JP6991876B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
正極活物質を有する正極と、
放射光を用いてX線小角散乱測定をイメージング法で行い(結晶部002回折ピーク面積)/(結晶部002回折ピーク面積+非晶質部面積)の計算式で求められる結晶化度が0.78以上であり空孔率が6体積%未満である炭素繊維の負極活物質を有する線状の負極と、
イオン伝導性を有し前記正極と前記負極とを絶縁する分離膜と、
を備えたものである。
結晶化度=(結晶部002回折ピーク面積)/(結晶部002回折ピーク面積+非晶質部面積) … 計算式(1)
易黒鉛化ピッチ材料を紡糸後、不活性雰囲気下で高温処理して得られた炭素繊維(日本グラファイトファイバー社製XN-60-60S)を負極活物質とした。この炭素繊維は、直径が10μm、長さが32mm、放射光を使ったナノCTで測定した空孔率が2体積%であった。この炭素繊維を炭素繊維測定用の評価セル(ハーフセル)に装着して充放電特性を測定した。図6は、評価セル30の説明図であり、図6Aが評価セル30の側面図、図6Bが図6AのA-A断面図である。この評価セル30は、支持集電体32、対極33、集電体34、セパレータ35、保持部材36、電解液37及び収容部材38を備えている。炭素繊維31は、測定対象である負極活物質である。支持集電体32は、炭素繊維31の一端を把持する導電部材であり、金属薄板で形成されている。支持集電体32は、炭素繊維31の他端側にも設けられており、炭素繊維31の電気抵抗も測定可能である。この支持集電体32の先端にはNi製のタブが配設されている。対極33は、幅21mmのLi金属とした。集電体34は、対極33に接続され、その先端にNi製のタブが配設されている。セパレータ35は、厚さ15μm、空孔率50体積%であり、ハイレート充放電用のポリエチレン製のものを用いた。保持部材36は、厚さ8mmのポリエーテルエーテルケトン樹脂製の部材である。この保持部材36は、炭素繊維31の両側面に支持集電体32、セパレータ35及び対極33を配置した状態で挟み込んでこれらを固定する。電解液37は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比で30/40/30で混合した混合溶媒にLiPF6を1.0Mの濃度で溶解させたものとした。収容部材38は、Alラミネート製の密閉袋とした。測定対象の炭素繊維31は、空気雰囲気下、450℃の加熱処理を2時間行い、表面の油脂分を除去後、長さ32mmに切りそろえた約2mg(50本程度)を用いた。
易黒鉛化ピッチ材料を紡糸後、不活性雰囲気下で高温処理して得られた直径が11μm、空孔率が1.5体積%の炭素繊維(日本グラファイトファイバー社製XN-60-90S)を用いた以外は、実施例1と同様に作製した評価セルを実施例2とした。
易黒鉛化ピッチ材料を紡糸後、不活性雰囲気下で高温処理して得られた直径が10μm、空孔率が2.5体積%の炭素繊維(三菱ケミカル社製K63712)を用いた以外は、実施例1と同様に作製した評価セルを比較例1とした。易黒鉛化ピッチ材料を紡糸後、不活性雰囲気下で高温処理して得られた直径が11μm、空孔率が2.5体積%の炭素繊維(三菱ケミカル社製K13916)を用いた以外は、実施例1と同様に作製した評価セルを比較例2とした。
ポリアクリロニトリルの繊維を不活性雰囲気下で高温処理して得られた直径が13μm、空孔率が3体積%の炭素繊維(東レ社製T300)を用いた以外は、実施例1と同様に作製した評価セルを比較例3とした。
難黒鉛化原料である難黒鉛化ピッチ材料を径50μmのノズルから噴出させて紡糸したのち、不活性雰囲気(Ar)中で2000℃、5分間高温処理して得られた難黒鉛化性炭素繊維を用いた以外は、実施例1と同様に作製した評価セルを比較例4とした。この炭素繊維は、直径が14μm、長さが32mm、空孔率が5体積%であった。高温処理を1000℃で行った以外は比較例4と同様の工程を経て得られた難黒鉛化性炭素繊維を用いた以外は、比較例4と同様に作製した評価セルを比較例5とした。この難黒鉛化性炭素繊維は、直径が12μm、空孔率が3体積%であった。
X線小角散乱測定は、あいちシンクロトロンにて以下の条件で行った。測定は、波長0.92Å(13.5keV)の放射光を用い、ビームサイズを縦0.28mm×横0.99mmとし、露光時間180秒の条件で行った。実施例1の測定結果を図7に示す。算出式(結晶部002回折ピーク面積)/(結晶部002回折ピーク面積+非晶質部面積)を用いて結晶化度を算出した。
空孔率は、SPring8でのナノCTを用い、3次元断面像を構築し、この3次元像から炭素領域の体積Paと空孔領域の体積Ppとを求め、空孔率(%)=Pp/(Pa+Pp)×100の式から算出した。
上記作製した評価セルを用い、25℃の温度環境下、CCで1.5Vまで充電(還元)する処理とCCCVで0.01Vまで放電(酸化)する処理とを種々のレートで充放電を行い、C/4レートでの平均充電電圧を求めると共に、C/4レートでの充電容量に対する60Cレートでの充電容量の割合とするレート特性(60Cレート充電容量/(C/4レート充電容量)×100%)を求めた。また、1Cレートで充放電を30回繰り返し、サイクル維持率を(30サイクル目の容量)/(1サイクル目の容量)×100%との式より求めた。また、正極の平均電位をLi基準電位で3.85Vと仮定し、この3.85VとC/4レートでの放電容量との積から負極のエネルギー密度(Wh/g)を求めた。
炭素繊維の原料、直径(μm)、X線小角散乱測定による結晶化度、C/4レート充電における平均充電電圧(V)、1Cレートでの放電容量(mAh/g)、レート特性(%)及び負極のエネルギー密度(Wh/g)を表1にまとめた。表1に示すように、炭素繊維の種別に応じて、平均充電電圧、放電容量、レート特性などが異なることがわかった。高エネルギー密度と急速充電が両立可能である特性を考慮すると、平均充電電圧がより低く、放電容量がより高く、レート特性がより大きいことが必要である。実施例1、2では、平均充電電圧がLi基準電位で0.3V以下であり、負極のエネルギー密度が1.10Wh/g以上を示し、且つレート特性が80%以上を示した。また、実施例1、2では、放電容量が320mAh/g以上と高い値を示した。この結果より、易黒鉛化炭素を原料として黒鉛化した炭素繊維であり、X線小角散乱測定による結晶化度が0.78以上を示すものが、エネルギー密度及びレート特性が高い炭素繊維であることがわかった。また、空孔率が6.0体積%未満である炭素繊維では、レート特性及びエネルギー密度が上記実用的な範囲に入るものであると推察された。
Claims (8)
- 正極活物質を有する正極と、
放射光を用いてX線小角散乱測定をイメージング法で行い(結晶部002回折ピーク面積)/(結晶部002回折ピーク面積+非晶質部面積)の計算式で求められる結晶化度が0.78以上であり空孔率が6体積%未満である炭素繊維の負極活物質を有する線状の負極と、
イオン伝導性を有し前記正極と前記負極とを絶縁する分離膜と、
を備えた二次電池。 - 前記炭素繊維は、前記結晶化度が0.80以上である、請求項1に記載の二次電池。
- 前記炭素繊維は、前記空孔率が5体積%以下である、請求項1又は2に記載の二次電池。
- 前記負極は、エネルギー密度が1.10Wh/g以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記炭素繊維は、C/4レート充電容量に対する60Cレート充電容量の割合であるレート特性(%)が80%以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記炭素繊維は、放電容量が320mAh/g以上である、請求項1~5のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記正極は、前記負極の周りに形成された前記正極活物質を含む活物質層により形成され、
前記分離膜は、前記負極の端面以外の外周面に形成されており、
前記分離膜を介して前記正極と隣り合う状態で複数の前記負極が結束された構造を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の二次電池。 - 前記負極は、50本以上が結束されている、請求項7に記載の二次電池。
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