JP7472700B2 - Electrode active material, power storage device, and method for producing electrode active material - Google Patents

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Description

本明細書では、電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を開示する。 This specification discloses an electrode active material, an electricity storage device, and a method for producing the electrode active material.

従来、リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスとしては、芳香族環構造を有するジカルボン酸アニオンである芳香族化合物を含む有機骨格層と、カルボン酸アニオンに含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層と、を有する層状構造体を負極活物質に用いたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この層状構造体は、芳香族ジカルボン酸アニオンとアルカリ金属イオンとを溶解した調製溶液を噴霧乾燥装置を用いて噴霧乾燥することにより得られたものであり、
充放電特性をより向上することができる。
Conventionally, as an electricity storage device such as a lithium ion secondary battery, a layered structure has been proposed as a negative electrode active material, the layered structure having an organic framework layer containing an aromatic compound that is a dicarboxylate anion having an aromatic ring structure, and an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated to oxygen contained in the carboxylate anion to form a framework (see, for example, Patent Document 1). This layered structure is obtained by spray-drying a preparation solution in which an aromatic dicarboxylate anion and an alkali metal ion are dissolved, using a spray drying device,
The charge and discharge characteristics can be further improved.

特開2018-166060号公報JP 2018-166060 A

しかしながら、上述の特許文献1の蓄電デバイスでは、開回路電位を測定すると、熱力学的に分極の大きな高抵抗領域が大きい問題があった。このため、この電極活物質は、分極の小さな低抵抗領域をより増加するなど、などの充放電特性をより向上することが求められていた。 However, the problem with the power storage device of Patent Document 1 above is that when the open circuit potential is measured, there is a large high resistance region with large thermodynamic polarization. For this reason, there has been a demand for this electrode active material to have improved charge/discharge characteristics, such as by further increasing the low resistance region with small polarization.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電特性をより向上することができる新規な電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these problems, and its main objective is to provide a new electrode active material, an electricity storage device, and a method for manufacturing an electrode active material that can further improve charge/discharge characteristics.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、より好適な結晶構造とすることによって、充放電特性をより向上することができる新規な電極活物質を作製することができることを見いだし、本開示を完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-mentioned objective, the inventors discovered that by creating a more suitable crystal structure, it is possible to produce a new electrode active material that can further improve the charge/discharge characteristics, and thus completed the present disclosure.

即ち、本明細書で開示する電極活物質は、
蓄電デバイスに用いられる電極活物質であって、
複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える層状構造体であり、該層状構造体に対してX線回折測定を行い、数式(1)を用いて算出される302面に対して垂直方向の結晶子サイズD302が25nm以下であるものである。
That is, the electrode active material disclosed in the present specification is
An electrode active material for use in an electricity storage device,
The layered structure includes an organic framework layer containing an aromatic dicarboxylate anion having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain, and an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated to oxygen contained in a carboxylic acid of the organic framework layer to form a framework, and the layered structure is subjected to X-ray diffraction measurement, and the crystallite size D 302 in the direction perpendicular to the 302 plane calculated using formula (1) is 25 nm or less.

本明細書で開示する蓄電デバイスは、
正極と、
上述した電極活物質を含む負極と、
正極と負極との間に介在し、キャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
The electricity storage device disclosed in the present specification is
A positive electrode and
A negative electrode containing the above-mentioned electrode active material;
an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting carrier ions;
It is equipped with the following:

本明細書で開示する電極活物質の製造方法は、
蓄電デバイスに用いる電極活物質を製造する製造方法であって、
複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸を事前乾燥する事前乾燥工程と、
事前乾燥した前記芳香族ジカルボン酸に対してモル比で1.9以上2.1以下のアルカリ金属イオンを加えた溶液を調製する調製工程と、
調整した前記溶液を噴霧乾燥することによって、複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える層状構造体を作製する作製工程と、
を含むものである。
The method for producing an electrode active material disclosed in the present specification includes the steps of:
A method for producing an electrode active material for use in an electricity storage device, comprising the steps of:
a pre-drying step of pre-drying an aromatic dicarboxylic acid having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain;
a preparation step of preparing a solution in which alkali metal ions are added to the aromatic dicarboxylic acid dried in advance in a molar ratio of 1.9 to 2.1;
a step of spray-drying the prepared solution to produce a layered structure including an organic framework layer containing an aromatic dicarboxylate anion having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain, and an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated to oxygen contained in a carboxylic acid of the organic framework layer to form a framework;
It includes.

本開示では、充放電特性をより向上することができる新規の電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法を提供することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように考えられる。例えば、所定の結晶面に垂直方向の結晶子サイズ、特に、302面に対して垂直方向の結晶子サイズD302が25nm以下であるものとすると、いわゆるアルカリ金属元素層がより薄い厚さとなり、キャリアであるアルカリ金属イオンの受入性をより向上することができるものと推察される。このため、この電極活物質は、開回路電位の低抵抗容量領域を拡大することができ、充放電特性をより向上することができる。 In the present disclosure, a novel electrode active material, a power storage device, and a method for manufacturing an electrode active material that can further improve the charge/discharge characteristics can be provided. The reason for obtaining such an effect is considered as follows. For example, if the crystallite size in the direction perpendicular to a specific crystal plane, particularly the crystallite size D 302 in the direction perpendicular to the 302 plane, is 25 nm or less, the so-called alkali metal element layer becomes thinner, and it is presumed that the acceptability of the alkali metal ion, which is a carrier, can be further improved. Therefore, this electrode active material can expand the low resistance capacity region of the open circuit potential, and can further improve the charge/discharge characteristics.

芳香族ジカルボン酸ジリチウムの層状構造体の化合物構造の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a compound structure having a layered structure of dilithium aromatic dicarboxylate. 蓄電デバイス20の一例を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an electricity storage device 20. 実施例1,比較例1,2のSEM写真。SEM photographs of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 実施例1のXRDパターン。XRD pattern of Example 1. 比較例1のXRDパターン。XRD pattern of Comparative Example 1. 比較例2のXRDパターン。XRD pattern of Comparative Example 2. 各試料の100面及び302面の回折スペクトル。Diffraction spectra of the 100 and 302 planes of each sample. 実施例1の開回路電位の測定結果。4 is a measurement result of the open circuit potential of Example 1. 比較例1の開回路電位の測定結果。Measurement results of open circuit potential in Comparative Example 1. 比較例2の開回路電位の測定結果。Measurement results of open circuit potential in Comparative Example 2. 結晶子サイズDと低抵抗容量領域の割合の関係図。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the crystallite size D and the proportion of a low resistance/capacitance region. Williamson-Hallプロットと歪みεW-Hの関係図。Williamson-Hall plot versus strain ε WH .

(電極活物質)
本明細書で開示する電極活物質は、蓄電デバイスに用いられる電極活物質である。電極活物質は、キャリアであるアルカリ金属イオンを吸蔵、放出することで電気エネルギーを貯蔵出力する。キャリアであるアルカリ金属イオンとしては、例えば、LiイオンやNaイオン、Kイオンなどのうち1以上が挙げられる。この電極活物質は、有機骨格層と、アルカリ金属元素層とを備える層状構造体である。有機骨格層は、複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸アニオンを含む構造を有する。アルカリ金属元素層は、有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成する。この層状構造体において、有機骨格層は、芳香属環が直接接続した構造としてもよいし、芳香族環が所定の炭素鎖を介して接続した構造としてもよい。所定の炭素鎖としては、例えば、炭素数1以上5以下のアルケンやアルキンなどが挙げられる。この有機骨格層は、芳香属環に1又は2以上のカルボキシアニオンが結合した構造を有するものとしてもよい。また、アルカリ金属元素層に含まれるアルカリ金属は、例えば、Li,Na及びKなどのうちいずれか1以上とすることができるが、Liが好ましい。なお、非水系電解液に含まれ、充放電により層状構造体に吸蔵・放出される金属イオンは、アルカリ金属元素層に含まれるアルカリ金属元素と異なるものとしてもよいし、同じものとしてもよく、例えば、Li,Na及びKなどのうちいずれか1以上とすることができる。また、アルカリ金属元素層に含まれるアルカリ金属元素は、層状構造体の骨格を形成することから、充放電に伴うイオン移動には関与しないもの、すなわち、充放電時に吸蔵放出されないものと推察される。
(Electrode active material)
The electrode active material disclosed in this specification is an electrode active material used in an electricity storage device. The electrode active material stores and outputs electric energy by absorbing and releasing alkali metal ions as carriers. Examples of the alkali metal ions as carriers include one or more of Li ions, Na ions, and K ions. The electrode active material is a layered structure including an organic framework layer and an alkali metal element layer. The organic framework layer has a structure including an aromatic dicarboxylate anion having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain. The alkali metal element layer forms a skeleton by coordinating an alkali metal element to oxygen contained in a carboxylic acid of the organic framework layer. In this layered structure, the organic framework layer may have a structure in which aromatic rings are directly connected, or may have a structure in which aromatic rings are connected via a predetermined carbon chain. Examples of the predetermined carbon chain include alkenes and alkynes having 1 to 5 carbon atoms. The organic framework layer may have a structure in which one or more carboxy anions are bonded to an aromatic ring. The alkali metal contained in the alkali metal element layer can be, for example, any one or more of Li, Na, K, etc., but Li is preferred. The metal ions contained in the non-aqueous electrolyte and absorbed and released by the layered structure by charging and discharging may be different from or the same as the alkali metal element contained in the alkali metal element layer, and can be, for example, any one or more of Li, Na, K, etc. In addition, since the alkali metal element contained in the alkali metal element layer forms the skeleton of the layered structure, it is presumed that it is not involved in ion migration accompanying charging and discharging, that is, it is not absorbed or released during charging and discharging.

この層状構造体は、芳香族化合物のπ電子相互作用により層状に形成され、空間群P21/cに帰属される単斜晶型の結晶構造を有するものとすることが、構造的に安定であり、好ましい。この層状構造体は、次式(1)で示される芳香族環構造により構成される有機骨格層を有することが好ましい。また、この有機骨格層は、式(2)~(4)で示される構造を有することが好ましく、このうち、式(2)で示されるビフェニル構造を有することがより好ましい。この層状構造体では、単極での充放電において低抵抗容量領域と高抵抗容量領域を有する(後述図8~10参照)。また、層状構造体は、異なるジカルボン酸アニオンの酸素4つとアルカリ金属元素とが4配位を形成する式(5)の構造を備えているものとすることが、構造的に安定であり、好ましい。但し、この式(5)において、Rは2以上の芳香族環構造を有し、芳香族環が複数ある場合は、そのうち2以上が同じであってもよいし、1以上が異なっていてもよい。また、Aはアルカリ金属元素である。なお、Rは上記式(1)や式(2)~(4)の芳香族環構造を含むものとしてもよい。この芳香族環構造は、その構造中に置換基、ヘテロ原子を有してもよい。具体的には、水素の代わりに、ハロゲン、鎖状又は環状のアルキル基、アリール基、アルケニル基、アルコキシ基、アリーロキシ基、スルホニル基、アミノ基、シアノ基、カルボニル基、アシル基、アミド基、水酸基を置換基として持っていてもよいし、芳香族環の炭素の代わりに、窒素、硫黄、酸素が導入された構造であってもよい。エネルギー貯蔵メカニズムにおいては、層状構造体の有機骨格層はレドックス(e-)サイトとして機能する一方、アルカリ金属元素層はキャリアである金属イオンの吸蔵サイト(アルカリ金属イオン吸蔵サイト)として機能するものと考えられる。 The layered structure is preferably formed in layers by π-electron interactions of aromatic compounds and has a monoclinic crystal structure belonging to the space group P2 1 /c, which is structurally stable. The layered structure preferably has an organic framework layer composed of an aromatic ring structure represented by the following formula (1). The organic framework layer preferably has a structure represented by formulas (2) to (4), and more preferably has a biphenyl structure represented by formula (2). The layered structure has a low resistance capacity region and a high resistance capacity region during charging and discharging at a single electrode (see Figures 8 to 10 described later). The layered structure is preferably provided with a structure represented by formula (5) in which four oxygen atoms of different dicarboxylate anions and an alkali metal element form a four-coordinated structure, which is structurally stable. However, in this formula (5), R has two or more aromatic ring structures, and when there are multiple aromatic rings, two or more of them may be the same, or one or more may be different. A is an alkali metal element. In addition, R may include an aromatic ring structure of the above formula (1) or formulas (2) to (4). This aromatic ring structure may have a substituent or a heteroatom in its structure. Specifically, instead of hydrogen, it may have a halogen, a linear or cyclic alkyl group, an aryl group, an alkenyl group, an alkoxy group, an aryloxy group, a sulfonyl group, an amino group, a cyano group, a carbonyl group, an acyl group, an amide group, or a hydroxyl group as a substituent, or the carbon of the aromatic ring may be replaced by nitrogen, sulfur, or oxygen. In the energy storage mechanism, the organic framework layer of the layered structure functions as a redox (e ) site, while the alkali metal element layer functions as an absorption site (alkali metal ion absorption site) of the metal ion that is a carrier.

Figure 0007472700000002
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Figure 0007472700000003
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Figure 0007472700000004
Figure 0007472700000004

この電極活物質は、層状構造体に対してX線回折測定を行い、数式(1)を用いて算出される302面に対して垂直方向の結晶子サイズD302が25nm以下であるものである。X線回折測定は、例えば、試料をキャピラリーに充填し、BL5S2粉末X線回折ビームラインにて、光エネルギーE=20keV(λ=0.6195Å)、ビームサイズ0.5mm×0.5mm、露光時間15分、2θ=0°~30°の条件で測定するものとする。この結晶子サイズD302は、より小さいことが好ましく、20nm以下がより好ましく、16nm以下が更に好ましい。この結晶子サイズD302は、作製の困難性を考慮すると10nm以上であるものとしてもよい。 This electrode active material is one in which the crystallite size D 302 perpendicular to the 302 plane calculated by performing X-ray diffraction measurement on the layered structure using formula (1) is 25 nm or less. For example, the X-ray diffraction measurement is performed by filling a sample into a capillary and measuring at the BL5S2 powder X-ray diffraction beamline under the conditions of light energy E = 20 keV (λ = 0.6195 Å), beam size 0.5 mm × 0.5 mm, exposure time 15 minutes, and 2θ = 0° to 30°. This crystallite size D 302 is preferably smaller, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 16 nm or less. This crystallite size D 302 may be 10 nm or more in consideration of the difficulty of preparation.

この電極活物質は、層状構造体に対して上述したX線回折測定を行うと、数式(1)で表されるScherrerの式を用いて算出される100面に対して垂直方向の結晶子サイズD100が45nm以下であることが好ましい。この結晶子サイズD302は、より小さいことが好ましく、40nm以下であることがより好ましく、36nm以下であることが更に好ましい。所定の結晶面に垂直な方向の結晶子サイズDがより小さいと、キャリアイオンの受入性をより高めることができ、好ましい。 When the layered structure of this electrode active material is subjected to the above-mentioned X-ray diffraction measurement, the crystallite size D100 in the direction perpendicular to the 100 plane calculated using the Scherrer formula represented by the mathematical formula (1) is preferably 45 nm or less. This crystallite size D302 is preferably smaller, more preferably 40 nm or less, and even more preferably 36 nm or less. If the crystallite size D in the direction perpendicular to a predetermined crystal plane is smaller, the acceptability of carrier ions can be further increased, which is preferable.

また、電極活物質は、層状構造体に対して上述したX線回折測定を行うと、数式(2)で表されるWilliamson-Hall式を用いて算出される歪みεW-H×1000が1.35以上であることが好ましい。歪みεW-H×1000は、X線回折測定で得られるすべての回折ピークをWilliamson-Hall式に用い、2sinθに対するβcosθ値をプロットし、最小二乗法により求められる傾きから求められる。この歪みεW-H×1000の値は、結晶粒子全体の歪みを反映した値であり、より大きな値では、結晶粒子全体の歪みが大きいことを示す。この歪みεW-H×1000は、1.5以上であることが好ましく、1.6以上であることが更に好ましい。なお、歪みεW-H×1000は、結晶の保持を考慮すると、2.0以下であるものとしてもよい。 In addition, when the electrode active material is subjected to the above-mentioned X-ray diffraction measurement of the layered structure, the strain ε WH ×1000 calculated using the Williamson-Hall formula represented by formula (2) is preferably 1.35 or more. The strain ε WH ×1000 is obtained by plotting the βcosθ value against 2sinθ using all the diffraction peaks obtained by the X-ray diffraction measurement in the Williamson-Hall formula, and calculating the slope obtained by the least squares method. The value of this strain ε WH ×1000 is a value reflecting the strain of the entire crystal grain, and a larger value indicates a larger strain of the entire crystal grain. The strain ε WH ×1000 is preferably 1.5 or more, and more preferably 1.6 or more. In addition, the strain ε WH ×1000 may be 2.0 or less in consideration of the retention of the crystals.

(電極活物質の製造方法)
本開示の電極活物質の製造方法は、上述した蓄電デバイス用の電極活物質の製造方法である。この製造方法は、事前乾燥工程と、調製工程と、作製工程とを含むものとしてもよい。なお、作製工程のあと、得られた層状構造体を更に乾燥する事後乾燥工程を含むものとしてもよい。この製造方法では、上述した電極活物質で説明した物質などを用いることができる。
(Method for producing electrode active material)
The method for producing an electrode active material according to the present disclosure is a method for producing an electrode active material for the above-mentioned power storage device. This method may include a pre-drying step, a preparation step, and a production step. After the production step, the method may include a post-drying step in which the obtained layered structure is further dried. In this production method, the materials described in the above-mentioned electrode active material can be used.

事前乾燥工程では、複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する、原料としての芳香族ジカルボン酸を事前乾燥する処理を行う。芳香族ジカルボン酸としては、例えば、式(1)の構造を有するものが挙げられ、式(2)~(4)で示したものが具体例として挙げられる。このうち、式(2)で示す構造を有するビフェニルジカルボン酸が好ましい。事前乾燥は、例えば、減圧下で行うことがより好ましい。減圧条件としては、例えば、マイナス0.1MPa以下が好ましく、マイナス0.09MPa以下がより好ましい。乾燥温度は、80℃以上が好ましく、100℃以上がより好ましく、120℃以上が更に好ましい。この乾燥温度は、芳香族ジカルボン酸の分解温度以下とし、250℃以下としてもよい。乾燥時間は、例えば、6時間以上10時間以下の範囲が好ましい。 In the pre-drying step, a process is performed to pre-dry aromatic dicarboxylic acid as a raw material, which has a structure in which multiple aromatic rings are connected directly or via a carbon chain. Examples of aromatic dicarboxylic acids include those having the structure of formula (1), and specific examples include those shown in formulas (2) to (4). Among these, biphenyl dicarboxylic acid having the structure shown in formula (2) is preferred. Pre-drying is more preferably performed under reduced pressure, for example. The reduced pressure condition is preferably, for example, minus 0.1 MPa or less, and more preferably minus 0.09 MPa or less. The drying temperature is preferably 80°C or more, more preferably 100°C or more, and even more preferably 120°C or more. This drying temperature is set to the decomposition temperature of aromatic dicarboxylic acid or less, and may be 250°C or less. The drying time is preferably, for example, in the range of 6 hours to 10 hours.

溶液調製工程では、芳香族ジカルボン酸と、アルカリ金属イオンとを溶解した調製溶液を調製する。この工程では、事前乾燥した芳香族ジカルボン酸に対してモル比で1.9以上2.1以下のアルカリ金属イオンを加えた溶液を調製する。この調製溶液の溶媒は、特に限定されないが、水系溶媒としてもよいし、有機系溶媒としてもよいが、水であることが好ましい。有機溶媒としては、例えばメタノールやエタノールなどのアルコールなどが挙げられる。この工程では、芳香族ジカルボン酸アニオンの全体の濃度が0.1mol/L以上、より好ましくは0.2mol/L以上である調製溶液を調製することが好ましい。また、この工程では、芳香族ジカルボン酸アニオンの濃度が5mol/L以下である調製溶液を調製することが好ましい。このような濃度範囲では、次工程をより行いやすい。この工程では、リチウム、ナトリウム及びカリウムのうち1以上のアルカリ金属イオンを含む調製溶液を調製することが好ましい。この工程では、例えば、芳香族ジカルボン酸アニオンのモル数A(mol)に対するアルカリ金属イオンのモル数B(mol)であるモル比B/Aが1.9以上2.1以下の範囲の調製溶液を得ることが好ましく、B/Aが1.95以上2.05以下の範囲の調製溶液を得ることがより好ましい。このように、アルカリ金属イオンを理論量に近い範囲とすることによって、層状構造体の厚さ方向への結晶成長をより抑制し、蓄電デバイス用電極の開回路電位の低抵抗容量領域の拡大をより図ることができる。 In the solution preparation step, a preparation solution is prepared by dissolving an aromatic dicarboxylic acid and an alkali metal ion. In this step, a solution is prepared by adding an alkali metal ion in a molar ratio of 1.9 to 2.1 to the aromatic dicarboxylic acid that has been dried in advance. The solvent of this preparation solution is not particularly limited, and may be an aqueous solvent or an organic solvent, but is preferably water. Examples of organic solvents include alcohols such as methanol and ethanol. In this step, it is preferable to prepare a preparation solution in which the total concentration of aromatic dicarboxylic acid anions is 0.1 mol/L or more, more preferably 0.2 mol/L or more. In this step, it is preferable to prepare a preparation solution in which the concentration of aromatic dicarboxylic acid anions is 5 mol/L or less. In such a concentration range, the next step is easier to carry out. In this step, it is preferable to prepare a preparation solution containing one or more alkali metal ions of lithium, sodium, and potassium. In this step, for example, it is preferable to obtain a prepared solution in which the molar ratio B/A, which is the number of moles B (mol) of alkali metal ions to the number of moles A (mol) of aromatic dicarboxylate anions, is in the range of 1.9 to 2.1, and it is more preferable to obtain a prepared solution in which B/A is in the range of 1.95 to 2.05. In this way, by making the alkali metal ions in a range close to the theoretical amount, it is possible to further suppress crystal growth in the thickness direction of the layered structure and further expand the low resistance capacity region of the open circuit potential of the electrode for the power storage device.

作製工程では、上記調製工程で調製した調製溶液を噴霧乾燥して層状構造体を作製する。この工程では、より短時間に層状構造体を析出させることができ、好ましい。噴霧乾燥は、スプレードライヤーにより行うものとしてもよい。噴霧乾燥条件は、例えば、装置の規模や作製する電極活物質の量によって適宜調整すればよい。この工程において、乾燥温度は、例えば、室温以上、例えば、40℃以上に加熱するものとすればよいが、溶媒の沸点以上が好ましく、100℃以上330℃以下の範囲とすることが好ましい。100℃以上では、溶媒を十分に除去することができ、330℃以下では、消費エネルギーをより低減でき好ましい。乾燥温度は、150℃以上がより好ましく、180℃以上がより好ましく、200℃以上としてもよい。 In the preparation step, the solution prepared in the preparation step is spray-dried to prepare a layered structure. In this step, the layered structure can be precipitated in a shorter time, which is preferable. Spray drying may be performed using a spray dryer. The spray drying conditions may be appropriately adjusted, for example, depending on the scale of the device and the amount of electrode active material to be prepared. In this step, the drying temperature may be, for example, room temperature or higher, for example, heating to 40°C or higher, but is preferably higher than the boiling point of the solvent, and is preferably in the range of 100°C to 330°C. At 100°C or higher, the solvent can be sufficiently removed, and at 330°C or lower, energy consumption can be further reduced, which is preferable. The drying temperature is more preferably 150°C or higher, more preferably 180°C or higher, and may be 200°C or higher.

事後乾燥工程では、噴霧乾燥した層状構造体を更に乾燥する。この工程では、例えば、上記事前乾燥と同様の条件で行うことができる。この事後乾燥処理は、上記事前乾燥処理と同じ条件としてもよいし、事前乾燥処理と異なる条件としてもよい。このようにして、本開示の電極活物質を製造することができる。 In the post-drying step, the spray-dried layered structure is further dried. This step can be performed, for example, under the same conditions as the pre-drying step. The post-drying treatment may be performed under the same conditions as the pre-drying treatment, or under conditions different from those of the pre-drying treatment. In this manner, the electrode active material of the present disclosure can be produced.

(蓄電デバイス)
本明細書で開示する蓄電デバイスは、上述した電極活物質を含む負極と、正極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えている。この蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池などとしてもよい。正極は、キャリアイオンを吸蔵放出する正極活物質を含むものとしてもよい。負極は、キャリアであるアルカリ金属イオンを吸蔵放出する上述した電極活物質を含むものとしてもよい。また、イオン伝導媒体は、キャリアイオン(カチオン及びアニオンのいずれか)を伝導するものである。ここでは、負極のキャリアをリチウムイオンとする蓄電デバイスを主として説明する。
(Electricity storage device)
The electric storage device disclosed in this specification includes a negative electrode containing the above-mentioned electrode active material, a positive electrode, and an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting carrier ions. This electric storage device may be, for example, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, a lithium ion secondary battery, or the like. The positive electrode may include a positive electrode active material that absorbs and releases carrier ions. The negative electrode may include the above-mentioned electrode active material that absorbs and releases alkali metal ions that are carriers. The ion conductive medium conducts carrier ions (either cations or anions). Here, an electric storage device in which the carrier of the negative electrode is lithium ions will be mainly described.

負極は、上述した電極活物質を含むものである。上述した電極活物質は、その電位がリチウム金属基準で1.0~1.5V程度であるため、負極活物質とすることが好ましい。負極は、上述した電極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。この負極において、上記電極活物質は、できるだけ多く含まれることが好ましく、例えば、負極合材中に60質量%以上95質量%以下の範囲で含まれるものとしてもよい。導電材は、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどを用いることができる。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。 The negative electrode contains the above-mentioned electrode active material. The above-mentioned electrode active material has a potential of about 1.0 to 1.5 V based on lithium metal, so it is preferable to use it as the negative electrode active material. The negative electrode may be formed by mixing the above-mentioned electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like negative electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as necessary. In this negative electrode, it is preferable that the above-mentioned electrode active material is contained as much as possible, and for example, it may be contained in the negative electrode mixture in a range of 60% by mass to 95% by mass. The conductive material may be, for example, a mixture of one or more of graphite such as natural graphite (scale graphite, scale graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, and metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.). Of these, carbon black and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoint of electronic conductivity and coatability. The binder plays a role of connecting the active material particles and the conductive material particles, and can be, for example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine rubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR), etc., used alone or as a mixture of two or more kinds. In addition, aqueous binders such as cellulose-based and aqueous dispersions of styrene butadiene rubber (SBR) can also be used. Examples of application methods include roller coating such as an applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, etc., and any thickness and shape can be obtained by using any of these. Examples of the current collector include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, baked carbon, conductive polymer, conductive glass, etc. The shape of the current collector can be a foil, a film, a sheet, a net, a punched or expanded one, a lath body, a porous body, a foam, a formed body of a fiber group, etc. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.

正極は、キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどに用いられている公知の正極を用いてもよい。正極は、例えば、正極活物質として炭素材料を含むものとしてもよい。炭素材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。なお、正極では、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を吸着、脱離して蓄電するものと考えられるが、さらに、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を挿入、脱離して蓄電するものとしてもよい。 The positive electrode may be a known positive electrode used in a capacitor or a lithium ion capacitor. The positive electrode may contain, for example, a carbon material as a positive electrode active material. The carbon material is not particularly limited, but examples thereof include activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, and polyacenes. Among these, activated carbons exhibiting a high specific surface area are preferred. The activated carbon as a carbon material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more, more preferably 1500 m 2 /g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 /g or more, the discharge capacity can be further increased. The specific surface area of this activated carbon is preferably 3000 m 2 /g or less, more preferably 2000 m 2 /g or less, from the viewpoint of ease of preparation. In addition, the positive electrode is considered to store electricity by adsorbing and desorbing at least one of anions and cations contained in the ion conductive medium, but it may also store electricity by inserting and desorbing at least one of anions and cations contained in the ion conductive medium.

あるいは、正極は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる正極としてもよい。この場合、正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0≦x≦1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn24などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMnc2(a+b+c=1)やLi(1-x)NiaCobMnc4(a+b+c=2)などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV23などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV25などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、正極活物質は、リン酸鉄リチウムなどとしてもよい。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiV23などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素を含んでもよい趣旨である。 Alternatively, the positive electrode may be a positive electrode used in a general lithium ion secondary battery. In this case, the positive electrode active material may be a sulfide containing a transition metal element, or an oxide containing lithium and a transition metal element. Specifically, transition metal sulfides such as TiS2 , TiS3 , MoS3 , FeS2 , lithium manganese composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) MnO2 (0≦x≦1, etc., the same applies below) or Li (1-x) Mn2O4 , lithium cobalt composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) CoO2 , lithium nickel composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) NiO2 , lithium nickel cobalt manganese composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) NiaCobMncO2 (a+b+c=1) or Li (1-x) NiaCobMncO4 (a+b+c=2), lithium vanadium composite oxides having a basic composition formula such as LiV2O3 , lithium carbide composite oxides having a basic composition formula such as LiV2O4 , lithium carbide ... 2O5 , etc. can be used. The positive electrode active material may be lithium iron phosphate, etc. Among these, lithium transition metal composite oxides, such as LiCoO2 , LiNiO2 , LiMnO2 , LiV2O3 , etc., are preferred. The "basic composition formula" means that other elements may be included.

正極は、例えば上述した正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極に用いる導電材、結着材、溶剤、集電体は、例えば、負極で例示したものなどを適宜用いることができる。 The positive electrode may be formed by, for example, mixing the above-mentioned positive electrode active material, conductive material, and binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like positive electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as necessary. The conductive material, binder, solvent, and current collector used for the positive electrode may be, for example, any of those exemplified for the negative electrode.

この蓄電デバイスにおいて、イオン伝導媒体は、例えば、支持塩と有機溶媒とを含む非水系電解液としてもよい。支持塩としては、例えば、キャリアをリチウムイオンとした場合、公知のリチウム塩を含むものとしてもよい。このリチウム塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4、LiClO4,LiAsF6,Li(CF3SO22N,LiN(C25SO22などが挙げられ、このうちLiPF6やLiBF4などが好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。有機溶媒としては、例えば、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、例えば環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等がある。環状エステルカーボネートとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、例えばテトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、例えばジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、非水系電解液としては、そのほかにアセトニトリル、プロピルニトリルなどのニトリル系溶媒やイオン液体、ゲル電解質などを用いてもよい。 In this power storage device, the ion conductive medium may be, for example, a non-aqueous electrolyte containing a supporting salt and an organic solvent. The supporting salt may contain a known lithium salt when the carrier is, for example, lithium ions. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, and LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , among which LiPF 6 and LiBF 4 are preferred. The concentration of the supporting salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, and more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. When the concentration of the supporting salt is 0.1 mol/L or more, a sufficient current density can be obtained, and when the concentration is 5 mol/L or less, the electrolyte can be more stabilized. In addition, a phosphorus-based or halogen-based flame retardant may be added to the non-aqueous electrolyte. For example, an aprotic organic solvent may be used as the organic solvent. Examples of such organic solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, and chain ethers. Examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate. Examples of chain carbonates include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Examples of cyclic ester carbonates include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of cyclic ethers include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of chain ethers include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. These may be used alone or in combination. In addition, nitrile solvents such as acetonitrile and propylnitrile, ionic liquids, and gel electrolytes may be used as the non-aqueous electrolyte.

この蓄電デバイスは、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。 The electricity storage device may have a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the electricity storage device, but examples include polymer nonwoven fabrics such as polypropylene nonwoven fabrics and polyphenylene sulfide nonwoven fabrics, and microporous films of olefin resins such as polyethylene and polypropylene. These may be used alone or in combination.

この蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図2は、蓄電デバイス20の一例を示す模式図である。この蓄電デバイス20は、カップ形状の電池ケース21と、正極活物質を有しこの電池ケース21の下部に設けられた正極22と、負極活物質を有し正極22に対してセパレータ24を介して対向する位置に設けられた負極23と、絶縁材により形成されたガスケット25と、電池ケース21の開口部に配設されガスケット25を介して電池ケース21を密封する封口板26と、を備えている。この蓄電デバイス20は、正極22と負極23との間の空間にイオン伝導媒体27が満たされている。また、この負極23は302面に対して垂直方向の結晶子サイズD302が25nm以下である層状構造体を負極活物質として有する。 The shape of the electric storage device is not particularly limited, but examples thereof include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, flat type, and square type. The electric storage device may also be applied to large devices used in electric vehicles and the like. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an electric storage device 20. The electric storage device 20 includes a cup-shaped battery case 21, a positive electrode 22 having a positive electrode active material and provided at the bottom of the battery case 21, a negative electrode 23 having a negative electrode active material and provided at a position facing the positive electrode 22 via a separator 24, a gasket 25 formed of an insulating material, and a sealing plate 26 disposed at an opening of the battery case 21 and sealing the battery case 21 via the gasket 25. In the electric storage device 20, an ion conductive medium 27 is filled in the space between the positive electrode 22 and the negative electrode 23. The negative electrode 23 has a layered structure having a crystallite size D 302 perpendicular to the 302 surface of 25 nm or less as a negative electrode active material.

以上詳述した電極活物質、蓄電デバイス及び電極活物質の製造方法では、充放電特性をより向上することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように考えられる。例えば、所定の結晶面に垂直方向の結晶子サイズ、特に、302面に対して垂直方向の結晶子サイズD302が25nm以下であるものとすると、いわゆるアルカリ金属元素層がより薄い厚さとなり、キャリアであるアルカリ金属イオンの受入性をより向上することができるものと推察される。このため、この電極活物質は、開回路電位の低抵抗容量領域を拡大することができ、充放電特性をより向上することができる。 The electrode active material, the power storage device, and the method for producing the electrode active material described above can further improve the charge/discharge characteristics. The reason for obtaining such an effect is considered as follows. For example, if the crystallite size in the direction perpendicular to a specific crystal plane, particularly the crystallite size D 302 in the direction perpendicular to the 302 plane, is 25 nm or less, the so-called alkali metal element layer becomes thinner, and it is presumed that the acceptability of the alkali metal ion, which is a carrier, can be further improved. Therefore, this electrode active material can expand the low resistance capacity region of the open circuit potential, and can further improve the charge/discharge characteristics.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

以下には、電極活物質を具体的に作製した例を実施例として説明する。 Below, we will explain a specific example of how to prepare an electrode active material.

(活物質の合成)
[実施例1]
4,4’-ビフェニルジカルボン酸(Bph(COOH)2)を事前乾燥した。事前乾燥は、100gの4,4’-ビフェニルジカルボン酸を秤量し、120℃、マイナス0.09MPa以下の減圧下で6時間行った。この事前乾燥したサンプルを用いて0.20mol/Lの4,4’-ビフェニルジカルボン酸と、0.40mol/Lの水酸化リチウムとをイオン交換水に溶かした水溶液を原料とした。この水溶液は、4,4’-ビフェニルジカルボン酸のモル数A(mol)に対する水酸化リチウムのモル数B(mol)であるモル比B/Aが2.0であった。調製した水溶液を用いてスプレードライヤー(Mini Spray Dryer B-290、日本ビュッヒ製)を用いて噴霧乾燥させ、4,4’-ビフェニルジカルボン酸ジリチウムを析出させた。用いたスプレードライヤーのノズル直径は1.4mm、溶液の噴霧量は0.4L/時間、乾燥温度は200℃で行い、4,4’-ビフェニルジカルボン酸ジリチウムの層状構造体を合成した。得られた粉末を120℃、8時間、0.09MPa以下の減圧下で減圧乾燥した。得られた粉末を実施例1の電極活物質とした。
(Synthesis of active material)
[Example 1]
4,4'-biphenyldicarboxylic acid (Bph(COOH) 2 ) was pre-dried. 100 g of 4,4'-biphenyldicarboxylic acid was weighed and pre-dried at 120°C under reduced pressure of -0.09 MPa or less for 6 hours. Using this pre-dried sample, an aqueous solution in which 0.20 mol/L of 4,4'-biphenyldicarboxylic acid and 0.40 mol/L of lithium hydroxide were dissolved in ion-exchanged water was used as a raw material. This aqueous solution had a molar ratio B/A of 2.0, which is the molar number B (mol) of lithium hydroxide to the molar number A (mol) of 4,4'-biphenyldicarboxylic acid. The prepared aqueous solution was spray-dried using a spray dryer (Mini Spray Dryer B-290, manufactured by Nippon Buchi Co., Ltd.) to precipitate dilithium 4,4'-biphenyldicarboxylate. The nozzle diameter of the spray dryer used was 1.4 mm, the solution was sprayed at 0.4 L/hour, and the drying temperature was 200° C. to synthesize a layered structure of dilithium 4,4'-biphenyldicarboxylate. The obtained powder was dried at 120° C. for 8 hours under reduced pressure of 0.09 MPa or less. The obtained powder was used as the electrode active material of Example 1.

得られた層状構造体について、走査型電子顕微鏡(日本FEI社製Quanta200FEG)を用い、1000~50000倍の条件で観察したところ、粒径が10μm以下の中空粒子であった。また、内部が露出している粒子を拡大視すると、この負極活物質は、数nmの厚さの層状構造体の剥片の集合を内包して形成される中空球状構造を有していた。また、この負極活物質は、層状構造体の剥片が中心から不規則に外周側へ向かう構造(剥片が外周側から不規則に中心へ向かう構造と同義)を有していた。この中空球状の構造体を解砕した剥片状の層状構造体を用いて電極を作製した。 The obtained layered structure was observed at 1000 to 50000 times magnification using a scanning electron microscope (Quanta 200FEG manufactured by FEI Japan), and was found to be hollow particles with a particle size of 10 μm or less. Furthermore, when the particles with the exposed interior were viewed in a magnified view, the negative electrode active material had a hollow spherical structure formed by encapsulating a collection of flakes of the layered structure with a thickness of several nm. Furthermore, the negative electrode active material had a structure in which the flakes of the layered structure irregularly moved from the center to the outer periphery (synonymous with a structure in which the flakes irregularly moved from the outer periphery to the center). An electrode was produced using the flake-like layered structure obtained by crushing the hollow spherical structure.

[比較例1]
事前乾燥した0.20mol/Lの4,4’-ビフェニルジカルボン酸と、0.44mol/Lの水酸化リチウムとをイオン交換水に溶かした水溶液を原料とした以外は実施例1と同様の工程を経て得られた粉末を比較例1とした。比較例1では、モル比B/Aが2.2であった。
[Comparative Example 1]
A powder obtained through the same process as in Example 1, except that an aqueous solution of pre-dried 0.20 mol/L 4,4'-biphenyldicarboxylic acid and 0.44 mol/L lithium hydroxide dissolved in ion-exchanged water was used as the raw material, was designated as Comparative Example 1. In Comparative Example 1, the molar ratio B/A was 2.2.

[比較例2]
事前乾燥しない0.20mol/Lの4,4’-ビフェニルジカルボン酸と、0.44mol/Lの水酸化リチウムとをイオン交換水に溶かした水溶液を原料とした以外は比較例1と同様の工程を経て得られた粉末を比較例2とした。比較例1では、モル比B/Aが2.2であった。
[Comparative Example 2]
A powder obtained through the same process as in Comparative Example 1, except that an aqueous solution of 0.20 mol/L of 4,4'-biphenyldicarboxylic acid and 0.44 mol/L of lithium hydroxide, which had not been dried in advance, dissolved in ion-exchanged water was used as the raw material, was designated Comparative Example 2. In Comparative Example 1, the molar ratio B/A was 2.2.

(4,4’-ビフェニルジカルボン酸ジリチウム電極の作製)
上記手法で作製した4,4’-ビフェニルジカルボン酸ジリチウムを80質量部、粒子状炭素導電材としてカーボンブラック(東海カーボン、TB5500)を20質量部、水溶性ポリマーであるカルボキシメチルセルロース(ダイセル、CMC-1120)を3質量部、ポリエチレンオキシド(PEO,分子量200万)を4質量部、スチレンブタジエン共重合体(JSR、TRD2001)を3質量部の割合で混合し、分散媒として水を適量添加、分散してスラリーとした。このスラリーを10μm厚の銅箔集電体に単位面積当たりの負極活物質が3mg/cm2となるように均一に塗布し、120℃で真空加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後、塗布シートを加圧プレス処理し、10cm2の面積に打ち抜き、電極を準備した。
(Preparation of 4,4'-biphenyldicarboxylate dilithium electrode)
80 parts by mass of 4,4'-biphenyldicarboxylate dilithium prepared by the above method, 20 parts by mass of carbon black (Tokai Carbon, TB5500) as a particulate carbon conductive material, 3 parts by mass of carboxymethylcellulose (Daicel, CMC-1120) as a water-soluble polymer, 4 parts by mass of polyethylene oxide (PEO, molecular weight 2 million), and 3 parts by mass of styrene butadiene copolymer (JSR, TRD2001) were mixed in a ratio of 10 parts by mass, and an appropriate amount of water was added as a dispersion medium and dispersed to form a slurry. This slurry was uniformly applied to a 10 μm thick copper foil current collector so that the negative electrode active material per unit area was 3 mg/cm 2 , and the coated sheet was prepared by vacuum heating and drying at 120 ° C. Then, the coated sheet was subjected to pressure pressing and punched out to an area of 10 cm 2 to prepare an electrode.

(X線開設測定:XRD)
上記作製した電極から塗工部分の電極合材を剥ぎ取り、直径0.5mmのキャピラリーに充填し、あいちシンクロトロン光センターBL5S2(粉末回折)ビームラインにて、E=20keV(λ=0.6195Å)、露光時間15分、2θ=0°~30°の条件で測定した。
(X-ray diffraction measurement: XRD)
The electrode composite material of the coated portion was peeled off from the electrode prepared above, and filled into a capillary having a diameter of 0.5 mm. Measurement was performed at the Aichi Synchrotron Light Center BL5S2 (powder diffraction) beamline under the conditions of E = 20 keV (λ = 0.6195 Å), exposure time 15 minutes, and 2θ = 0° to 30°.

(SEM観察)
上記作製した電極表面のSEM観察を行った。SEM観察は、走査型電子顕微鏡(日本FEI社製Quanta200FEG)を用い、1000~50000倍の条件で観察した。
(SEM Observation)
The surface of the electrode thus prepared was observed under an SEM at a magnification of 1,000 to 50,000 using a scanning electron microscope (Quanta 200FEG manufactured by FEI Japan).

(蓄電デバイスの作製)
エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で30:40:30の割合となるよう混合した非水溶媒に、六フッ化リン酸リチウムを1mol/Lになるように添加して非水電解液を作製した。上記作製した電極を作用極とし、対極としてのリチウム金属(厚さ300μm)を上記非水電解液を含浸させたセパレータ(東レ東燃製)を介して対向させてセルを組み、二極式評価セルとした。20℃の温度環境下で、10時間放電又は充電に相当する0.5mAで、0.5V(Li基準電位)まで還元したのち、0.5mA、1.5Vまで酸化した。
(Fabrication of Electricity Storage Device)
A non-aqueous electrolyte solution was prepared by adding lithium hexafluorophosphate to a volume of 1 mol/L in a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 30:40:30. The electrode prepared above was used as a working electrode, and a lithium metal (thickness 300 μm) as a counter electrode was opposed to the separator (manufactured by Toray Tonen) impregnated with the non-aqueous electrolyte solution through the separator to form a bipolar evaluation cell. In a temperature environment of 20° C., the battery was reduced to 0.5 V (Li reference potential) at 0.5 mA, which corresponds to a 10-hour discharge or charge, and then oxidized to 0.5 mA and 1.5 V.

(開回路電位測定)
上記作製した二極式評価セルを用いて、0.5Vから1.5Vの電位範囲において、0.5mAで30分電流を印可した。これは、理論容量に相当する2電子反応に対して、0.1電子に相当する電気容量であった。その後、電位の変化が1時間当たり4.5mV、あるいは100時間となるまで放置を行い、放置後の電位を開回路電位とした。
(Open circuit potential measurement)
Using the bipolar evaluation cell prepared above, a current of 0.5 mA was applied for 30 minutes in the potential range of 0.5 V to 1.5 V. This was an electric capacity corresponding to 0.1 electrons for a two-electron reaction corresponding to the theoretical capacity. After that, the cell was left standing until the change in potential was 4.5 mV per hour or until 100 hours, and the potential after leaving the cell standing was taken as the open circuit potential.

(結果と考察)
実施例1、比較例1、2のモル比B/A、芳香族ジカルボン酸の事前乾燥の有無、Scherrerの式による302面及び100面に垂直方向の結晶子サイズ、Williamson-Hall式による歪みεW-H×1000、低抵抗容量領域の割合(-)を表1にまとめた。また、表1には、非特許文献1(Communs. Chem. 1, 65(2018))の結晶構造から予測した結晶子サイズ及び非特許文献2(Chem. Mater. 2020, 32, 3396-3404)の開放電圧を予測した予測値を付記した。図3は、実施例1,比較例1,2のSEM写真である。図4は、実施例1のXRDパターンである。図5は、比較例1のXRDパターンである。図6は、比較例2のXRDパターンである。図7は、各試料の100面及び302面の回折スペクトルである。図8は、実施例1の開回路電位の測定結果である。図9は、比較例1の開回路電位の測定結果である。図10は、比較例2の開回路電位の測定結果である。図11は、結晶子サイズDと低抵抗容量領域の割合の関係図である。図12は、Williamson-Hallプロットと歪みεW-Hの関係図である。
(Results and discussion)
Table 1 summarizes the molar ratios B/A of Example 1, Comparative Examples 1, and 2, the presence or absence of pre-drying of the aromatic dicarboxylic acid, the crystallite size perpendicular to the 302 and 100 planes according to the Scherrer formula, the strain ε WH ×1000 according to the Williamson-Hall formula, and the proportion (-) of the low resistance and capacitance region. Table 1 also lists the crystallite size predicted from the crystal structure of Non-Patent Document 1 (Communs. Chem. 1, 65(2018)) and the predicted value of the open circuit voltage of Non-Patent Document 2 (Chem. Mater. 2020, 32, 3396-3404). Figure 3 is an SEM photograph of Example 1, Comparative Examples 1, and 2. Figure 4 is an XRD pattern of Example 1. Figure 5 is an XRD pattern of Comparative Example 1. Figure 6 is an XRD pattern of Comparative Example 2. Figure 7 is a diffraction spectrum of the 100 and 302 planes of each sample. Fig. 8 shows the results of measurement of the open circuit potential in Example 1. Fig. 9 shows the results of measurement of the open circuit potential in Comparative Example 1. Fig. 10 shows the results of measurement of the open circuit potential in Comparative Example 2. Fig. 11 shows the relationship between the crystallite size D and the proportion of the low resistance capacitance region. Fig. 12 shows the relationship between the Williamson-Hall plot and the strain ε WH .

図3に示すように、比較例2では、平板上の粒子の平板面の面積がより大きく、且つ厚さが厚い層状構造体であることがわかった。一方、原料である芳香族ジカルボン酸の事前乾燥を行った比較例1では、平板面の面積がより小さい細かな層状構造体の粒子が得られることがわかった。そして、原料のLiを過剰に入れずに理論値とし、事前乾燥した実施例1では、厚さがより薄い層状構造体の粒子が得られることがわかった。これは、過剰なLiが含まれる場合は、厚さ方向に結晶成長しやすいことと関連するものと予想された。図4~7に示すように、100面の回折ピーク及び302面の回折ピークは、比較例2、1、実施例1の順に小さくなることがわかった。また、この回折ピークの半値幅βとブラッグ角(rad)、波長λ(0.61992Å)、定数K(0.9)などを用い、数式(1)で示されるScherrerの式を用いて、(hkl)面に垂直方向の結晶子サイズを求めた。表1に示すように、この結晶子サイズD302、D100は、比較例2、1、実施例1の順に小さくなることがわかった。 As shown in FIG. 3, in Comparative Example 2, the area of the flat surface of the particles on the flat plate was larger, and the layered structure was thick. On the other hand, in Comparative Example 1, in which the raw material aromatic dicarboxylic acid was pre-dried, it was found that fine layered structure particles with a smaller area of the flat surface were obtained. And, in Example 1, in which the raw material Li was not excessively added and the theoretical value was used, and the pre-dried, it was found that layered structure particles with a thinner thickness were obtained. This was expected to be related to the fact that crystals tend to grow in the thickness direction when excessive Li is included. As shown in FIGS. 4 to 7, it was found that the diffraction peak of the 100 plane and the diffraction peak of the 302 plane were smaller in the order of Comparative Example 2, 1, and Example 1. In addition, the half-width β of this diffraction peak, the Bragg angle (rad), the wavelength λ (0.61992 Å), the constant K (0.9), etc. were used to calculate the crystallite size in the direction perpendicular to the (hkl) plane using the Scherrer formula shown in Equation (1). As shown in Table 1, it was found that the crystallite sizes D 302 and D 100 decreased in the order of Comparative Example 2, 1, and Example 1.

また、図8~10、表1に示すように、充放電の際に開回路電位が低抵抗容量を示す領域が、比較例2、1、実施例1の順により拡大されることがわかった。そして、各結晶子サイズに対する開回路電位の関係では、図11に示すように、実施例1、比較例1、2の間には、直線関係が得られ、例えば、結晶子サイズD302では、25nm以下が好ましく、20nm以下がより好ましく、16nm以下が更に好ましいと推察された。また、結晶子サイズD100では、45nm以下が好ましく、40nm以下がより好ましく、36nm以下が更に好ましいと推察された。 8 to 10 and Table 1, it was found that the region in which the open circuit potential exhibits low resistance capacity during charging and discharging is expanded in the order of Comparative Example 2, 1, and Example 1. As shown in FIG. 11, a linear relationship is obtained between Example 1, Comparative Example 1, and 2 in the relationship between the open circuit potential and each crystallite size, and it was inferred that, for example, the crystallite size D 302 is preferably 25 nm or less, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 16 nm or less. It was also inferred that, for the crystallite size D 100 , it is preferably 45 nm or less, more preferably 40 nm or less, and even more preferably 36 nm or less.

また、この回折ピークの半値幅βとブラッグ角(rad)、波長λ(0.61992Å)、定数K(0.9)などを用い、数式(2)で示されるWilliamson-Hallの式を用いて、(hkl)面に垂直方向の歪みを考慮したεW-H×1000を求めた。図12、表1に示すように、この歪みεW-H×1000は、1.35以上であることが好ましく、1.6以上であることがより好ましいことがわかった。図1に示すように、(100)面はa軸方向の結晶子を示し、(302)面は充放電時のLiイオン供給面に対応していることから、各結晶子サイズの減少や結晶構造の欠陥が増加すると、Li受入面が増加するため、低抵抗容量領域が増加するものと推察された。本実施例では、芳香族ジカルボン酸を事前乾燥し、リチウム量を当量にして噴霧乾燥するものとしたが、特にこの製造方法に限定されず、結晶子サイズD302や結晶子サイズD100の値が所定値以下であることが重要であり、この結晶子サイズDが所定値以下であれば、低抵抗容量領域をより拡大することができるものと推察された。 In addition, using the half-width β of this diffraction peak, the Bragg angle (rad), the wavelength λ (0.61992 Å), the constant K (0.9), etc., and using the Williamson-Hall equation shown in formula (2), it was found that the distortion ε WH ×1000 is preferably 1.35 or more, and more preferably 1.6 or more. As shown in FIG. 12 and Table 1, the (100) plane shows a crystallite in the a-axis direction, and the (302) plane corresponds to the Li ion supply surface during charging and discharging. Therefore, it was inferred that when the size of each crystallite decreases or the defects in the crystal structure increase, the Li acceptance surface increases, and the low resistance capacity region increases. In this embodiment, the aromatic dicarboxylic acid is pre-dried, and the lithium amount is made equivalent and spray-dried. However, the present invention is not limited to this manufacturing method. It is important that the crystallite size D302 and the crystallite size D100 are equal to or less than a predetermined value. It is presumed that if the crystallite size D is equal to or less than a predetermined value, the low resistance capacitance region can be expanded.

Figure 0007472700000007
Figure 0007472700000007

なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-mentioned embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

本開示は、電池産業に利用可能である。 This disclosure is applicable to the battery industry.

20 蓄電デバイス、21 電池ケース、22 正極、23 負極、24 セパレータ、25 ガスケット、26 封口板、27 イオン伝導媒体。 20: power storage device, 21: battery case, 22: positive electrode, 23: negative electrode, 24: separator, 25: gasket, 26: sealing plate, 27: ion conductive medium.

Claims (10)

蓄電デバイスに用いられる電極活物質であって、
複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える層状構造体であり、該層状構造体に対してX線回折測定を行い、数式(1)を用いて算出される302面に対して垂直方向の結晶子サイズD302が25nm以下である、
電極活物質。
An electrode active material for use in an electricity storage device,
A layered structure comprising an organic framework layer containing an aromatic dicarboxylate anion having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain, and an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated to oxygen contained in a carboxylic acid of the organic framework layer to form a framework, the layered structure being subjected to X-ray diffraction measurement, and having a crystallite size D302 in a direction perpendicular to a 302 plane calculated using formula (1) of 25 nm or less.
Electrode active material.
前記結晶子サイズD302が20nm以下である、請求項1に記載の電極活物質。 2. The electrode active material of claim 1, wherein the crystallite size D302 is less than or equal to 20 nm. 前記層状構造体に対してX線回折測定を行い、数式(1)を用いて算出される100面に対して垂直方向の結晶子サイズD100が45nm以下である、請求項1又は2に記載の電極活物質。 3. The electrode active material according to claim 1, wherein the layered structure is subjected to X-ray diffraction measurement and has a crystallite size D 100 in a direction perpendicular to a 100 plane calculated using formula (1) of 45 nm or less. 前記結晶子サイズD100が40nm以下である、請求項3に記載の電極活物質。 4. The electrode active material according to claim 3, wherein the crystallite size D100 is 40 nm or less. 前記層状構造体に対してX線回折測定を行い、数式(2)を用いて算出される歪みεW-H×1000が1.35以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の電極活物質。
5. The electrode active material according to claim 1, wherein the layered structure is subjected to X-ray diffraction measurement and has a strain ε WH ×1000 calculated using formula (2) of 1.35 or more.
前記歪みεW-H×1000が1.6以上である、請求項5に記載の電極活物質。 The electrode active material according to claim 5 , wherein the strain ε WH ×1000 is 1.6 or more. 前記層状構造体は、化学式(1)の構造を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の電極活物質。
Figure 0007472700000010
The electrode active material according to any one of claims 1 to 6, wherein the layered structure has a structure represented by chemical formula (1).
Figure 0007472700000010
正極と、
請求項1~7のいずれか1項に記載の電極活物質を含む電極合材を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しアルカリ金属イオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた蓄電デバイス。
A positive electrode and
A negative electrode having an electrode mixture containing the electrode active material according to any one of claims 1 to 7;
an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting alkali metal ions;
A power storage device comprising:
蓄電デバイスに用いる電極活物質を製造する製造方法であって、
複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸を事前乾燥する事前乾燥工程と、
事前乾燥した前記芳香族ジカルボン酸に対してモル比で1.9以上2.1以下のアルカリ金属イオンを加えた溶液を調製する調製工程と、
調整した前記溶液を噴霧乾燥することによって、複数の芳香環が直接又は炭素鎖を介して接続した構造を有する芳香族ジカルボン酸アニオンを含む有機骨格層と前記有機骨格層のカルボン酸に含まれる酸素にアルカリ金属元素が配位して骨格を形成するアルカリ金属元素層とを備える層状構造体を作製する作製工程と、
を含む製造方法。
A method for producing an electrode active material for use in an electricity storage device, comprising the steps of:
a pre-drying step of pre-drying an aromatic dicarboxylic acid having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain;
a preparation step of preparing a solution in which alkali metal ions are added to the aromatic dicarboxylic acid dried in advance in a molar ratio of 1.9 to 2.1;
a step of spray-drying the prepared solution to produce a layered structure including an organic framework layer containing an aromatic dicarboxylate anion having a structure in which a plurality of aromatic rings are connected directly or via a carbon chain, and an alkali metal element layer in which an alkali metal element is coordinated to oxygen contained in a carboxylic acid of the organic framework layer to form a framework;
A manufacturing method comprising:
前記事前乾燥工程では、100℃以上の減圧下で前記芳香族ジカルボン酸を乾燥する、請求項9に記載の製造方法。 The method according to claim 9, wherein in the pre-drying step, the aromatic dicarboxylic acid is dried under reduced pressure at 100°C or higher.
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