JPWO2019111981A1 - 電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
[R1−O−SO3]−
で表されるアニオンである。R1としては、炭素数1〜5のアルキル基が好ましい。より好ましくは、アニオンは、CH3OSO3 −、C2H5OSO3 −、および、C3H8OSO3 −よりなる群から選択される少なくともいずれか1つを含むとよい。
[POxFy]5−2x−y
で表されるアニオン(ただし、x、yはそれぞれx≧1、y≧1を満たす整数)である。Pの周囲を、OまたはFが、最大で6配位まで結合することができる。したがって、x+y≦6が好ましい。このとき、P、O、Fのイオン価数をそれぞれ+5、−2、−1として、フルオロリン酸アニオン全体のイオン価数は5−2x−yとなる。フルオロリン酸アニオン全体のイオン価数は、−1〜−3価であることが好ましい。したがって、1≦2x+y−5≦3であることが好ましい。
第1カチオンは、好ましくはアルカリ金属イオンであり、より好ましくは、リチウムイオンである。
第1塩が、アルキル硫酸エステルアニオンのリチウム塩、フルオロリン酸アニオンのリチウム塩、および、二座配位子含有錯体アニオンのリチウム塩から選択される2種以上を含む場合、第1塩の含有量が電解液の全量に対して4質量%を超えない範囲で、各リチウム塩の含有量が、電解液の全量に対して上記範囲を満たすことがより好ましい。
以下、本発明に係る電気化学デバイスの構成について、図面を参照しながら、より詳細に説明する。
正極集電体には、例えば、シート状の金属材料が用いられる。シート状の金属材料としては、例えば、金属箔、金属多孔体、パンチングメタル、エキスパンデッドメタル、エッチングメタルなどが用いられる。正極集電体111の材質としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタンなどを用いることができ、好ましくは、アルミニウム、アルミニウム合金が用いられる。正極集電体の厚みは、例えば、10〜100μmである。
活性層113は、導電性高分子を含む。本実施形態において、導電性高分子は、ポリアニリン類を含む。活性層113は、例えば、正極集電体111を、導電性高分子の原料モノマー(即ち、アニリン)を含む反応液に浸漬し、正極集電体111の存在下で原料モノマーを電解重合することにより形成される。このとき、正極集電体111をアノードとして電解重合を行うことにより、導電性高分子を含む活性層113は、カーボン層112の表面を覆うように形成される。活性層113の厚みは、例えば、電解の電流密度や重合時間を適宜変えることで容易に制御することができる。活性層113の厚みは、例えば、10〜300μmである。ポリアニリンの重量平均分子量は、特に限定されないが、例えば1000〜100000である。
負極は、例えば負極集電体と負極材料層とを有する。
負極集電体には、例えば、シート状の金属材料が用いられる。シート状の金属材料としては、例えば、金属箔、金属多孔体、パンチングメタル、エキスパンデッドメタル、エッチングメタルなどが用いられる。負極集電体の材質としては、例えば、銅、銅合金、ニッケル、ステンレス鋼などを用いることができる。
セパレータとしては、セルロース繊維製の不織布、ガラス繊維製の不織布、ポリオレフィン製の微多孔膜、織布、不織布などが好ましく用いられる。セパレータの厚みは、例えば10〜300μmであり、10〜40μmが好ましい。
電極群は、非水電解液を含むことが好ましい。
非水電解液は、第1カチオンと第1アニオンの第1塩と、第2カチオンと第2アニオンの第2塩と、上記第1塩および第2塩を溶解させる非水溶媒とを含む。このとき、第2アニオンは、正極へのドープと脱ドープとを、可逆的に繰り返すことが可能である。第2カチオンは、可逆的に負極に吸蔵および放出されることが可能である。第2カチオンは、リチウムイオンであることが好ましい。第1アニオンは、上述の化学式(1)〜(8)で表されるものを用いることができる。第1カチオンは、リチウムイオンであることが好ましい。即ち、第1塩および第2塩は、どちらもリチウム塩であることがより好ましい。
以下、本発明の電気化学デバイスの製造方法の一例について、図2および3を参照しながら説明する。ただし、本発明の電気化学デバイスの製造方法はこれに限定されるものではない。
以下、実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
(1)正極の作製
厚さ30μmのアルミニウム箔を正極集電体として準備した。一方、アニリンおよび硫酸を含むアニリン水溶液を準備した。
厚さ20μmの銅箔を負極集電体として準備した。一方、ハードカーボン97質量部、カルボキシセルロース1質量部、および、スチレンブタジエンゴム2質量部とを混合した混合粉末と水とを重量比で40:60の割合で混錬した負極合剤ペーストを調製した。負極合剤ペーストを負極集電体の両面に塗布し、乾燥して、厚さ35μmの負極材料層を両面に有する負極を得た。次に、負極材料層に、プレドープ完了後の電解液中での負極電位が金属リチウムに対して0.2V以下となるように計算された分量の金属リチウム箔を貼り付けた。
正極と負極にそれぞれリードタブを接続した後、図3に示すように、セルロース製不織布のセパレータ(厚さ35μm)と、正極、負極とを、それぞれ、交互に重ね合わせた積層体を巻回して、電極群を形成した。
プロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比1:1の混合物に、ビニレンカーボネートを0.2質量%添加して、溶媒を調製した。得られた溶媒にリチウム塩(第2塩)としてLiPF6を所定濃度で溶解させて、第2アニオンとしてヘキサフルオロ燐酸イオン(PF6 −)を有する非水電解液を調製した。
開口を有する有底の容器に、電極群と非水電解液とを収容し、図2に示すような電気化学デバイスを組み立てた。その後、正極と負極との端子間に3.8Vの充電電圧を印加しながら25℃で24時間エージングし、リチウムイオンの負極へのプレドープを進行させた。このようにして、非水電解液の組成が異なる電気化学デバイスA1〜A37を作成した。
第1塩を非水電解液に添加していないこと以外は、電気化学デバイスA1と同様にして電気化学デバイスB1を作製した。
(1)内部抵抗(DCR)
電気化学デバイスを3.6Vの電圧で充電した後、所定時間放電した際の電圧降下量から、初期の内部抵抗(初期DCR)を求め、電気化学デバイスB1の初期内部抵抗を100とした相対値で表した。評価結果を表2に示す。
電気化学デバイスを、60℃、3.6Vの条件で1000時間連続充電したときの抵抗値を測定し、連続充電前(初期)の抵抗値に対する変化率を算出した。変化率は、(1000時間充電後の抵抗値/初期の抵抗値)×100により求めた。抵抗値の変化率が小さいほど、フロート特性の低下は抑制される。評価結果を表2に示す。
電気化学デバイスを、60℃、3.6Vの条件で1000時間連続充電したときの有底容器の寸法(図2における容器101の筒部および上底部の最大外径)をノギスで測定し、連続充電前(初期)の容器の寸法に対する増加率(膨張率)を算出した。膨張率は、(1000時間充電後の容器の寸法/初期の容器の寸法)×100(%)により求めた。フロート特性の劣化が大きいほどガス発生が多く膨張率が大きくなる。評価結果を表3および表4に示す。
11:正極
111:正極集電体
112:カーボン層
113:活性層
12:負極
13:セパレータ
14:巻止めテープ
100:電気化学デバイス
101:容器
102:封口体
103:座板
104A、104B:リード線
105A、105B:リードタブ
Claims (12)
- 正極活物質を含む正極と、
負極活物質を含む負極と、
電解液と、を備え、
前記正極活物質は、ポリアニリン類を含み、
前記電解液は、カチオンと、アニオンと、を含み、
前記カチオンが、少なくともリチウムイオンを含み、
前記アニオンが、少なくともアルキル硫酸エステルアニオン、フルオロリン酸アニオン、および、二座配位子含有錯体アニオンよりなる群から選択される少なくとも1つを含む、電気化学デバイス。 - 前記アルキル硫酸エステルアニオンが、下記化学式(1):
[R1−O−SO3]−
で表されるアニオン(ただし、R1は炭素数1〜5のアルキル基)を含む、請求項1に記載の電気化学デバイス。 - 前記アルキル硫酸エステルアニオンが、CH3OSO3 −、C2H5OSO3 −、および、C3H8OSO3 −よりなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項2に記載の電気化学デバイス。
- 前記フルオロリン酸アニオンが、下記化学式(2):
[POxFy]5−2x−y
で表されるアニオン(ただし、x、yはそれぞれx≧1、y≧1を満たす整数であり、x+y≦6、1≦2x+y−5≦3を満たす)を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。 - 前記フルオロリン酸アニオンが、PO2F2 −、および、PO3F2 −よりなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項4に記載の電気化学デバイス。
- 前記正極活物質または前記電解液中に、SO4 2−が、前記ポリアニリン類の質量に対して1000ppm以下の割合で含まれている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 前記電解液は、前記リチウムイオンと前記アニオンとの第1塩、および、前記第1塩と異なる第2塩を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 前記第2塩が、六フッ化リン酸リチウムを含む、請求項9に記載の電気化学デバイス。
- 前記第1塩が、前記電解液の全量に対して0.01〜4質量%含まれている、請求項9または10に記載の電気化学デバイス。
- 前記第1塩として、前記アルキル硫酸エステルアニオンと前記リチウムイオンの塩、前記フルオロリン酸アニオンと前記リチウムイオンの塩、および、前記二座配位子含有錯体アニオンと前記リチウムイオンの塩よりなる群から選択される少なくとも1つが、前記電解液の全量に対して0.01〜2質量%含まれている、請求項9〜11のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
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