JP7180466B2 - lithium ion battery - Google Patents
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Description
本開示は、体積エネルギー密度が良好なリチウムイオン電池に関する。 The present disclosure relates to lithium ion batteries with good volumetric energy density.
近年、電池の開発が盛んに行われている。例えば、自動車産業界では、電気自動車またはハイブリッド自動車に用いられる電池の開発が進められている。種々の電池の中でも、リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高いという利点を有する。例えば特許文献1には、空隙を有する炭素材料薄膜の表面が電解質によって被覆され、その空隙内に正極活物質が充填された電極セルが開示されている。
Batteries have been actively developed in recent years. For example, the automotive industry is developing batteries for use in electric or hybrid vehicles. Among various batteries, lithium-ion batteries have the advantage of high energy density. For example,
本開示は、体積エネルギー密度(単位体積あたりのエネルギー)が良好なリチウムイオン電池を提供することを主目的とする。 The main object of the present disclosure is to provide a lithium-ion battery with good volumetric energy density (energy per unit volume).
上記課題を解決するために、本開示においては、複数の炭素繊維が三次元的に連結された炭素繊維集合体である負極と、上記複数の炭素繊維を被覆する電解質膜と、上記炭素繊維集合体の空隙に充填され、正極活物質、導電材および電解液を含有する正極と、を有し、上記炭素繊維が、軸線方向に直交する方向の断面において、上記炭素繊維よりも黒鉛化度が高い粒子部を内包する、リチウムイオン電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present disclosure provides a negative electrode that is a carbon fiber assembly in which a plurality of carbon fibers are three-dimensionally connected, an electrolyte membrane covering the plurality of carbon fibers, and the carbon fiber assembly. a positive electrode filled in the voids of the body and containing a positive electrode active material, a conductive material, and an electrolytic solution, wherein the carbon fiber has a higher degree of graphitization than the carbon fiber in a cross section perpendicular to the axial direction. Provided is a lithium ion battery containing a high particle portion.
本開示によれば、炭素繊維集合体(負極)の空隙に、正極が充填された構造を有することから、体積エネルギー密度が良好なリチウムイオン電池とすることができる。さらに、本開示によれば、炭素繊維が、黒鉛化度が高い粒子部を内包することから、体積エネルギー密度が良好なリチウムイオン電池とすることができる。 According to the present disclosure, since it has a structure in which the positive electrode is filled in the voids of the carbon fiber assembly (negative electrode), it is possible to obtain a lithium ion battery with a favorable volumetric energy density. Furthermore, according to the present disclosure, since the carbon fibers contain particles with a high degree of graphitization, a lithium-ion battery with a good volumetric energy density can be obtained.
上記開示においては、上記粒子部が、黒鉛およびカーボンナノチューブの少なくとも一方であってもよい。 In the above disclosure, the particle portion may be at least one of graphite and carbon nanotubes.
上記開示においては、上記炭素繊維および上記粒子部の合計に対する上記粒子部の割合が、18.2質量%以上であってもよい。
In the above disclosure, the ratio of the particle portion to the total of the carbon fiber and the particle portion may be 18.2% by mass or more.
上記開示においては、上記炭素繊維および上記粒子部の合計に対する上記粒子部の割合が、26.1質量%以上、57.1質量%以下であってもよい。
In the above disclosure, the ratio of the particle portion to the total of the carbon fiber and the particle portion may be 26.1% by mass or more and 57.1% by mass or less.
上記開示においては、上記粒子部の周囲に、上記炭素繊維よりも黒鉛化度が高く、上記粒子部よりも黒鉛化度が低い中間部が形成されていてもよい。 In the above disclosure, an intermediate portion having a higher degree of graphitization than the carbon fiber and a lower degree of graphitization than the particle portion may be formed around the particle portion.
上記開示においては、上記炭素繊維が、軸線方向に直交する方向の断面において、中心に位置する芯部と、上記芯部の外周に形成され、上記芯部よりも黒鉛化度が低い鞘部とを有する芯鞘構造を備え、上記芯部および上記鞘部の両方に、上記粒子部が形成されていてもよい。 In the above disclosure, the carbon fiber includes a core portion positioned at the center in a cross section in a direction orthogonal to the axial direction, and a sheath portion formed on the outer periphery of the core portion and having a lower degree of graphitization than the core portion. and the particle portion may be formed in both the core portion and the sheath portion.
上記開示においては、上記鞘部における上記粒子部の周囲に、上記鞘部よりも黒鉛化度が高く、上記粒子部よりも黒鉛化度が低い中間部が形成されていてもよい。 In the above disclosure, an intermediate portion having a higher degree of graphitization than the sheath portion and a lower degree of graphitization than the particle portion may be formed around the particle portion in the sheath portion.
上記開示においては、上記炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維であってもよい。 In the above disclosure, the carbon fibers may be pitch-based carbon fibers.
上記開示においては、上記電解質膜が、ポリマーと、上記電解液とを含有していてもよい。 In the above disclosure, the electrolyte membrane may contain the polymer and the electrolytic solution.
上記開示においては、上記ポリマーが、フッ素系ポリマーであってもよい。 In the above disclosure, the polymer may be a fluoropolymer.
本開示におけるリチウムイオン電池は、体積エネルギー密度が良好であるという効果を奏する。 The lithium-ion battery according to the present disclosure has the effect of having good volumetric energy density.
以下、本開示におけるリチウムイオン電池について、詳細に説明する。 The lithium-ion battery according to the present disclosure will be described in detail below.
図1は、本開示における炭素繊維集合体および電解質膜の一例を説明する模式図である。図1に示すように、本開示においては、複数の炭素繊維1が三次元的に連結された炭素繊維集合体10を、負極として用いる。さらに、複数の炭素繊維1を被覆するように、電解質膜20が形成されている。また、炭素繊維集合体10は、内部に空隙2を有する。空隙2には、正極活物質、導電材および電解液を含有する正極が充填される。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a carbon fiber aggregate and an electrolyte membrane in the present disclosure. As shown in FIG. 1, in the present disclosure, a
図2は、本開示におけるリチウムイオン電池の一例を説明する模式図である。図2に示すように、リチウムイオン電池100は、複数の炭素繊維1が三次元的に連結された炭素繊維集合体10である負極と、炭素繊維集合体の空隙2に充填され、正極活物質3a、導電材3bおよび電解液3cを含有する正極30と、を有する。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a lithium ion battery in the present disclosure. As shown in FIG. 2, the
図3は、本開示における炭素繊維の一例を説明する模式図である。図3(a)は、炭素繊維の概略斜視図であり、図3(b)は、炭素繊維の軸線方向Zの概略断面図である。図3(a)に示すように、炭素繊維1は、軸線方向Zに直交する方向の断面において、炭素繊維1よりも黒鉛化度が高い粒子部3を内包する。図3(b)に示すように、粒子部3は、全体が炭素繊維1に内包されていてもよく、一部のみが炭素繊維1に内包されていてもよい。後者の場合、粒子部3は、部分的に炭素繊維1から露出していてもよい。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of carbon fibers in the present disclosure. FIG. 3(a) is a schematic perspective view of the carbon fiber, and FIG. 3(b) is a schematic cross-sectional view of the carbon fiber in the axial direction Z. FIG. As shown in FIG. 3( a ), the
本開示によれば、炭素繊維集合体(負極)の空隙に、正極が充填された構造を有することから、体積エネルギー密度が良好なリチウムイオン電池とすることができる。ここで、従来の電池は、例えば、正極集電体、正極活物質層、電解質層(例えば、電解液を含有するセパレータ層)、負極活物質層および負極集電体が積層された構造を有するリチウムイオン電池が知られている。これに対して、本開示において、炭素繊維集合体は、負極活物質層および負極集電体の機能を兼ね備えているため、体積エネルギー密度の向上が図れる。また、炭素繊維集合体(負極)の空隙に正極が充填されているため、負極および正極が絶縁膜を介して至近距離に配置されている。これにより、キャリアであるLiイオンの移動距離が短くなる。その結果、イオン伝導抵抗を低減でき、出力特性が向上する。 According to the present disclosure, since it has a structure in which the positive electrode is filled in the voids of the carbon fiber assembly (negative electrode), it is possible to obtain a lithium ion battery with a favorable volumetric energy density. Here, conventional batteries have a structure in which, for example, a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer, an electrolyte layer (e.g., a separator layer containing an electrolytic solution), a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector are laminated. Lithium ion batteries are known. In contrast, in the present disclosure, the carbon fiber aggregate functions both as the negative electrode active material layer and as the negative electrode current collector, so that the volumetric energy density can be improved. In addition, since the positive electrode is filled in the voids of the carbon fiber assembly (negative electrode), the negative electrode and the positive electrode are arranged in close proximity via the insulating film. As a result, the moving distance of Li ions, which are carriers, is shortened. As a result, the ionic conduction resistance can be reduced and the output characteristics are improved.
さらに、本開示によれば、炭素繊維が、黒鉛化度が高い粒子部を内包することから、体積エネルギー密度が良好なリチウムイオン電池とすることができる。具体的に、粒子部は黒鉛化度が高いことから、容量の増加が図れる。また、粒子部は炭素繊維に内包されていることから、粒子部のエッジ(端面)の露出が少なく、例えば電解液による粒子部の劣化を抑制できる。また、炭素繊維中に黒鉛化度が高い粒子部が点在することから、炭素繊維の膨張収縮を繊維全体で緩和でき、炭素繊維にクラックが生じることを抑制できる。そのため、炭素繊維の直径を大きくしてもクラックが生じにくい。さらに、炭素繊維の直径を大きくすることで、電解質膜の体積割合を相対的に小さくできる。また、後述するように、原料混合物に粒子部形成用の材料(例えば黒鉛)を添加し、前駆体繊維を形成し、熱処理を行った場合、粒子部の周囲の炭素繊維の結晶性も向上する。そのため、容量の増加が図れる。これらの点から、体積エネルギー密度の向上が図れる。 Furthermore, according to the present disclosure, since the carbon fibers contain particles with a high degree of graphitization, a lithium-ion battery with a good volumetric energy density can be obtained. Specifically, since the particle portion has a high degree of graphitization, the capacity can be increased. In addition, since the particle portion is enclosed in the carbon fiber, the edge (end surface) of the particle portion is less exposed, and deterioration of the particle portion due to the electrolytic solution, for example, can be suppressed. In addition, since the carbon fibers are interspersed with particle portions having a high degree of graphitization, the expansion and contraction of the carbon fibers can be alleviated throughout the fibers, and the occurrence of cracks in the carbon fibers can be suppressed. Therefore, cracks are less likely to occur even if the diameter of the carbon fiber is increased. Furthermore, by increasing the diameter of the carbon fiber, the volume ratio of the electrolyte membrane can be relatively decreased. In addition, as will be described later, when a material for forming the particle portion (e.g., graphite) is added to the raw material mixture to form the precursor fiber, and heat treatment is performed, the crystallinity of the carbon fiber around the particle portion is also improved. . Therefore, the capacity can be increased. From these points, it is possible to improve the volumetric energy density.
特許文献1には、空隙を有する炭素材料薄膜の表面を電解質で被覆する方法として、例えば、電解質を溶解した溶液中に空隙を有する炭素材料薄膜を浸漬させた後に乾燥させる方法が記載されている。乾燥後の炭素繊維薄膜内には、溶媒の体積分だけ空隙が形成される。空隙の存在は、体積エネルギー密度を低下させる。また、特許文献1には実施例の記載がなく、実際に電池として機能するか否かが不明である。特に、充填した正極の電子伝導パスおよびイオン伝導パスが不十分である可能性が高い。
1.負極
本開示における負極は、複数の炭素繊維が三次元的に連結された炭素繊維集合体である。「三次元的に連結された」とは、複数本の炭素繊維が互いに結合し、かつ、複数本の炭素繊維が三次元網目構造を形成していることをいう。
1. Negative Electrode The negative electrode in the present disclosure is a carbon fiber assembly in which a plurality of carbon fibers are three-dimensionally connected. “Three-dimensionally connected” means that a plurality of carbon fibers are bonded to each other and form a three-dimensional network structure.
また、炭素繊維は、軸線方向に直交する方向の断面において、炭素繊維よりも黒鉛化度が高い粒子部を内包する。軸線方向に直交する方向の断面において、炭素繊維は、通常、複数の粒子部を内包する。特に、炭素繊維を海とし、複数の粒子部を島とした海島構造が形成されていることが好ましい。 In addition, the carbon fiber contains particles having a higher degree of graphitization than the carbon fiber in the cross section in the direction orthogonal to the axial direction. In a cross section perpendicular to the axial direction, the carbon fiber usually includes a plurality of particle portions. In particular, it is preferable to form a sea-island structure in which the carbon fiber is the sea and the plurality of particle portions are islands.
粒子部の材料としては、炭素材料が挙げられる。炭素材料は、黒鉛化度(結晶性)が高い材料であることが好ましく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張化黒鉛等の黒鉛、単層カーボンナンチューブ、多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンが挙げられる。炭素材料は、単独で用いてもよく、二種以上を組み合せて用いてもよい。 Examples of materials for the particle portion include carbon materials. The carbon material is preferably a material having a high degree of graphitization (crystallinity). Examples include graphite such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite; , and fullerenes. The carbon materials may be used singly or in combination of two or more.
粒子部は、炭素繊維よりも黒鉛化度が高い。黒鉛化度は、例えばD/G比により評価できる。ここで、ラマン分光スペクトルにおいて、1590cm-1にグラファイト構造に由来するGバンドのピークが現れ、1350cm-1に欠陥に由来するDバンドのピークが現れる。これらの比を、D/G比とする。D/G比が小さいほど、黒鉛化度が高いことを意味する。D/G比は、例えば1.2以下であり、0.8以下であってもよい。 The particle part has a higher degree of graphitization than the carbon fiber. The degree of graphitization can be evaluated, for example, by the D/G ratio. Here, in the Raman spectrum, a G band peak derived from the graphite structure appears at 1590 cm −1 , and a D band peak derived from defects appears at 1350 cm −1 . Let these ratios be D/G ratios. A smaller D/G ratio means a higher degree of graphitization. The D/G ratio is, for example, 1.2 or less, and may be 0.8 or less.
粒子部の形状としては、例えば、粒状、鱗片状、繊維状が挙げられる。粒子部の平均サイズは、例えば5μm以下であり、0.5μm以下であってもよい。粒子部の平均サイズは、例えばSEM観察により求めることができる。粒子部のサイズは、断面における最長部分の長さをいう。サンプル数は多いことが好ましく、例えば100以上であることが好ましい。 Examples of the shape of the particle portion include granular, scale-like, and fibrous. The average size of the particle portion is, for example, 5 μm or less, and may be 0.5 μm or less. The average size of the particle portion can be obtained by, for example, SEM observation. The size of the particle part refers to the length of the longest part in the cross section. The number of samples is preferably large, for example 100 or more.
炭素繊維および粒子部の合計に対する粒子部の割合は、例えば、18.2質量%以上であり、26.1質量%以上であってもよい。粒子部の割合が少なすぎると、体積エネルギー密度を十分に向上できない可能性がある。一方、炭素繊維および粒子部の合計に対する粒子部の割合は、例えば、65質量%以下であり、57.1質量%以下であってもよい。粒子部の割合が多すぎると、繊維化が困難になる可能性がある。
The ratio of the particle part to the total of the carbon fiber and the particle part is, for example, 18.2% by mass or more, and may be 26.1% by mass or more. If the proportion of the particle portion is too small, the volume energy density may not be sufficiently improved. On the other hand, the ratio of the particle part to the total of the carbon fiber and the particle part is, for example, 65% by mass or less, and may be 57.1% by mass or less. If the proportion of the particle portion is too high, fiberization may become difficult.
例えば、黒鉛およびカーボンナノチューブを用いる場合、黒鉛およびカーボンナノチューブの合計に対するカーボンナノチューブの割合は、例えば1質量%以上であり、3質量%以上であってもよく、5質量%以上であってもよい。一方、黒鉛およびカーボンナノチューブの合計に対するカーボンナノチューブの割合は、例えば10質量%以下である。
For example, when graphite and carbon nanotubes are used, the ratio of carbon nanotubes to the total of graphite and carbon nanotubes is, for example, 1% by mass or more, may be 3 % by mass or more, or may be 5% by mass or more. . On the other hand, the ratio of carbon nanotubes to the total of graphite and carbon nanotubes is, for example, 10% by mass or less.
粒子部の周囲に、炭素繊維よりも黒鉛化度が高く、粒子部よりも黒鉛化度が低い中間部が形成されていることが好ましい。原料混合物に粒子部形成用の材料(例えば黒鉛)を添加し、前駆体繊維を形成し、熱処理を行った場合、粒子部の周囲の炭素繊維の結晶性も向上し、中間部が形成される。 Preferably, an intermediate portion having a higher degree of graphitization than the carbon fiber and a lower degree of graphitization than the particle portion is formed around the particle portion. When a material for forming the particle part (e.g., graphite) is added to the raw material mixture to form a precursor fiber and heat treated, the crystallinity of the carbon fiber around the particle part is also improved, and the intermediate part is formed. .
炭素繊維は、芯鞘構造を有していてもよく、有していなくてもよい。芯鞘構造は、図3(a)に示すように、炭素繊維1の軸線方向Zに直交する方向の断面において、中心に位置する芯部1aと、芯部の外周に形成された鞘部1bとを有する構造である。鞘部は、芯部よりも黒鉛化度が低いことが好ましい。芯部が高剛性、芯部が低剛性であるため、繊維全てが高剛性な炭素繊維に比べて柔軟性が高いためである。また、鞘部の黒鉛化度が低いことにより、炭素繊維の表面におけるインターカレーション反応の速度が向上しやすい、高温時の副反応が抑制される等の利点もある。
The carbon fiber may or may not have a core-sheath structure. As shown in FIG. 3( a ), the core-sheath structure is composed of a
炭素繊維が芯鞘構造を有する場合、芯部および鞘部の少なくとも一方に、粒子部が形成される。芯部に粒子部が形成され鞘部に粒子部が形成されていなくてもよく、鞘部に粒子部が形成され芯部に粒子部が形成されていなくてもよく、芯部および鞘部の両方に粒子部が形成されていてもよい。鞘部に形成された粒子部の平均サイズは、芯部に形成された粒子部の平均サイズより小さくてもよい。 When the carbon fiber has a core-sheath structure, a particle portion is formed in at least one of the core portion and the sheath portion. The particle portion may be formed in the core portion and the sheath portion may not be formed, the particle portion may be formed in the sheath portion and the particle portion may not be formed in the core portion, and the core portion and the sheath portion may not be formed. Particle portions may be formed on both sides. The average size of the grains formed in the sheath may be smaller than the average size of the grains formed in the core.
同様に、炭素繊維が芯鞘構造を有する場合、芯部および鞘部の少なくとも一方に、中間部が形成されていてもよい。芯部に中間部が形成され鞘部に中間部が形成されていなくてもよく、鞘部に中間部が形成され芯部に中間部が形成されていなくてもよく、芯部および鞘部の両方に中間部が形成されていてもよい。例えば図4では、芯部1aに、芯部1aよりも黒鉛化度が高く、粒子部3よりも黒鉛化度が低い中間部1cが形成されている。同様に、鞘部1bに、鞘部1bよりも黒鉛化度が高く、粒子部3よりも黒鉛化度が低い中間部1cが形成されている。
Similarly, when the carbon fiber has a core-sheath structure, an intermediate portion may be formed in at least one of the core portion and the sheath portion. The intermediate portion may be formed in the core portion and the sheath portion may not be formed, the intermediate portion may be formed in the sheath portion and the intermediate portion may not be formed in the core portion, or the core portion and the sheath portion may be formed without the intermediate portion. An intermediate portion may be formed in both. For example, in FIG. 4, an
炭素繊維の平均直径は、例えば5μm以上であり、10μm以上であってもよく、30μm以上であってもよく、50μm以上であってもよい。上述したように、本開示においては、炭素繊維中に黒鉛化度が高い粒子部が点在することから、炭素繊維の膨張収縮を繊維全体で緩和でき、炭素繊維にクラックが生じることを抑制できる。そのため、炭素繊維の直径を大きくしてもクラックが生じにくい。また、炭素繊維の直径を大きくすることで、電解質膜の体積割合を相対的に小さくできる。そのため、体積エネルギー密度の向上が図れる。一方、炭素繊維の平均直径は、例えば100μm以下である。 The average diameter of the carbon fibers is, for example, 5 μm or more, may be 10 μm or more, may be 30 μm or more, or may be 50 μm or more. As described above, in the present disclosure, since the carbon fiber is dotted with particles having a high degree of graphitization, the expansion and contraction of the carbon fiber can be alleviated throughout the fiber, and the occurrence of cracks in the carbon fiber can be suppressed. . Therefore, cracks are less likely to occur even if the diameter of the carbon fiber is increased. Also, by increasing the diameter of the carbon fiber, the volume ratio of the electrolyte membrane can be relatively reduced. Therefore, the volume energy density can be improved. On the other hand, the average diameter of carbon fibers is, for example, 100 μm or less.
また、炭素繊維の平均繊維長は、例えば、1mm以上、50mm以下である。炭素繊維の平均直径および平均繊維長は、例えばSEM観察により求めることができる。サンプル数は多いことが好ましく、それぞれ、例えば100以上であることが好ましい。 Also, the average fiber length of the carbon fibers is, for example, 1 mm or more and 50 mm or less. The average diameter and average fiber length of carbon fibers can be determined, for example, by SEM observation. The number of samples is preferably large, preferably 100 or more for each.
炭素繊維集合体は、複数の炭素繊維に囲まれた空隙を有する。炭素繊維集合体の空隙率は、例えば50%以上であり、60%以上であってもよい。一方、炭素繊維集合体の空隙率は、例えば95%以下であり、90%以下であってもよい。空隙率が高すぎると、正負極容量比を調整するため空隙に導入する正極の量が少なくなり、体積エネルギー密度が低下する可能性がある。空隙率は、一般的な水銀ポロシメータにより求めることができる。 A carbon fiber aggregate has voids surrounded by a plurality of carbon fibers. The porosity of the carbon fiber aggregate is, for example, 50% or more, and may be 60% or more. On the other hand, the porosity of the carbon fiber aggregate is, for example, 95% or less, and may be 90% or less. If the porosity is too high, the amount of the positive electrode to be introduced into the voids to adjust the positive/negative electrode capacity ratio is reduced, possibly resulting in a decrease in the volumetric energy density. The porosity can be determined with a common mercury porosimeter.
炭素繊維集合体の形状としては、例えばシート状が挙げられる。また、炭素繊維集合体の厚さは、例えば5μm以上であり、10μm以上であってもよく、50μm以上であってもよい。一方、炭素繊維集合体の厚さは、例えば500μm以下であり、200μm以下であってもよい。 Examples of the shape of the carbon fiber aggregate include a sheet shape. Also, the thickness of the carbon fiber assembly is, for example, 5 μm or more, may be 10 μm or more, or may be 50 μm or more. On the other hand, the thickness of the carbon fiber aggregate is, for example, 500 μm or less, and may be 200 μm or less.
炭素繊維集合体の形成方法は、特に限定されないが、例えば、繊維化工程、不融化工程、炭化工程および黒鉛化工程を順に行う方法が挙げられる。 The method of forming the carbon fiber aggregate is not particularly limited, but an example thereof includes a method of sequentially performing a fiberization step, an infusibilization step, a carbonization step and a graphitization step.
繊維化工程は、原料混合物を溶融し、紡糸することで、前駆体繊維を得る工程である。原料混合物は、炭素繊維形成用の材料と、粒子部形成用の材料とを含有する。炭素繊維形成用の材料としては、例えば、ピッチが挙げられる。ピッチとしては、例えば、等方性ピッチおよび異方性ピッチが挙げられる。等方性ピッチは、難黒鉛化の材料であり、黒鉛化度が高い炭素繊維は得られにくい。一方、本開示においては、粒子部形成用の材料(例えば黒鉛)を添加することにより、黒鉛化度が高い炭素繊維を得ることができる。一方、異方性ピッチのメゾフェース割合が高いほど、溶融物の粘度が高くなるため、高温にて繊維化を行う必要がある。このため、異方性ピッチのメゾフェース割合は、例えば20質量%以下であることが好ましい。また、ピッチの軟化点は、例えば280℃以下である。
A fiberization process is a process of obtaining a precursor fiber by melting and spinning a raw material mixture. The raw material mixture contains a carbon fiber forming material and a particle portion forming material. Materials for forming carbon fibers include, for example, pitch. Pitch includes, for example, isotropic pitch and anisotropic pitch. Isotropic pitch is a non-graphitizable material, and it is difficult to obtain carbon fibers with a high degree of graphitization. On the other hand, in the present disclosure, carbon fibers with a high degree of graphitization can be obtained by adding a material for forming the particle portion (for example, graphite). On the other hand, the higher the mesophase ratio of the anisotropic pitch, the higher the viscosity of the melt, so the fiberization must be performed at a high temperature. Therefore, it is preferable that the mesophase ratio of the anisotropic pitch is, for example, 20% by mass or less. Also, the softening point of the pitch is, for example, 280° C. or less.
粒子部形成用の材料については、上述した粒子部の材料と同様である。原料混合物における、粒子部形成用の材料の割合は、例えば40質量%以下である。粒子部形成用の材料の割合が多すぎると、溶融物の流動性が低下し、紡糸性が低下しやすい。一方、原料混合物における、粒子部形成用の材料の割合は、例えば5質量%以上であり、10質量%以上であってもよく、15質量%以上であってもよい。
The material for forming the particle portion is the same as the material for the particle portion described above. The ratio of the material for forming the particle portion in the raw material mixture is, for example, 40% by mass or less. If the proportion of the material for forming the particle part is too high, the fluidity of the melt tends to decrease, and the spinnability tends to decrease. On the other hand, the ratio of the material for forming the particle part in the raw material mixture is, for example, 5% by mass or more, may be 10% by mass or more, or may be 15% by mass or more.
原料混合物の溶融方法としては、例えば、炭素繊維形成用の材料(例えばピッチ)を、その軟化点以上の温度で加熱する方法が挙げられる。溶融物を、そのまま紡糸に用いることができる。一方、溶融物を冷却し、ペレット状に加工し、そのペレットを紡糸に用いることもできる。 As a method of melting the raw material mixture, for example, a method of heating a carbon fiber forming material (for example, pitch) at a temperature equal to or higher than its softening point can be mentioned. The melt can be used as such for spinning. Alternatively, the melt can be cooled, processed into pellets and the pellets used for spinning.
紡糸方法としては、例えば、メルトブローン法、スパンボンド法等の溶融紡糸方法が挙げられる。また、紡糸により、不織布状の前駆体繊維(前駆体繊維集合体)を得ることが好ましい。 The spinning method includes, for example, a melt spinning method such as a meltblown method and a spunbond method. Moreover, it is preferable to obtain a non-woven fabric-like precursor fiber (precursor fiber assembly) by spinning.
不融化工程は、炭化工程または黒鉛化工程を行う際に前駆体繊維が溶融しないように不融化する工程である。不融化工程では、前駆体繊維を、昇温しながら加熱し、前駆体繊維の内外を酸化することが好ましい。昇温は、例えば室温から300℃まで行うことが好ましい。加熱雰囲気は、前駆体繊維の酸化が生じる雰囲気であることが好ましい。 The infusibilizing step is a step of infusibilizing the precursor fibers so that they do not melt during the carbonization step or the graphitization step. In the infusibilizing step, it is preferable to heat the precursor fiber while raising the temperature to oxidize the inside and outside of the precursor fiber. It is preferable to raise the temperature from room temperature to 300° C., for example. The heating atmosphere is preferably an atmosphere in which the precursor fibers are oxidized.
炭化工程は、不融化された前駆体繊維を炭化する工程である。熱処理温度は、例えば1000℃以上1500℃以下である。また、熱処理雰囲気としては、例えば、アルゴンおよび窒素等の不活性ガスの雰囲気が挙げられる。 The carbonization step is a step of carbonizing the infusibilized precursor fibers. The heat treatment temperature is, for example, 1000° C. or higher and 1500° C. or lower. Moreover, the heat treatment atmosphere includes, for example, an inert gas atmosphere such as argon and nitrogen.
黒鉛化工程は、炭化された前駆体繊維を黒鉛化する工程である。また、炭化工程を行わない場合、黒鉛化工程は、不融化された前駆体繊維を黒鉛化する工程である。熱処理温度は、例えば2000℃以上3000℃以下である。また、熱処理雰囲気としては、例えば、アルゴンおよび窒素等の不活性ガスの雰囲気が挙げられる。 The graphitization step is a step of graphitizing the carbonized precursor fibers. Moreover, when the carbonization step is not performed, the graphitization step is a step of graphitizing the infusibilized precursor fibers. The heat treatment temperature is, for example, 2000° C. or higher and 3000° C. or lower. Moreover, the heat treatment atmosphere includes, for example, an inert gas atmosphere such as argon and nitrogen.
2.電解質膜
本開示における電解質膜は、複数の炭素繊維を被覆する。電解質膜により、負極(炭素繊維集合体)と、正極とが隔てられている。
2. Electrolyte Membrane The electrolyte membrane in the present disclosure coats a plurality of carbon fibers. The electrolyte membrane separates the negative electrode (carbon fiber aggregate) from the positive electrode.
電解質膜は、ポリマーと、電解液とを含有することが好ましい。また、ポリマーは電子絶縁性を有することが好ましい。例えば、電子絶縁性を有するポリマーが電解液で膨潤することにより、電子絶縁性およびイオン伝導性を有する電解質膜が得られる。 The electrolyte membrane preferably contains a polymer and an electrolytic solution. Also, the polymer is preferably electronically insulating. For example, an electronically insulating and ionically conductive electrolyte membrane can be obtained by swelling an electronically insulating polymer with an electrolytic solution.
ポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF-HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム等のフッ素系ポリマーが挙げられる。また、ポリマーの他の例として、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリビニルアルコール(PVA)が挙げられる。 Examples of the polymer include fluorine-based polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), polytetrafluoroethylene (PTFE), and fluororubber. Other examples of polymers include polyethylene oxide (PEO), polyacrylic acid (PAA), polymethyl methacrylate (PMMA), and polyvinyl alcohol (PVA).
電解質膜は、無機フィラーを含有していてもよい。無機フィラーとしては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニアが挙げられる。 The electrolyte membrane may contain an inorganic filler. Examples of inorganic fillers include alumina, silica, and zirconia.
電解質膜の厚さは、例えば0.5μm以上であり、1μm以上であってもよい。一方、電解質膜の厚さは、例えば50μm以下であり、30μm以下であってもよい。炭素繊維に対する電解質膜の被覆率は、高いことが好ましく、例えば95%以上である。特に、炭素繊維集合体の集電部以外の部位は、全て電解質膜で被覆されていることが好ましい。 The thickness of the electrolyte membrane is, for example, 0.5 μm or more, and may be 1 μm or more. On the other hand, the thickness of the electrolyte membrane is, for example, 50 μm or less, and may be 30 μm or less. The coverage of the electrolyte membrane with respect to the carbon fibers is preferably high, for example 95% or more. In particular, it is preferable that all portions of the carbon fiber assembly other than the current collecting portion are covered with the electrolyte membrane.
電解質膜の形成方法としては、ポリマー膜で被覆された炭素繊維集合体を、電解液に浸漬する方法が挙げられる。また、炭素繊維集合体をポリマー膜で被覆する方法としては、例えば、ポリマーを含有する溶液に、炭素繊維集合体を浸漬させ、電着を行う方法が挙げられる。 A method of forming the electrolyte membrane includes a method of immersing a carbon fiber assembly coated with a polymer membrane in an electrolytic solution. Moreover, as a method of coating the carbon fiber aggregate with a polymer film, for example, a method of electrodeposition by immersing the carbon fiber aggregate in a solution containing a polymer can be mentioned.
3.正極
本開示における正極は、炭素繊維集合体の空隙に充填され、正極活物質、導電材および電解液を含有する。正極は、正極活物質および導電材が電解液に分散しており、流動性を有する。また、正極は、電池として機能する程度に、炭素繊維集合体の空隙に充填されていればよい。すなわち、正極は、炭素繊維集合体の空隙に完全に充填されていてもよく、炭素繊維集合体の空隙を一部残すように充填されていてもよい。
3. Positive Electrode The positive electrode in the present disclosure is filled in the voids of the carbon fiber assembly and contains a positive electrode active material, a conductive material, and an electrolytic solution. The positive electrode has a positive electrode active material and a conductive material dispersed in an electrolytic solution and has fluidity. Moreover, the positive electrode only needs to be filled in the voids of the carbon fiber assembly to the extent that it functions as a battery. That is, the positive electrode may be completely filled in the voids of the carbon fiber aggregate, or may be filled so as to partially leave the voids in the carbon fiber aggregate.
正極における固形分比率は、例えば30質量%以上であり、40質量%以上であってもよい。正極における固形分比率が低すぎると、正極活物質の割合も相対的に低くなり、体積エネルギー密度の向上を図れない可能性がある。一方、正極における固形分比率は、例えば90質量%以下であり、80質量%以下であってもよい。正極における固形分比率が高すぎると、粘度が高くなり、炭素繊維集合体の空隙に充填されにくくなる可能性がある。
The solid content ratio in the positive electrode is, for example, 30% by mass or more, and may be 40% by mass or more. If the solid content ratio in the positive electrode is too low, the ratio of the positive electrode active material also becomes relatively low, possibly failing to improve the volumetric energy density. On the other hand, the solid content ratio in the positive electrode is, for example, 90% by mass or less, and may be 80% by mass or less. If the solid content ratio in the positive electrode is too high, the viscosity becomes high, and it may become difficult to fill the voids of the carbon fiber aggregate.
正極活物質としては、例えば、酸化物活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の岩塩層状型活物質、LiMn2O4、Li4Ti5O12、Li(Ni0.5Mn1.5)O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4等のオリビン型活物質が挙げられる。 Examples of positive electrode active materials include oxide active materials. Examples of oxide active materials include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 and Li 4 . Spinel-type active materials such as Ti 5 O 12 and Li(Ni 0.5 Mn 1.5 )O 4 and olivine-type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 and LiCoPO 4 can be used.
正極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば0.5μm以上であり、1μm以上であってもよい。一方、正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば50μm以下であり、30μm以下であってもよい。平均粒径(D50)は、レーザー回折散乱法による粒度分布測定の結果から求めることができる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include particulate. The average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, 0.5 μm or more, and may be 1 μm or more. On the other hand, the average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, 50 μm or less, and may be 30 μm or less. The average particle size ( D50 ) can be obtained from the results of particle size distribution measurement by a laser diffraction scattering method.
導電材は、正極に電子伝導性を付与する。導電材としては、例えば、炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の繊維状炭素材料が挙げられる。本開示においては、正極活物質が電解液中に分散しているため、導電材は、長い電子伝導パスを形成可能な材料であることが好ましい。その点では、繊維状炭素材料を用いることが好ましい。 The conductive material imparts electronic conductivity to the positive electrode. Examples of conductive materials include carbon materials. Examples of carbon materials include particulate carbon materials such as acetylene black (AB) and ketjen black (KB), and fibrous carbon materials such as carbon fibers, carbon nanotubes (CNT), and carbon nanofibers (CNF). . In the present disclosure, since the positive electrode active material is dispersed in the electrolytic solution, the conductive material is preferably a material capable of forming a long electron conduction path. In that respect, it is preferable to use a fibrous carbon material.
正極における導電材の割合は、正極活物質を100質量部とした場合に、例えば0.5質量部以上であり、1質量部以上であってもよい。一方、導電材の割合は、正極活物質を100質量部とした場合に、例えば20質量部以下であり、10質量部以下であってもよい。
The ratio of the conductive material in the positive electrode is, for example, 0.5 parts by mass or more, and may be 1 part by mass or more, when the positive electrode active material is 100 parts by mass. On the other hand, the ratio of the conductive material is, for example, 20 parts by mass or less, and may be 10 parts by mass or less, when the positive electrode active material is 100 parts by mass.
電解液は、正極にイオン伝導性を付与する。電解液は、Li塩および溶媒を含有することが好ましい。Li塩としては、例えばLiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等の無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiC(CF3SO2)3等の有機リチウム塩が挙げられる。また、Li塩は、リチウムイミド塩であることが好ましい。リチウムイミド塩としては、例えば、R1SO2N(Li)SO2R2(R1およびR2は、それぞれ独立に、炭素数1以上12以下のフッ素化炭化水素またはその置換体である)で表される化合物が挙げられる。リチウムイミド塩の具体例としては、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(LiBETI)が挙げられる。 The electrolyte imparts ionic conductivity to the positive electrode. The electrolytic solution preferably contains a Li salt and a solvent. Examples of Li salts include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC( Organic lithium salts such as CF 3 SO 2 ) 3 are included. Also, the Li salt is preferably a lithium imide salt. Lithium imide salts include, for example, R 1 SO 2 N(Li)SO 2 R 2 (R 1 and R 2 are each independently a fluorinated hydrocarbon having 1 to 12 carbon atoms or a substituted product thereof). The compound represented by is mentioned. Specific examples of lithium imide salts include lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithium bistrifluoromethanesulfonylimide (LiTFSI), and lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (LiBETI).
電解液におけるLi塩の濃度は、例えば0.5mol%以上であり、1mol%以上であってもよい。一方、電解液におけるLi塩の濃度は、例えば5mol%以下であり、3mol%以下であってもよい。 The concentration of Li salt in the electrolytic solution is, for example, 0.5 mol % or more, and may be 1 mol % or more. On the other hand, the concentration of Li salt in the electrolytic solution is, for example, 5 mol % or less, and may be 3 mol % or less.
上記溶媒は、水であってもよく、非水溶媒であってもよい。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ-ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、およびこれらの任意の混合物が挙げられる。また、上記溶媒として、イオン液体を用いてもよい。 The solvent may be water or a non-aqueous solvent. Non-aqueous solvents include, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone, sulfolane , acetonitrile, and any mixture thereof. Also, an ionic liquid may be used as the solvent.
また、上記溶媒は、エーテル系溶媒であってもよい。エーテル系溶媒としては、例えば、1,4-ジオキサン(DX)、テトラヒドロフラン(THF)、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等の環状エーテル、1,2-ジメトキシエタン(DME)、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等の鎖状エーテルが挙げられる。また、エーテル系溶媒として、上記環状エーテルのフッ素置換体、上記鎖状エーテルのフッ素置換体を用いてもよい。 Also, the solvent may be an ether-based solvent. Examples of ether-based solvents include cyclic ethers such as 1,4-dioxane (DX), tetrahydrofuran (THF), diglyme, triglyme, and tetraglyme, chains such as 1,2-dimethoxyethane (DME), dimethyl ether, and diethyl ether. ethers. As the ether-based solvent, the fluorine-substituted cyclic ether and the chain ether may be used.
正極の形成方法としては、例えば、炭素繊維集合体の空隙に、正極活物質、導電材および電解液を含有する正極スラリーを充填する方法が挙げられる。 As a method of forming the positive electrode, for example, there is a method of filling the voids of the carbon fiber assembly with a positive electrode slurry containing a positive electrode active material, a conductive material, and an electrolytic solution.
4.リチウムイオン電池
本開示におけるリチウムイオン電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。二次電池には、二次電池の一次電池的使用(初回充電のみを目的とした使用)も含まれる。
4. Lithium Ion Battery The lithium ion battery in the present disclosure may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery. This is because they can be repeatedly charged and discharged, and are useful, for example, as batteries for vehicles. The secondary battery also includes the use of a secondary battery as a primary battery (use for the purpose of initial charging only).
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。 Note that the present disclosure is not limited to the above embodiments. The above embodiment is an example, and any device that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure and produces the same effect is the present invention. It is included in the technical scope of the disclosure.
[実施例1]
(負極の作製)
等方性ピッチおよび黒鉛粒子を混合した。混合比は、等方性ピッチ:黒鉛=90:10の質量比とした。なお、等方性ピッチの炭化収率は50%であり、最終的に得られる炭素繊維と、炭素繊維に内包される黒鉛との割合は、炭素繊維:黒鉛=45:10の質量比となり、炭素繊維および黒鉛の合計に対する黒鉛の割合は18.2質量%となる。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode)
Isotropic pitch and graphite particles were mixed. The mixing ratio was isotropic pitch:graphite=90:10 by mass . The carbonization yield of the isotropic pitch is 50%, and the ratio of the carbon fiber finally obtained and the graphite included in the carbon fiber is a mass ratio of carbon fiber: graphite = 45: 10. The ratio of graphite to the total of carbon fiber and graphite is 18.2% by mass .
得られた原料混合物を溶融させて押出することで、不織布状の前駆体繊維を得た(繊維化工程)。次に、不織布状の前駆体繊維を、空気雰囲気、350℃の条件で熱処理した(不融化工程)。次に、不融化した前駆体繊維を、N2雰囲気にて、2300℃から3000℃まで段階的に熱処理を行った(炭化工程および黒鉛化工程)。これにより、炭素繊維集合体(負極)を得た。 The obtained raw material mixture was melted and extruded to obtain precursor fibers in the form of a non-woven fabric (fiberization step). Next, the non-woven fabric-like precursor fiber was heat-treated at 350° C. in an air atmosphere (infusibilization step). Next, the infusible precursor fiber was subjected to stepwise heat treatment from 2300° C. to 3000° C. in an N 2 atmosphere (carbonization step and graphitization step). Thus, a carbon fiber aggregate (negative electrode) was obtained.
(電解質膜の作製)
得られた炭素繊維集合体をポリマーで被覆した。ポリマーとしては、PVDF-HFP(ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)を用いた。PVDF-HFPをアセトン溶媒に溶解させた溶液に、炭素繊維集合体を浸漬させ、電着法により、炭素繊維の表面をポリマー膜で被覆した。これにより、ポリマー膜で被覆された炭素繊維集合体を得た。
(Preparation of electrolyte membrane)
The obtained carbon fiber aggregate was coated with a polymer. PVDF-HFP (polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer) was used as the polymer. The carbon fiber assembly was immersed in a solution of PVDF-HFP dissolved in acetone solvent, and the surface of the carbon fiber was coated with a polymer film by electrodeposition. As a result, a carbon fiber aggregate coated with a polymer film was obtained.
(正極スラリーの作製)
正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を準備し、導電材としてアセチレンブラックおよび気相成長炭素繊維(VGCF)を準備した。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒にLiPF6を濃度1Mとなるように溶解させた溶液を準備した。次に、正極活物質を50質量%、導電材を5.6質量%、電解液を44.4質量%となるように秤量し、十分に混合することで正極スラリーを得た。
(Preparation of positive electrode slurry)
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 was prepared as a positive electrode active material, and acetylene black and vapor grown carbon fiber (VGCF) were prepared as a conductive material. As an electrolytic solution, a solution was prepared by dissolving LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) to a concentration of 1M. Next, 50% by mass of the positive electrode active material, 5.6 % by mass of the conductive material, and 44.4% by mass of the electrolytic solution were weighed and sufficiently mixed to obtain a positive electrode slurry.
(評価用電池の作製)
ポリマー膜で被覆された炭素繊維集合体を準備し、そのポリマー膜の一部を除去し、Au蒸着を行うことで、集電部を形成した。その後、集電部と接触するようにNiタブ(負極タブ)を配置した。得られた構造体を、同容積のSUSケースに入れ、その後、正極スラリーを充填し、正極を得た。なお、正極の集電は、SUSケースから行った。正極および負極の集電が接しないように注意しながら、SUSケースを密封した。これにより、評価用電池を得た。
(Preparation of battery for evaluation)
A carbon fiber assembly coated with a polymer film was prepared, a part of the polymer film was removed, and Au vapor deposition was performed to form a current collector. After that, a Ni tab (negative electrode tab) was arranged so as to be in contact with the current collector. The resulting structure was placed in a SUS case of the same volume, and then filled with positive electrode slurry to obtain a positive electrode. In addition, current collection of the positive electrode was performed from the SUS case. The SUS case was hermetically sealed while taking care that the current collectors of the positive and negative electrodes were not in contact with each other. Thus, an evaluation battery was obtained.
[実施例2]
等方性ピッチおよび黒鉛粒子の混合比を、等方性ピッチ:黒鉛=85:15の質量比としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維集合体および評価用電池を得た。なお、炭素繊維および黒鉛の合計に対する黒鉛の割合は26.1質量%となる。
[Example 2]
A carbon fiber aggregate and an evaluation battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of isotropic pitch and graphite particles was set to a mass ratio of isotropic pitch:graphite=85:15. The ratio of graphite to the total of carbon fiber and graphite is 26.1% by mass .
[実施例3]
等方性ピッチおよび黒鉛粒子の混合比を、等方性ピッチ:黒鉛=60:40の質量比としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維集合体および評価用電池を得た。なお、炭素繊維および黒鉛の合計に対する黒鉛の割合は57.1質量%となる。
[Example 3]
A carbon fiber aggregate and an evaluation battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixing ratio of isotropic pitch and graphite particles was set to a mass ratio of isotropic pitch:graphite=60:40. The ratio of graphite to the total of carbon fiber and graphite is 57.1% by mass .
[実施例4]
カーボンナノチューブ(CNT)をさらに用い、等方性ピッチ、黒鉛粒子およびCNTの混合比を、等方性ピッチ:黒鉛:CNT=84:15:1の質量比としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維集合体および評価用電池を得た。なお、炭素繊維、黒鉛およびCNTの合計に対して、黒鉛の割合は25.9質量%となり、CNTの割合は1.7質量%である。また、炭素繊維および粒子部(黒鉛およびCNT)の合計に対する粒子部(黒鉛およびCNT)の割合は、27.6質量%となる。
[Example 4]
Carbon nanotubes (CNT) were further used, and the mixing ratio of isotropic pitch, graphite particles and CNT was set to a mass ratio of isotropic pitch: graphite: CNT = 84: 15: 1. A carbon fiber assembly and an evaluation battery were obtained in the same manner. The ratio of graphite is 25.9% by mass and the ratio of CNT is 1.7 % by mass with respect to the total of carbon fiber, graphite and CNT. Also, the ratio of the particle portion (graphite and CNT) to the total of the carbon fiber and particle portion (graphite and CNT) is 27.6% by mass .
[比較例1]
黒鉛粒子を用いなかったこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維集合体および評価用電池を得た。
[Comparative Example 1]
A carbon fiber assembly and an evaluation battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that graphite particles were not used.
[評価]
(SEM観察)
実施例1および比較例1で得られた炭素繊維集合体に対して、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行った。その結果を図5および図6に示す。図5(a)に示すように、実施例1では、炭素繊維の表面に、黒鉛に由来する凹凸が形成されていることが確認された。また、図5(b)に示すように、実施例1では、炭素繊維の断面において、微小な黒鉛粒子が内包されていることが確認された。また、黒鉛は、軸線方向に沿って配向していた。そのため、炭素繊維の電子伝導性を向上させていることが示唆された。これに対して、図6(a)、(b)に示すように、比較例1では、炭素繊維の表面および断面が滑らかであった。
[evaluation]
(SEM observation)
The carbon fiber aggregates obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were observed with a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in FIGS. 5 and 6. FIG. As shown in FIG. 5A, in Example 1, it was confirmed that unevenness derived from graphite was formed on the surface of the carbon fiber. In addition, as shown in FIG. 5(b), in Example 1, it was confirmed that fine graphite particles were included in the cross section of the carbon fiber. Also, the graphite was oriented along the axial direction. Therefore, it was suggested that the electron conductivity of the carbon fiber is improved. In contrast, as shown in FIGS. 6A and 6B, in Comparative Example 1, the surface and cross section of the carbon fibers were smooth.
(充放電試験)
実施例1~4および比較例1で得られた評価用電池に対して充放電試験を行った。測定条件は、電圧範囲3.0V~4.2V、レート0.2Cとした。コンディショニングのため数サイクルの充放電を行い、その後、放電容量を測定した。その結果を表1に示す。なお、表1における放電容量は、比較例1の結果を100とした場合の相対値である。
(Charging and discharging test)
The evaluation batteries obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were subjected to a charge/discharge test. The measurement conditions were a voltage range of 3.0V to 4.2V and a rate of 0.2C. Several cycles of charging and discharging were performed for conditioning, and then the discharge capacity was measured. Table 1 shows the results. The discharge capacity in Table 1 is a relative value when the result of Comparative Example 1 is set to 100.
また、炭素繊維集合体の特性を評価するためにハーフセルを作製した。具体的に、正極スラリーの代わりに、実施例1と同様の電解液を用いたこと、および、対極としてLi箔を用いたこと以外は、実施例1~4および比較例1と同様にして、それぞれハーフセルを作製した。得られたハーフセルに対して、上記と同様に充放電試験を行った。その結果を図7に示す。なお、このハーフセルは、負極(炭素繊維集合体)の特性を評価するセルであるため、セルの電圧が低下することを充電とし、セルの電圧が上昇することを放電とした。 Also, a half cell was produced in order to evaluate the properties of the carbon fiber aggregate. Specifically, in the same manner as in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, except that the same electrolytic solution as in Example 1 was used instead of the positive electrode slurry, and the Li foil was used as the counter electrode. A half cell was produced for each. A charging/discharging test was performed on the obtained half-cell in the same manner as described above. The results are shown in FIG. Since this half-cell is a cell for evaluating the characteristics of the negative electrode (carbon fiber aggregate), a decrease in the cell voltage is defined as charge, and an increase in the cell voltage is defined as discharge.
表1および図7に示すように、実施例1~4は、比較例1よりも、放電容量および負極容量が高いことが確認された。特に、実施例2~4では、比較例1よりも、放電容量および負極容量が顕著に高いことが確認された。 As shown in Table 1 and FIG. 7, it was confirmed that Examples 1 to 4 had higher discharge capacity and negative electrode capacity than Comparative Example 1. In particular, in Examples 2 to 4, it was confirmed that the discharge capacity and the negative electrode capacity were significantly higher than those in Comparative Example 1.
(ラマン分光マッピング測定)
実施例1~4で得られた炭素繊維集合体に対してラマン分光マッピング測定を行った。具体的に、炭素繊維の断面に対してラマン分光マッピング測定を行い、黒鉛化度の分布を求めた。その結果、実施例1~4における炭素繊維は、いずれも、断面中心部に黒鉛化度が相対的に高い芯部が存在し、断面外縁部に黒鉛化度が相対的に低い鞘部が存在することが確認された。さらに、粒子部(鱗片状の微小な黒鉛粒子)は、芯部および鞘部の両方において、島状に存在していた。また、鞘部における粒子部の総面積は、芯部における粒子部の総面積よりも小さかった。
(Raman spectral mapping measurement)
Raman spectral mapping measurement was performed on the carbon fiber aggregates obtained in Examples 1-4. Specifically, Raman spectroscopy mapping measurement was performed on the cross section of the carbon fiber to obtain the distribution of the degree of graphitization. As a result, the carbon fibers of Examples 1 to 4 all have a core portion with a relatively high degree of graphitization in the center of the cross section, and a sheath portion with a relatively low degree of graphitization in the outer edge of the cross section. It was confirmed that Furthermore, the particle portions (flake-like minute graphite particles) were present in the form of islands in both the core portion and the sheath portion. In addition, the total area of the particles in the sheath was smaller than the total area of the particles in the core.
また、図8は、黒鉛添加率と、炭素繊維の黒鉛化度との関係を説明する模式図である。図8に示すように、比較例1(黒鉛添加なし)の基準をL1とする。これに対して、L3は、実施例1(黒鉛添加率10質量%)、実施例2(黒鉛添加率15質量%)および実施例3(黒鉛添加率40質量%)で得られた炭素繊維の黒鉛化度の傾向を示している。実施例1~3では、黒鉛添加率の増加に伴い、炭素繊維の黒鉛化度も増加することが確認された(L3)。一方、L2は、添加した黒鉛が炭素繊維の黒鉛化に全く寄与しないと仮定した場合の黒鉛化度を示している。具体的に、L2は、L1の黒鉛化度に、添加した黒鉛の黒鉛化度を加算した結果である。 FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the relationship between the graphite addition rate and the degree of graphitization of carbon fibers. As shown in FIG. 8, the reference for Comparative Example 1 (no graphite added) is L1 . On the other hand, L 3 is the carbon fiber obtained in Example 1 (graphite addition rate of 10 mass %), Example 2 (graphite addition rate of 15 mass %), and Example 3 (graphite addition rate of 40 mass %). It shows the trend of the degree of graphitization of In Examples 1 to 3, it was confirmed that the degree of graphitization of the carbon fibers increased as the graphite addition rate increased (L 3 ). On the other hand, L2 indicates the degree of graphitization when it is assumed that the added graphite does not contribute to the graphitization of carbon fibers at all. Specifically, L 2 is the result of adding the graphitization degree of added graphite to the graphitization degree of L 1 .
図8に示すように、L3はL2よりも高くなっていることから、炭素繊維に内包された粒子部(黒鉛粒子)は、熱処理(炭化工程および黒鉛化工程)の際に、周囲の炭素繊維の黒鉛化度を向上させる機能を有することが示唆された。すなわち、得られた炭素繊維では、粒子部の周辺に、上述した中間部が形成されていることが示唆された。 As shown in FIG. 8, since L3 is higher than L2 , the particle part (graphite particle) included in the carbon fiber is exposed to the surroundings during heat treatment (carbonization process and graphitization process) It was suggested that it has the function of improving the degree of graphitization of carbon fibers. That is, it was suggested that the obtained carbon fiber had the above-described intermediate portion formed around the particle portion.
また、実施例1~4で得られた炭素繊維は芯鞘構造を有し、鞘部にも粒子部が形成されていた。熱処理では、炭素繊維の外側の温度が最初に高くなる。そのため、鞘部における粒子部の周囲に、鞘部よりも黒鉛化度が高く、粒子部よりも黒鉛化度が低い中間部が形成されていることが示唆された。黒鉛およびCNTのように、表面に広く炭素六角網面(ベーサル面)が存在している粒子を用いることで、熱処理時に結晶化のテンプレート効果が生じ、炭素繊維の黒鉛化度(結晶性)も向上したと推測される。 Further, the carbon fibers obtained in Examples 1 to 4 had a core-sheath structure, and the particle portion was formed in the sheath portion. In heat treatment, the temperature on the outside of the carbon fiber rises first. Therefore, it was suggested that an intermediate portion having a higher degree of graphitization than the sheath portion and a lower degree of graphitization than the particle portion was formed around the particle portion in the sheath portion. By using particles such as graphite and CNT, which have hexagonal carbon planes (basal planes) on the surface, a crystallization template effect occurs during heat treatment, and the degree of graphitization (crystallinity) of carbon fibers also increases. presumed to have improved.
1…炭素繊維
1a…芯部
1b…鞘部
2…空隙
3a…正極活物質
3b…導電材
3c…電解液
10…炭素繊維集合体
20…電解質膜
30…正極
100…リチウムイオン電池
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数の炭素繊維を被覆する電解質膜と、
前記炭素繊維集合体の空隙に充填され、正極活物質、導電材および電解液を含有する正極と、
を有し、
前記炭素繊維が、軸線方向に直交する方向の断面において、前記炭素繊維よりも黒鉛化度が高い粒子部を内包し、
前記炭素繊維および前記粒子部の合計に対する前記粒子部の割合が、18.2質量%以上、65質量%以下である、リチウムイオン電池。 a negative electrode that is a carbon fiber assembly in which a plurality of carbon fibers are three-dimensionally connected;
an electrolyte membrane covering the plurality of carbon fibers;
a positive electrode filled in the voids of the carbon fiber assembly and containing a positive electrode active material, a conductive material, and an electrolytic solution;
has
The carbon fiber includes a particle portion having a higher degree of graphitization than the carbon fiber in a cross section in a direction orthogonal to the axial direction ,
A lithium ion battery , wherein the ratio of the particle portion to the total of the carbon fiber and the particle portion is 18.2% by mass or more and 65% by mass or less.
前記芯部および前記鞘部の両方に、前記粒子部が形成されている、請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載のリチウムイオン電池。 A core-sheath structure in which the carbon fiber has a core positioned at the center and a sheath formed on the outer periphery of the core and having a lower degree of graphitization than the core in a cross section in a direction orthogonal to the axial direction. with
5. The lithium ion battery according to any one of claims 1 to 4 , wherein said particle portion is formed on both said core portion and said sheath portion.
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