JP7484871B2 - Energy Storage Devices - Google Patents

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Description

本明細書では、蓄電デバイスを開示する。 This specification discloses an electricity storage device.

従来、蓄電デバイスとしては、SiおよびOを構成元素として含み、SiおよびOに対するSiの原子割合(Si/(Si+O))が活物質の表面において30原子%~75原子%である活物質を有するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、蓄電デバイスとしては、複数のシリコンを含む粒子と複数の鱗片状黒鉛を有する球形状の複合体粒子を活物質としたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、蓄電デバイスとしては、第1の発電要素と隣接する第2の発電要素の負極とが、イオン伝導性がない導電性接着剤により接着されて一体化されているものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。また、蓄電デバイスとしては、多数の電極内空隙を有する電極と、電極上に載置された、ナノファイバーからなり多数の不織布内空隙を有する不織布における、不織布内空隙に電解質マトリクスが充填されてなる、電極及び電解質膜を有するものが提案されている(例えば、特許文献4参照)。 Conventionally, a proposed electric storage device has an active material containing Si and O as constituent elements, with the atomic ratio of Si to Si and O (Si/(Si+O)) being 30 atomic % to 75 atomic % on the surface of the active material (see, for example, Patent Document 1). Also proposed as an electric storage device is a spherical composite particle having a plurality of silicon-containing particles and a plurality of scaly graphite particles as the active material (see, for example, Patent Document 2). Also proposed as an electric storage device is a device in which a first power generating element and a negative electrode of an adjacent second power generating element are bonded together with a conductive adhesive that does not have ion conductivity (see, for example, Patent Document 3). Also proposed as an electric storage device is an electrode having a large number of voids in the electrode, and an electrolyte membrane in which the voids in the nonwoven fabric are filled with an electrolyte matrix in a nonwoven fabric made of nanofibers placed on the electrode (see, for example, Patent Document 4).

特表2016-35939号公報JP 2016-35939 A 特開2015-125794号公報JP 2015-125794 A 特表2011-204510号公報JP 2011-204510 A 特開2018-32484号公報JP 2018-32484 A

しかしながら、特許文献1の蓄電デバイスでは、高容量のSiOxのコアシェル化および空隙形成や、体積変化の大きなSi粒子を鱗片黒鉛から成る球形粒子の空隙に存在させることなどにより膨張収縮緩和に取り組んでいるが、まだ十分でなく、薄型化を図るにはまだ課題があった。また、特許文献3では、比重の大きな金属製集電箔を取り除くための手法として、イオン伝導性を示さず電子伝導性のみを発現する接着層を介して正極と負極を対向させるものとしているが、一方で無機固体電解質自体の比重が高いことや厚さが30μmであることで、セルの質量が増大することが懸念された。また、特許文献4では、ポリマー固体電解質を不織布基材に充填することで軽量なリチウムイオン二次電池を実現することが可能としているが、電極体の構造は従来の積層構造と変わらないため、薄層化には限界があった。 However, in the power storage device of Patent Document 1, expansion and contraction mitigation is attempted by forming a core-shell of high-capacity SiOx and forming voids, and by having Si particles with large volume changes exist in the voids of spherical particles made of flake graphite, but this is still insufficient, and there are still problems in making it thinner. In addition, in Patent Document 3, as a method for removing the metal current collector foil with a large specific gravity, the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other via an adhesive layer that does not exhibit ionic conductivity but only exhibits electronic conductivity, but on the other hand, there is a concern that the mass of the cell will increase due to the high specific gravity of the inorganic solid electrolyte itself and its thickness of 30 μm. In addition, in Patent Document 4, it is possible to realize a lightweight lithium-ion secondary battery by filling a nonwoven fabric substrate with a polymer solid electrolyte, but since the structure of the electrode body is the same as the conventional laminated structure, there is a limit to how thin the layer can be made.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、軽量、薄型且つ形状自由度をより高めた蓄電デバイスを提供することを主目的とする。 This disclosure has been made in consideration of these issues, and its primary objective is to provide an electricity storage device that is lightweight, thin, and has greater freedom in shape.

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、断面が扁平形状である負極とし、面方向に配向させ、その端面に正極を配置した構造を採用すると、充放電効率がよく、軽量、薄型且つ形状自由度をより高めた蓄電デバイスとすることができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 After extensive research to achieve the above-mentioned objective, the inventors discovered that by adopting a structure in which a negative electrode has a flat cross section, is oriented in the plane direction, and a positive electrode is placed on the end face of the negative electrode, it is possible to create an electricity storage device that is lightweight, thin, and has a high degree of freedom in shape, with good charge and discharge efficiency, and thus completed the invention disclosed in this specification.

即ち、本開示の蓄電デバイスは、
長辺を含む第1面と交差する方向に該長辺より短い短辺を含む端面を有し正極活物質を含む正極と、
少なくとも前記正極の端面に隣接したセパレータと、
長辺を含む第1面と交差する方向に該長辺より短い短辺を含む端面を有し前記第1面に沿った所定の配向方向に配向した炭素材料を負極活物質として含み該端面で前記セパレータを介して前記正極の端面と対向している負極と、
を備えた蓄電デバイス。
That is, the electricity storage device of the present disclosure is
a positive electrode having an end face including a short side shorter than the long side in a direction intersecting with a first surface including the long side, the positive electrode including a positive electrode active material;
a separator adjacent to at least an end surface of the positive electrode;
a negative electrode having an end face including a short side shorter than the long side in a direction intersecting a first surface including a long side, the negative electrode including a carbon material oriented in a predetermined orientation direction along the first surface as a negative electrode active material, the end face facing an end face of the positive electrode via the separator;
A power storage device comprising:

本開示は、軽量、薄型且つ形状自由度をより高めた蓄電デバイス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、例えば、以下のように推察される。炭素材料を含む負極では、短辺a、長辺bとした場合のb/a値が1を超える扁平形状とすることで、面積の大きい第1面の面方向に沿って炭素材料を配向することができる。この構造的特徴により、負極が湾曲した際の表層への応力集中緩和と内部応力分散が生じることで、セル自体を湾曲することが可能となり、セル構造の自由度が向上する。また、負極の配向方向の端面に正極が存在することにより、炭素材料内へのキャリアイオンの挿入/脱離および負極内の拡散を円滑にすることが可能となり、高入出力化を図ることができる。また、炭素材料を負極活物質、兼集電体として用いることにより、金属の集電体などを用いずに充放電可能であるため、蓄電デバイスの質量エネルギー密度を高めることも可能となる。 The present disclosure can provide a lightweight, thin, and highly flexible power storage device. The reason for such an effect is presumed to be as follows. In a negative electrode containing a carbon material, the carbon material can be oriented along the surface direction of the first surface having a large area by making the negative electrode have a flat shape in which the b/a value exceeds 1 when the short side is a and the long side is b. This structural feature alleviates stress concentration on the surface layer when the negative electrode is curved, and causes internal stress dispersion, making it possible to curve the cell itself, and improving the freedom of the cell structure. In addition, the presence of a positive electrode on the end face in the orientation direction of the negative electrode makes it possible to smoothly insert/remove carrier ions into the carbon material and diffuse within the negative electrode, thereby achieving high input/output. In addition, by using a carbon material as a negative electrode active material and current collector, charging and discharging can be performed without using a metal current collector, and it is also possible to increase the mass energy density of the power storage device.

蓄電デバイス10の一例を示す模式図。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an electricity storage device 10. 蓄電デバイス10Aの一例を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an electricity storage device 10A. 蓄電デバイス10Bの一例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of an electricity storage device 10B. 自立膜状の正極の観察写真。Observation photograph of a free-standing film-like positive electrode. 柱状負極の断面SEM像。Cross-sectional SEM image of a cylindrical negative electrode. 柱状負極の湾曲性試験結果。Curvature test results for cylindrical negative electrodes. 実験例1~3のX線回折測定結果。X-ray diffraction measurement results for Experimental Examples 1 to 3. 実験例1~3のアスペクト比に対する回折ピーク強度比の関係図。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the aspect ratio and the diffraction peak intensity ratio in Experimental Examples 1 to 3. 対向配置構造及び平行配置構造の説明図及び電池特性測定結果。1 is an explanatory diagram of an opposed arrangement structure and a parallel arrangement structure, and measurement results of battery characteristics. 実施例及び比較例セルの説明図及び質量エネルギー密度の検討結果。1 is an explanatory diagram of cells of an embodiment and a comparative example, and a result of examining mass energy density.

実施形態で説明する本開示の蓄電デバイスは、正極と、負極と、セパレータとを含む。この蓄電デバイスは、正極に電気的に接続された正極集電体と、負極に電気的に接続された負極集電体とを備えているものとしてもよい。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、アルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池などとしてもよい。蓄電デバイスのキャリアイオンは、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオンやマグネシウムイオンやストロンチウムイオン、カルシウムイオンなどの第2族イオンなどが挙げられる。また、この蓄電デバイスは、正極、負極及びセパレータのうち1以上に電解液を含むものとしてもよい。正極及び負極には、集電線などの集電部材が埋設されているものとしてもよいし、この集電部材を備えないものとしてもよい。ここでは、説明の便宜のため、リチウムイオンをキャリアとするリチウムイオン二次電池をその主たる一例として以下説明する。 The power storage device of the present disclosure described in the embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator. The power storage device may include a positive electrode collector electrically connected to the positive electrode and a negative electrode collector electrically connected to the negative electrode. The power storage device may be, for example, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, an alkali metal secondary battery, an alkali metal ion battery, or the like. Examples of carrier ions in the power storage device include alkali metal ions such as lithium ions, sodium ions, and potassium ions, and Group 2 ions such as magnesium ions, strontium ions, and calcium ions. The power storage device may also include an electrolyte in one or more of the positive electrode, the negative electrode, and the separator. The positive electrode and the negative electrode may have a current collecting member such as a current collecting wire embedded therein, or may not have this current collecting member. Here, for convenience of explanation, a lithium ion secondary battery using lithium ions as a carrier will be described below as a main example.

ここで、本実施形態で開示する蓄電デバイスについて図面を用いて説明する。図1は、蓄電デバイス10の一例を示す模式図である。図2は、蓄電デバイス10Aの一例を示す模式図である。図3は、蓄電デバイス10Bの一例を示す模式図である。蓄電デバイス10は、正極11と、セパレータ12と、負極13と、を備えている。正極11は、長辺25を含む第1面21と交差する方向にこの長辺25より短い短辺24を含む端面23を有し、正極活物質26を含む。セパレータ12は、少なくとも正極11の端面23に隣接している。負極13は、長辺35を含む第1面31と交差する方向にこの長辺35より短い短辺34を含む端面33を有し、第1面31に沿った所定の配向方向に配向した炭素材料を負極活物質36として含み、この端面33でセパレータ12を介して正極11の端面33と対向している。 Here, the electric storage device disclosed in this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an electric storage device 10. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an electric storage device 10A. FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of an electric storage device 10B. The electric storage device 10 includes a positive electrode 11, a separator 12, and a negative electrode 13. The positive electrode 11 has an end face 23 including a short side 24 that is shorter than the long side 25 in a direction intersecting with a first surface 21 including a long side 25, and includes a positive electrode active material 26. The separator 12 is adjacent to at least the end face 23 of the positive electrode 11. The negative electrode 13 has an end face 33 including a short side 34 that is shorter than the long side 35 in a direction intersecting with a first surface 31 including a long side 35, and includes a carbon material oriented in a predetermined orientation direction along the first surface 31 as a negative electrode active material 36, and this end face 33 faces the end face 33 of the positive electrode 11 via the separator 12.

正極11は、正極活物質26を含み、セパレータ12を介して負極13と隣合う扁平形状の部材である。この正極11は、短辺24が厚さ方向であり、負極13との並び方向が長辺25であるものとしてもよい。また、長辺25は、短辺24より長いものとすれば、並び方向に直交する軸方向の長さよりも短くてもよいし(図2)、長くてもよい(図3)。この正極11は、柔軟性を有する自立膜としてもよい。ここで、「自立」とは、何らかの基材や支持体が存在せずとも崩壊せずに形状が維持され、ハンドリングが可能な程度の強度を持つ構造を意味する。正極11の厚さとしての短辺24は、蓄電デバイス10の厚さにほぼ該当し、例えば、400μm以下が好ましく、200μm以下がより好ましく、100μm以下が更に好ましく、80μm以下としてもよい。正極11の長辺25は、例えば、250μm以上としてもよいし、500μm以上としてもよいし、1mm以上としてもよい。 The positive electrode 11 is a flat-shaped member that contains a positive electrode active material 26 and is adjacent to the negative electrode 13 via the separator 12. The positive electrode 11 may have a short side 24 in the thickness direction and a long side 25 in the direction aligned with the negative electrode 13. The long side 25 may be shorter than the length in the axial direction perpendicular to the alignment direction (FIG. 2) or longer (FIG. 3) as long as it is longer than the short side 24. The positive electrode 11 may be a free-standing film having flexibility. Here, "free-standing" means a structure that maintains its shape without collapsing even without any substrate or support, and has a strength sufficient to allow handling. The short side 24 as the thickness of the positive electrode 11 corresponds approximately to the thickness of the electric storage device 10, and may be, for example, 400 μm or less, more preferably 200 μm or less, even more preferably 100 μm or less, or 80 μm or less. The long side 25 of the positive electrode 11 may be, for example, 250 μm or more, 500 μm or more, or 1 mm or more.

正極11は、例えば、正極活物質と、導電材と、必要に応じて結着材とを混合した正極合材からなるものとしてもよい。正極活物質は、例えば、キャリアであるリチウムを吸蔵放出可能な材料が挙げられる。正極活物質としては、例えば、リチウムと遷移金属とを有する化合物、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。具体的には、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)CoaNibMnc2(a>0、b>0、c>0、a+b+c=1)、Li(1-x)CoaNibMnc4(0<a<1、0<b<1、1≦c<2、a+b+c=2)などとするリチウムコバルトニッケル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、基本組成式をLiFePO4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、例えば、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32やLiNi0.4Co0.3Mn0.32などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素、例えば、AlやMgなどの成分を含んでもよい趣旨である。 The positive electrode 11 may be made of a positive electrode mixture obtained by mixing, for example, a positive electrode active material, a conductive material, and, if necessary, a binder. The positive electrode active material may be, for example, a material capable of absorbing and releasing lithium, which is a carrier. The positive electrode active material may be, for example, a compound having lithium and a transition metal, such as an oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphate compound containing lithium and a transition metal element. Specifically, lithium manganese composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) MnO2 (0≦x≦1, etc., the same applies below) or Li (1-x) Mn2O4 , etc. , lithium cobalt composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) CoO2 , etc., lithium nickel composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) NiO2 , etc., lithium cobalt nickel manganese composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) CoaNibMncO2 (a>0, b >0, c>0, a+b+c=1), Li (1-x) CoaNibMncO4 ( 0 <a<1, 0<b < 1 , 1≦c<2, a+b+c= 2 ), etc., lithium vanadium composite oxides having a basic composition formula of LiV2O3 , etc. , 5 , etc. can be used. In addition, a lithium iron phosphate compound having a basic composition formula of LiFePO 4 , etc. can be used as the positive electrode active material. Among these, lithium cobalt nickel manganese composite oxides, such as LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2 , are preferred. The term "basic composition formula" means that other elements, such as Al and Mg, may be included.

正極11に含まれる導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、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。正極11は、図1に示すように、導電材27としての膨張黒鉛を含み、膨張黒鉛が第1面21及び第2面22に沿う方向に配向していることが好ましい。この正極11では、正極合材内の電子伝導性を向上させることができる。ここで、「配向」とは、扁平状の導電材27が長径の方向に沿っている趣旨であり、種々の方向に傾いているものが存在していてもよい。結着材は、正極活物質26や導電材27を繋ぎ止めて所定の形状を保つ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。 The conductive material contained in the positive electrode 11 is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the battery performance, and for example, a mixture of one or more of graphite such as natural graphite (scale graphite, flake graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, and metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. As shown in FIG. 1, the positive electrode 11 contains expanded graphite as the conductive material 27, and it is preferable that the expanded graphite is oriented in a direction along the first surface 21 and the second surface 22. In this positive electrode 11, the electronic conductivity in the positive electrode mixture can be improved. Here, "orientation" means that the flat conductive material 27 is aligned along the major axis direction, and there may be conductive materials that are inclined in various directions. The binder serves to hold the positive electrode active material 26 and the conductive material 27 together to maintain a predetermined shape. For example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine rubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, and natural butyl rubber (NBR) can be 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.

正極11において、正極活物質の含有量は、より多いことが好ましく、正極11の質量全体に対して70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい。導電材の含有量は、正極11の全体の質量に対して0質量%以上20質量%以下の範囲であることが好ましく、0質量%以上10質量%以下の範囲であることがより好ましい。このような範囲では、電池容量の低下を抑制し、導電性を十分に付与することができる。また、結着材の含有量は、正極11の質量全体に対して0.1質量%以上5質量%以下の範囲であることが好ましく、0.2質量%以上3質量%以下の範囲であることがより好ましい。 In the positive electrode 11, the content of the positive electrode active material is preferably higher, and is preferably 70% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more, relative to the total mass of the positive electrode 11. The content of the conductive material is preferably in the range of 0% by mass or more and 20% by mass or less, and more preferably in the range of 0% by mass or more and 10% by mass or less, relative to the total mass of the positive electrode 11. In such a range, the decrease in battery capacity can be suppressed and sufficient conductivity can be imparted. In addition, the content of the binder is preferably in the range of 0.1% by mass or more and 5% by mass or less, and more preferably in the range of 0.2% by mass or more and 3% by mass or less, relative to the total mass of the positive electrode 11.

セパレータ12は、正極11及び負極13の間に介在し、絶縁を図る部材である。このセパレータ12の厚さは、短絡防止の観点からはより厚いことが好ましく、エネルギー密度などの観点からはより薄いことが好ましい。このセパレータ12は、厚さが2μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、5μm以上としてもよい。また、セパレータ12の厚さは、30μm以下が好ましく20μm以下がより好ましく、10μm以下であるものとしてもよい。セパレータ12としては、二次電池の使用範囲に耐えうる材質であれば特に限定されずに用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-パーフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン-エチレン共重合体、フッ化ビニリデン-プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体及びフッ化ビニリデン-エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系樹脂、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンオキシド及びポリプロピレンオキシドなどのポリエーテル類、カルボキシルメチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース類、ポリ(メタ)アクリル酸及びその他のエステル類を主体とする高分子化合物やその誘導体、これらの共重合体や混合物からなるフィルムなどが挙げられる。また、これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。また、これらのフィルムには、例えばイオンの伝導性を高める添加剤や強度・耐食性を高めるような種々の添加剤を添加してもよい。この微多孔フィルムのうち、ポリエチレンやポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホンなどが好ましく用いられる。このセパレータは、非水電解液が浸透してイオンが透過しやすいように、微多孔化を施すのが好ましい。 The separator 12 is a member interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 13 to provide insulation. The thickness of the separator 12 is preferably thicker from the viewpoint of preventing short circuits, and is preferably thinner from the viewpoint of energy density, etc. The thickness of the separator 12 is preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, and may be 5 μm or more. The thickness of the separator 12 is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less, and may be 10 μm or less. The separator 12 can be made of any material that can withstand the range of use of the secondary battery, without any particular limitation. For example, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyester resins such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoroacetone copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-propylene copolymer, Examples of the material include fluorine-based resins such as vinylidene fluoride-trifluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, and vinylidene fluoride-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene chloride, polyacrylonitrile, polyacrylamide, polysulfone, polyethersulfone, polycarbonate, polyamide, polyimide, polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, celluloses such as carboxymethyl cellulose and hydroxypropyl cellulose, polymer compounds mainly composed of poly(meth)acrylic acid and other esters, derivatives thereof, and films made of copolymers or mixtures thereof. These may be used alone or in combination. These films may also contain additives that increase ion conductivity or various additives that increase strength and corrosion resistance. Of these microporous films, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polysulfone, and the like are preferably used. It is preferable that the separator is made microporous so that the nonaqueous electrolyte can penetrate and ions can easily pass through.

蓄電デバイス10は、図1~3に示すように、正極11とセパレータ12と負極13とが、並び方向に繰り返す構造を有することが好ましい。即ち、セパレータ12は、正極11の第1面21と、正極11及び負極13の端面23,33と、負極13の第1面31の反対側の第2面32とに連続して隣接しているものとしてもよい。同様に、セパレータ12は、正極11の第2面22と、正極11及び負極13の端面23,33と、負極13の第2面32の反対側の第1面31とに連続して隣接しているものとしてもよい。このように、連続して正極11のおもて面と負極13の裏面とに隣接させた構造とすると、面を湾曲可能である柔軟な構造とすることができ、好ましい。なお、セパレータ12は、正極11の端面23と負極13の端面33との間に介在するものとすれば、この構造に特に限定されず、正極11第1面21、第2面22、及び負極13の第1面31、第2面32のいずれにも隣接するものとしてもよいし、いずれか1以上に隣接しないものとしてもよい。 As shown in Figures 1 to 3, the electric storage device 10 preferably has a structure in which the positive electrode 11, the separator 12, and the negative electrode 13 are repeated in the arrangement direction. That is, the separator 12 may be continuously adjacent to the first surface 21 of the positive electrode 11, the end surfaces 23, 33 of the positive electrode 11 and the negative electrode 13, and the second surface 32 opposite to the first surface 31 of the negative electrode 13. Similarly, the separator 12 may be continuously adjacent to the second surface 22 of the positive electrode 11, the end surfaces 23, 33 of the positive electrode 11 and the negative electrode 13, and the first surface 31 opposite to the second surface 32 of the negative electrode 13. In this way, a structure in which the front surface of the positive electrode 11 and the back surface of the negative electrode 13 are continuously adjacent to each other can be made flexible and curved, which is preferable. In addition, the separator 12 is not particularly limited to this structure, as long as it is interposed between the end surface 23 of the positive electrode 11 and the end surface 33 of the negative electrode 13, and may be adjacent to either the first surface 21 or the second surface 22 of the positive electrode 11 or the first surface 31 or the second surface 32 of the negative electrode 13, or may not be adjacent to any one or more of them.

負極13は、長辺35を含む第1面31と交差する方向にこの長辺35より短い短辺34を含む端面33を有し、第1面31に沿った所定の配向方向に配向した炭素材料を負極活物質36として含む。また負極13は、端面33でセパレータ12を介して正極11の端面23と対向している。負極13は、扁平形状の部材であり、その軸方向に直交する断面が、扁平形状を有する柱状部材としてもよい。ここで、「柱状」とは、屈曲しない太さのもののほか、屈曲可能な繊維状の太さのものも含むものとする。この断面は、例えば、矩形であってもよいし、長方形の角が円弧状に形成された形状としてもよいし、楕円形であってもよい。この負極13は、短辺34が厚さ方向であり、正極11との並び方向が長辺35であるものとしてもよい。また、長辺35は、短辺34より長いものとすれば、並び方向に直交する軸方向の長さよりも短くてもよいし(図2)、長くてもよい(図3)。この負極13は、柔軟性を有するものとしてもよい。また、負極13は、軸方向に対して直交する方向の断面が扁平形状の負極13の厚さとしての短辺34は、蓄電デバイス10の厚さにほぼ該当し、例えば、400μm以下が好ましく、200μm以下がより好ましく、100μm以下が更に好ましく、80μm以下としてもよい。負極13の長辺35は、例えば、250μm以上としてもよいし、300μm以上としてもよいし、600μm以上としてもよい。 The negative electrode 13 has an end surface 33 including a short side 34 shorter than the long side 35 in a direction intersecting with the first surface 31 including the long side 35, and contains a carbon material oriented in a predetermined orientation direction along the first surface 31 as the negative electrode active material 36. The negative electrode 13 also faces the end surface 23 of the positive electrode 11 via the separator 12 at the end surface 33. The negative electrode 13 is a flat-shaped member, and the cross section perpendicular to the axial direction may be a columnar member having a flat shape. Here, "columnar" includes not only those with a thickness that does not bend, but also those with a fibrous thickness that can be bent. The cross section may be, for example, rectangular, or may be a shape in which the corners of a rectangle are formed in an arc shape, or may be elliptical. The negative electrode 13 may have a short side 34 in the thickness direction, and the alignment direction with the positive electrode 11 may be the long side 35. In addition, the long side 35 may be shorter (FIG. 2) or longer (FIG. 3) than the length in the axial direction perpendicular to the alignment direction, as long as it is longer than the short side 34. The negative electrode 13 may be flexible. The negative electrode 13 has a flat cross section in a direction perpendicular to the axial direction, and the short side 34 of the thickness of the negative electrode 13 corresponds to the thickness of the electricity storage device 10, and is preferably 400 μm or less, more preferably 200 μm or less, and even more preferably 100 μm or less, and may be 80 μm or less. The long side 35 of the negative electrode 13 may be, for example, 250 μm or more, 300 μm or more, or 600 μm or more.

負極13は、第1面31に沿った所定の配向方向に配向した炭素材料を含む。ここで、「配向」とは、扁平状の炭素材料が長径の方向に沿っている趣旨であり、種々の方向に傾いているものが存在していてもよい。また、負極活物質36は、扁平面が第1面31及び/又は第2面32の面方向に平行に配列しているものとしてもよい。配向の有無は、断面を顕微鏡で観察することによって判別することができる。また、負極13の配向度は、横方向が長軸、縦方向が短軸となるように並列させた状態でX線回折を測定し、黒鉛の002回折ピーク(26.5°)と、110回折ピーク(77.5°)との002/110ピーク強度比を配向度の指標とすることができる。この002/110ピーク強度比は、より大きいことが配向性が高く好ましく、例えば、300以上が好ましく、500以上がより好ましく、1000以上が更に好ましく、1500以上が最も好ましい。また、002/110ピーク強度比は、配向度の限界から5000以下としてもよい。 The negative electrode 13 includes a carbon material oriented in a predetermined orientation direction along the first surface 31. Here, "orientation" means that the flat carbon material is aligned along the direction of the major axis, and may be inclined in various directions. The negative electrode active material 36 may have flat surfaces arranged parallel to the surface direction of the first surface 31 and/or the second surface 32. The presence or absence of orientation can be determined by observing the cross section with a microscope. The degree of orientation of the negative electrode 13 can be measured by X-ray diffraction in a state where the horizontal direction is the major axis and the vertical direction is the minor axis, and the 002/110 peak intensity ratio of the 002 diffraction peak (26.5 °) and the 110 diffraction peak (77.5 °) of graphite can be used as an index of the degree of orientation. The larger the 002/110 peak intensity ratio, the higher the orientation, and it is preferable that it is 300 or more, more preferably 500 or more, even more preferably 1000 or more, and most preferably 1500 or more. In addition, the 002/110 peak intensity ratio may be set to 5000 or less due to the limit of the degree of orientation.

この負極13は、短辺aと長辺bとしたときのアスペクト比b/aの平均値が3以上である扁平状の形状を有するものとしてもよい。なお、「平均値」とは、各負極13の絶対値ではなく、複数の負極13の測定を平均した値で評価する趣旨である。なお、平均値は、例えば、負極13の任意の10本を選択して測定した値の平均値としてもよい。このアスペクト比b/aの平均値は、4以上がより好ましく、5以上としてもよい。また、このアスペクト比b/aの平均値は、20以下としてもよいし、10以下としてもよい。 The negative electrode 13 may have a flat shape with an average aspect ratio b/a of 3 or more when the short side is a and the long side is b. The "average" does not refer to the absolute value of each negative electrode 13, but rather to an evaluation based on an average value of measurements of multiple negative electrodes 13. The average value may be, for example, the average value of measurements taken by selecting any 10 negative electrodes 13. The average value of this aspect ratio b/a is more preferably 4 or more, and may be 5 or more. The average value of this aspect ratio b/a may be 20 or less, or may be 10 or less.

負極13は、負極活物質36としての炭素材料を含む。炭素材料としては、例えば、グラファイト類や、コークス類、ガラス状炭素類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類のうち1以上が挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が好ましく、特に鱗片状黒鉛が配向性の高さから好ましい。負極13は、炭素材料と結着材とを混練したものを成形したのち、圧密処理を施したものが好ましい。あるいは、負極13は、炭素材料と結着材と可塑剤とを混練したのち、圧密処理を施したものが好ましい。特に、負極13は、例えば、円柱状や正多角形の柱状に押出成形したのち、油圧プレスなどを用いた圧密処理によって扁平形状を示すものとすることができる。プレス圧は、例えば、単位面積あたり5MPa以上、10MPa以上などとしてもよいし、50MPa以下の範囲としてもよい。また、負極13は、空気中150℃以上250℃以下の温度範囲で加熱処理を行い、可塑剤を除去するものとしてもよいし、不活性雰囲気中で800℃以上1500℃以下の温度範囲で加熱処理し、樹脂成分などを炭化させるものとしてもよい。各加熱時間は、含有成分に応じて適宜設定すればよく、0.5時間以上24時間以下の範囲とすることができる。結着材は、キャリアイオンの伝導性を有するものが好ましく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)や、PVdFとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(PVdF-HFP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、及びPMMAとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。結着材の配合量は、例えば、10質量%以下が好ましく、5質量%以下としてもよい。また、可塑剤としては、例えば、ジオクチルフタレート(DOP)やジブチルフタレート(DPB)などのフタル酸エステル類、エポキシ化大豆油やエポキシ化アマニ油などのエポキシ化植物油、二塩基酸(アジピン酸、セバチン酸、フタル酸など)とグリコール類(1,2-プロパンジオール、ブタンジオールなど)とのポリエステルなどのポリエステル系可塑剤などが挙げられる。このうち、可塑剤は、ジオクチルフタレートが好ましい。可塑剤の配合量は、例えば、負極合材に対して5質量%以上25質量%以下の範囲としてもよい。 The negative electrode 13 includes a carbon material as the negative electrode active material 36. Examples of the carbon material include one or more of graphites, cokes, glassy carbons, non-graphitizable carbons, and pyrolytic carbons. Among these, graphites such as artificial graphite and natural graphite are preferred, and flake graphite is particularly preferred due to its high orientation. The negative electrode 13 is preferably a mixture of a carbon material and a binder, which is then molded and compacted. Alternatively, the negative electrode 13 is preferably a mixture of a carbon material, a binder, and a plasticizer, which is then compacted. In particular, the negative electrode 13 can be extruded into a cylindrical or regular polygonal columnar shape, and then compacted using a hydraulic press or the like to give it a flat shape. The pressing pressure may be, for example, 5 MPa or more, 10 MPa or more, or 50 MPa or less per unit area. The negative electrode 13 may be heated in air at a temperature range of 150° C. to 250° C. to remove the plasticizer, or may be heated in an inert atmosphere at a temperature range of 800° C. to 1500° C. to carbonize the resin component. The heating time may be set appropriately depending on the components contained, and may be in the range of 0.5 hours to 24 hours. The binder is preferably one having carrier ion conductivity, such as polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of PVdF and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), polymethyl methacrylate (PMMA), and a copolymer of PMMA and an acrylic polymer. The amount of the binder is preferably 10% by mass or less, and may be 5% by mass or less. Examples of the plasticizer include phthalates such as dioctyl phthalate (DOP) and dibutyl phthalate (DPB), epoxidized vegetable oils such as epoxidized soybean oil and epoxidized linseed oil, and polyester-based plasticizers such as polyesters of dibasic acids (adipic acid, sebacic acid, phthalic acid, etc.) and glycols (1,2-propanediol, butanediol, etc.). Of these, dioctyl phthalate is preferred as the plasticizer. The amount of the plasticizer may be in the range of 5% by mass to 25% by mass with respect to the negative electrode mixture, for example.

蓄電デバイス10は、正極11、セパレータ12及び負極13にキャリアイオンを伝導する電解液を含むものとしてもよい。この電解液は、例えば、非水系溶媒などが挙げられる。電解液の溶媒としては、例えば、非水電解液の溶媒などが挙げられる。この溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。この電解液には、蓄電デバイス10のキャリアであるイオンを含む支持塩を溶解したものとしてもよい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、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。 The electricity storage device 10 may include an electrolyte that conducts carrier ions to the positive electrode 11, the separator 12, and the negative electrode 13. Examples of the electrolyte include non-aqueous solvents. Examples of the solvent for the electrolyte include solvents for non-aqueous electrolytes. Examples of the solvent include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, and dioxolanes, which may be used alone or in combination. Specific examples of carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate; cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane; and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. The electrolyte may have dissolved therein a supporting salt containing ions that are carriers for the electricity storage device 10. Examples of supporting salts include LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiC(CF3SO2)3 , LiSbF6 , LiSiF6 , LiAlF4 , LiSCN , LiClO4 , LiCl , LiF, LiBr, LiI, and LiAlCl4 . Among these, it is preferable from the viewpoint of electrical properties to use a combination of one or more salts selected from the group consisting of inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 . The concentration of this supporting salt in the 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.

この蓄電デバイス10において、質量エネルギー密度は、より高いことがより好ましく、例えば、80mAh/g以上であることが好ましく、90mAh/g以上であることがより好ましく、100mAh/g以上であることが更に好ましい。この蓄電デバイス10において、正極活物質の容量に対する負極活物質の容量の比である正負極容量比(負極容量/正極容量)は、1.0以上1.5以下の範囲とすることが好ましく、より好ましくは1.2以下の範囲である。 In this energy storage device 10, the mass energy density is preferably higher, for example, preferably 80 mAh/g or more, more preferably 90 mAh/g or more, and even more preferably 100 mAh/g or more. In this energy storage device 10, the positive/negative electrode capacity ratio (negative electrode capacity/positive electrode capacity), which is the ratio of the capacity of the negative electrode active material to the capacity of the positive electrode active material, is preferably in the range of 1.0 to 1.5, more preferably 1.2 or less.

以上詳述した実施形態では、軽量、薄型且つ形状自由度をより高めた蓄電デバイス10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、例えば、以下のように推察される。炭素材料を含む負極13では、短辺a、長辺bとした場合のb/a値が1を超える扁平形状とすることで、面積の大きい第1面31及び/又は第2面32の面方向に沿って炭素材料を配向することができる。この構造的特徴により、負極13が湾曲した際の表層への応力集中緩和と内部応力分散が生じることで、セル自体を湾曲することが可能となり、セル構造の自由度が向上する。また、負極13の配向方向の端面33に正極11が存在することにより、炭素材料内へのキャリアイオンの挿入/脱離および負極13内の拡散を円滑にすることが可能となり、高入出力化を図ることができる。また、炭素材料を負極活物質、兼集電体として用いることにより、金属の集電体などを用いずに充放電可能であるため、蓄電デバイス10の質量エネルギー密度を高めることも可能となる。 In the embodiment described above, it is possible to provide a lightweight, thin, and highly flexible electric storage device 10. The reason why such an effect is obtained is presumed to be, for example, as follows. In the negative electrode 13 containing a carbon material, by making it into a flat shape in which the b/a value exceeds 1 when the short side is a and the long side is b, the carbon material can be oriented along the surface direction of the first surface 31 and/or the second surface 32, which have a large area. This structural feature alleviates stress concentration on the surface layer and disperses internal stress when the negative electrode 13 is curved, making it possible to curve the cell itself, and improving the freedom of the cell structure. In addition, the presence of the positive electrode 11 on the end surface 33 in the orientation direction of the negative electrode 13 makes it possible to smoothly insert/remove carrier ions into the carbon material and diffuse within the negative electrode 13, thereby achieving high input/output. In addition, by using a carbon material as a negative electrode active material and current collector, charging and discharging are possible without using a metal current collector, and it is also possible to increase the mass energy density of the electric storage device 10.

また、蓄電デバイス10では、正極11が自立膜であり、導電材として膨張黒鉛粒子が含まれており、正極11の面内での電子伝導性の向上とともに、正極11の自立膜としての強度を高めることが可能となる。これにより、正極11に集電体を用いることなく、蓄電デバイス10の質量エネルギー密度をより高めることが可能となる。更に、蓄電デバイス10の厚さが200μm以下の小容量セルである場合、従来の電極対向構造(後述図8B参照)では、集電箔の寄与が大きくなるために蓄電デバイス10の質量エネルギー密度が大幅に低下するが、蓄電デバイス10の電池構造では、質量エネルギー密度の低下を大幅に抑制することが可能となる。 In addition, in the electricity storage device 10, the positive electrode 11 is a free-standing film and contains expanded graphite particles as a conductive material, which improves the electronic conductivity within the plane of the positive electrode 11 and increases the strength of the positive electrode 11 as a free-standing film. This makes it possible to further increase the mass energy density of the electricity storage device 10 without using a current collector for the positive electrode 11. Furthermore, when the electricity storage device 10 is a small-capacity cell with a thickness of 200 μm or less, in a conventional electrode facing structure (see Figure 8B described below), the contribution of the current collecting foil is large, so the mass energy density of the electricity storage device 10 is significantly reduced, but the battery structure of the electricity storage device 10 makes it possible to significantly suppress the reduction in mass energy density.

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.

例えば、上述した実施形態では、蓄電デバイスのキャリアをリチウムイオンとしたが、特にこれに限定されず、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの2族元素イオンとしてもよい。また、正極活物質は、キャリアのイオンを含むものとすればよい。また、電解液を非水系電解液としたが、水溶液系電解液としてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the carrier of the power storage device is lithium ion, but is not limited thereto, and may be alkali metal ions such as sodium ions and potassium ions, or Group 2 element ions such as calcium ions and magnesium ions. The positive electrode active material may contain carrier ions. The electrolyte is a non-aqueous electrolyte, but may be an aqueous electrolyte.

上述した実施形態では、正極活物質を遷移金属複合酸化物としたが、特に限定されず、例えば、キャパシタに用いられる炭素材料としてもよい。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。 In the above-described embodiment, the positive electrode active material is a transition metal composite oxide, but is not particularly limited thereto, and may be, for example, a carbon material used in a capacitor. The carbon material is not particularly limited, but may be, for example, activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, polyacenes, and the like. Among these, activated carbons exhibiting a high specific surface area are preferred. The activated carbon as the 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, and 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.

以下には、上述した蓄電デバイスを具体的に作製し、その構造及び性能を考察した結果を実験例として説明する。なお、実験例3が実施例に相当し、実験例1、2が参考例に相当する。 The following describes the results of concretely fabricating the above-mentioned energy storage device and examining its structure and performance as experimental examples. Note that experimental example 3 corresponds to the working example, and experimental examples 1 and 2 correspond to reference examples.

(柱状電極の作製と湾曲性評価)
電極活物質としての鱗片黒鉛と、結着材としてのポリ塩化ビニルとを質量比で90:10の比率で混合した。この混合粉末に対して可塑剤としてジオクチルフタレートを質量比で20%となるように混合し、混錬したのち、溶融押出により柱状に成型した。冷却固化する前に、圧密処理を施すことにより、扁平化した柱状黒鉛電極の前駆体を得た。この圧密処理前のサイズは、直径175μmであった。圧密処理は、70mm長に切断した柱状黒鉛電極前駆体を5本並列させたあと、油圧プレスを用いて低加圧(1MPa)と高加圧(5MPa)の2条件で行い、未処理(A)、2MPa(B)、10MPa(C)の3種の柱状黒鉛電極の前駆体を得た。可塑剤を除去するため、空気中180℃、5時間の熱処理を行った。その後、樹脂成分を炭化させるため、窒素中1000℃、1時間の焼成を行った。得られた柱状黒鉛電極の水準A~Cをそれぞれ実験例1~3とし、その断面を走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製S-3600N)によりSEM観察し、短辺a(μm)と長辺b(μm)を評価した。長さ60mmの電極をポリプロピレン板に固定して、両端が40mmの幅となるように湾曲させた後、電極の形態を確認し、柱状黒鉛電極の湾曲性を評価した。
(Fabrication of columnar electrodes and evaluation of their bendability)
Graphite flakes as an electrode active material and polyvinyl chloride as a binder were mixed at a mass ratio of 90:10. Dioctyl phthalate was mixed as a plasticizer to this mixed powder at a mass ratio of 20%, kneaded, and then molded into a columnar shape by melt extrusion. A flattened columnar graphite electrode precursor was obtained by performing a consolidation treatment before cooling and solidifying. The size before the consolidation treatment was 175 μm in diameter. The consolidation treatment was performed under two conditions, low pressure (1 MPa) and high pressure (5 MPa), using a hydraulic press after five columnar graphite electrode precursors cut to a length of 70 mm were aligned in parallel, and three types of columnar graphite electrode precursors, untreated (A), 2 MPa (B), and 10 MPa (C), were obtained. In order to remove the plasticizer, heat treatment was performed in air at 180 ° C. for 5 hours. Then, in order to carbonize the resin component, firing was performed in nitrogen at 1000 ° C. for 1 hour. The obtained columnar graphite electrodes of levels A to C were designated as Experimental Examples 1 to 3, respectively, and their cross sections were observed by SEM using a scanning electron microscope (S-3600N manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) to evaluate the short side a (μm) and long side b (μm). An electrode with a length of 60 mm was fixed to a polypropylene plate and curved so that both ends had a width of 40 mm, after which the shape of the electrode was confirmed and the curvature of the columnar graphite electrode was evaluated.

(柱状電極の配向度の評価)
柱状黒鉛電極をX線回折測定し、配向度について検討した。X線回折測定装置(Rigaku製UltimaIV)を用い、2θ=10°~90°、走査速度5°/分、サンプリング幅を0.02°の測定条件で測定した。試料は、Si無反射板に上記水準A~Cの柱状黒鉛電極のそれぞれを7本、扁平品は横方向が長軸、縦方向が短軸となるように並列させた状態で測定した。黒鉛の002回折ピーク(26.5°)と、110回折ピーク(77.5°)との比である002/110ピーク強度比を配向度の指標とした。
(Evaluation of the degree of orientation of columnar electrodes)
The columnar graphite electrodes were subjected to X-ray diffraction measurement to examine the degree of orientation. Using an X-ray diffraction measuring device (Ultima IV manufactured by Rigaku), measurements were performed under the measurement conditions of 2θ = 10° to 90°, a scanning speed of 5°/min, and a sampling width of 0.02°. The samples were measured in a state where seven columnar graphite electrodes of the above levels A to C were arranged on a Si non-reflective plate, and the flat products were arranged in parallel so that the horizontal direction was the long axis and the vertical direction was the short axis. The 002/110 peak intensity ratio, which is the ratio of the 002 diffraction peak (26.5°) of graphite to the 110 diffraction peak (77.5°), was used as an index of the degree of orientation.

(電池特性評価)
<正極自立膜の作製>
正極活物質としての(LiNi0.5Co0.2Mn0.32)と、導電材としてのカーボンブラック及び膨張黒鉛粉末(平均粒径7μm)と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製PVdF7305)とを質量比で90:4:2:4となるよう配合したものにN-メチルピロリドンを加えて正極合材ペーストとした。この正極合材をAl箔(厚さ12μm)に塗工をして、得られた正極をAl箔から剥離することにより、正極自立膜を得た。図4は、自立膜状の正極の観察写真であり、図4Aが塗工乾燥後、図4Bが、作製後の自立膜の柔軟性を確認した写真、図4CがAl箔の剥離処理の写真である。また、得られた正極を外部からSEM観察したところ、そのSEM画像からは、膨張黒鉛が平面方向に沿って分布していた。これより、自立膜内で膨張黒鉛は、平面方向に配向していることが予想された。
(Battery characteristic evaluation)
<Preparation of self-supporting positive electrode film>
A positive electrode active material (LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 ), a conductive material (carbon black and expanded graphite powder (average particle size 7 μm), and a binder (PVdF7305 manufactured by Kureha) were mixed in a mass ratio of 90:4:2:4, and N-methylpyrrolidone was added to the mixture to prepare a positive electrode composite paste. This positive electrode composite was applied to an Al foil (thickness 12 μm), and the obtained positive electrode was peeled off from the Al foil to obtain a positive electrode freestanding film. FIG. 4 shows an observation photograph of a freestanding film-like positive electrode, where FIG. 4A shows the result after coating and drying, FIG. 4B shows a photograph confirming the flexibility of the freestanding film after preparation, and FIG. 4C shows a photograph of the Al foil peeling treatment. In addition, when the obtained positive electrode was observed from the outside with a SEM, the SEM image showed that the expanded graphite was distributed along the planar direction. From this, it was expected that the expanded graphite was oriented in the planar direction in the freestanding film.

<セル作製・評価>
柱状黒鉛電極(水準C)と正極自立膜とを用いて、図7Aに示すようなジオメトリー(対向配置構造又は平行配置構造)でセルを作製した。対向配置構造では、柱状黒鉛負極の第2面と正極自立膜の第1面とがセパレータを介して対向するように配置した。また、平行配置構造では、柱状黒鉛負極の端面と正極自立膜の端面とがセパレータを介して対向するように配置した。セパレータは、ポリエチレン製の厚さ10μm、空隙率50%のものを用いた。この電極構造体をケースに収容し、正極の端面に正極集電体としてのAl箔(厚さ100μm)を貼付し、柱状黒鉛負極の端部に負極集電体としての銅箔(厚さ100μm)を貼付し、押厚して固着させた。このケースに非水電解液を注液して封止することにより得られた蓄電デバイスを試験セルとした。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で30/40/30で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解させたものを用いた。この試験セルの設計容量は、1.1mAhであった。得られた試験セルに対し、0.05mAの電流値で4.1Vに定電流-定電圧充電後、同じく0.05mAの電流値で2Vに定電流-定電圧放電を実施した。その後、3.7Vに電圧を調整し、25℃にてインピーダンス測定を実施した。インピーダンス測定は、測定器(ソーラトロン社製Celltest)を用いて行った。
<Cell production and evaluation>
Using a columnar graphite electrode (level C) and a positive electrode freestanding film, a cell was prepared in a geometry (opposite arrangement structure or parallel arrangement structure) as shown in FIG. 7A. In the opposed arrangement structure, the second surface of the columnar graphite negative electrode and the first surface of the positive electrode freestanding film were arranged to face each other through a separator. In the parallel arrangement structure, the end surface of the columnar graphite negative electrode and the end surface of the positive electrode freestanding film were arranged to face each other through a separator. The separator used was made of polyethylene with a thickness of 10 μm and a porosity of 50%. This electrode structure was housed in a case, and an Al foil (thickness 100 μm) was attached as a positive electrode current collector to the end surface of the positive electrode, and a copper foil (thickness 100 μm) was attached as a negative electrode current collector to the end of the columnar graphite negative electrode, and the copper foil was pressed and fixed. A nonaqueous electrolyte was poured into this case and sealed to obtain an electricity storage device, which was used as a test cell. The non-aqueous electrolyte was a 1M solution of LiPF6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 30/40/30. The design capacity of this test cell was 1.1 mAh. The obtained test cell was charged at a constant current and constant voltage to 4.1 V at a current value of 0.05 mA, and then discharged at a constant current and constant voltage to 2 V at a current value of 0.05 mA. Thereafter, the voltage was adjusted to 3.7 V, and impedance measurement was performed at 25 ° C. The impedance measurement was performed using a measuring device (Celltest manufactured by Solartron).

<電極体厚さと質量エネルギー密度の変化試算>
表2に示す一般的な電極材料の物性値および図8Aに示すセル構成を用いて、本発明セルおよび従来構造セルの電極体の厚さを50~600μmの範囲で変化させた際のセルの質量エネルギー密度を試算した。
<Estimated change in electrode thickness and mass energy density>
Using the physical properties of common electrode materials shown in Table 2 and the cell configuration shown in FIG. 8A, the mass energy density of the cell was estimated when the thickness of the electrode body of the cell of the present invention and the cell of the conventional structure was changed in the range of 50 to 600 μm.

(結果と考察)
(柱状黒鉛電極の配向と湾曲性)
図5は、扁平化を行った柱状負極の断面SEM像である。図6は、柱状負極の湾曲性試験結果である。また、表1に短辺と長辺の測定値、及び湾曲試験の結果をまとめた。なお、表1には、負極を10本、任意に選択して測定した平均値を示した。表1、図5に示すように、圧密処理することにより扁平化した柱状黒鉛電極では、長辺方向に沿って鱗片状黒鉛粒子が配向することが分かった。最も高い圧密した水準Cでは3以上のアスペクト比を示した。また、表1、図6に示すように、アスペクト比b/aが3以上では、湾曲しても折れが生じなく、柔軟性を付与することができることがわかった。
(Results and discussion)
(Orientation and curvature of columnar graphite electrodes)
FIG. 5 is a cross-sectional SEM image of the flattened columnar negative electrode. FIG. 6 is a result of the bending test of the columnar negative electrode. Table 1 also summarizes the measured values of the short side and long side, and the results of the bending test. Table 1 shows the average values measured by arbitrarily selecting 10 negative electrodes. As shown in Table 1 and FIG. 5, it was found that in the columnar graphite electrode flattened by compaction treatment, the flake graphite particles are oriented along the long side direction. The highest compaction level C showed an aspect ratio of 3 or more. Also, as shown in Table 1 and FIG. 6, it was found that when the aspect ratio b/a is 3 or more, bending does not cause breakage, and flexibility can be imparted.

図7は、実験例1~3の柱状黒鉛電極のXRD測定結果であり、図7Aが全体図、図7Bが002回折ピーク、図7Cが110回折ピークである。図8は、アスペクト比に対する002/110回折ピーク強度比の関係図である。表1には、回折ピーク強度とその比を示した。表1、図7、8に示すように、アスペクト比b/aが大きくなると、002回折ピーク強度が大きくなり、110回折ピークが小さくなる傾向を示し、その結果、002/110回折ピーク強度比が大きくなる、すなわち、配向度が高くなることがわかった。この002/110回折ピーク強度比は、300以上が好ましく、500以上がより好ましく、1000以上が更に好ましく、1500以上が最も好ましいものと推察された。 Figure 7 shows the results of XRD measurements of the columnar graphite electrodes of Experimental Examples 1 to 3, with Figure 7A showing an overall view, Figure 7B showing the 002 diffraction peak, and Figure 7C showing the 110 diffraction peak. Figure 8 shows the relationship between the aspect ratio and the 002/110 diffraction peak intensity ratio. Table 1 shows the diffraction peak intensities and their ratios. As shown in Table 1 and Figures 7 and 8, as the aspect ratio b/a increases, the 002 diffraction peak intensity tends to increase and the 110 diffraction peak tends to decrease, resulting in a larger 002/110 diffraction peak intensity ratio, i.e., a higher degree of orientation. It was inferred that the 002/110 diffraction peak intensity ratio is preferably 300 or more, more preferably 500 or more, even more preferably 1000 or more, and most preferably 1500 or more.

Figure 0007484871000001
Figure 0007484871000001

(試験セルの電池特性評価結果)
図9は、対向配置構造及び平行配置構造の説明図及び電池特性測定結果であり、図9Aが電池構造の説明図、図9Bが充放電曲線、図9Cがインピーダンス測定結果である。図9Aに示すように電極を異なる配置とした評価セルを評価した結果、対向配置構造では正負極対向面積が大きいのにも関わらず充放電容量が低かったのに対して、平行配置構造では設計値に近い充放電容量を示した。これは、負極において、配向した鱗片状黒鉛の面側からはリチウムイオンが挿入脱離できない一方、端部側からは挿入脱離しやすいという負極の構造に起因した結果であるものと推察された。特に、平行配置構造では、正極と負極との接触面積が小さいにもかかわらず、理論容量に近い容量を示したことから、レート特性についても良好であるものと推察された。また、インピーダンス測定結果においても、平行配置構造では、高周波数側の電子抵抗および低周波数側の電荷移動抵抗が対向配置構造に比べて大幅に低減することが明らかとなった。これも、平行配置構造では、正極-負極の間でのイオンの移動が円滑に行うことができるためであると推察された。
(Test cell battery characteristic evaluation results)
FIG. 9 is an explanatory diagram of the facing arrangement structure and the parallel arrangement structure, and the battery characteristic measurement results, FIG. 9A is an explanatory diagram of the battery structure, FIG. 9B is a charge/discharge curve, and FIG. 9C is an impedance measurement result. As a result of evaluating the evaluation cell in which the electrodes were arranged differently as shown in FIG. 9A, the facing arrangement structure had a low charge/discharge capacity despite the large positive and negative electrode facing area, whereas the parallel arrangement structure showed a charge/discharge capacity close to the design value. It was presumed that this was due to the structure of the negative electrode in which lithium ions cannot be inserted and removed from the surface side of the oriented scale-like graphite in the negative electrode, while they are easily inserted and removed from the end side. In particular, in the parallel arrangement structure, despite the small contact area between the positive electrode and the negative electrode, a capacity close to the theoretical capacity was shown, and therefore it was presumed that the rate characteristics were also good. In addition, it was revealed from the impedance measurement results that in the parallel arrangement structure, the electronic resistance on the high frequency side and the charge transfer resistance on the low frequency side were significantly reduced compared to the facing arrangement structure. It was presumed that this is also because the parallel arrangement structure allows ions to be smoothly transferred between the positive electrode and the negative electrode.

(質量エネルギー密度)
図10は、実施例セル(図10A)、比較例セルの説明図(図10B)及び電池厚さに対する質量エネルギー密度の関係の検討結果である(図10C)。柱状黒鉛電極および正極自立膜を用いた実施例セルと従来の対向構造の比較例セルについて、その電池構造体の厚さによる質量エネルギー密度の変化を試算した結果、電池構造の厚さが400μm以下、更には200μm以下、特に、厚さ100μm以下では顕著に質量エネルギー密度が高いことがわかった。実施例セルでは、厚さが200μm以下の小容量セルの場合、従来の電極対向構造では、集電箔の寄与が大きくなるために電池の質量エネルギー密度が大幅に低下するが、実施例セルの構造では質量エネルギー密度の低下を大幅に抑制することが可能であることがわかった。本実施例のセルでは、セル全体に柔軟性を有し、且つ集電体を省略可能であるため、軽量、薄型の電池構造とすることができ、例えば、比較的低レートで高容量を要しないウエラブル電池などの用途に有望であると推察された。
(Mass Energy Density)
FIG. 10 shows an example cell (FIG. 10A), an explanatory diagram of a comparative example cell (FIG. 10B), and the results of a study on the relationship between mass energy density and battery thickness (FIG. 10C). As a result of calculating the change in mass energy density depending on the thickness of the battery structure for the example cell using a columnar graphite electrode and a positive electrode freestanding film and the comparative example cell with a conventional facing structure, it was found that the mass energy density is significantly high when the thickness of the battery structure is 400 μm or less, further 200 μm or less, and particularly when the thickness is 100 μm or less. In the example cell, in the case of a small capacity cell with a thickness of 200 μm or less, in the conventional electrode facing structure, the contribution of the current collecting foil is large, so that the mass energy density of the battery is significantly reduced, but it was found that the structure of the example cell can significantly suppress the decrease in mass energy density. In the cell of this example, the entire cell has flexibility and the current collector can be omitted, so that a lightweight and thin battery structure can be obtained, and it was inferred that it is promising for applications such as wearable batteries that do not require high capacity at a relatively low rate.

Figure 0007484871000002
Figure 0007484871000002

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-described embodiments, and may be implemented in a variety of ways as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

10,10A,10B 蓄電デバイス、11 正極、12 セパレータ、13 負極、21 第1面、22 第2面、23 端面、24 短辺、25 長辺、26 正極活物質、27 導電材、31 第1面、32 第2面、33 端面、34 短辺、35 長辺、36 負極活物質、a 短辺、b 長辺、x 厚さ。 10, 10A, 10B: Electric storage device, 11: Positive electrode, 12: Separator, 13: Negative electrode, 21: First surface, 22: Second surface, 23: End surface, 24: Short side, 25: Long side, 26: Positive electrode active material, 27: Conductive material, 31: First surface, 32: Second surface, 33: End surface, 34: Short side, 35: Long side, 36: Negative electrode active material, a: Short side, b: Long side, x: Thickness.

Claims (6)

長辺を含む第1面と交差する方向に該長辺より短い短辺を含む端面を有し正極活物質を含む正極と、
少なくとも前記正極の端面に隣接したセパレータと、
長辺を含む第1面と交差する方向に該長辺より短い短辺を含む端面を有し前記第1面に沿った所定の配向方向に配向した炭素材料を負極活物質として含み該端面で前記セパレータを介して前記正極の端面と対向している負極と、を備え
前記負極は、前記短辺aと前記正極との並び方向に沿った長辺bとのアスペクト比b/aの平均値が3以上であり、
前記正極は、自立膜であり、前記正極活物質のほかに膨張黒鉛粒子を含む、蓄電デバイス。
a positive electrode having an end face including a short side shorter than the long side in a direction intersecting with a first surface including the long side, the positive electrode including a positive electrode active material;
a separator adjacent to at least an end surface of the positive electrode;
a negative electrode having an end face including a short side shorter than the long side in a direction intersecting a first surface including a long side, the negative electrode including a carbon material oriented in a predetermined orientation direction along the first surface as a negative electrode active material , the end face facing an end face of the positive electrode via the separator ,
The negative electrode has an average aspect ratio b/a of the short side a to the long side b along the arrangement direction of the positive electrode of 3 or more,
The positive electrode is a free-standing film and contains expanded graphite particles in addition to the positive electrode active material .
前記負極は、前記負極活物質として鱗片状黒鉛を含む、請求項1に記載の蓄電デバイス。 The power storage device according to claim 1 , wherein the negative electrode contains flake graphite as the negative electrode active material. 前記正極及び前記負極は、厚さが200μm以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス。 The power storage device according to claim 1 , wherein the positive electrode and the negative electrode have a thickness of 200 μm or less. 前記セパレータは、前記正極の第1面と前記正極及び前記負極の端面と前記負極の前記第1面の反対側の第2面とに連続して隣接している、請求項1~のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。 The power storage device according to any one of claims 1 to 3, wherein the separator is continuously adjacent to a first surface of the positive electrode, end faces of the positive electrode and the negative electrode, and a second surface of the negative electrode opposite to the first surface. 前記蓄電デバイスは、湾曲可能である柔軟な構造を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。The power storage device according to any one of claims 1 to 4, wherein the power storage device has a flexible structure that is bendable. 前記蓄電デバイスは、前記正極、前記負極および前記セパレータに接触して支持する支持部材を備えない、請求項1~5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。The power storage device according to any one of claims 1 to 5, wherein the power storage device does not include a support member that contacts and supports the positive electrode, the negative electrode, and the separator.
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