JP6889751B2 - Dual ion power storage device - Google Patents
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Description
本発明は、デュアルイオン蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a dual ion power storage device.
近年、環境問題の意識の高まりと共に、化石燃料を用いたエンジン自動車から、蓄電デバイスから電力を得てモーターを駆動する電気自動車への転換が急速に進んできている。上記の転換において、蓄電デバイスは、携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器に用いられた小型のリチウムイオン二次電池を、基本的な動作原理や構造を踏襲しながら大型化したリチウムイオン二次電池が用いられている。 In recent years, with the growing awareness of environmental issues, the shift from fossil fuel-based engine vehicles to electric vehicles that drive motors by obtaining electric power from power storage devices has been rapidly progressing. In the above conversion, the power storage device is a small lithium-ion secondary battery used in mobile devices such as mobile phones and digital cameras, and is enlarged while following the basic operating principle and structure. Is used.
このようなリチウムイオン二次電池は、リチウムコバルト複合酸化物やリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物等を正極活物質とし、主に人造黒鉛や天然黒鉛のような炭素質材料を負極活物質とし、非水溶媒に1M程度の濃度のLiPF6などのリチウム塩を溶解してなる非水電解液を含み、正極活物質を含む正極と負極活物質を含む負極が、ポリオレフィンなどのセパレータで隔絶された構造を持ち、充電時には、正極活物質からリチウムイオンが脱離して負極活物質に挿入され、放電時には、充電によって負極活物質に挿入されたリチウムイオンが脱離して、正極活物質に戻ることにより充放電される蓄電デバイスである。 In such a lithium ion secondary battery, a lithium cobalt composite oxide, a lithium nickel cobalt aluminum composite oxide, or the like is used as a positive electrode active material, and a carbonaceous material such as artificial graphite or natural graphite is mainly used as a negative electrode active material. A structure in which a non-aqueous electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt such as LiPF 6 having a concentration of about 1 M in an aqueous solvent is contained, and a positive electrode containing a positive electrode active material and a negative electrode containing a negative electrode active material are separated by a separator such as polyolefin. At the time of charging, lithium ions are desorbed from the positive electrode active material and inserted into the negative electrode active material, and at the time of discharging, the lithium ions inserted into the negative electrode active material are desorbed by charging and returned to the positive electrode active material. It is a power storage device that is discharged.
しかしながら、このようなリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が十分でない。
エネルギー密度の高い蓄電デバイスとしては、炭素質材料を正極活物質に用い、炭素質材料を負極活物質に用い、非水溶媒にリチウム塩を溶解した非水電解液を用いた、デュアルイオン蓄電デバイスが検討されている。デュアルイオン蓄電デバイスは、充電時に非水電解液中の電解質から乖離したアニオンが正極活物質へ、カチオンが負極活物質に挿入され、放電時は、正極活物質と負極活物質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。
However, such a lithium ion secondary battery has insufficient energy density.
As a power storage device with high energy density, a dual ion power storage device using a carbonaceous material as a positive electrode active material, a carbonaceous material as a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent. Is being considered. In the dual ion power storage device, the anion separated from the electrolyte in the non-aqueous electrolyte solution is inserted into the positive electrode active material during charging, the cation is inserted into the negative electrode active material, and the anion inserted into the positive electrode active material and the negative electrode active material during discharging. , And the cation is desorbed into the electrolytic solution to perform charging and discharging.
特許文献1には、正極活物質および負極活物質の両方に炭素質材料を用い、初期充電電圧が5.2〜6.0Vであり、かつ、段階的に電圧を上げて充電することによりエネルギー密度を挙げるデュアルイオン蓄電デバイスが記されている。
また、特許文献2には、正極活物質に黒鉛を用い、負極活物質にリチウム金属や黒鉛を用い、リチウム基準で5.4〜5.5Vまで充電することで、容量が得られることが記されている。
In Patent Document 1, carbonaceous materials are used for both the positive electrode active material and the negative electrode active material, the initial charging voltage is 5.2 to 6.0 V, and the energy is charged by gradually increasing the voltage. Dual ion power storage devices that increase the density are listed.
Further, Patent Document 2 describes that a capacity can be obtained by using graphite as a positive electrode active material, using lithium metal or graphite as a negative electrode active material, and charging to 5.4 to 5.5 V based on lithium. Has been done.
特許文献3には、非水溶媒として、エチルメチルカーボネート(EMC)と環状カーボネートを含む混合溶媒を用いたデュアルイオン蓄電デバイスが開示されている。この特許文献3の実施例には、正極活物質として黒鉛を用い、負極活物質としてチタン酸リチウム(LTO)を用い、電解液として、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.8M、ホウフッ化リチウム(LiBF4)を0.2Mの割合で含む混合溶媒を用いたデュアルイオン蓄電デバイスが記載されている。 Patent Document 3 discloses a dual ion storage device using a mixed solvent containing ethyl methyl carbonate (EMC) and cyclic carbonate as a non-aqueous solvent. In the examples of Patent Document 3, graphite is used as the positive electrode active material, lithium titanate (LTO) is used as the negative electrode active material, and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is 1.8 M as the electrolytic solution. A dual ion storage device using a mixed solvent containing lithium titanate (LiBF 4) at a ratio of 0.2 M is described.
しかしながら、上記特許文献1に示された負極活物質に炭素質材料を用いたデュアルイオン蓄電デバイスの場合、充電時の正極の電位は、リチウム基準(V vs.Li/Li+)では5.25V以上となり、例えば45℃以上の高温にさらされた場合に、電解液の急速な分解が生じ、電解液の分解によって発生したガスによって電池が膨れる、電池の劣化が進み容量減少が生じるといった不具合がある。また、特許文献1および2で示された負極活物質に黒鉛やリチウム金属を用いた場合には、負極電極上にリチウムデンドライトが析出して、このデンドライトが内部短絡を引き起こし、リチウムイオン二次電池が発火や爆発する危険性がある。 However, in the case of the dual ion power storage device using the carbonaceous material as the negative electrode active material shown in Patent Document 1, the potential of the positive electrode at the time of charging is 5.25 V based on the lithium standard (V vs. Li / Li +). As described above, for example, when exposed to a high temperature of 45 ° C. or higher, the electrolytic solution is rapidly decomposed, the battery is swollen by the gas generated by the decomposition of the electrolytic solution, the battery is deteriorated, and the capacity is reduced. is there. When graphite or lithium metal is used as the negative electrode active material shown in Patent Documents 1 and 2, lithium dendrite is deposited on the negative electrode, and this dendrite causes an internal short circuit, resulting in a lithium ion secondary battery. Is in danger of catching fire or exploding.
また、蓄電デバイスは、一般に充放電容量が高く、サイクル寿命が長いことが要求される。特に、自動車用の蓄電デバイスなど屋外で利用されている蓄電デバイスでは、環境温度による充放電容量やサイクル寿命の変動が小さいことが要求されるが、従来のデュアルイオン蓄電デバイスでは、冬場の低温環境下では、電解液の粘性が増すなどの理由で、アニオンやカチオンの移動が阻害され、放電容量が低下し易い傾向があった。 Further, the power storage device is generally required to have a high charge / discharge capacity and a long cycle life. In particular, power storage devices used outdoors, such as power storage devices for automobiles, are required to have small fluctuations in charge / discharge capacity and cycle life depending on the environmental temperature, but conventional dual-ion power storage devices are required to have a low temperature environment in winter. Under the circumstances, the movement of anions and cations was hindered due to an increase in the viscosity of the electrolytic solution, and the discharge capacity tended to decrease.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、容量が大きく、正極電位を低く抑え、かつ、低温環境下での放電容量の低下が抑制されたデュアルイオン蓄電デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a dual ion power storage device having a large capacity, a low positive electrode potential, and a suppressed decrease in discharge capacity in a low temperature environment. To do.
本発明の発明者は、正極活物質に黒鉛、負極活物質に一般式Li4Ti5O12で示されるチタン酸リチウム(LTO)を用いたデュアルイオン蓄電デバイスについて、容量の拡大と正極電位を低く抑えると共に低温環境下での放電容量の低下を抑える検討を行った。その結果、デュアルイオン蓄電デバイスを、温度25℃の環境下で、1Cの定電流で充電したときの黒鉛1g当たりの充電容量と充電電圧の関係を示す充電曲線において、黒鉛1g当たりの充電容量が40mAhg−1以上であって、充電電圧が3.25〜3.39Vの間に変曲点が発現するように、電解液の組成を調整することが有効であることを見出した。また、正極集電体として、X線光電子分光法により測定されたX線光電子分光スペクトルにおいて、74.8eV以上76.7eVの範囲内に最大ピーク値を有するピークが検出されるアルミニウム箔を用いることによって、正極電位をより低く抑えることが可能となることを見出した。さらに、電解液の電解質塩として、所定のリチウムイミド塩と六フッ化リン酸リチウムを用いることによって、低温環境下での放電容量の低下をより抑えることが可能となることを見出した。
従って、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The inventor of the present invention has expanded the capacity and increased the positive electrode potential of a dual ion storage device using graphite as the positive electrode active material and lithium titanate (LTO) represented by the general formula Li 4 Ti 5 O 12 as the negative electrode active material. A study was conducted to suppress the decrease in discharge capacity in a low temperature environment while keeping it low. As a result, in the charging curve showing the relationship between the charging capacity per 1 g of graphite and the charging voltage when the dual ion power storage device is charged with a constant current of 1C in an environment of a temperature of 25 ° C., the charging capacity per 1 g of graphite is It has been found that it is effective to adjust the composition of the electrolytic solution so that an inflection point appears between 3.25 and 3.39 V at a charge voltage of 40 mAhg -1 or more. Further, as the positive electrode current collector, an aluminum foil in which a peak having a maximum peak value in the range of 74.8 eV or more and 76.7 eV is detected in the X-ray photoelectron spectroscopy measured by X-ray photoelectron spectroscopy is used. It was found that the positive potential can be suppressed to a lower level. Furthermore, it has been found that by using a predetermined lithium imide salt and lithium hexafluorophosphate as the electrolyte salt of the electrolytic solution, it is possible to further suppress the decrease in the discharge capacity in a low temperature environment.
Therefore, the present invention provides the following means for solving the above problems.
[1]非水溶媒及び前記非水溶媒に溶解された電解質を含む電解液と、正極集電体及び前記正極集電体の表面に形成された正極活物質層を有し、前記正極活物質層は前記電解質のアニオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極と、負極集電体及び前記負極集電体の表面に形成された負極活物質層を有し、前記負極活物質層は前記電解質のカチオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む負極とを備えるデュアルイオン蓄電デバイスであって、前記正極活物質は黒鉛であり、前記負極活物質は一般式Li4Ti5O12で示されるチタン酸リチウムであって、温度25℃の環境下で、1Cの定電流で充電したときの前記黒鉛1g当たりの充電容量と充電電圧の関係を示す充電曲線は、前記黒鉛1g当たりの充電容量が40mAhg−1以上であって、前記充電電圧が3.25〜3.39Vの間に変曲点を有することを特徴とするデュアルイオン蓄電デバイス。 [1] The positive electrode active material has an electrolytic solution containing a non-aqueous solvent and an electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent, a positive electrode current collector, and a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector and the positive electrode current collector. The layer has a positive electrode containing a positive electrode active material capable of storing and releasing anions of the electrolyte, a negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer has a negative electrode active material layer. A dual ion storage device including a negative electrode containing a negative electrode active material capable of storing and releasing cations of the electrolyte, wherein the positive electrode active material is graphite and the negative electrode active material is the general formula Li 4 Ti 5 O 12 . The charge curve showing the relationship between the charge capacity per 1 g of the graphite and the charging voltage when the lithium titanate shown is charged at a constant current of 1 C in an environment of 25 ° C. is the charge per 1 g of the graphite. A dual ion power storage device having a capacity of 40 mAhg -1 or more and having a bending point between 3.25 and 3.39 V.
[2]デュアルイオン蓄電デバイスの充電電圧の上限が3.5Vであることを特徴とする[1]に記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[3]前記黒鉛の(002)面の面間隔が、3.360nm以下であることを特徴とする[1]または[2]に記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[4]前記電解質のアニオンが、PF6 −、BF4 −、TFSI−((CF3SO2)2N−)、FSI−((FSO2)2N−)から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする[1]〜[3]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[5]前記電解質のカチオンが、Li+を含むことを特徴とする[1]〜[4]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[6]前記非水溶媒が、鎖状カーボネートを含むことを特徴とする[1]〜[5]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[7]前記非水溶媒が、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする[1]〜[5]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[8]前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方が、カーボンナノチューブ、炭素繊維、気相法炭素繊維、黒鉛、非晶質炭素、カーボンブラック類から選ばれる少なくとも1種の導電助剤を含むことを特徴とする[1]〜[7]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[9]前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方が、カーボンナノチューブとカーボンブラック類とを含むことを特徴とする[1]〜[7]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[10]前記カーボンブラック類が、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする[8]または[9]に記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[11]前記電解質は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)及びリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)からなる群より選択される少なくとも1種のリチウムイミド塩と、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)とを含み、前記正極集電体は、X線光電子分光法により測定されたX線光電子分光スペクトルにおいて、74.8eV以上76.7eVの範囲内に最大ピーク値を有するピークが検出されるアルミニウム箔である含むことを特徴とする[1]〜[10]のいずれか1つに記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[12]前記六フッ化リン酸リチウム1モルに対して、前記リチウムイミド塩を0.5モル以上10モル以下の範囲内で含む[11]に記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[13]前記電解質が、さらに、六フッ化リン酸リチウム1モルに対して、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)を0.05モル以上10モル以下の範囲内で含む[11]または[12]に記載のデュアルイオン蓄電デバイス。
[2] The dual ion power storage device according to [1], wherein the upper limit of the charging voltage of the dual ion power storage device is 3.5 V.
[3] The dual ion power storage device according to [1] or [2], wherein the surface spacing of the (002) planes of the graphite is 3.360 nm or less.
[4] The electrolyte anion contains one or more selected from PF 6 − , BF 4 − , TFSI − ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ), and FSI − ((FSO 2 ) 2 N −). The dual ion power storage device according to any one of [1] to [3].
[5] The dual ion storage device according to any one of [1] to [4], wherein the cation of the electrolyte contains Li +.
[6] The dual ion storage device according to any one of [1] to [5], wherein the non-aqueous solvent contains a chain carbonate.
[7] The non-aqueous solvent is one selected from ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC). The dual ion power storage device according to any one of [1] to [5], which comprises the above.
[8] At least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is selected from carbon nanotubes, carbon fibers, vapor phase carbon fibers, graphite, amorphous carbon, and carbon blacks. The dual ion power storage device according to any one of [1] to [7], which comprises an agent.
[9] The dual ion according to any one of [1] to [7], wherein at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer contains carbon nanotubes and carbon blacks. Power storage device.
[10] The dual ion storage device according to [8] or [9], wherein the carbon blacks are at least one selected from acetylene black, ketjen black, and furnace black.
[11] The electrolyte is at least one lithium imide salt selected from the group consisting of lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), and phosphoric acid hexafluorophosphate. The positive electrode current collector contains lithium (LiPF 6 ) and has a peak having a maximum peak value in the range of 74.8 eV or more and 76.7 eV in the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The dual ion power storage device according to any one of [1] to [10], which comprises a detected aluminum foil.
[12] The dual ion storage device according to [11], wherein the lithium imide salt is contained in a range of 0.5 mol or more and 10 mol or less with respect to 1 mol of the lithium hexafluorophosphate.
[13] The electrolyte further contains lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) in a range of 0.05 mol or more and 10 mol or less with respect to 1 mol of lithium hexafluorophosphate [11] or [ 12] The dual ion power storage device.
本発明によれば、容量が大きく、正極電位を低く抑え、かつ、低温環境下での放電容量の低下が抑制されたデュアルイオン蓄電デバイスを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a dual ion power storage device having a large capacity, a low positive electrode potential, and a suppressed decrease in discharge capacity in a low temperature environment.
以下、本発明の一実施形態に係るデュアルイオン蓄電デバイスについて説明する。なお、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the dual ion power storage device according to the embodiment of the present invention will be described. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention can be appropriately modified without changing the gist thereof.
本実施形態に係るデュアルイオン蓄電デバイスは、非水溶媒及びこの非水溶媒に溶解された電解質を含む電解液と、正極集電体及びこの正極集電体の表面に形成された正極活物質層を有し、正極活物質層は電解質のアニオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極と、負極集電体及びこの負極集電体の表面に形成された負極活物質層を有し、負極活物質層は電解質のカチオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む負極とを備える。 The dual ion power storage device according to the present embodiment includes an electrolytic solution containing a non-aqueous solvent and an electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent, a positive electrode current collector, and a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector. The positive electrode active material layer has a positive electrode containing a positive electrode active material capable of storing and releasing anions of an electrolyte, a negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode containing a negative electrode active material capable of storing and releasing the cation of the electrolyte.
<正極>
正極は、正極集電体と、この正極集電体の表面に形成された正極活物質層とを有する。
<Positive electrode>
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector.
[正極集電体]
正極集電体としては、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、ステンレス鋼箔、ニッケル箔、チタン箔、炭素シートなどをはじめ、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔またはステンレス鋼箔の表面に炭素、ダイアモンドライクカーボン、ニッケル、チタンまたは銀などの表面処理膜を付着させた複合体などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。集電体を構成する材料のなかでは、アルミニウムおよびアルミニウム合金が好ましい。正極集電体としての箔の厚みは、特に限定されないが、5μm以上40μm以下の範囲内になることが好ましく、10μm以上30μm以下の範囲内にあることがより好ましい。アルミニウム箔の厚みが5μm未満の場合、正極集電体の強度が低下するおそれがある。一方、アルミニウム箔の厚みが40μmを超えると、所定形状の電池ケースに収容するためには、正極活物質層の厚さを相対的に薄くすることが必要となり、デュアルイオン蓄電デバイスの容量が低下するおそれがある。
[Positive current collector]
Positive current collectors include aluminum foil, aluminum alloy foil, stainless steel foil, nickel foil, titanium foil, carbon sheet, etc., as well as carbon, diamond dry carbon, nickel on the surface of aluminum foil, aluminum alloy foil, or stainless steel foil. , A composite to which a surface treatment film such as titanium or silver is attached, and the like, but the present invention is not limited to such examples. Among the materials constituting the current collector, aluminum and an aluminum alloy are preferable. The thickness of the foil as the positive electrode current collector is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 μm or more and 40 μm or less, and more preferably in the range of 10 μm or more and 30 μm or less. If the thickness of the aluminum foil is less than 5 μm, the strength of the positive electrode current collector may decrease. On the other hand, if the thickness of the aluminum foil exceeds 40 μm, it is necessary to make the thickness of the positive electrode active material layer relatively thin in order to accommodate it in the battery case having a predetermined shape, and the capacity of the dual ion power storage device decreases. There is a risk of
本実施形態では、電解質にリチウムイミド塩が含まれ、アルミニウム箔を正極集電体に用いる場合は、LiPF6と共存させることが好ましい。リチウムイミド塩を単独で用いる場合、正極集電体にアルミニウム箔を用いると、蓄電デバイスが使用される条件によっては、リチウムイミド塩のアニオンによってアルミニウム箔が腐食され、溶出する場合があるからである。LiPF6のアニオンであるPF6 −は、最初の充電時に、アルミニウム箔の表面と優先的に反応して、Al−F結合を有する化合物の被膜(不動態膜)が形成し、リチウムイミド塩のアニオンとアルミニウム箔との腐食反応を抑制する作用があるためである。 In the present embodiment, when the electrolyte contains a lithium imide salt and the aluminum foil is used for the positive electrode current collector, it is preferable to coexist with LiPF 6. This is because when the lithium imide salt is used alone, if an aluminum foil is used for the positive electrode current collector, the aluminum foil may be corroded and eluted by the anion of the lithium imide salt depending on the conditions in which the power storage device is used. .. PF 6 −, which is an anion of LiPF 6 , reacts preferentially with the surface of the aluminum foil at the time of initial charging to form a film (passivation film) of a compound having an Al−F bond, and is a lithium imide salt. This is because it has an effect of suppressing the corrosion reaction between the anion and the aluminum foil.
電解液中のLiPF6の含有量は、リチウムイミド塩1モルに対して、0.01モル以上15モル以下の範囲内にあることが好ましく、0.1モル以上10.0モル以下の範囲内にあることが特に好ましい。 The content of LiPF 6 in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol or more and 15 mol or less, and in the range of 0.1 mol or more and 10.0 mol or less, with respect to 1 mol of the lithium imide salt. It is particularly preferable to be in.
電解質にリチウムイミド塩が含まれ、LiPF6を共存させた際のアルミニウム箔は、X線光電子分光法(XPS)により測定されたX線光電子分光スペクトルにおいて、74.8eV以上76.7eVの範囲内に最大ピーク値を有するピークが検出されるようにされている。このピークは、Al−F結合を示すと考えられる。すなわち、このピークが検出されるアルミニウム箔は、表面にAl−F結合を有する化合物の被膜(不動態膜)が形成されていると考えられる。 When the electrolyte contains a lithium imide salt and LiPF 6 coexists, the aluminum foil is in the range of 74.8 eV or more and 76.7 eV in the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The peak having the maximum peak value is detected. This peak is considered to indicate an Al—F bond. That is, it is considered that the aluminum foil in which this peak is detected has a film (passivation film) of a compound having an Al—F bond formed on its surface.
なお、アルミニウム箔は、デュアルイオン蓄電デバイスの組立て直後は、上記のピークを有していなくてもよい。上述のとおり、電解質としてリチウムイミド塩とLiPF6とを併用することによって、最初の充電時に、アルミニウム箔の表面にAl−F結合を有する化合物の被膜(不動態膜)が形成されるからである。デュアルイオン蓄電デバイスの製造時に使用するアルミニウム箔としては、電池用の集電体として利用されている各種のアルミニウム箔を用いることができる。アルミニウム箔の純度は99.3質量%以上であることが好ましく、99.85質量%以上であることがより好ましい。 The aluminum foil does not have to have the above peak immediately after assembling the dual ion power storage device. This is because, as described above, by using the lithium imide salt and LiPF 6 together as the electrolyte, a film (passivation film) of a compound having an Al—F bond is formed on the surface of the aluminum foil at the time of initial charging. .. As the aluminum foil used in the manufacture of the dual ion power storage device, various aluminum foils used as current collectors for batteries can be used. The purity of the aluminum foil is preferably 99.3% by mass or more, more preferably 99.85% by mass or more.
[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質と、バインダーと、導電助剤とを含むことが好ましい。正極活物質層の正極活物質、バインダー及び導電助剤の含有率は、好ましくは、正極活物質が70質量%以上99.5質量%以下の範囲内であり、バインダーが0.1質量%以上25質量%以下の範囲内であり、導電助剤が0.1質量%以上25質量%以下の範囲内である。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer preferably contains a positive electrode active material, a binder, and a conductive auxiliary agent. The content of the positive electrode active material, the binder and the conductive auxiliary agent in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 70% by mass or more and 99.5% by mass or less for the positive electrode active material, and 0.1% by mass or more for the binder. It is in the range of 25% by mass or less, and the conductive auxiliary agent is in the range of 0.1% by mass or more and 25% by mass or less.
本実施形態において用いる正極活物質は、黒鉛を含む。黒鉛は、天然黒鉛であってもよいし、人造黒鉛であってもよい。黒鉛は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。天然黒鉛としては、鱗片状天然黒鉛、塊状黒鉛、土状天然黒鉛などを用いることができる。人造黒鉛としては、鱗片状人造黒鉛、塊状人造黒鉛、球状人造黒鉛、膨張黒鉛、炭素繊維などを用いることができる。また、黒鉛は、アニオン透過性のある炭素質材料などでコーティングされていてもよい。 The positive electrode active material used in this embodiment contains graphite. The graphite may be natural graphite or artificial graphite. One type of graphite may be used alone, or two or more types may be used in combination. As the natural graphite, scaly natural graphite, lump graphite, earthy natural graphite and the like can be used. As the artificial graphite, scaly artificial graphite, massive artificial graphite, spherical artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber and the like can be used. Further, graphite may be coated with an anion-permeable carbonaceous material or the like.
黒鉛の結晶構造は大きく分けて、ABABからなる層構造の六方晶と、ABCABCからなる層構造の菱面体晶とがある。本実施形態においては、六方晶を有する黒鉛と菱面体晶を有する黒鉛のいずれも用いることができる。
黒鉛の(002)面の面間隔であるd(002)は、本発明の目的を達成できれば特に限定されないが、0.3365nm以下が好ましく、0.3363nm以下がより好ましく、0.3360nm以下がさらに好ましい。d(002)の下限は0.3354nmである。
The crystal structure of graphite is roughly divided into hexagonal crystals having a layered structure made of ABAB and rhombohedral crystals having a layered structure made of ABCABC. In this embodiment, both graphite having hexagonal crystals and graphite having rhombohedral crystals can be used.
The interplanar spacing of the (002) planes of graphite, d (002), is not particularly limited as long as the object of the present invention can be achieved, but is preferably 0.3365 nm or less, more preferably 0.3363 nm or less, and further preferably 0.3360 nm or less. preferable. The lower limit of d (002) is 0.3354 nm.
バインダーとしては、例えば、フッ素樹脂、ゴム、アクリル系樹脂、オレフィン系樹脂、カルボキシメチルセルロース(CMC)系樹脂、天然高分子系樹脂を用いることができる。フッ素樹脂の例としては、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)が挙げられる。ゴムの例としては、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエンゴムが挙げられる。天然高分子樹脂の例としては、ゼラチン、キトサン、アルギン酸系などが挙げられる。これらのバインダーは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 As the binder, for example, a fluororesin, a rubber, an acrylic resin, an olefin resin, a carboxymethyl cellulose (CMC) resin, or a natural polymer resin can be used. Examples of the fluororesin include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Examples of rubber include fluororubber, ethylene propylene diene rubber, and styrene butadiene rubber. Examples of natural polymer resins include gelatin, chitosan, alginic acid and the like. These binders may be used alone or in combination of two or more.
導電助剤としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、気相法炭素繊維、黒鉛、非晶質炭素、カーボンブラック類を用いることができる。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであってもよいし、多層カーボンナノチューブであってもよい。カーボンブラック類の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等が挙げられる。これらの導電助剤は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。2種以上を組み合わせた導電助剤としては、単層カーボンナノチューブとアセチレンブラックの2種を組み合わせたものを用いることが好ましい。 As the conductive auxiliary agent, for example, carbon nanotubes, carbon fibers, vapor-phase carbon fibers, graphite, amorphous carbon, and carbon blacks can be used. The carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes. Examples of carbon blacks include acetylene black, ketjen black, furnace black and the like. These conductive auxiliaries may be used alone or in combination of two or more. As the conductive auxiliary agent in which two or more kinds are combined, it is preferable to use a combination of two kinds of single-walled carbon nanotubes and acetylene black.
[正極の製造方法]
正極は、例えば、正極活物質とバインダーと導電助剤とを溶媒に分散させた正極活物質層形成用ペーストを、正極集電体の表面に塗布し、乾燥することによって製造することができる。正極活物質層形成用ペーストの溶媒としては、N−メチルピロリドンなどの極性有機溶媒や水を用いることができる。正極活物質層形成用ペーストの塗布方法としては、特に制限はなく、例えば、ドクターブレード、ダイコータ、バーコータ、ロールコータなどの塗工装置を用いて行うことができる。
正極の活物質層の厚みは、5〜100μmで、より好ましくは、10〜70μmで、さらに好ましくは、15〜35μmである。
[Manufacturing method of positive electrode]
The positive electrode can be produced, for example, by applying a paste for forming a positive electrode active material layer in which a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive are dispersed in a solvent to the surface of a positive electrode current collector and drying it. As the solvent of the paste for forming the positive electrode active material layer, a polar organic solvent such as N-methylpyrrolidone or water can be used. The method for applying the paste for forming the positive electrode active material layer is not particularly limited, and for example, it can be applied using a coating device such as a doctor blade, a die coater, a bar coater, or a roll coater.
The thickness of the active material layer of the positive electrode is 5 to 100 μm, more preferably 10 to 70 μm, and even more preferably 15 to 35 μm.
<負極>
負極は、負極集電体と、この負極集電体の表面に形成された負極活物質層とを有することが好ましい。
<Negative electrode>
The negative electrode preferably has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector.
[負極集電体]
負極集電体としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどを用いることができる。また、負極集電体の形状としては、箔、シート、フィルム、メッシュなどの形状とすることができる。負極集電体の厚みは、特に限定されないが、5μm以上40μm以下の範囲内になることが好ましく、8μm以上30μm以下の範囲内にあることがより好ましい。
[Negative electrode current collector]
As the negative electrode current collector, for example, aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, stainless steel, nickel, titanium and the like can be used. The shape of the negative electrode current collector may be a foil, a sheet, a film, a mesh, or the like. The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 μm or more and 40 μm or less, and more preferably in the range of 8 μm or more and 30 μm or less.
[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質と、バインダーと、導電助剤とを含むことが好ましい。負極活物質層の負極活物質、バインダー及び導電助剤の含有率は、好ましくは、負極活物質が70質量%以上99.5質量%以下の範囲内であり、バインダーが0.1%以上25質量%以下の範囲内であり、導電助剤が0.1質量%以上25質量%以下の範囲内である。
本実施形態において用いる負極活物質は、一般式がLi4Ti5O12で表されるLTOを含む。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer preferably contains a negative electrode active material, a binder, and a conductive auxiliary agent. The content of the negative electrode active material, the binder and the conductive auxiliary agent in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 70% by mass or more and 99.5% by mass or less for the negative electrode active material, and 0.1% or more and 25% by mass for the binder. It is in the range of mass% or less, and the conductive auxiliary agent is in the range of 0.1% by mass or more and 25% by mass or less.
The negative electrode active material used in this embodiment includes an LTO whose general formula is represented by Li 4 Ti 5 O 12.
バインダーとしては、例えば、フッ素樹脂、ゴム、アクリル系樹脂、オレフィン系樹脂、カルボキシメチルセルロース(CMC)系樹脂、天然高分子系樹脂を用いることができる。フッ素樹脂、ゴム、天然高分子系樹脂の例は、正極のバインダーの場合と同じである。 As the binder, for example, a fluororesin, a rubber, an acrylic resin, an olefin resin, a carboxymethyl cellulose (CMC) resin, or a natural polymer resin can be used. Examples of fluororesin, rubber, and natural polymer resin are the same as in the case of the binder of the positive electrode.
導電助剤としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、気相法炭素繊維、黒鉛、非晶質炭素、カーボンブラック類を用いることができる。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであってもよいし、多層カーボンナノチューブであってもよい。カーボンブラック類の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等が挙げられる。これらの導電助剤は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。2種以上を組み合わせた導電助剤としては、単層カーボンナノチューブとアセチレンブラックの2種を組み合わせたものを用いることが好ましい。 As the conductive auxiliary agent, for example, carbon nanotubes, carbon fibers, vapor-phase carbon fibers, graphite, amorphous carbon, and carbon blacks can be used. The carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes. Examples of carbon blacks include acetylene black, ketjen black, furnace black and the like. These conductive auxiliaries may be used alone or in combination of two or more. As the conductive auxiliary agent in which two or more kinds are combined, it is preferable to use a combination of two kinds of single-walled carbon nanotubes and acetylene black.
[負極の製造方法]
負極は、例えば、負極活物質とバインダーと導電助剤とを溶媒に分散させた負極活物質層形成用ペーストを、負極集電体の表面に塗布し、乾燥することによって製造することができる。負極活物質層形成用ペーストの溶媒の例は、正極活物質層形成用ペーストの場合と同じである。負極活物質層形成用ペーストの塗布方法の例は、正極活物質層形成用ペーストの場合と同じである。
負極の活物質層の厚みは、5〜100μmで、より好ましくは、10〜70μmで、さらに好ましくは、15〜35μmである。
[Manufacturing method of negative electrode]
The negative electrode can be manufactured, for example, by applying a paste for forming a negative electrode active material layer in which a negative electrode active material, a binder, and a conductive auxiliary agent are dispersed in a solvent to the surface of a negative electrode current collector and drying the negative electrode. The example of the solvent of the paste for forming the negative electrode active material layer is the same as that of the paste for forming the positive electrode active material layer. The example of the method of applying the paste for forming the negative electrode active material layer is the same as that of the paste for forming the positive electrode active material layer.
The thickness of the active material layer of the negative electrode is 5 to 100 μm, more preferably 10 to 70 μm, and even more preferably 15 to 35 μm.
<電解液>
電解液は、非水溶媒と電解質を含む。本実施形態のデュアルイオン蓄電デバイスでは、充電時には、電解液中の電解質のアニオンが正極活物質に、電解液中の電解質のカチオンが負極活物質にそれぞれ吸蔵され、放電時には、正極活物質中のアニオンが電解液に、負極活物質中のカチオンが電解液にそれぞれ放出される。
<Electrolytic solution>
The electrolytic solution contains a non-aqueous solvent and an electrolyte. In the dual ion power storage device of the present embodiment, the anion of the electrolyte in the electrolytic solution is stored in the positive electrode active material during charging, the cation of the electrolyte in the electrolytic solution is stored in the negative electrode active material, and the cation of the electrolyte in the electrolytic solution is stored in the negative electrode active material during discharging. Anions are released into the electrolytic solution, and cations in the negative electrode active material are released into the electrolytic solution.
[非水溶媒]
非水溶媒としては、電解質を溶解可能な有機溶媒が用いられる。非水溶媒は、環状カーボネート及び鎖状カーボネートからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含むことが好ましい。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)及びブチレンカーボネート(BC)などを用いることができる。鎖状カーボネートとしては、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びジエチルカーボネート(DEC)などを用いることができる。これらの環状カーボネート及び鎖状カーボネートは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
[Non-aqueous solvent]
As the non-aqueous solvent, an organic solvent capable of dissolving the electrolyte is used. The non-aqueous solvent preferably contains at least one compound selected from the group consisting of cyclic carbonates and chain carbonates. As the cyclic carbonate, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) and the like can be used. As the chain carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and the like can be used. These cyclic carbonates and chain carbonates may be used alone or in combination of two or more.
非水溶媒は、1種もしくは2種以上の鎖状カーボネート、あるいは鎖状カーボネートと環状カーボネートとの混合物であることが好ましく、1種の鎖状カーボネートであることが特に好ましい。1種の鎖状カーボネートは、EMCであることが好ましい。鎖状カーボネートと環状カーボネートとの混合物は、体積比で50:50〜99:1(前者:後者)の範囲内にあることが好ましい。 The non-aqueous solvent is preferably one kind or two or more kinds of chain carbonates, or a mixture of chain carbonates and cyclic carbonates, and particularly preferably one kind of chain carbonates. One type of chain carbonate is preferably EMC. The mixture of the chain carbonate and the cyclic carbonate is preferably in the range of 50:50 to 99: 1 (former: latter) in volume ratio.
[電解質]
本実施形態において、電解質は、アニオンが、PF6 −、BF4 −、TFSI−((CF3SO2)2N−)、FSI−((FSO2)2N−)から選ばれる1種以上を含み、カチオンがLi+を含んでいる必要がある。このようなアニオンとカチオンの組み合わせから、電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiFSI、LiTFSIなどが例示されるが、これに限定されない。
電解液中の電解質の濃度は、2M以上5M以下の範囲にある。
[Electrolytes]
In the present embodiment, the electrolyte is one or more anions selected from PF 6 − , BF 4 − , TFSI − ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ), and FSI − ((FSO 2 ) 2 N − ). The cation must contain Li +. From such a combination of anions and cations, examples of the electrolyte include, but are not limited to , LiPF 6 , LiBF 4, LiFSI, and LiTFSI.
The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is in the range of 2M or more and 5M or less.
本実施形態においては、電解液の組成を、温度25℃の環境下で、1Cの定電流で充電したときの黒鉛1g当たりの充電容量と充電電圧の関係を示す充電曲線において、黒鉛1g当たりの充電容量が40mAhg−1以上であって、充電電圧が3.25〜3.39Vの間に変曲点が発現するように調整する。なお、変曲点は、充電曲線の傾き(=充電電圧/黒鉛1g当たりの充電容量)が減少する点である。 In the present embodiment, in the charging curve showing the relationship between the charging capacity per 1 g of graphite and the charging voltage when the composition of the electrolytic solution is charged at a constant current of 1 C in an environment of a temperature of 25 ° C., per 1 g of graphite. The charging capacity is adjusted to 40 mAhg -1 or more, and the charging voltage is adjusted so that an inflection point appears between 3.25 and 3.39 V. The inflection point is that the slope of the charging curve (= charging voltage / charging capacity per 1 g of graphite) decreases.
本発明者は、デュアルイオン蓄電デバイスの放電容量と、充放電曲線との関係を詳しく検討した結果、大きな放電容量を示すデュアルイオン蓄電デバイスは、充電曲線において前記の範囲に変曲点を発現する傾向があることを見出した。そして、さらに検討を重ねた結果、後述の実施例で明らかにされているように、電解液の組成(電解質のアニオンとカチオンの組み合わせ、非水溶媒の種類とその組み合わせ、電解質濃度)によって、充電曲線の変曲点の発現する位置が変動する、あるいは変曲点が発現しない場合があることが判明した。充電曲線に変曲点が発現する理由は、次のように考えられる。 As a result of detailed examination of the relationship between the discharge capacity of the dual ion power storage device and the charge / discharge curve, the present inventor of the dual ion power storage device exhibiting an inflection point in the above range in the charge curve. I found that there was a tendency. Then, as a result of further studies, as is clarified in Examples described later, charging is performed according to the composition of the electrolytic solution (combination of anion and cation of electrolyte, type and combination of non-aqueous solvent, electrolyte concentration). It was found that the position where the inflection point of the curve appears may fluctuate, or the inflection point may not appear. The reason why the inflection point appears on the charge curve is considered as follows.
一般に、電解質が非水溶媒に溶解する際、電解液はアニオンとカチオンに電離する。この電離したアニオンとカチオンは、それぞれに非水溶媒分子と溶媒和して、安定化する。アニオンと溶媒和している非水溶媒分子の数は、アニオンの種類と非水溶媒の種類、組み合わせによって変化する。また、電解質の濃度によっても溶媒和している非水溶媒分子の数が変化する可能性もある。すなわち、電解液の組成によって、アニオンと溶媒和している非水溶媒分子の数が変化する。 Generally, when the electrolyte dissolves in a non-aqueous solvent, the electrolyte ionizes into anions and cations. The ionized anions and cations are solvated with non-aqueous solvent molecules, respectively, to stabilize them. The number of non-aqueous solvent molecules solvated with anions varies depending on the type of anion, the type of non-aqueous solvent, and the combination. In addition, the number of non-aqueous solvent molecules solvated may change depending on the concentration of the electrolyte. That is, the number of non-aqueous solvent molecules solvated with the anion changes depending on the composition of the electrolytic solution.
一方、アニオンが正極活物質の黒鉛に挿入する際は、溶媒和した非水溶媒分子の一部もしくは全部がアニオンから脱離し、その脱離したアニオンが黒鉛の層間に挿入される。この非水溶媒分子がアニオンから脱離する際に要するエネルギーが充電電圧を決定しているものと考えられる。従って、充電電圧を低減させるためには、非水溶媒分子がアニオンから脱離する際に要するエネルギーが高くならないように、電解液の組成を調整することが必要である。 On the other hand, when the anion is inserted into the graphite of the positive electrode active material, some or all of the solvated non-aqueous solvent molecules are desorbed from the anion, and the desorbed anion is inserted between the layers of the graphite. It is considered that the energy required for the non-aqueous solvent molecule to desorb from the anion determines the charging voltage. Therefore, in order to reduce the charging voltage, it is necessary to adjust the composition of the electrolytic solution so that the energy required for desorbing the non-aqueous solvent molecule from the anion does not increase.
また、黒鉛に挿入されたアニオンは、黒鉛の層間を黒鉛粒子の内部まで拡散して、層間化合物を形成する。この層間化合物はステージ構造を形成し、最もアニオンの挿入数の少ないステージが、ステージIVで、アニオンの挿入数が増加するにつれて、ステージIII→ステージII→ステージIと変化することが知られている(文献:Jeffery A.Read,J.Phys.Chem.,C2015,119,8438.を参照)。
充電曲線に変曲点が発現するのは、黒鉛に形成されている層間化合物のステージが遷移することによって、非水溶媒分子がアニオンから脱離する際に要するエネルギーが低くなったためであると考えられる。そして、層間化合物のステージが遷移することに起因し、その結果として容量の増大が生起されると考えられる。
なお、電解液の組成によって変曲点の発現する位置が変動する、あるいは変曲点が発現しない場合があるのは、電解液の組成によって黒鉛に形成されている層間化合物のステージの遷移の起こりやすさが変化するためであると考えられる。
Further, the anion inserted into the graphite diffuses between the graphite layers to the inside of the graphite particles to form an intercalation compound. It is known that this interlayer compound forms a stage structure, and the stage with the smallest number of anion insertions is stage IV, and changes from stage III to stage II to stage I as the number of anion insertions increases. (See References: Jeffery A. Read, J. Phys. Chem., C2015, 119, 8438.).
It is considered that the inflection point appears on the charge curve because the energy required for the non-aqueous solvent molecule to desorb from the anion is reduced due to the transition of the stage of the intercalation compound formed on graphite. Be done. Then, it is considered that due to the transition of the stage of the intercalation compound, an increase in capacity occurs as a result.
The position where the inflection point appears may fluctuate depending on the composition of the electrolytic solution, or the inflection point may not appear because the stage transition of the intercalation compound formed on graphite occurs depending on the composition of the electrolytic solution. This is thought to be due to changes in ease.
また、本発明者は、リチウムイミド塩はデュアルイオン蓄電デバイスの低温環境下での放電容量の低下を抑える作用があることを見出した。リチウムイミド塩にデュアルイオン蓄電デバイスの低温環境下での放電容量の低下を抑える作用がある理由は、必ずしも明らかではないが、電解液中の非水溶媒分子と、アニオンまたは/およびカチオンとの溶媒和の形態がリチウムイミド塩を含まない場合と異なることやリチウムイミド塩の解離度の違いにより、低温での放電特性の低下を抑制する効果を発揮するためであると考えられる。このリチウムイミド塩による効果を得るために、電解液中のリチウムイミド塩の含有量は、前出の充電曲線の変曲点の位置が、充電電圧と正極活物質(黒鉛)1g当たりの充電容量が前述の範囲内となる量であれば特に制限はないが、0.01M以上4.0M以下の範囲内にあることが好ましい。 Further, the present inventor has found that the lithium imide salt has an effect of suppressing a decrease in the discharge capacity of the dual ion power storage device in a low temperature environment. The reason why the lithium imide salt has the effect of suppressing the decrease in the discharge capacity of the dual ion storage device in a low temperature environment is not always clear, but it is not always clear, but the solvent of the non-aqueous solvent molecule in the electrolytic solution and the anion or / and the cation. It is considered that this is because the sum form is different from the case where the lithium imide salt is not contained and the dissociation degree of the lithium imide salt is different, so that the effect of suppressing the deterioration of the discharge characteristics at low temperature is exhibited. In order to obtain the effect of this lithium imide salt, the content of the lithium imide salt in the electrolytic solution is such that the position of the inflection point of the charging curve described above is the charging voltage and the charging capacity per 1 g of the positive electrode active material (graphite). Is not particularly limited as long as the amount is within the above range, but it is preferably within the range of 0.01 M or more and 4.0 M or less.
リチウムイミド塩を用いる際は、LiPF6を共存させる必要がある。この理由は後述する。電解液中のLiPF6の含有量は、前出の充電曲線の変曲点の位置が、充電電圧と正極活物質1g当たりの充電容量が前述の範囲内となる量であれば特に制限はないが、0.01M以上4.0M以下の範囲内にあることが好ましい。 When using a lithium imide salt, LiPF 6 needs to coexist. The reason for this will be described later. The content of LiPF 6 in the electrolytic solution is not particularly limited as long as the position of the inflection point of the charging curve is within the above-mentioned range of the charging voltage and the charging capacity per 1 g of the positive electrode active material. However, it is preferably in the range of 0.01 M or more and 4.0 M or less.
さらに、LiBF4をリチウムイミド塩と共存させてもよい。LiBF4をリチウムイミド塩と共存することによって、デュアルイオン蓄電デバイスの低温環境下での放電容量の低下を抑える作用がある。この理由も必ずしも明らかではないが、LiBF4の存在によって電解液と電極界面と電荷移動抵抗が低減するためであると考えられる。電解液中のLiBF4の含有量は、前出の充電曲線の変曲点の位置が、充電電圧と正極活物質1g当たりの充電容量が前述の範囲内となる量であれば特に制限はないが、0.01M以上4.0M以下の範囲内にあることが好ましい。 Further, LiBF 4 may be allowed to coexist with the lithium imide salt. By coexisting LiBF 4 with a lithium imide salt, there is an effect of suppressing a decrease in the discharge capacity of the dual ion storage device in a low temperature environment. The reason for this is not necessarily clear, but it is considered that the presence of LiBF 4 reduces the interface between the electrolytic solution and the electrode and the charge transfer resistance. The content of LiBF 4 in the electrolytic solution is not particularly limited as long as the position of the inflection point of the charging curve is within the above-mentioned range of the charging voltage and the charging capacity per 1 g of the positive electrode active material. However, it is preferably in the range of 0.01 M or more and 4.0 M or less.
[電解液添加剤]
本発明の特性を損なわない限り、VC(ビニレンカーボネート)、LiBOB(リチウムビスオキサレートボラート)、LiDFOB(リチウムジフルオロオキサラトボレート)などの添加剤を電解液に共存させてもよい。
[Electrolyte additive]
Additives such as VC (vinylene carbonate), LiBOB (lithium bisoxalate borate), and LiDFOB (lithium difluorooxalate borate) may coexist in the electrolytic solution as long as the characteristics of the present invention are not impaired.
<デュアルイオン蓄電デバイスの構成>
本実施形態のデュアルイオン蓄電デバイスの構成としては特に制限はなく、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角型などの蓄電デバイスの構成として採用されている公知の構成とすることができる。
<Configuration of dual-ion power storage device>
The configuration of the dual ion power storage device of the present embodiment is not particularly limited, and may be a known configuration adopted as a configuration of a power storage device such as a coin type, a button type, a sheet type, a cylindrical type, or a square type. ..
コイン型、ボタン型、ラミネート型のデュアルイオン蓄電デバイスは、正極と負極とを、正極活物質層と負極活物質層が互いに対向するように、セパレータを介して積層した積層体を、電解液と共に、電池ケースに収容して封止した構成の蓄電デバイスである。セパレータとしては、例えば、多孔質膜、不織布、紙を用いることができる。多孔質膜としては、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン製多孔質膜、フッ素樹脂製多孔質膜を用いることができる。不織布としては、ポリプロピレン製不織布、セルロース製不織布、ガラス繊維製不織布を用いることができる。 In the coin-type, button-type, and laminate-type dual ion power storage devices, a laminate in which a positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other is formed together with an electrolytic solution. , A power storage device having a configuration in which it is housed in a battery case and sealed. As the separator, for example, a porous membrane, a non-woven fabric, or paper can be used. As the porous membrane, a porous membrane made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene or a porous membrane made of fluororesin can be used. As the non-woven fabric, a polypropylene non-woven fabric, a cellulose non-woven fabric, or a glass fiber non-woven fabric can be used.
円筒型、角型のデュアルイオン蓄電デバイスは、正極と負極とを、正極活物質層と負極活物質層が互いに対向するように、セパレータを介して捲回した捲回体を、電解液と共に、電池ケースに収容して封止した構成の蓄電デバイスである。また、捲回体をラミネート型に入れてもよい。セパレータとしては、多孔質膜、不織布、紙を用いることができる。 In the cylindrical and square dual ion power storage devices, a wound body in which a positive electrode and a negative electrode are wound with a separator so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other is wound together with an electrolytic solution. It is a power storage device that is housed in a battery case and sealed. Further, the wound body may be put in a laminated mold. As the separator, a porous membrane, a non-woven fabric, or paper can be used.
<活性化>
本実施形態のデュアルイオン蓄電デバイスでは、電解液と電極・セパレータの積層体を電池ケースに収容して封止した後に、充電を行って活性化する。充電の終止電圧は、3.40V以上3.75V以下、好ましくは3.40V以上3.55V以下、より好ましくは、3.40V以上3.50V以下である。充電電圧がこの範囲より高いと電解液中の非水溶媒やLiBOB等の添加剤の分解が生じる危険があり、また、充電電圧がこの範囲より低いと、アニオンが黒鉛に挿入されないためである。なお、本実施形態において、充電曲線に変曲点が発現するのは、活性化後のデュアルイオン蓄電デバイスであって、活性化のための充電では、充電曲線に変曲点が発現してもよいし、発現しなくてもよい。
<Activation>
In the dual ion power storage device of the present embodiment, the laminate of the electrolytic solution and the electrode / separator is housed in a battery case, sealed, and then charged to be activated. The final charge voltage is 3.40V or more and 3.75V or less, preferably 3.40V or more and 3.55V or less, and more preferably 3.40V or more and 3.50V or less. This is because if the charging voltage is higher than this range, there is a risk of decomposition of non-aqueous solvents and additives such as LiBOB in the electrolytic solution, and if the charging voltage is lower than this range, anions are not inserted into graphite. In the present embodiment, the inflection point appears on the charging curve in the dual ion storage device after activation, and even if the inflection point appears on the charging curve in the charging for activation. It may or may not be expressed.
充電時の電流値は高くなりすぎると、黒鉛にイオンを挿入することによって生成する層間化合物の構造を破壊するおそれがあり、また、電圧が上昇して電解液が分解するおそれがある。このための充電時の電流値は小さい方が好ましいが、電流値が小さくなりすぎると充電に時間を要する。このため、充電時の電流値は、0.01Cから1C、好ましくは0.05Cから0.5C、より好ましくは0.1C〜0.3Cである。さらに、電流値は、充電や放電の途中で変化させてよい。 If the current value during charging becomes too high, the structure of the interlayer compound generated by inserting ions into graphite may be destroyed, and the voltage may increase to decompose the electrolytic solution. For this reason, it is preferable that the current value at the time of charging is small, but if the current value becomes too small, it takes time to charge. Therefore, the current value during charging is 0.01C to 1C, preferably 0.05C to 0.5C, and more preferably 0.1C to 0.3C. Further, the current value may be changed during charging or discharging.
リチウムイミド塩とLiPF6を共存させた場合は、正極集電体(アルミニウム箔)に、X線光電子分光法により測定されたX線光電子分光スペクトルにおいて、74.8eV以上76.7eVの範囲内に最大ピーク値を有するピークが検出されるように、最初の充電を行う。充電方法は、前出と同じである。 When the lithium imide salt and LiPF 6 coexist, the positive electrode current collector (aluminum foil) is in the range of 74.8 eV or more and 76.7 eV in the X-ray photoelectron spectroscopy measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The first charge is performed so that the peak having the maximum peak value is detected. The charging method is the same as above.
本実施形態で、デュアルイオン蓄電デバイスによれば、電解質として、所定のリチウムイミド塩とLiPF6を共存させた場合は、正極集電体は、X線光電子分光法により測定されたX線光電子分光スペクトルにおいて、74.8eV以上76.7eVの範囲内に最大ピーク値を有するピークが検出されるアルミニウム箔であるので、低温環境下での放電容量の低下が抑制される。特に、LiPF6の含有量は、リチウムイミド塩1モルに対して、0.01モル以上15モル以下の範囲内にあることが好ましく、0.1モル以上10.0モル以下の範囲内で含むことによって、リチウムイミド塩による低温環境下での放電容量の低下の抑制効果を確実に得ることができる。 According to the dual ion storage device in the present embodiment, when a predetermined lithiumimide salt and LiPF 6 coexist as the electrolyte, the positive electrode current collector is X-ray photoelectron spectroscopy measured by X-ray photoelectron spectroscopy. Since the aluminum foil is an aluminum foil in which a peak having a maximum peak value is detected in the range of 74.8 eV or more and 76.7 eV in the spectrum, a decrease in discharge capacity in a low temperature environment is suppressed. In particular, the content of LiPF 6 is preferably in the range of 0.01 mol or more and 15 mol or less, and is contained in the range of 0.1 mol or more and 10.0 mol or less with respect to 1 mol of the lithium imide salt. As a result, the effect of suppressing the decrease in discharge capacity due to the lithium imide salt in a low temperature environment can be surely obtained.
<実施例1>
[正極の作製]
正極活物質として、人造黒鉛粉末(日立化成株式会社製HPG−6、d(002)=0.3358nm)を93.0質量部、導電助剤としてアセチレンブラック3.0質量%、バインダーとして、アルギン酸系バインダーとカルボキシメチルセルロースを合計2.0質量%とアクリル樹脂2.0質量%の割合で混合した。得られた混合物に水を投入し、撹拌混合して正極活物質層形成用ペーストを調製した。
<Example 1>
[Preparation of positive electrode]
93.0 parts by mass of artificial graphite powder (HPG-6 manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd., d (002) = 0.3358 nm) as a positive electrode active material, 3.0% by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, and alginic acid as a binder. The system binder and carboxymethyl cellulose were mixed at a ratio of 2.0% by mass in total and 2.0% by mass of the acrylic resin. Water was added to the obtained mixture, and the mixture was stirred and mixed to prepare a paste for forming a positive electrode active material layer.
正極集電体として、アルミニウム箔(厚さ:15μm)を用意した。このアルミニウム箔の表面に、ダイコート法で、上記の正極活物質層形成用ペーストを塗布し、乾燥して、正極集電体の表面に正極活物質層が形成された正極を作製した。得られた正極活物質層の厚さを、マイクロメーターを用いて計測したところ、35μmであった。 An aluminum foil (thickness: 15 μm) was prepared as a positive electrode current collector. The above-mentioned paste for forming a positive electrode active material layer was applied to the surface of the aluminum foil by a die coating method and dried to prepare a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on the surface of a positive electrode current collector. The thickness of the obtained positive electrode active material layer was measured using a micrometer and found to be 35 μm.
[負極の作製]
負極活物質として、LTOを93.0質量%、導電助剤としてアセチレンブラック3.0質量%、バインダーとしてPVDFを4.0質量%の割合で混合した。得られた混合物に、N−メチルピロリドンを投入し、撹拌混合して負極活物質層形成用ペーストを調製した。なお、LTOは、炭酸リチウムとアナターゼ型酸化チタンとを、リチウムとチタンの化学量論比が4:5になる割合で混合し、次いで得られた混合物を、マッフル炉を用いて昇温速度10℃/分で800℃まで昇温し、この温度で5時間保持した後、室温まで自然冷却することによって合成した。
[Preparation of negative electrode]
LTO was mixed at a ratio of 93.0% by mass as a negative electrode active material, acetylene black at a ratio of 3.0% by mass as a conductive auxiliary agent, and PVDF at a ratio of 4.0% by mass as a binder. N-Methylpyrrolidone was added to the obtained mixture, and the mixture was stirred and mixed to prepare a paste for forming a negative electrode active material layer. In LTO, lithium carbonate and anatase-type titanium oxide are mixed at a ratio of lithium and titanium in a chemical quantity theory ratio of 4: 5, and then the obtained mixture is heated at a temperature rising rate of 10 using a muffle furnace. The temperature was raised to 800 ° C. at ° C./min, the temperature was maintained at this temperature for 5 hours, and then the mixture was naturally cooled to room temperature for synthesis.
負極集電体として、アルミニウム箔(厚さ:15μm)を用意した。このアルミニウム箔の表面に、ダイコート法で、上記の負極活物質層形成用ペーストを塗布し、乾燥して、負極集電体の表面に負極活物質層が形成された負極を作製した。得られた負極活物質層の厚さを、マイクロメーターを用いて計測したところ、15μmであった。 An aluminum foil (thickness: 15 μm) was prepared as a negative electrode current collector. The above-mentioned paste for forming a negative electrode active material layer was applied to the surface of the aluminum foil by a die coating method and dried to prepare a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on the surface of a negative electrode current collector. The thickness of the obtained negative electrode active material layer was measured using a micrometer and found to be 15 μm.
[電解液の調製]
非水溶媒として、EMCを用意した。このEMCに、電解質として、LiPF6を濃度が3Mとなるように溶解して、電解液を調製した。なお、電解液の調製は、室温で露点が−40℃以下のドライルームで行った。
[Preparation of electrolyte]
EMC was prepared as a non-aqueous solvent. An electrolytic solution was prepared by dissolving LiPF 6 as an electrolyte in this EMC so as to have a concentration of 3M. The electrolytic solution was prepared in a dry room having a dew point of −40 ° C. or lower at room temperature.
[コイン型デュアルイオン蓄電デバイスの作製]
前記で作製した正極を直径14mm、前記で作製した負極を直径12mmの円板状に打ち抜いた物を、露点−40℃以下のドライルームに移し、150℃で24時間真空乾燥した。その後、真空乾燥後の正極と負極を、正極活物質層と負極活物質層とが対向するようにニッポン高度紙工業株式会社製の紙セパレータ(商品名:TF4425)を介して積層した。得られた積層体と上記の電解液とを、アルミニウムをクラッドしたSUS316L製2032コインセルに収容し、封止して、コイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
[Manufacturing of coin-type dual-ion power storage device]
The positive electrode prepared above was punched into a disk shape having a diameter of 14 mm and the negative electrode prepared above was punched into a disk shape having a diameter of 12 mm, and the mixture was transferred to a dry room having a dew point of −40 ° C. or lower and vacuum dried at 150 ° C. for 24 hours. Then, the positive electrode and the negative electrode after vacuum drying were laminated via a paper separator (trade name: TF4425) manufactured by Nippon Kodoshi Paper Industry Co., Ltd. so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other. The obtained laminate and the above electrolytic solution were housed in a 2032 coin cell made of SUS316L clad with aluminum and sealed to prepare a coin-type dual ion power storage device.
[コイン型デュアルイオン蓄電デバイスの活性化]
コイン型デュアルイオン蓄電デバイスを、25℃の恒温槽中で0.3Cに相当する電流値で3.5VまでCCモード(定電流モード)で充電して活性化した。この後、CVモード(定電圧モード)に切り替え、30分間充電を続けた。さらに、0.3Cに相当する電流値で、2Vまで放電を行った。
[Activation of coin-type dual-ion power storage device]
The coin-type dual-ion power storage device was activated by charging it in a constant temperature bath at 25 ° C. with a current value corresponding to 0.3 C up to 3.5 V in CC mode (constant current mode). After that, the mode was switched to CV mode (constant voltage mode), and charging was continued for 30 minutes. Further, the electric discharge was performed up to 2 V with a current value corresponding to 0.3 C.
[コイン型デュアルイオン蓄電デバイスの充放電評価]
活性化したコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを、25℃の恒温槽中で1Cに相当する電流値で3.5VまでCCモードで充電し、この後、CVモードに切り替え、30分間充電を続けた。充電終了後、1Cに相当する電流値で2Vまで放電した。この放電によって得られた放電容量を初期の放電容量とした。
[Charge / discharge evaluation of coin-type dual-ion power storage device]
The activated coin-type dual ion power storage device was charged in CC mode to 3.5 V with a current value corresponding to 1 C in a constant temperature bath at 25 ° C., then switched to CV mode and continued charging for 30 minutes. After the charging was completed, the current value corresponding to 1C was discharged to 2V. The discharge capacity obtained by this discharge was used as the initial discharge capacity.
図1に、コイン型デュアルイオン蓄電デバイスを充電したときの正極活物質1g当たりの充電容量と充電電圧との関係をプロットした充電曲線を示す。また、表1に変曲点の充電容量と充電電圧と、初期放電容量の測定結果を記した。
図1の充電曲線から、変曲点は、正極活物質1g当たりの充電容量が50mAhg−1、セル電圧3.32Vで生じ、初期の放電容量は100mAhg−1であることが確認された。
FIG. 1 shows a charging curve that plots the relationship between the charging capacity and the charging voltage per 1 g of the positive electrode active material when the coin-type dual ion power storage device is charged. In addition, Table 1 shows the measurement results of the charging capacity and charging voltage at the inflection point and the initial discharge capacity.
From the charging curve of FIG. 1, it was confirmed that the inflection point occurred at a charging capacity of 50 mAhg -1 per 1 g of the positive electrode active material and a cell voltage of 3.32 V, and the initial discharge capacity was 100 mAhg -1.
<実施例2〜6>
表1に記載の電解質および非水溶媒の組み合わせで、実施例1と同様にコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製し、得られたコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを活性化した後、充放電評価を行った。その結果を、表1に示す。
<Examples 2 to 6>
A coin-type dual-ion power storage device was produced in the same manner as in Example 1 with the combination of the electrolyte and the non-aqueous solvent shown in Table 1, and after activating the obtained coin-type dual-ion power storage device, charge / discharge evaluation was performed. It was. The results are shown in Table 1.
<比較例1〜5>
表1に記載の電解質および非水溶媒の組み合わせで、実施例1と同様にコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製し、得られたコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを活性化した後、充放電評価を行った。図2に比較例1で作製したコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを充電したときの充電電圧と正極活物質1g当たりの充電容量との関係をプロットした充電曲線を示す。また、表1に比較例1〜5のコイン型デュアルイオン蓄電デバイスで測定された変曲点における充電電圧と充電容量、初期放電容量の測定結果を示す。
<Comparative Examples 1 to 5>
A coin-type dual-ion power storage device was produced in the same manner as in Example 1 with the combination of the electrolyte and the non-aqueous solvent shown in Table 1, and after activating the obtained coin-type dual-ion power storage device, charge / discharge evaluation was performed. It was. FIG. 2 shows a charging curve plotting the relationship between the charging voltage when the coin-type dual ion power storage device produced in Comparative Example 1 is charged and the charging capacity per 1 g of the positive electrode active material. Table 1 shows the measurement results of the charging voltage, the charging capacity, and the initial discharge capacity at the inflection point measured by the coin-type dual ion power storage devices of Comparative Examples 1 to 5.
表1の結果から、実施例1〜6のコイン型デュアルイオン蓄電デバイスは、変曲点が正極活物質1g当たりの充電容量が45mAhg−1以上で、充電電圧が3.28〜3.34Vの範囲にあり、初期の放電容量は83mAhg−1以上と高い値を示すことが分かった。
一方、比較例1のコイン型デュアルイオン蓄電デバイスは、図2に示すように、変曲点が、正極活物質1g当たりの充電容量が36mAhg−1で本発明の範囲よりも低く、充電電圧が3.40Vで本発明の範囲よりも高い位置で発生し、初期の放電容量は52mAhg−1と低くなった。比較例2〜5の場合は、変曲点が観察されなかった。また、初期の放電容量が最大でも61mAhg−1と、実施例1〜6よりも小さかった。変曲点が観察されなかったのは、黒鉛に形成される層間化合物のステージの遷移が十分に進行しなかったためであると考えられる。すなわち、この結果から電解液の組成によって、黒鉛に形成される層間化合物のステージの遷移の起こりやすさが変化することが確認された。
From the results in Table 1, the coin-type dual-ion power storage devices of Examples 1 to 6 have an inflection point of 45 mAhg -1 or more per 1 g of the positive electrode active material and a charging voltage of 3.28 to 3.34 V. It was found that the initial discharge capacity was in the range and showed a high value of 83 mAhg -1 or more.
On the other hand, in the coin-type dual-ion power storage device of Comparative Example 1, as shown in FIG. 2, the inflection point is that the charging capacity per 1 g of the positive electrode active material is 36 mAhg -1, which is lower than the range of the present invention, and the charging voltage is high. It occurred at 3.40 V at a position higher than the range of the present invention, and the initial discharge capacity was as low as 52 mAhg -1. In the case of Comparative Examples 2 to 5, no inflection point was observed. In addition, the initial discharge capacity was 61 mAhg -1 at the maximum, which was smaller than that of Examples 1 to 6. It is considered that the inflection point was not observed because the stage transition of the intercalation compound formed on graphite did not proceed sufficiently. That is, from this result, it was confirmed that the likelihood of stage transition of the intercalation compound formed on graphite changes depending on the composition of the electrolytic solution.
<実施例7〜27、比較例6〜7>
表2に記載の電解質および非水溶媒の組み合わせで、実施例1と同様にコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製し、得られたコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを活性化した後、充放電評価を行った。その結果を、表2に示す。
<Examples 7 to 27, Comparative Examples 6 to 7>
A coin-type dual-ion power storage device was produced in the same manner as in Example 1 with the combination of the electrolyte and the non-aqueous solvent shown in Table 2, and after activating the obtained coin-type dual-ion power storage device, charge / discharge evaluation was performed. It was. The results are shown in Table 2.
表2から、実施例7〜27で得られたコイン型デュアルイオン蓄電デバイスは、いずれも変曲点が3.33〜3.39Vの範囲内にあり、正極活物質1g当たりの充電容量は、44mAhg−1以上で、初期放電容量は62mAhg−1以上あることが確認された。一方、比較例6〜7は、変曲点が観察されず、初期の放電容量も小さいことが確認された。 From Table 2, the coin-type dual-ion power storage devices obtained in Examples 7 to 27 all had an inflection point in the range of 3.33 to 3.39 V, and the charge capacity per 1 g of the positive electrode active material was in 44MAhg -1 or higher, the initial discharge capacity was confirmed that more than 62mAhg -1. On the other hand, in Comparative Examples 6 to 7, it was confirmed that no inflection point was observed and the initial discharge capacity was small.
<予備実験1>
[電解液の調製]
非水溶媒として、EMCを用意した。このEMCに、電解質として、LiTFSIを濃度が3Mとなるように溶解して、電解液を調製した。
<Preliminary experiment 1>
[Preparation of electrolyte]
EMC was prepared as a non-aqueous solvent. An electrolytic solution was prepared by dissolving LiTFSI as an electrolyte in this EMC so as to have a concentration of 3M.
[コイン型評価セルの作製]
直径12mm、厚さ15μmの円板状のアルミニウム箔と、直径14mm、厚さ100μmの円板状のリチウム箔とが対向するようにポリエチレン製セパレータを介して積層した。得られた積層体と上記の電解液とを、アルミニウムをクラッドしたSUS316L製2032コインセルに収容し、封止して、コイン型評価セルを作製した。この場合、アルミニウム箔を、アルミニウムをクラッドしたSUS316L製コイン型セルケース側とした。コイン型評価セルの作製は、露点を−40℃以下に調整したドライルーム内にて行った。
[Creation of coin-type evaluation cell]
A disk-shaped aluminum foil having a diameter of 12 mm and a thickness of 15 μm and a disk-shaped lithium foil having a diameter of 14 mm and a thickness of 100 μm were laminated via a polyethylene separator so as to face each other. The obtained laminate and the above electrolytic solution were housed in a 2032 coin cell made of SUS316L clad with aluminum and sealed to prepare a coin-type evaluation cell. In this case, the aluminum foil was the SUS316L coin-shaped cell case side clad with aluminum. The coin-shaped evaluation cell was prepared in a dry room where the dew point was adjusted to −40 ° C. or lower.
[サイクリックボルタンメトリー(CV)測定]
電圧走査範囲をリチウム基準電圧で3.0〜6.0Vとし、走査速度を1.0mV/secの条件で、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を行った。測定温度は25℃とした。その結果を、図3に示す。図3において、横軸は金属Liに対する電位(V)を表し、縦軸は応答電流(mA)を表す。
図3の結果から、CV測定の1サイクル目において100μA台の大きな酸化応答電流が流れ、箔の腐食が進行しているものと考えられた。
[Cyclic voltammetry (CV) measurement]
Cyclic voltammetry (CV) measurement was performed under the conditions that the voltage scanning range was 3.0 to 6.0 V at the lithium reference voltage and the scanning speed was 1.0 mV / sec. The measurement temperature was 25 ° C. The result is shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents the potential (V) with respect to the metal Li, and the vertical axis represents the response current (mA).
From the results shown in FIG. 3, it was considered that a large oxidation response current in the 100 μA range flowed in the first cycle of the CV measurement, and the corrosion of the foil was progressing.
<予備実験2>
[電解液の調製]
非水溶媒として、EMCを用意した。このEMCに、電解質として、LIPF6を濃度が1M、LiTFSIを濃度が2M、LiBF4を濃度が0.4Mとなるように溶解して、電解液を調製した。
<Preliminary experiment 2>
[Preparation of electrolyte]
EMC was prepared as a non-aqueous solvent. An electrolytic solution was prepared by dissolving LIPF 6 as an electrolyte in this EMC so as to have a concentration of 1 M, LiTFSI at a concentration of 2 M, and LiBF 4 at a concentration of 0.4 M.
[コイン型評価セルの作製]
上記の電解液を用いたこと以外は、予備実験1と同様にしてコイン型評価セルを作製した。
[Creation of coin-type evaluation cell]
A coin-type evaluation cell was prepared in the same manner as in Preliminary Experiment 1 except that the above electrolytic solution was used.
[サイクリックボルタンメトリー(CV)測定]
得られたコイン型評価セルについて、予備実験1と同様にして、サイクリックボルタンメトリー(CV)測定を5サイクル行った。その結果を、図4に示す。
図4の結果から、CV測定の1サイクル目では、約3.6Vから応答電流が流れ始めて、4.0Vで電流増加の傾きが減少して、そのままの傾きを維持しながら6.0Vに到達した。ただし、酸化電流値は、1μA台で、予備実験1と比較して、2桁電流値が低下していた。さらに、サイクルを重ねるとサイクル毎に酸化電流値が減少し、ほぼ0となった。これは、前出のようにLiPF6によってアルミニウム箔表面に不動態膜が形成されるためであると考えられる。
[Cyclic voltammetry (CV) measurement]
The obtained coin-shaped evaluation cell was subjected to cyclic voltammetry (CV) measurement for 5 cycles in the same manner as in Preliminary Experiment 1. The result is shown in FIG.
From the results of FIG. 4, in the first cycle of CV measurement, the response current starts to flow from about 3.6V, the slope of the current increase decreases at 4.0V, and reaches 6.0V while maintaining the slope as it is. did. However, the oxidation current value was in the 1 μA range, and the double-digit current value was lower than that in the preliminary experiment 1. Furthermore, as the cycles were repeated, the oxidation current value decreased with each cycle and became almost zero. It is considered that this is because the passivation film is formed on the surface of the aluminum foil by LiPF 6 as described above.
<予備実験3>
EMCに、電解質として、LIPF6を濃度が1M、LiTFSIを濃度が1M、LiBF4を濃度が0.4Mとなるように溶解して、電解液を調製した。この電解液を用いて、予備実験1と同様にCV測定を1サイクル行った。その結果を、図5に示す。図5では、予備実験1の1サイクル目と同様な電流値で、LiTFSI濃度の影響を受けていないことが分かった。
<Preliminary experiment 3>
An electrolytic solution was prepared by dissolving LIPF 6 as an electrolyte in EMC so as to have a concentration of 1 M, LiTFSI at a concentration of 1 M, and LiBF 4 at a concentration of 0.4 M. Using this electrolytic solution, CV measurement was carried out for one cycle in the same manner as in Preliminary Experiment 1. The result is shown in FIG. In FIG. 5, it was found that the current value was the same as that in the first cycle of the preliminary experiment 1 and was not affected by the LiTFSI concentration.
<予備実験4>
EMCに、電解質として、LIPF6を濃度が1M、LiTFSIを濃度が2Mとなるように溶解して、電解液を調製した。この電解液を用いて、予備実験1と同様にCV測定を1サイクル行った。その結果を、図6に示す。図6では、予備実験1の1サイクル目と同様な電流値で、LiBF4の有無の影響を受けていないことが分かった。
<Preliminary experiment 4>
An electrolytic solution was prepared by dissolving LIPF 6 as an electrolyte in EMC so as to have a concentration of 1 M and LiTFSI at a concentration of 2 M. Using this electrolytic solution, CV measurement was carried out for one cycle in the same manner as in Preliminary Experiment 1. The result is shown in FIG. In FIG. 6, it was found that the current value was the same as that in the first cycle of the preliminary experiment 1 and was not affected by the presence or absence of LiBF 4.
以上の結果から、アルミニウム箔表面の不動態膜はLiPF6の存在によって生成したものであることが分かった。また、リチウムイミド塩はLiPF6の共存下で、アルミニウム箔が使用できることが分かった。 From the above results, it was found that the passivation film on the surface of the aluminum foil was formed by the presence of LiPF 6. It was also found that an aluminum foil can be used as the lithium imide salt in the coexistence of LiPF 6.
<予備実験5>
[アルミニウム箔のX線光電子分光スペクトル測定]
上記のCV測定を行ったコイン型評価セルのアルミニウム箔と、CV測定を行っていないコイン型評価セルのアルミニウム箔のX線光電子分光スペクトルを下記のようにして測定した。
<Preliminary experiment 5>
[X-ray photoelectron spectroscopy spectrum measurement of aluminum foil]
The X-ray photoelectron spectroscopic spectra of the aluminum foil of the coin-shaped evaluation cell in which the above CV measurement was performed and the aluminum foil of the coin-type evaluation cell in which the CV measurement was not performed were measured as follows.
アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内で、コイン型評価セルを解体し、取り出したアルミニウム箔をEMCにて洗浄し、真空乾燥した。真空乾燥後のアルミニウム箔について、X線光電子分光法(XPS)によりX線光電子分光スペクトルを測定した。X線光電子分光スペクトルの測定条件は、以下のとおりである。
測定装置:複合型電子分光分析装置(PHI社製、ESCA−5800)
X線源:Monochromated Al Kα線(1486.6eV)300W
光電子取り出し角度:45゜(測定深さ:約4nm)
測定エリア:2mm×0.8mm
The coin-shaped evaluation cell was disassembled in a glove box having an argon gas atmosphere, and the aluminum foil taken out was washed with EMC and vacuum dried. The X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of the vacuum-dried aluminum foil was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The measurement conditions of the X-ray photoelectron spectroscopic spectrum are as follows.
Measuring device: Composite electron spectroscopic analyzer (PHI, ESCA-5800)
X-ray source: Monochromated Al Kα ray (1486.6 eV) 300 W
Photoelectron extraction angle: 45 ° (measurement depth: approx. 4 nm)
Measurement area: 2 mm x 0.8 mm
図7は、予備実験2とおいて、CV測定を行ったコイン型評価セルを解体した後、アルミニウム箔を取り出し、このアルミニウム箔のX線光電子分光スペクトルであり、図8は、CV測定を行っていないコイン型評価セルのアルミニウム箔のX線光電子分光スペクトルである。 FIG. 7 shows an X-ray photoelectron spectroscopic spectrum of the aluminum foil taken out after disassembling the coin-shaped evaluation cell in which the CV measurement was performed in the preliminary experiment 2, and FIG. 8 shows the CV measurement. It is an X-ray photoelectron spectroscopic spectrum of an aluminum foil of a coin-shaped evaluation cell.
図7及び図8において、横軸は、結合エネルギー(eV)を示し、縦軸は強度を示す。図7及び図8において、丸実線は実測値であり、×実線は、フィッティング(波形分離して得られた各成分の和、フィッティングと実測値が近いほど、精度が高い)である。破線、一点鎖線、二点鎖点は、それぞれ波形分離で得られた金属アルミニウム、Al−O結合、Al−F結合を表す。 In FIGS. 7 and 8, the horizontal axis represents the binding energy (eV) and the vertical axis represents the strength. In FIGS. 7 and 8, the round solid line is the measured value, and the × solid line is the fitting (the sum of the components obtained by separating the waveforms, and the closer the fitting and the measured value are, the higher the accuracy). The broken line, the alternate long and short dash line, and the alternate long and short dash line represent the metallic aluminum, the Al—O bond, and the Al−F bond obtained by waveform separation, respectively.
図7と図8のX線光電子分光スペクトルを比較すると、CV測定を行ったコイン型評価セルのアルミニウム箔は、Al−F結合に相当するピークが大きくなっている。このことから、予備実験2のコイン型評価セルは、CV測定の1サイクル目で、アルミニウム箔表面にAl−F結合を有する化合物の被膜が形成される反応により、応答電流が大きく低下し、2サイクル目以降の応答電流の低減はAl−F結合がより多く生成したことによるものと考えられる。 Comparing the X-ray photoelectron spectroscopic spectra of FIGS. 7 and 8, the aluminum foil of the coin-shaped evaluation cell on which the CV measurement was performed has a large peak corresponding to the Al—F bond. From this, in the coin-type evaluation cell of the preliminary experiment 2, the response current was greatly reduced by the reaction of forming a film of the compound having an Al—F bond on the surface of the aluminum foil in the first cycle of the CV measurement. The decrease in the response current after the cycle is considered to be due to the formation of more Al-F bonds.
<予備実験6>
[コイン型評価セルの作製]
アルミニウム箔(厚さ:15μm)の一方の表面を、黒鉛を含むコート層(厚み2μm)で被覆した。次いで、この被覆アルミニウム箔を、円板状に打ち抜いた。
アルミニウム箔の代わりに、上記の円板状の被覆アルミニウム箔を用い、被覆アルミニウム箔の黒鉛を含むコート層の面がセパレータと接するように配置したこと以外は、予備実験2と同様にしてコイン型評価セルを作製した。
<Preliminary experiment 6>
[Creation of coin-type evaluation cell]
One surface of the aluminum foil (thickness: 15 μm) was coated with a coat layer (thickness: 2 μm) containing graphite. Next, the coated aluminum foil was punched into a disk shape.
The above-mentioned disk-shaped coated aluminum foil was used instead of the aluminum foil, and the coin mold was used in the same manner as in the preliminary experiment 2 except that the surface of the coated aluminum foil coated layer containing graphite was arranged so as to be in contact with the separator. An evaluation cell was prepared.
作製したコイン型評価セルについて、予備実験1と同様にサイクリックボルタンメトリー(CV)測定した。その結果を図9に示す。
図9の結果から、1サイクル目の応答電流値が、予備実験2と比較して、顕著に大きくなった。また、2サイクル目以降は徐々に応答電流値が低下したが、予備実験2よりは、応答電流が2〜3桁大きく、明らかに予備実験2とは異なる挙動であった。
Cyclic voltammetry (CV) was measured on the produced coin-shaped evaluation cell in the same manner as in Preliminary Experiment 1. The result is shown in FIG.
From the result of FIG. 9, the response current value in the first cycle was significantly larger than that in the preliminary experiment 2. In addition, although the response current value gradually decreased after the second cycle, the response current was 2 to 3 orders of magnitude larger than that of the preliminary experiment 2, and the behavior was clearly different from that of the preliminary experiment 2.
また、予備実験1と同様に、CV測定を行ったコイン型評価セルのアルミニウム箔のX線光電子分光スペクトルを測定したところ、表面には、Al−Fの結合に相当するピークは確認できなかった。 Further, when the X-ray photoelectron spectroscopic spectrum of the aluminum foil of the coin-shaped evaluation cell in which the CV measurement was performed was measured in the same manner as in the preliminary experiment 1, a peak corresponding to the Al-F bond could not be confirmed on the surface. ..
以上の結果から、電解質として、リチウムイミド塩を用いる場合は、LiPF6やLiBF4を併用すること、集電体として用いるアルミニウム箔は、炭素質材料のようなコート層を有しないことが望ましいことが確認された。 From the above results, when a lithium imide salt is used as the electrolyte, it is desirable that LiPF 6 and LiBF 4 be used in combination, and that the aluminum foil used as the current collector does not have a coat layer like a carbonaceous material. Was confirmed.
<実施例31>
正極活物質として、人造黒鉛粉末(日立化成株式会社製HPG−6、d(002)=0.3358nm)を93.0質量%、導電助剤として、単層カーボンナノチューブ(CNT)を0.2質量%とアセチレンブラック2.8質量%、バインダーとして、アルギン酸系バインダーとカルボキシメチルセルロースを合計2.0質量%とアクリル樹脂2.0質量%の割合で混合した。得られた混合物に水を投入し、撹拌混合して正極活物質層形成用ペーストを調製した。
<Example 31>
As the positive electrode active material, artificial graphite powder (HPG-6 manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd., d (002) = 0.3358 nm) was 93.0% by mass, and as a conductive auxiliary agent, single-walled carbon nanotube (CNT) was 0.2. Mass% and acetylene black 2.8% by mass, and as a binder, an alginate-based binder and carboxymethyl cellulose were mixed at a ratio of 2.0% by mass in total and 2.0% by mass of acrylic resin. Water was added to the obtained mixture, and the mixture was stirred and mixed to prepare a paste for forming a positive electrode active material layer.
正極集電体として、アルミニウム箔(厚さ:15μm)を用意した。このアルミニウム箔の表面に、ダイコート法で、上記の正極活物質層形成用ペーストを塗布し、乾燥して、正極集電体の表面に正極活物質層が形成された正極を作製した。得られた正極活物質層の厚さをマイクロメーターを用いて計測したところ、35μmであった。 An aluminum foil (thickness: 15 μm) was prepared as a positive electrode current collector. The above-mentioned paste for forming a positive electrode active material layer was applied to the surface of the aluminum foil by a die coating method and dried to prepare a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on the surface of a positive electrode current collector. The thickness of the obtained positive electrode active material layer was measured using a micrometer and found to be 35 μm.
[負極の作製]
負極活物質として、LTOを92.8質量%、導電助剤として、CNTを0.4質量%とアセチレンブラック2.8質量%、バインダーとして、PVDFを4.0質量%の割合で混合した。得られた混合物に、N−メチルピロリドンを投入し、撹拌混合して負極活物質層形成用ペーストを調製した。なお、LTOは、炭酸リチウムとアナターゼ型酸化チタンとを、リチウムとチタンの化学量論比が4:5になる割合で混合し、次いで得られた混合物を、マッフル炉を用いて昇温速度10℃/分で800℃まで昇温し、この温度で5時間保持した後、室温まで自然冷却することによって合成した。
[Preparation of negative electrode]
LTO was mixed at a ratio of 92.8% by mass as a negative electrode active material, CNT at 0.4% by mass and acetylene black at a ratio of 2.8% by mass as a conductive auxiliary agent, and PVDF at a ratio of 4.0% by mass as a binder. N-Methylpyrrolidone was added to the obtained mixture, and the mixture was stirred and mixed to prepare a paste for forming a negative electrode active material layer. In LTO, lithium carbonate and anatase-type titanium oxide are mixed at a ratio of lithium and titanium in a chemical quantity theory ratio of 4: 5, and then the obtained mixture is heated at a temperature rising rate of 10 using a muffle furnace. The temperature was raised to 800 ° C. at ° C./min, the temperature was maintained at this temperature for 5 hours, and then the mixture was naturally cooled to room temperature for synthesis.
負極集電体として、アルミニウム箔(厚さ:15μm)を用意した。このアルミニウム箔の表面に、ダイコート法で、上記の負極活物質層形成用ペーストを塗布し、乾燥して、負極集電体の表面に負極活物質層が形成された負極を作製した。得られた負極活物質層の厚さを、マイクロメーターを用いて計測したところ、15μmであった。 An aluminum foil (thickness: 15 μm) was prepared as a negative electrode current collector. The above-mentioned paste for forming a negative electrode active material layer was applied to the surface of the aluminum foil by a die coating method and dried to prepare a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on the surface of a negative electrode current collector. The thickness of the obtained negative electrode active material layer was measured using a micrometer and found to be 15 μm.
[電解液の調製]
非水溶媒として、EMCを用意した。このEMCに、電解質として、LiPF6を濃度が1M、LiTFSIを濃度が1Mとなるように溶解して、電解液を調製した。
[Preparation of electrolyte]
EMC was prepared as a non-aqueous solvent. An electrolytic solution was prepared by dissolving LiPF 6 as an electrolyte in this EMC so as to have a concentration of 1 M and LiTFSI at a concentration of 1 M.
[コイン型デュアルイオン蓄電デバイスの作製]
得られた正極を直径14mm、得られた負極を直径12mmの円板状に打ち抜いたものを露点−40℃以下のドライルームに移し、150℃で24時間真空乾燥した。乾燥後の正極と負極を、正極活物質層と負極活物質層とが対向するようにニッポン高度紙工業株式会社製の紙セパレータ(商品名:TF4425)を介して積層した。得られた積層体と上記の電解液とを、アルミニウムをクラッドしたSUS316L製2032コインセルに収容し、封止して、コイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
[Manufacturing of coin-type dual-ion power storage device]
The obtained positive electrode was punched into a disk shape having a diameter of 14 mm and the obtained negative electrode having a diameter of 12 mm, and the mixture was transferred to a dry room having a dew point of −40 ° C. or lower and vacuum dried at 150 ° C. for 24 hours. The dried positive electrode and negative electrode were laminated via a paper separator (trade name: TF4425) manufactured by Nippon Kodoshi Paper Industry Co., Ltd. so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other. The obtained laminate and the above electrolytic solution were housed in a 2032 coin cell made of SUS316L clad with aluminum and sealed to prepare a coin-type dual ion power storage device.
<実施例32>
電解液のLiPF6の濃度を1.5Mとし、LiTFSIの濃度を1.5Mとしたこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 32>
A coin-type dual ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31 except that the concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1.5 M and the concentration of LiTFSI was 1.5 M.
<実施例33>
電解液にさらに、LiBF4を濃度が0.4Mとなるように溶解したこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 33>
A coin-type dual-ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31 except that LiBF 4 was further dissolved in the electrolytic solution so as to have a concentration of 0.4 M.
<実施例34>
電解液のLiPF6の濃度を1.5Mとし、LiTFSIの濃度を1.5Mとしたこと、さらに、LiBF4を濃度が0.5Mとなるように溶解したこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 34>
The same as in Example 31 except that the concentration of LiPF 6 in the electrolytic solution was 1.5 M, the concentration of LiTFSI was 1.5 M, and LiBF 4 was dissolved so as to have a concentration of 0.5 M. A coin-type dual-ion power storage device was manufactured.
<実施例35>
電解液の非水溶媒として、EMCを90体積%、PCを10体積%の割合で含む混合溶媒を用いたこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 35>
A coin-type dual ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31 except that a mixed solvent containing 90% by volume of EMC and 10% by volume of PC was used as the non-aqueous solvent of the electrolytic solution.
<実施例36>
電解液の非水溶媒として、EMCを90体積%、PCを10体積%の割合で含む混合溶媒を用い、LiPF6の濃度を1.5Mとし、LiTFSIの濃度を1.5Mとしたこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 36>
As a non-aqueous solvent for the electrolytic solution, a mixed solvent containing 90% by volume of EMC and 10% by volume of PC was used, except that the concentration of LiPF 6 was 1.5M and the concentration of LiTFSI was 1.5M. , A coin-type dual ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31.
<実施例37>
電解液の非水溶媒として、EMCを90体積%、PCを10体積%の割合で含む混合溶媒を用い、さらに、LiBF4を濃度が0.4Mとなるように溶解したこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 37>
Examples except that a mixed solvent containing 90% by volume of EMC and 10% by volume of PC was used as the non-aqueous solvent of the electrolytic solution, and LiBF 4 was further dissolved so as to have a concentration of 0.4M. A coin-type dual ion power storage device was manufactured in the same manner as in 31.
<実施例38>
電解液の非水溶媒として、EMCを90体積%、PCを10体積%の割合で含む混合溶媒を用い、LiPF6の濃度を1.5Mとし、LiTFSIの濃度を1.5Mとしたこと、さらに、LiBF4を濃度が0.5Mとなるように溶解したこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Example 38>
As a non-aqueous solvent for the electrolytic solution, a mixed solvent containing 90% by volume of EMC and 10% by volume of PC was used, the concentration of LiPF 6 was 1.5M, the concentration of LiTFSI was 1.5M, and further. , LiBF 4 was dissolved so as to have a concentration of 0.5 M, and a coin-type dual ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31.
<比較例31>
電解液にLiTFSIを用いずに、LiPF6の濃度を3.5Mとしたこと、さらに、LiBF4を濃度が0.5Mとなるように溶解したこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Comparative Example 31>
A coin type as in Example 31 except that the concentration of LiPF 6 was 3.5 M and LiBF 4 was dissolved so as to have a concentration of 0.5 M without using LiTFSI as the electrolytic solution. A dual ion power storage device was manufactured.
<比較例32>
電解液の非水溶媒として、EMCを90体積%、PCを10体積%の割合で含む混合溶媒を用い、電解液にLiTFSIを用いずに、LiPF6の濃度を3.5Mとしたこと、さらに、LiBF4を濃度が0.5Mとなるように溶解したこと以外は、実施例31と同様にしてコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製した。
<Comparative Example 32>
As the non-aqueous solvent of the electrolytic solution, a mixed solvent containing 90% by volume of EMC and 10% by volume of PC was used, and the concentration of LiPF 6 was 3.5M without using LiTFSI in the electrolytic solution. , LiBF 4 was dissolved so as to have a concentration of 0.5 M, and a coin-type dual ion storage device was produced in the same manner as in Example 31.
<評価>
コイン型デュアルイオン蓄電デバイスを、25℃の恒温槽中で0.3Cの電流値で3.5VまでCC充電した。この後、CVモードに切り替え、30分間充電を続けた。次いで、2.0Vまで0.3Cの電流値で放電を行った。この操作をさらに2回行った。次いで、電流値を1Cに変更して同様の操作を行い、1C放電時に得られた放電容量を初期容量とした。
<Evaluation>
The coin-type dual-ion power storage device was CC-charged to 3.5 V with a current value of 0.3 C in a constant temperature bath at 25 ° C. After that, the mode was switched to CV mode and charging was continued for 30 minutes. Then, discharge was performed up to 2.0 V with a current value of 0.3 C. This operation was performed twice more. Next, the current value was changed to 1C and the same operation was performed, and the discharge capacity obtained at the time of 1C discharge was used as the initial capacity.
低温容量維持率の測定は、充電を25℃の恒温槽中で1Cの電流値で3.5VまでCC充電した。この後、CVモードに切り替え、30分間充電を続けた。恒温槽の温度を−30℃に切り替え、−30℃に到達後2時間保持してから、1Cで2.0Vまで放電した。−30での低温容量維持率は、下記の式を用いて算出した。
(−30℃での放電容量/25℃での放電容量)×100 (%)
The low temperature capacity retention rate was measured by CC charging up to 3.5 V with a current value of 1 C in a constant temperature bath at 25 ° C. After that, the mode was switched to CV mode and charging was continued for 30 minutes. The temperature of the constant temperature bath was switched to −30 ° C., held for 2 hours after reaching −30 ° C., and then discharged to 2.0 V at 1 C. The low temperature capacity retention rate at -30 was calculated using the following formula.
(Discharge capacity at -30 ° C / Discharge capacity at 25 ° C) x 100 (%)
結果を表3に示す。電解質がLiTFSIとLiPF6とを含む実施例31〜38のコイン型デュアルイオン蓄電デバイスは、電解質がLiTFSIを含まない比較例31、32のコイン型デュアルイオン蓄電デバイスと比較して、−30℃の低温容量維持率が高くなった。特に、さらにLiBF4を含む実施例33、34、37、38は、低温容量維持率が高くなった。 The results are shown in Table 3. The coin-type dual-ion power storage devices of Examples 31 to 38 in which the electrolyte contains LiTFSI and LiPF 6 have a temperature of −30 ° C. as compared with the coin-type dual-ion power storage devices of Comparative Examples 31 and 32 in which the electrolyte does not contain LiTFSI. The low temperature capacity maintenance rate has increased. In particular, in Examples 33, 34, 37, and 38 further containing LiBF 4 , the low temperature capacity retention rate was high.
<比較例33>
正極は活物質層の厚みを60μm、負極は活物質層の厚みを40μmとした以外は実施例31と同様にコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製し、低温特性の評価を行った。
結果を表3に併せて記す。実施例31と比較例33を比べた結果、実施例31は両電極を薄くすることで比較例33よりも−30℃の低温容量維持率が高くなり、両電極を薄膜化することが有効であることが確認された。
<Comparative Example 33>
A coin-type dual ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31 except that the thickness of the active material layer of the positive electrode was 60 μm and that of the negative electrode was 40 μm, and the low temperature characteristics were evaluated.
The results are also shown in Table 3. As a result of comparing Example 31 and Comparative Example 33, in Example 31, by making both electrodes thinner, the low temperature capacity retention rate of -30 ° C is higher than that of Comparative Example 33, and it is effective to make both electrodes thin. It was confirmed that there was.
<比較例34>
正極はCNTを用いずアセチレンブラックを3.0質量%、負極はCNTを用いずアセチレンブラックを3.0質量%とした以外は実施例31と同様にコイン型デュアルイオン蓄電デバイスを作製し、低温特性の評価を行った。
結果を表3に併せて記す。実施例31と比較例34を比べた結果、実施例31はCNTを電極に添加することで比較例34よりも−30℃の低温容量維持率が高くなり、CNTの添加が有効であることが確認された。
<Comparative Example 34>
A coin-type dual ion power storage device was produced in the same manner as in Example 31 except that the positive electrode was 3.0% by mass of acetylene black without using CNT and the negative electrode was 3.0% by mass of acetylene black without using CNT, and the temperature was low. The characteristics were evaluated.
The results are also shown in Table 3. As a result of comparing Example 31 and Comparative Example 34, by adding CNT to the electrode, the low temperature capacity retention rate of -30 ° C was higher than that of Comparative Example 34, and it was found that the addition of CNT was effective. confirmed.
Claims (13)
前記正極活物質は黒鉛であり、
前記負極活物質は一般式Li4Ti5O12で示されるチタン酸リチウムであって、
温度25℃の環境下で、1Cの定電流で充電したときの前記黒鉛1g当たりの充電容量と充電電圧の関係を示す充電曲線は、前記黒鉛1g当たりの充電容量が40mAhg−1以上であって、前記充電電圧が3.25〜3.39Vの間に変曲点を有することを特徴とするデュアルイオン蓄電デバイス。 It has an electrolytic solution containing a non-aqueous solvent and an electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent, a positive electrode current collector, and a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector, and the positive electrode active material layer is the positive electrode active material layer. It has a positive electrode containing a positive electrode active material capable of storing and releasing anions of an electrolyte, a negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer is made of the electrolyte. A dual-ion storage device including a negative electrode containing a negative electrode active material capable of storing and releasing cations.
The positive electrode active material is graphite.
The negative electrode active material is lithium titanate represented by the general formula Li 4 Ti 5 O 12.
The charging curve showing the relationship between the charging capacity per 1 g of graphite and the charging voltage when charged at a constant current of 1 C in an environment of a temperature of 25 ° C. shows that the charging capacity per 1 g of graphite is 40 mAhg -1 or more. , A dual ion power storage device characterized in that the charging voltage has an inflection point between 3.25 and 3.39 V.
前記正極集電体は、X線光電子分光法により測定されたX線光電子分光スペクトルにおいて、74.8eV以上76.7eVの範囲内に最大ピーク値を有するピークが検出されるアルミニウム箔である含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のデュアルイオン蓄電デバイス。 The electrolyte contains at least one lithium imide salt selected from the group consisting of lithium bis (fluorosulfonyl) imide and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, and lithium hexafluorophosphate.
The positive electrode current collector includes an aluminum foil in which a peak having a maximum peak value in the range of 74.8 eV or more and 76.7 eV is detected in the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The dual ion power storage device according to any one of claims 1 to 10.
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