Example 4 , and the discharge capacity at the 10th time at the reference current value. Also, it was 40 mAh/g, which was lower than those in Examples 1, 2, 3 and Reference Example 4 . Comparative Example 3 (mesoporous carbon) had a discharge capacity of 25 mAh/g at the reference current value, which was lower than that of Examples 1, 2, 3, and Reference Example 4 , and was 25 mAh/g. It was 25 mAh/g, which was lower than 1, 2, 3 and Reference Example 4 . It is considered that this is because, although it has mesopores, it does not have a three-dimensional network structure and ions do not move smoothly.
基準電流値における5回目の放電容量に対する10回目の放電容量について、実施例1は容量変化が大きく放電容量維持率が52%であり、実施例2は放電容量維持率が76%、実施例3は放電容量維持率が33%、参考例4は放電容量が83%であったのに対し、比較例1〜3の放電容量維持率は約100%であった。低容量であるほど放電容量維持率は高くなっているが、絶対的な容量は実施例1、2、3、参考例4の方が高く、より高い容量を得られる。 Regarding the discharge capacity at the 10th time with respect to the discharge capacity at the 5th time at the reference current value, the capacity change is large in Example 1, the discharge capacity maintenance rate is 52%, the discharge capacity maintenance rate in Example 2 is 76%, and the discharge capacity maintenance rate is 3%. Had a discharge capacity retention rate of 33% and Reference Example 4 had a discharge capacity of 83%, whereas Comparative Examples 1 to 3 had a discharge capacity retention rate of about 100%. The lower the capacity, the higher the discharge capacity retention rate, but the absolute capacities were higher in Examples 1, 2, 3 and Reference Example 4 , and a higher capacity could be obtained.
また、図1に実施例1〜3、参考例4と比較例1〜3の充放電サイクル回数に対する放電容量をプロットしたものを示した。初期放電容量は実施例1では296mAh/g、実施例2では191mAh/g、実施例3では371mAh/g、参考例4は115mAh/gと高容量であった。それに対して比較例1(天然黒鉛)の初期放電容量は54mAh/g、比較例2(活性炭)の初期放電容量は54mAh/g、比較例3(メソポーラスカーボン)は34mAh/gであり、実施例1、2、3、参考例4に対して低い容量であることが分かる。実施例1、3は初期放電容量が高くサイクル数が進むにつれて容量低下しているものの、サイクル数10回目でも比較例1〜3より高い容量を維持している。参考例4の初期放電容量は実施例1,2,3に比べ低いものの、サイクル数を重ねても安定した容量を得ている。メソ孔径を大きくしたことでイオン移動がより安定し円滑に進んでいると考えられる。
この結果から、炭素活物質が三次元網目構造のメソ孔を有した非結晶性多孔質炭素を有する正極活物質を使用することで、正極へのアニオン挿入を利用した、高いエネルギー密度を有する非水電解液蓄電素子を提供できることが解かる。
Further, FIG. 1 shows a plot of the discharge capacities with respect to the number of charge/discharge cycles of Examples 1 to 3 and Reference Example 4 and Comparative Examples 1 to 3 . The initial discharge capacity was 296 mAh/g in Example 1, 191 mAh/g in Example 2, 371 mAh/g in Example 3, and 115 mAh/g in Reference Example 4 , which was a high capacity. On the other hand, the initial discharge capacity of Comparative Example 1 (natural graphite) was 54 mAh/g, the initial discharge capacity of Comparative Example 2 (activated carbon) was 54 mAh/g, and the initial discharge capacity of Comparative Example 3 (mesoporous carbon) was 34 mAh/g. It can be seen that the capacities are lower than those of Examples 1, 2, 3 and Reference Example 4 . In Examples 1 and 3, the initial discharge capacity is high and the capacity decreases as the number of cycles increases, but the capacity is higher than Comparative Examples 1 to 3 even at the 10th cycle. Although the initial discharge capacity of Reference Example 4 is lower than those of Examples 1, 2, and 3, the capacity is stable even when the number of cycles is increased. It is considered that the increase in the mesopore diameter promotes more stable and smooth ion movement.
From this result, it is possible to use a positive electrode active material having a non-crystalline porous carbon having a mesopore having a three-dimensional network structure as the carbon active material, thereby utilizing the anion insertion into the positive electrode to obtain a high energy density It is understood that a water electrolyte storage element can be provided.
Claims (4)
負極活物質を含む負極と、
非水溶媒、及びハロゲン原子を含む電解質塩を含有する非水電解液と、
を有する非水電解液蓄電素子であって、
前記電解質塩がリチウム塩であり、
前記負極活物質がリチウム金属箔であり、
前記正極活物質に用いる炭素活物質が、三次元網目構造の連通した孔径2nm以上50nm以下のメソ孔を有する非晶質の多孔質炭素であり、
前記正極において、前記アニオンによる電荷層の形成と、前記アニオンと正極活物質の化学反応とが生じることによって前記非水電解液蓄電素子が充電されることを特徴とする非水電解液蓄電素子。 A positive electrode containing a positive electrode active material capable of inserting or releasing anions,
A negative electrode containing a negative electrode active material,
A non-aqueous solvent, and a non-aqueous electrolytic solution containing an electrolyte salt containing a halogen atom,
A non-aqueous electrolyte storage element having:
The electrolyte salt is a lithium salt,
The negative electrode active material is a lithium metal foil,
The carbon active material used for the positive electrode active material is amorphous porous carbon having mesopores having a three-dimensional network structure and having continuous pore diameters of 2 nm or more and 50 nm or less ,
In the positive electrode, the nonaqueous electrolytic solution storage element is charged by forming a charge layer by the anion and causing a chemical reaction between the anion and the positive electrode active material to charge the nonaqueous electrolytic solution storage element.
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