JP7274537B2 - 負極の作製方法 - Google Patents
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Description
電性に優れたグラフェンあるいは複数層のグラフェンに関する。グラフェンとは、sp2
結合を有する1原子層の炭素分子のシートである。
理的特性のためにさまざまな製品に応用することが試みられている(特許文献1乃至特許
文献3参照)。また、グラフェンをリチウムイオン二次電池に応用する技術も提案されて
いる(特許文献4)。
を透過させることができないが、グラフェンの一部に間隙を設けることでイオンを透過さ
せる能力を付与することが可能となる。
イオンを透過させることが可能となるが、グラフェンの機械的強度が低下してしまう。本
発明の一態様は、この問題を解決するためになされたもので、グラフェンに設ける間隙の
大きさ及び数と、グラフェンの機械的強度を最適な状態とすることを目的の一とする。
とする。あるいは、単位重量あたりの蓄電容量を増加させることを目的の一とする。ある
いは、サイクル特性を向上させることを目的の一とする。あるいは、長期あるいは繰り返
しの使用にも耐える、信頼性の高い電気機器を提供することを目的の一とする。
。環員数が9の炭素環はリチウムイオンに対する最大ポテンシャルエネルギーがほぼ0電
子ボルトであるため、環員数が9以上の炭素環をグラフェン中設けることで、リチウムイ
オンが透過する間隙として機能させることができる。
する。グラフェン中に設ける間隙の面積を0.149nm2以上とすることで、リチウム
イオンを容易に透過させることができる。
に、電極や活物質と電解液との反応を抑制できる。
態様は、上記のグラフェンで表面を被覆された電極や活物質である。本発明の一態様は、
上記の課題のいずれか一を解決する。
とが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に
変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形
態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
本実施の形態では、グラフェンに設ける間隙の大きさ、間隙の数密度(グラフェン単位面
積あたりの間隙の数)、及びグラフェンの機械的強度を最適なものとする方法について説
明する。
オンが、8員環構造を有する炭素環または9員環構造を有する炭素環から受けるポテンシ
ャルエネルギーの変化を説明する図である。また、図3は、任意の機械的強度における、
グラフェンに設ける間隙の面積aと、間隙が1つ含まれるグラフェンの面積S(1/Sが
数密度に相当する。)の関係を説明する図である。
9員環構造を有する炭素環のリチウムイオンの透過性について第一原理計算により検証し
た。計算には平面波基底擬ポテンシャル法に基づく第一原理計算ソフトVASPを用いた
。
る炭素環の最適構造を示す。8員環構造を有する炭素環301の環径は最大で0.427
nm、最小で0.347nmであり、三角形を用いた初等幾何学的な面積は0.105n
m2である。
有する炭素環の最適構造を示す。9員環構造を有する炭素環302の環径は最大で0.4
28nm、最小で0.422nmであり、三角形を用いた初等幾何学的な面積は0.14
9nm2である。
を図2に示す。図2は、リチウムイオンの炭素環からの距離に対するリチウムイオンが炭
素環から受けるポテンシャルエネルギーの変化を示している。図2の横軸はリチウムイオ
ンの炭素環からの距離を示し、縦軸はリチウムイオンが炭素環から受けるポテンシャルエ
ネルギーを示している。図2において、曲線311はリチウムイオンが8員環構造を有す
る炭素環301から受けるポテンシャルエネルギーの変化を示し、曲線312はリチウム
イオンが9員環構造を有する炭素環302から受けるポテンシャルエネルギーの変化を示
している。
が0.2nm近辺で極小となるが、さらに小さくなると増加に転じる。リチウムイオンが
炭素環301に達するには1eV程度のポテンシャルエネルギーが必要となるため、リチ
ウムイオンは炭素環301を透過できない。
した時のポテンシャルエネルギーは-0.26eV程度であり、リチウムイオンは炭素環
302を容易に透過できる。
きくなり、環員数が増えると小さくなる。したがって、リチウムイオンを透過させるため
にグラフェン中に設ける炭素環(間隙)の環員数は、9以上とする必要がある。すなわち
、間隙の面積aを図3に示す直線401よりも大きくする必要がある。
フェン面内にあるリチウムイオンが間隙に到達する時間によって決定される。
隙104に到達すると、グラフェン102に接する電極101(蓄電装置であれば活物質
)が負の電位の場合は下層のグラフェンに移動する(電極101が正の電位の場合は上層
のグラフェンに移動する)。
素環である間隙104に到達するまでの時間は、図4(B)のモデルをもとに以下のよう
に算出される。
ムイオンが、点Pから時間tかけて移動することができる距離rは、二次元のブラウン運
動における平均二乗変位と時間の関係式により、数式1として表すことができる。ここで
、Dはリチウムイオンの拡散係数である。
5の中に存在すると言える。
面積)をSとして、グラフェン上を移動するリチウムイオンが間隙104に到達するまで
の時間について考える。なお、Sの逆数(1/S)は、グラフェン102の単位面積あた
りの間隙104の数(間隙の数密度)である。
円の面積を求める公式から数式2を導くことができる。すなわち、グラフェン上を移動す
るリチウムイオンは、数式2を満たす時間t0後に、間隙104に到達する可能性がある
と言える。数式2を時間t0について解いた式を、数式3に示す。
後にリチウムイオンが間隙104に到達する確率は、間隙104が1つ含まれるグラフェ
ンの面積Sと、間隙104の面積aから、a/Sと表すことができる。また、時間t0後
にリチウムイオンが間隙104に到達していない確率は、1-a/Sと表すことができる
。このことから、時間t後にリチウムイオンが間隙104に到達していない確率を、数式
4で表すことができる。
い)確率P(t)は、数式5で表すことができる。
することができる。
間を時間t1とすれば、その確率P(t1)は1である。数式6の時間t0に数式3を代
入すると、時間t1を数式7で表すことができる。
を有する間隙104に到達するまでの時間は、数式7を用いて算出することができる。
間t1を実際に用いる電池の充放電時間よりも充分短い時間、例えば10秒以下とすると
いう条件を課すと数式7より図3の直線402が求まる。Sは直線402以下の値をとら
なければならないため、数式8の条件を充足する必要がある。
なる。一方で、間隙の数密度が増加すると、グラフェンの機械的強度が低下することとな
るため、間隙の数密度には上限を設ける必要がある。
隙の割合によって決まる。近似的には1次元方向の機械的強度をUとして数式9により求
められる。
ンの機械的強度に対する比率)を確保するには、グラフェンの1次元方向に対する間隙の
割合を(1-k)倍とすれば良い。つまり、間隙のグラフェンの2次元方向に対する割合
は、面積Sの(1-k)2倍となるように設定すればよい。この条件から図3の直線40
3が決まる。Sは直線403以上の値を取らなければならないため、数式10の条件を充
足する必要がある。なお、直線403はk=2/3の場合を示している。
複数のグラフェンが積層されている場合であっても、本実施の形態で開示した内容を勘案
して決定することが可能である。
1つまたは複数の元素と、炭素を含む環状化合物構造を有してもよい。
内に設定することで、任意の機械的強度において、グラフェンに設ける間隙の大きさ、及
び間隙の数密度を最適なものとすることができる。
速度を向上させることが可能となる。また、蓄電装置の単位重量当たりの蓄電容量を増加
させることができる。また、蓄電装置のサイクル特性を向上させることができる。
本実施の形態では、シリコン粒子の表面にグラフェンを1層以上50層以下有するグラフ
ェン層を形成する例について説明する。最初に、グラファイトを酸化して、酸化グラファ
イトを作製し、これに超音波振動を加えることで酸化グラフェンを得る。詳細は特許文献
2を参照すればよい。また、市販の酸化グラフェンを利用してもよい。
量%乃至15重量%、好ましくは1重量%乃至5重量%とするとよい。さらに、真空中あ
るいは不活性ガス(窒素あるいは希ガス等)中等の還元性の雰囲気で150℃、好ましく
は200℃以上の温度で加熱する。加熱する温度が高いほど、酸化グラフェンがよく還元
され、純度の高い(すなわち、炭素以外の元素の濃度の低い)グラフェンが得られる。な
お、酸化グラフェンは150℃で還元されることがわかっている。
えば、加熱温度100℃(1時間)では多層グラフェンの抵抗率は240MΩcm程度で
あるが、加熱温度200℃(1時間)では4kΩcmとなり、300℃(1時間)では2
.8Ωcmとなる。
となる。その際、隣接するグラフェン同士が結合し、より巨大な網目状あるはシート状の
ネットワークを形成する。このようにして形成されたグラフェンは、上記で説明したよう
な数密度の間隙があるため、リチウムイオンが透過する。
ylformamide(DMF)やN-methylpyrrolidone(NMP
)等の極性溶媒が好ましい)に分散させスラリーを得る。このスラリーを用いて二次電池
を作製できる。
次電池は、負極204、正極232、セパレータ210、電解液(図示せず)、筐体20
6および筐体244を有する。このほかにはリング状絶縁体220、スペーサー240お
よびワッシャー242を有する。
しては、例えば銅を用いるとよい。負極活物質としては、上記スラリー単独、あるいは上
記スラリーにバインダーで混合したものを負極活物質層202として用いるとよい。
、正極活物質の粒子をバインダーや導電助剤ともに混合したスラリーを正極集電体228
上に塗布して、乾燥させたものを用いればよい。
チウム、珪酸マンガンリチウム、珪酸鉄リチウム等を用いることができるが、これに限ら
ない。活物質粒子の粒径は20nm乃至100nmとするとよい。また、焼成時にグルコ
ース等の炭水化物を混合して、正極活物質粒子にカーボンがコーティングされるようにし
てもよい。この処理により導電性が高まる。
合溶媒にLiPF6を溶解させたものを用いるとよいが、これに限られない。
よいが、リチウムイオンを透過させる固体電解質を用いてもよい。
ステンレス)製のものを用いるとよい。筐体206および筐体244は、負極204およ
び正極232を外部と電気的に接続する機能を有している。
ように、筐体206を下にして負極204、セパレータ210、リング状絶縁体220、
正極232、スペーサー240、ワッシャー242、筐体244をこの順で積層し、筐体
206と筐体244とを圧着してコイン型の二次電池を作製する。
本実施の形態では、集電体上に形成されたシリコン活物質層の表面にグラフェンを1層以
上50層以下有するグラフェン層を形成する例について説明する。最初に、酸化グラフェ
ンを水やNMP等の溶媒に分散させる。溶媒は極性溶媒であることが好ましい。酸化グラ
フェンの濃度は1リットル当たり0.1g乃至10gとすればよい。
らに、真空中あるいは不活性ガス(窒素あるいは希ガス等)中等の還元性の雰囲気で20
0℃以上の温度で加熱する。以上の工程により、シリコン活物質層表面にグラフェンを1
層以上50層以下有するグラフェン層を形成することができる。このようにして形成され
たグラフェン層は、上記で説明したような数密度の間隙があるため、リチウムイオンが透
過する。
して、さらに同様にグラフェンを1層以上50層以下有するグラフェン層を形成してもよ
い。同じことを3回以上繰り返してもよい。このように多層のグラフェンを形成すると、
グラフェン層全体の強度が高くなる。
雑さが生じ、グラフェン層の強度が厚さに比例しなくなるが、このように何度かに分けて
グラフェン層を形成する場合には、グラフェンのsp2結合が概略シリコンの表面と平行
であるため、厚くするほどグラフェン層全体の強度が増す。
本実施の形態では、集電体上に形成されたシリコン活物質層の表面にグラフェンを1層以
上50層以下有するグラフェン層を形成する別の例について説明する。実施の形態2と同
様に、酸化グラフェンを水やNMP等の溶媒に分散させる。グラフェンの濃度は1リット
ル当たり0.1g乃至10gとすればよい。
正極とする。また、溶液に負極となる導電体を入れ、正極と負極の間に適切な電圧(例え
ば、5V乃至20V)を加える。酸化グラフェンは、ある大きさのグラフェンシートの端
の一部がカルボキシル基(-COOH)で終端されているため、水等の溶液中では、カル
ボキシル基から水素イオンが離脱し、酸化グラフェン自体は負に帯電する。そのため、正
極に引き寄せられ、付着する。なお、この際、電圧は一定でなくてもよい。正極と負極の
間を流れる電荷量を測定することで、シリコン活物質層に付着した酸化グラフェンの層の
厚さを見積もることができる。
らに、真空中あるいは不活性ガス(窒素あるいは希ガス等)中等の還元性の雰囲気で20
0℃以上の温度で加熱する。このようにしてシリコン活物質の表面に形成された酸化グラ
フェンは還元され、グラフェンとなる。その際、隣接するグラフェン同士が結合し、より
巨大な網目状あるはシート状のネットワークを形成する。
凸部にもほぼ均一な厚さで形成される。このようにして、シリコン活物質層の表面にグラ
フェンを1層以上50層以下有するグラフェン層を形成することができる。このようにし
て形成されたグラフェンの層は、上記で説明したような数密度の間隙があるため、リチウ
ムイオンが透過する。
の層の形成や、実施の形態2の方法によるグラフェンの層の形成を1回以上おこなっても
よい。
本発明の一態様に係る蓄電装置は、電力により駆動する様々な電気機器の電源として用い
ることができる。
デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、DVD(Digital V
ersatile Disc)などの記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する
画像再生装置、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デ
ジタルスチルカメラ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、エアコ
ンディショナーなどの空調設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存
用冷凍庫、透析装置などが挙げられる。また、蓄電装置からの電力を用いて電動機により
推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例え
ば、電気自動車、内燃機関と電動機を併せ持った複合型自動車(ハイブリッドカー)、電
動アシスト自転車を含む原動機付自転車などが挙げられる。
て、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。或いは、上記電気機器は、上
記主電源や商用電源からの電力の供給が停止した場合に、電気機器への電力の供給を行う
ことができる蓄電装置(無停電電源と呼ぶ)として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用
いることができる。或いは、上記電気機器は、上記主電源や商用電源からの電気機器への
電力の供給と並行して、電気機器への電力の供給を行うための蓄電装置(補助電源と呼ぶ
)として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。
明の一態様に係る蓄電装置5004を用いた電気機器の一例である。具体的に、表示装置
5000は、TV放送受信用の表示装置に相当し、筐体5001、表示部5002、スピ
ーカー部5003、蓄電装置5004等を有する。本発明の一態様に係る蓄電装置500
4は、筐体5001の内部に設けられている。表示装置5000は、商用電源から電力の
供給を受けることもできるし、蓄電装置5004に蓄積された電力を用いることもできる
。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態
様に係る蓄電装置5004を無停電電源として用いることで、表示装置5000の利用が
可能となる。
装置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Devi
ce)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field
Emission Display)などの、半導体表示装置を用いることができる。
、全ての情報表示用表示装置が含まれる。
3を用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置5100は、筐体5101、光源
5102、蓄電装置5103等を有する。図6では、蓄電装置5103が、筐体5101
及び光源5102が据え付けられた天井5104の内部に設けられている場合を例示して
いるが、蓄電装置5103は、筐体5101の内部に設けられていても良い。照明装置5
100は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置5103に蓄積さ
れた電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受け
られない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置5103を無停電電源として用いること
で、照明装置5100の利用が可能となる。
が、本発明の一態様に係る蓄電装置は、天井5104以外、例えば側壁5105、床51
06、窓5107等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型
の照明装置などに用いることもできる。
る。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、LEDや有機EL素子などの発光
素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。
発明の一態様に係る蓄電装置5203を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機
5200は、筐体5201、送風口5202、蓄電装置5203等を有する。図6では、
蓄電装置5203が、室内機5200に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置
5203は室外機5204に設けられていても良い。或いは、室内機5200と室外機5
204の両方に、蓄電装置5203が設けられていても良い。エアコンディショナーは、
商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置5203に蓄積された電力を
用いることもできる。特に、室内機5200と室外機5204の両方に蓄電装置5203
が設けられている場合、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、
本発明の一態様に係る蓄電装置5203を無停電電源として用いることで、エアコンディ
ショナーの利用が可能となる。
示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを1つの筐体に有する一体型のエアコンデ
ィショナーに、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることもできる。
いた電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫5300は、筐体5301、冷蔵
室用扉5302、冷凍室用扉5303、蓄電装置5304等を有する。図6では、蓄電装
置5304が、筐体5301の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫5300は、商用
電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置5304に蓄積された電力を用い
ることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも
、本発明の一態様に係る蓄電装置5304を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷
蔵庫5300の利用が可能となる。
機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助
するための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることで、電気機器の
使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。
うち、実際に使用される電力量の割合(電力使用率と呼ぶ)が低い時間帯において、蓄電
装置に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑える
ことができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫5300の場合、気温が低く、冷蔵室用扉530
2、冷凍室用扉5303の開閉が行われない夜間において、蓄電装置5304に電力を蓄
える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉5302、冷凍室用扉5303の開閉が行わ
れる昼間において、蓄電装置5304を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率
を低く抑えることができる。
102 グラフェン
103 リチウムイオン
104 間隙
105 円
200 負極集電体
202 負極活物質層
204 負極
206 筐体
210 セパレータ
220 リング状絶縁体
228 正極集電体
230 正極活物質層
232 正極
240 スペーサー
242 ワッシャー
244 筐体
301 炭素環
302 炭素環
311 曲線
312 曲線
401 直線
402 直線
403 直線
5000 表示装置
5001 筐体
5002 表示部
5003 スピーカー部
5004 蓄電装置
5100 照明装置
5101 筐体
5102 光源
5103 蓄電装置
5104 天井
5105 側壁
5106 床
5107 窓
5200 室内機
5201 筐体
5202 送風口
5203 蓄電装置
5204 室外機
5300 電気冷凍冷蔵庫
5301 筐体
5302 冷蔵室用扉
5303 冷凍室用扉
5304 蓄電装置
Claims (1)
- 酸化グラフェンを溶媒に分散させた溶液に、シリコン活物質層が形成された集電体を浸漬する第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記集電体を乾燥させる第2の工程と、
前記第2の工程の後に、還元性の雰囲気中において、前記集電体を200度以上で加熱する第3の工程と、
前記第1の工程乃至前記第3の工程を繰り返し行う第4の工程と、を有し、
前記第1乃至前記第4の工程により、前記シリコン活物質層の表面に多層のグラフェンを形成し、
前記第1の工程において、前記シリコン活物質層に含まれるシリコン粒子と前記酸化グラフェンのうち、前記酸化グラフェンの割合は、1重量%乃至15重量%であり、
前記グラフェンは、間隙を有し、
前記間隙が1つ含まれる前記グラフェンの面積Sが、
数式1と数式2を充足することを特徴とする負極の作製方法。
(数式中、aは前記間隙の面積を示し且つ0.149nm 2 以上であり、Dはリチウムイオンの拡散係数を示し、t1は前記グラフェン上のリチウムイオンが前記間隙に到達するまでの時間を示し、kは間隙の無いグラフェンの機械的強度に対する前記間隙を有するグラフェンの機械的強度の比率を示す。)
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