JPWO2019188758A1 - Electrochemical devices and their manufacturing methods - Google Patents
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Abstract
本発明は、電気化学デバイスは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、を備える。正極は、正極集電体と、正極集電体上の活性層と、を備える。活性層は、導電性高分子を含む。正極集電体と、活性層との間には、シラン化合物が存在している。In the present invention, the electrochemical device includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode includes a positive electrode current collector and an active layer on the positive electrode current collector. The active layer contains a conductive polymer. A silane compound is present between the positive electrode current collector and the active layer.
Description
本発明は、導電性高分子を含む活性層を備える電気化学デバイスおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical device including an active layer containing a conductive polymer and a method for producing the same.
近年、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの中間的な性能を有する電気化学デバイスが注目を集めており、例えば導電性高分子を正極材料として用いることが検討されている(例えば、特許文献1)。正極材料として導電性高分子を含む電気化学デバイスは、アニオンの吸着(ドープ)と脱離(脱ドープ)により充放電を行うため、反応抵抗が小さく、一般的なリチウムイオン二次電池に比べると高い出力を有している。 In recent years, electrochemical devices having intermediate performance between a lithium ion secondary battery and an electric double layer capacitor have been attracting attention, and for example, the use of a conductive polymer as a positive electrode material has been studied (for example, patent documents). 1). An electrochemical device containing a conductive polymer as a positive electrode material is charged and discharged by adsorption (doping) and desorption (dedoping) of anions, so that the reaction resistance is small and compared with a general lithium ion secondary battery. It has a high output.
電気化学デバイスの正極の作製過程では、活性層に不純物が混入することがある。不純物が混入すると、充電時のアニオンのドープが阻害されることがあり、容量が低下する。 Impurities may be mixed in the active layer in the process of manufacturing the positive electrode of the electrochemical device. Impurities can interfere with anion doping during charging, reducing capacity.
本発明の一局面は、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、を備え、前記正極は、正極集電体と、正極集電体上の活性層と、を備え、前記活性層は、導電性高分子を含み、前記正極集電体と、前記活性層との間には、シラン化合物が存在している、電気化学デバイスに関する。 One aspect of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode includes a positive electrode current collector and an active layer on the positive electrode current collector. The present invention relates to an electrochemical device, wherein the active layer contains a conductive polymer, and a silane compound is present between the positive electrode current collector and the active layer.
本発明の他の局面は、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、を備える電気化学デバイスの製造方法であって、前記正極を得るステップと、前記正極と、前記セパレータと、前記負極と、を積層するステップと、を備え、前記正極を得るステップは、正極集電体上に導電性高分子を含む活性層を形成するステップと、前記正極集電体と前記活性層との間にシラン化合物を付与するステップと、を備える電気化学デバイスの製造方法に関する。 Another aspect of the present invention is a method for manufacturing an electrochemical device including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the step of obtaining the positive electrode, the positive electrode, and the positive electrode are used. The step of laminating the separator and the negative electrode is provided, and the step of obtaining the positive electrode includes a step of forming an active layer containing a conductive polymer on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector. The present invention relates to a method for producing an electrochemical device, comprising a step of imparting a silane compound between the active layer and the active layer.
本発明の上記局面によれば、電気化学デバイスにおいて、正極の活性層への不純物の混入を抑制でき、容量の低下を抑制できる。 According to the above aspect of the present invention, in the electrochemical device, the mixing of impurities into the active layer of the positive electrode can be suppressed, and the decrease in capacity can be suppressed.
本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスは、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、を備える。正極は、正極集電体と、正極集電体上の活性層と、を備える。活性層は、導電性高分子を含む。正極集電体と、活性層との間には、シラン化合物が存在している。 An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode includes a positive electrode current collector and an active layer on the positive electrode current collector. The active layer contains a conductive polymer. A silane compound is present between the positive electrode current collector and the active layer.
電気化学デバイスの正極の作製過程で用いられる反応液や処理液には、アニオン性の成分が含まれていることがある。よって、導電性高分子を含む活性層にアニオン性成分などの不純物が混入することがある。不純物であるアニオン性の成分が導電性高分子に不可逆的にドープされると、充電時の導電性高分子へのアニオンの可逆的なドープが阻害される。その結果、電気化学デバイスの容量が低下する。例えば、アニオン性の成分が、正極集電体などの、活性層の下地となる正極の構成要素(以下、下地層とも言う)に残存すると、活性層が形成される際に活性層に不純物として混入し、導電性高分子に不可逆的にドープされることになる。アニオン性の成分は、例えば、活性層を形成する際に使用される電解重合用の反応液(電解液)に、硫酸イオンとして含まれている。また、化学重合の反応液やその他の処理液などには、中和剤や酸化剤などとして、硫酸イオンなどのアニオン性の成分が含まれることがある。これらの反応液や処理液が正極集電体などの下地層に接触すると、アニオン性の成分が下地層に付着して保持された状態となり、活性層が形成される間もしくは形成後に活性層に混入し易くなる。 Reaction solutions and treatment solutions used in the process of producing positive electrodes for electrochemical devices may contain anionic components. Therefore, impurities such as anionic components may be mixed in the active layer containing the conductive polymer. When the anionic component, which is an impurity, is irreversibly doped into the conductive polymer, the reversible doping of the anion into the conductive polymer during charging is hindered. As a result, the capacity of the electrochemical device is reduced. For example, if an anionic component remains in a component of a positive electrode (hereinafter, also referred to as a base layer) that is a base of an active layer, such as a positive electrode current collector, the active layer is formed as an impurity when the active layer is formed. It will be mixed and irreversibly doped into the conductive polymer. The anionic component is contained as a sulfate ion in, for example, a reaction solution (electrolytic solution) for electrolytic polymerization used when forming an active layer. In addition, the reaction solution for chemical polymerization and other treatment solutions may contain anionic components such as sulfate ions as neutralizing agents and oxidizing agents. When these reaction liquids and treatment liquids come into contact with the base layer such as the positive electrode current collector, the anionic component adheres to and is retained in the base layer, and becomes the active layer during or after the active layer is formed. It becomes easy to mix.
本発明の上記実施形態によれば、正極集電体と活性層との間にシラン化合物を存在させる。シラン化合物により、活性層の下地層が疎水化されるため、正極の作製過程で下地層にアニオン性の成分などの不純物(親水性の不純物など)が付着しても、下地層およびその近傍に留まり難い(つまり、残存し難い)。よって、活性層が形成される間もしくは形成後に、不純物が活性層に混入することが抑制される。活性層への不純物の混入が抑制されることで、充放電反応を担うアニオンのドープおよび脱ドープが阻害されることが抑制されるため、電気化学デバイスの容量の低下を抑制できる。 According to the above embodiment of the present invention, a silane compound is present between the positive electrode current collector and the active layer. Since the underlying layer of the active layer is hydrophobized by the silane compound, even if impurities such as anionic components (hydrophilic impurities, etc.) adhere to the underlying layer in the process of producing the positive electrode, the underlying layer and its vicinity are present. Hard to stay (that is, hard to survive). Therefore, impurities are suppressed from being mixed into the active layer during or after the active layer is formed. By suppressing the mixing of impurities into the active layer, it is possible to suppress the inhibition of doping and dedoping of the anions responsible for the charge / discharge reaction, so that it is possible to suppress a decrease in the capacity of the electrochemical device.
正極集電体の表面は、親水化処理されていることも多く、アニオン性の成分などの親水性の不純物が残存し易い。そのため、シラン化合物を、正極集電体の表面に存在させると、不純物の残存をより効果的に抑制することができ、活性層への不純物の混入を抑制する効果が高まる。 The surface of the positive electrode current collector is often hydrophilized, and hydrophilic impurities such as anionic components tend to remain. Therefore, when the silane compound is present on the surface of the positive electrode current collector, the residual impurities can be suppressed more effectively, and the effect of suppressing the mixing of impurities into the active layer is enhanced.
正極集電体は、一般に、金属材料により構成されているため、その表面には、酸化被膜が形成され易く、この酸化被膜は抵抗成分となる。そのため、正極において、正極集電体と活性層との間にカーボン層を介在させると、正極集電体表面の抵抗や、正極集電体と活性層との間の抵抗が増加することを抑制できる。また、電解重合や化学重合では、カーボン層を設けることで、導電性高分子を含む活性層を形成し易くなる。本発明の上記実施形態において、正極がカーボン層を有する場合、シラン化合物は、カーボン層と正極集電体との間、カーボン層と活性層との間、およびカーボン層内からなる群より選択される少なくとも一箇所に存在していることが好ましい。シラン化合物をこのような位置に存在させると、活性層の下地層を疎水化することができるため、下地層における不純物の残存を抑制することができる。カーボン層では、カーボン層自体が不均一であることも多く、ピンホールが形成されることがあるが、このような場合でも、上記の位置にシラン化合物を存在させることで、下地層に不純物が残存することを抑制できる。よって、活性層への不純物の混入を抑制することができる。なお、シラン化合物は微細な凹凸の表面にも付着させることができるため、カーボン層にピンホールが形成されている場合には、ピンホールの内壁にシラン化合物を存在させることもできる。 Since the positive electrode current collector is generally made of a metal material, an oxide film is likely to be formed on the surface of the positive electrode current collector, and this oxide film serves as a resistance component. Therefore, in the positive electrode, if a carbon layer is interposed between the positive electrode current collector and the active layer, the resistance on the surface of the positive electrode current collector and the resistance between the positive electrode current collector and the active layer are suppressed from increasing. it can. Further, in electrolytic polymerization or chemical polymerization, by providing the carbon layer, it becomes easy to form an active layer containing a conductive polymer. In the above embodiment of the present invention, when the positive electrode has a carbon layer, the silane compound is selected from the group consisting of between the carbon layer and the positive electrode current collector, between the carbon layer and the active layer, and within the carbon layer. It is preferable that it exists in at least one place. When the silane compound is present at such a position, the underlying layer of the active layer can be made hydrophobic, so that the residual impurities in the underlying layer can be suppressed. In the carbon layer, the carbon layer itself is often non-uniform, and pinholes may be formed. Even in such a case, by allowing the silane compound to exist at the above position, impurities are added to the underlying layer. It can be suppressed from remaining. Therefore, it is possible to suppress the mixing of impurities into the active layer. Since the silane compound can be attached to the surface of fine irregularities, the silane compound can also be present on the inner wall of the pinhole when the pinhole is formed in the carbon layer.
なお、本明細書中、活性層の下地層や下地となる部分といった表現を用いる場合がある。正極がカーボン層を含まない場合、活性層の下地層としては、例えば、正極集電体が挙げられる。この場合、例えば、正極集電体の表面(正極集電体と活性層との間も含む)が、活性層の下地となる部分である。また、正極がカーボン層を含む場合、活性層の下地層としては、例えば、正極集電体、およびカーボン層が挙げられる。この場合、例えば、正極集電体の表面(正極集電体とカーボン層との間も含む)、カーボン層の表面(カーボン層の正極集電体側の表面、カーボン層のピンホールの内壁、カーボン層と活性層との間も含む)、およびカーボン層の内部などが、活性層の下地となる部分である。 In addition, in this specification, an expression such as a base layer of an active layer or a portion serving as a base may be used. When the positive electrode does not contain a carbon layer, examples of the base layer of the active layer include a positive electrode current collector. In this case, for example, the surface of the positive electrode current collector (including between the positive electrode current collector and the active layer) is a portion that serves as a base for the active layer. When the positive electrode contains a carbon layer, examples of the base layer of the active layer include a positive electrode current collector and a carbon layer. In this case, for example, the surface of the positive electrode current collector (including between the positive electrode current collector and the carbon layer), the surface of the carbon layer (the surface of the carbon layer on the positive electrode current collector side, the inner wall of the pinhole of the carbon layer, carbon). (Including between the layer and the active layer) and the inside of the carbon layer are the base parts of the active layer.
本実施形態に係る電気化学デバイスは、正極を得るステップと、正極と、セパレータと、負極と、を積層するステップと、を備える製造方法により製造できる。ここで、正極を得るステップは、正極集電体上に導電性高分子を含む活性層を形成するステップと、正極集電体と活性層との間にシラン化合物を付与するステップと、を備えている。シラン化合物を付与することにより活性層の下地層を疎水化する。これにより、下地層およびその近傍における不純物の残留を抑制することができ、活性層への不純物の混入を抑制できる。よって、容量の低下が抑制された電気化学デバイスを得ることができる。なお、シラン化合物を付与するステップは、活性層を形成する前に行われる。シラン化合物を付与するステップでは、活性層を形成した後に、活性層と正極集電体との間にシラン化合物が位置するように、シラン化合物が付与される。 The electrochemical device according to the present embodiment can be manufactured by a manufacturing method including a step of obtaining a positive electrode and a step of laminating a positive electrode, a separator, and a negative electrode. Here, the step of obtaining the positive electrode includes a step of forming an active layer containing a conductive polymer on the positive electrode current collector and a step of applying a silane compound between the positive electrode current collector and the active layer. ing. By adding a silane compound, the underlying layer of the active layer is made hydrophobic. As a result, the residual impurities in the base layer and its vicinity can be suppressed, and the mixing of impurities in the active layer can be suppressed. Therefore, it is possible to obtain an electrochemical device in which a decrease in capacity is suppressed. The step of applying the silane compound is performed before forming the active layer. In the step of applying the silane compound, after the active layer is formed, the silane compound is applied so that the silane compound is located between the active layer and the positive electrode current collector.
シラン化合物を付与するステップにおいて、シラン化合物は、例えば、正極集電体の表面に付与できる。この場合、アニオン性の成分などの親水性の不純物が残存し易い正極集電体の表面を疎水化することができるため、下地層における不純物の残存をより効果的に抑制できる。シラン化合物は、例えば、正極集電体の表面に接触させることにより付与できる。 In the step of applying the silane compound, the silane compound can be applied to the surface of the positive electrode current collector, for example. In this case, since the surface of the positive electrode current collector, in which hydrophilic impurities such as anionic components tend to remain, can be made hydrophobic, the residual impurities in the underlying layer can be suppressed more effectively. The silane compound can be applied, for example, by contacting the surface of the positive electrode current collector.
正極を得るステップは、正極集電体上にカーボン層を形成するステップと、カーボン層上に活性層を形成するステップと、を備えていてもよい。この場合、シラン化合物を付与するステップにおいて、シラン化合物は、カーボン層と正極集電体との間、カーボン層と活性層との間、およびカーボン層内からなる群より選択される少なくとも一箇所に付与されることが好ましい。この場合、正極がカーボン層を有する場合に、活性層の下地層を疎水化することができ、下地層における不純物の残存を抑制できる。カーボン層にピンホールが形成される場合でも、下地層における不純物の残存を抑制できる。 The step of obtaining the positive electrode may include a step of forming a carbon layer on the positive electrode current collector and a step of forming an active layer on the carbon layer. In this case, in the step of applying the silane compound, the silane compound is applied to at least one place selected from the group consisting of the carbon layer and the positive electrode current collector, the carbon layer and the active layer, and the inside of the carbon layer. It is preferably given. In this case, when the positive electrode has a carbon layer, the underlying layer of the active layer can be made hydrophobic, and the residual impurities in the underlying layer can be suppressed. Even when pinholes are formed in the carbon layer, the residual impurities in the underlying layer can be suppressed.
シラン化合物を付与するステップにおいて、シラン化合物は、正極集電体の表面およびカーボン層の表面の少なくとも一方にシラン化合物を接触させることで付与することができる。シラン化合物を接触させるという簡単な作業により下地層を疎水化することができ、下地層における不純物の残存を抑制することができる。 In the step of applying the silane compound, the silane compound can be applied by bringing the silane compound into contact with at least one of the surface of the positive electrode current collector and the surface of the carbon layer. The underlying layer can be made hydrophobic by a simple operation of bringing the silane compound into contact with each other, and the residual impurities in the underlying layer can be suppressed.
シラン化合物を付与するステップを、少なくともカーボン層を形成するステップにおいて実施してもよい。この場合、カーボン層は、シラン化合物を含むカーボンペーストを正極集電体の表面に塗布して塗膜を形成した後、塗膜を乾燥することにより形成することができる。カーボン層自体を疎水化することにより、不純物の残留を抑制できる。また、カーボン層を形成する際に、疎水化できるため、ステップ数が多くなることを抑制できる。 The step of applying the silane compound may be carried out at least in the step of forming the carbon layer. In this case, the carbon layer can be formed by applying a carbon paste containing a silane compound to the surface of the positive electrode current collector to form a coating film, and then drying the coating film. By making the carbon layer itself hydrophobic, the residual impurities can be suppressed. Further, when the carbon layer is formed, it can be made hydrophobic, so that it is possible to suppress an increase in the number of steps.
以下に、本実施形態に係る電気化学デバイスおよびその製造方法の構成について、適宜図面を参照しながら、より具体的に説明する。 Hereinafter, the configurations of the electrochemical device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described more specifically with reference to the drawings as appropriate.
[電気化学デバイス]
本実施形態に係る電気化学デバイスは、正極と、負極と、これらの間に介在するセパレータとを備えている。正極は、例えば、図1に示すように、正極集電体111と、正極集電体111上に、カーボン層112を介して形成された活性層113と、を備える。つまり、図示例では、正極(正極11)は、正極集電体111と、正極集電体111上に形成されたカーボン層112と、カーボン層112上に形成された活性層113とを備える。カーボン層112は導電性炭素材料を含み、活性層113は導電性高分子を含む。本実施形態では、正極11は、さらにシラン化合物114を含む。図示例では、シラン化合物114は、正極集電体111とカーボン層112との間(より具体的には、正極集電体111の表面)に存在している。図1では、シラン化合物114が層状に存在するように示したが、このような場合に限らず、シラン化合物114は、正極集電体111と活性層113との間に存在していれば、どのような形態で存在していてもよく、どの位置に存在していてもよい。シラン化合物114を正極集電体111と活性層113との間に存在させることで、アニオン性の成分などの不純物が活性層113の下地層となる正極集電体111およびカーボン層112、ならびにこれらの近傍に残留することが抑制される。よって、活性層113に不純物が混入されることが抑制される。[Electrochemical device]
The electrochemical device according to the present embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between them. As shown in FIG. 1, the positive electrode includes, for example, a positive electrode
図2は、本実施形態に係る電気化学デバイス100の断面模式図であり、図3は、同電気化学デバイス100が具備する素子10の一部を展開した概略図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
電気化学デバイス100は、素子10と、素子10を収容する容器101と、容器101の開口を塞ぐ封口体102と、封口体102から導出されるリード線104A、104Bと、各リード線と素子10の各電極とを接続するリードタブ105A、105Bと、を備える。容器101の開口端近傍は、内側に絞り加工されており、開口端は封口体102にかしめるようにカール加工されている。
(正極集電体)
正極集電体111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。The
(Positive current collector)
For the positive electrode
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。
As the material of the positive electrode
正極集電体111の厚みは、例えば、10μm〜100μmである。
(シラン化合物)
シラン化合物は、活性層113の下地となる部分に存在させればよい。つまり、シラン化合物は、正極集電体111と活性層113との間であれば、どの位置に存在させてもよい。シラン化合物は、例えば、正極集電体111の表面に配置させることができる。この場合、カーボン層を有さない正極では、シラン化合物は、正極集電体と正極集電体上に形成された活性層との間に配置され、カーボン層を有する場合には、図示例のように、正極集電体111と活性層113との間に配置される。また、これらの場合に限らず、正極がカーボン層を有する場合、シラン化合物114は、例えば、カーボン層112と活性層113との間に配置してもよく、カーボン層112内に含有させてもよい。また、これらを適宜組み合わせてもよい。例えば、正極集電体とカーボン層との間およびカーボン層と活性層との間の双方にシラン化合物を配置してもよく、正極集電体とカーボン層との間およびカーボン層内の双方にシラン化合物を配置してもよい。このように、活性層113を形成する際の下地となる部分にシラン化合物を存在させることで、下地となる部分に不純物が残存することが抑制されるため、残存した不純物が活性層113に混入することが抑制される。The thickness of the positive electrode
(Silane compound)
The silane compound may be present in the base portion of the
シラン化合物の配置状態は特に制限されない。シラン化合物は、例えば、正極内において層状(または膜状)に存在していてもよい。層状のシラン化合物は、図示例のように、正極集電体とカーボン層との間に限らず、カーボン層と活性層との間や、これらの双方であってもよい。シラン化合物は、必ずしも層状に分布させる必要はなく、分散または点在した状態で存在させてもよい。例えば、シラン化合物が、正極集電体の表面および/またはカーボン層の表面において点在していてもよく、カーボン層内に点在または分散していてもよい。あるいは、これらの組み合わせであってもよい。 The arrangement state of the silane compound is not particularly limited. The silane compound may be present in a layered state (or a film form) in the positive electrode, for example. As shown in the illustrated example, the layered silane compound is not limited to between the positive electrode current collector and the carbon layer, but may be between the carbon layer and the active layer, or both of them. The silane compound does not necessarily have to be distributed in layers, and may be present in a dispersed or interspersed state. For example, the silane compounds may be interspersed on the surface of the positive electrode current collector and / or the surface of the carbon layer, and may be interspersed or dispersed in the carbon layer. Alternatively, it may be a combination of these.
シラン化合物は、活性層113の下地層を疎水化でき、脱落し難いものであれば特に制限されない。シラン化合物としては、疎水性基を有するものが使用できる。また、シラン化合物は、脱落などを起こさないように、正極集電体111やカーボン層112に対して反応や相互作用を起こすような官能基を有することが好ましい。このような官能基としては、加水分解性基などが好ましい。
The silane compound is not particularly limited as long as it can hydrophobize the underlying layer of the
シラン化合物が有する疎水性基としては、疎水性の炭化水素基などが挙げられる。中でも、疎水性基としては、脂肪族炭化水素基が好ましい。脂肪族炭化水素基は、飽和または不飽和のいずれであってもよい。中でも、疎水性のアルキル基が好ましい。疎水性のアルキル基としては、炭素数6以上のアルキル基、例えば、ヘキシル、2−エチルヘキシル、オクチル、デシル、ドデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシル、ベヘニル基などが挙げられる。これらのアルキル基を有するシラン化合物は、疎水性を確保し易く、比較的安価で入手も容易であるため、有利である。アルキルの炭素数は、例えば、6〜26であり、6〜20または6〜16であってもよい。シラン化合物は、疎水性基を1つ有していてもよく、2個以上有していてもよい。シラン化合物が2個以上の疎水性基を有する場合には、疎水性基の種類は同じであってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。シラン化合物の疎水性基の個数は、1〜2個が好ましく、1個でも十分に効果を発揮することができる。 Examples of the hydrophobic group contained in the silane compound include a hydrophobic hydrocarbon group. Of these, an aliphatic hydrocarbon group is preferable as the hydrophobic group. The aliphatic hydrocarbon group may be saturated or unsaturated. Of these, a hydrophobic alkyl group is preferable. Examples of the hydrophobic alkyl group include alkyl groups having 6 or more carbon atoms, such as hexyl, 2-ethylhexyl, octyl, decyl, dodecyl, tetradecyl, hexadecyl, octadecyl, and behenyl groups. These silane compounds having an alkyl group are advantageous because they are easy to secure hydrophobicity, are relatively inexpensive, and are easily available. The alkyl has, for example, 6 to 26 carbon atoms and may be 6 to 20 or 6 to 16. The silane compound may have one hydrophobic group or two or more hydrophobic groups. When the silane compound has two or more hydrophobic groups, the types of the hydrophobic groups may be the same, or at least a part thereof may be different. The number of hydrophobic groups of the silane compound is preferably 1 to 2, and even one can sufficiently exert the effect.
シラン化合物が有する加水分解性基は、正極集電体111の表面や、カーボン層112中の無機成分(例えば、導電性炭素材料など)に対して、加水分解反応および縮合反応を起こすため、正極集電体111やカーボン層112にシラン化合物を保持させることができる。加水分解性基は、加水分解縮合性基と呼ばれることもある。加水分解性基としては、アルコキシ基が好ましい。アルコキシ基としては、メトキシ、エトキシ、n−プロポキシ、i−プロポキシ、n−ブトキシ、s−ブトキシ、t−ブトキシ基などが好ましい。シラン化合物は、加水分解性基を1つ有していてもよく、2つ以上有していてもよい。シラン化合物が2個以上の加水分解性基を有する場合には、加水分解性基の種類は同じであってもよく、少なくとも一部が異なっていてもよい。シラン化合物の加水分解性基の数は、1個以上であればよく、複数であることが好ましい。
The hydrolyzable group contained in the silane compound causes a hydrolysis reaction and a condensation reaction on the surface of the positive electrode
シラン化合物は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。シラン化合物は、Siの結合手の数に応じて、疎水性基と加水分解性とを有しており、さらにこれらの基以外の他の官能基を有していてもよい。疎水性基、加水分解性基、および他の官能基の合計数はSiの結合手の数、つまり4となる。このようなシラン化合物を用いれば、加水分解性基と正極集電体111の表面やカーボン層112の無機成分との反応や相互作用を利用して、活性層113の下地となる部分にシラン化合物を容易に導入することができるため、容易に疎水化することができる。
As the silane compound, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. The silane compound has a hydrophobic group and a hydrolyzable group depending on the number of Si bonds, and may further have a functional group other than these groups. The total number of hydrophobic groups, hydrolyzable groups, and other functional groups is the number of Si bonds, or 4. When such a silane compound is used, the reaction or interaction between the hydrolyzable group and the surface of the positive electrode
このように、シラン化合物が反応や相互作用等により、活性層の下地となる部分に導入される場合には、正極は、シラン化合物が正極集電体やカーボン層の無機成分と反応(または相互作用)した成分(シラン化合物に由来する成分と称する場合がある。)を含む。このように、シラン化合物に由来する成分が正極集電体と活性層との間に存在する場合も、シラン化合物が正極集電体と活性層との間に存在する場合に含まれるものとする。
(カーボン層)
カーボン層112は形成しなくてもよいが、カーボン層112を設けると、正極集電体111と活性層113との間の抵抗を低く抑えることができる。また、電解重合や化学重合により、活性層113を形成する場合には、活性層113の形成が容易になる。In this way, when the silane compound is introduced into the base portion of the active layer by a reaction or interaction, the silane compound reacts (or mutually) with the positive electrode current collector or the inorganic component of the carbon layer in the positive electrode. It contains a component (which may be referred to as a component derived from a silane compound) that has acted). As described above, even when the component derived from the silane compound is present between the positive electrode current collector and the active layer, it is assumed that the silane compound is contained between the positive electrode current collector and the active layer. ..
(Carbon layer)
The
カーボン層112は、導電性炭素材料を含む。カーボン層112は、導電性炭素材料に加え、高分子材料を含んでもよく、これらの成分に加え、シラン化合物114を含むことができる。
The
カーボン層112は、正極集電体111の表面に形成してもよく、シラン化合物114が付与された正極集電体111上に形成してもよい。例えば、図示例のようにシラン化合物114が層状に形成される場合には、シラン化合物114の層上にカーボン層112が形成される。
The
導電性炭素材料には、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンブラックなどを用いることができる。なかでも、カーボンブラックは、薄くて導電性に優れたカーボン層112が形成され易い点で好ましい。導電性炭素材料の平均粒径D1は特に限定されないが、例えば、3nm〜500nmであり、10nm〜100nmであることが好ましい。平均粒径とは、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求められる体積粒度分布におけるメディアン径(D50)である(以下、同じ)。なお、カーボンブラックの平均粒径D1は、走査型電子顕微鏡で観察することにより、算出してもよい。
As the conductive carbon material, graphite, hard carbon, soft carbon, carbon black or the like can be used. Of these, carbon black is preferable because it is easy to form a
高分子材料の材質は特に限定されないが、電気化学的に安定であり、耐酸性に優れる点で、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、水ガラス(珪酸ナトリウムのポリマー)等が好ましく用いられる。 The material of the polymer material is not particularly limited, but it is electrochemically stable and has excellent acid resistance. Therefore, fluororesin, acrylic resin, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), and water glass (sodium silicate) are used. Polymer) and the like are preferably used.
カーボン層112に含まれるシラン化合物114としては、上述のものが挙げられる。上述の化合物に由来する成分がシラン化合物114として、カーボン層112に含まれていてもよい。
Examples of the
カーボン層内にシラン化合物が含まれる場合、カーボン層に占めるシラン化合物の量は、例えば、0.01質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましい。シラン化合物の量がこのような範囲である場合、カーボン層の疎水性を確保し易い。カーボン層に占めるシラン化合物の量は、例えば、5質量%以下であり、2質量%以下であることが好ましい。シラン化合物の量がこのような範囲である場合、カーボン層の高い導電性を維持することができるため、電解重合等により活性層を形成し易く、正極集電体と活性層との間の高い密着性を確保し易い。これらの下限値と上限値とは、任意に組み合わせることができる。 When the silane compound is contained in the carbon layer, the amount of the silane compound in the carbon layer is, for example, 0.01% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more. When the amount of the silane compound is in such a range, it is easy to secure the hydrophobicity of the carbon layer. The amount of the silane compound in the carbon layer is, for example, 5% by mass or less, and preferably 2% by mass or less. When the amount of the silane compound is in such a range, the high conductivity of the carbon layer can be maintained, so that the active layer can be easily formed by electrolytic polymerization or the like, and the distance between the positive electrode current collector and the active layer is high. It is easy to secure adhesion. These lower limit values and upper limit values can be arbitrarily combined.
カーボン層内のシラン化合物の量は、例えば、カーボン層の断面のSi量をX線光電子分光分析装置(XPS)で測定することにより求めることができる。 The amount of the silane compound in the carbon layer can be determined, for example, by measuring the amount of Si in the cross section of the carbon layer with an X-ray photoelectron spectroscopy analyzer (XPS).
カーボン層112の厚さは、例えば1μm〜20μmである。
The thickness of the
正極中のシラン化合物の有無は、例えば、正極表面に存在するSiをXPSで分析することにより確認できる。 The presence or absence of the silane compound in the positive electrode can be confirmed, for example, by analyzing Si present on the surface of the positive electrode with XPS.
Siの定量や分析には、電気化学デバイスから取り出した正極を、水洗し、乾燥したものが使用される。
(活性層)
活性層113は、導電性高分子を含む。For the quantification and analysis of Si, a positive electrode taken out from an electrochemical device is washed with water and dried.
(Active layer)
The
導電性高分子としては、π共役系高分子が好ましい。π共役系高分子としては、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリチオフェンビニレン、ポリピリジン、または、これらの誘導体を用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the conductive polymer, a π-conjugated polymer is preferable. As the π-conjugated polymer, for example, polypyrrole, polythiophene, polyfuran, polyaniline, polythiophene vinylene, polypyridine, or derivatives thereof can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
導電性高分子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。なお、重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィにより測定されるポリスチレン換算の重量平均分子量である。 The weight average molecular weight of the conductive polymer is not particularly limited, but is, for example, 1000 to 100,000. The weight average molecular weight is a polystyrene-equivalent weight average molecular weight measured by gel permeation chromatography.
なお、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリチオフェンビニレン、ポリピリジンの誘導体とは、それぞれ、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリチオフェンビニレン、ポリピリジンを基本骨格とする高分子を意味する。例えば、ポリチオフェン誘導体には、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)などが含まれる。 The derivatives of polypyrrole, polythiophene, polyfuran, polyaniline, polythiophene vinylene, and polypyridine mean polymers having polypyrrole, polythiophene, polyfuran, polyaniline, polythiophene vinylene, and polypyridine as basic skeletons, respectively. For example, polythiophene derivatives include poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and the like.
導電性高分子は、ドーパントが導入されていてもよい。ドーパントとしては、硫酸イオン、硝酸イオン、燐酸イオン、硼酸イオン、ベンゼンスルホン酸イオン、ナフタレンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、メタンスルホン酸イオン(CF3SO3 −)、過塩素酸イオン(ClO4 −)、テトラフルオロ硼酸イオン(BF4 −)、ヘキサフルオロ燐酸イオン(PF6 −)、フルオロ硫酸イオン(FSO3 −)、ビス(フルオロスルホニル)イミドイオン(N(FSO2)2 −)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン(N(CF3SO2)2 −)などが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。Dopants may be introduced into the conductive polymer. The dopant, sulfate ion, nitrate ion, phosphate ion, borate ion, benzenesulfonate ion, naphthalenesulfonate ion, toluenesulfonate ion, methanesulfonate ion (CF 3 SO 3 -), perchlorate ion (ClO 4 -), tetrafluoroborate ion (BF 4 -), hexafluorophosphate ion (PF 6 -), fluorosulfonic acid ion (FSO 3 -), bis (fluorosulfonyl) imide ion (N (FSO 2) 2 -), bis ( Examples thereof include trifluoromethanesulfonyl) imide ion (N (CF 3 SO 2 ) 2 − ). These may be used alone or in combination of two or more.
ドーパントは、高分子イオンであってもよい。高分子イオンとしては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリルスルホン酸、ポリメタクリルスルホン酸、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)、ポリイソプレンスルホン酸、ポリアクリル酸などのイオンが挙げられる。これらは単独重合体であってもよく、2種以上のモノマーの共重合体であってもよい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The dopant may be a polymer ion. Examples of high molecular weight ions include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyallyl sulfonic acid, polyacrylic sulfonic acid, polymethacrylsulfonic acid, poly (2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid), polyisoprenesulfonic acid, and polyacrylic. Examples include ions such as acid. These may be homopolymers or copolymers of two or more kinds of monomers. These may be used alone or in combination of two or more.
活性層113の厚みは、正極集電体111の片面につき、例えば、10μm〜300μmである。
(負極)
負極12は、例えば負極集電体と負極材料層とを有する。The thickness of the
(Negative electrode)
The
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。 For the negative electrode current collector, for example, a sheet-shaped metal material is used. As the sheet-shaped metal material, for example, a metal foil, a metal porous body, a punching metal, an expanded metal, an etching metal, or the like is used. As the material of the negative electrode current collector, for example, copper, copper alloy, nickel, stainless steel or the like can be used.
負極集電体の厚みは、例えば、5μm〜100μmである。 The thickness of the negative electrode current collector is, for example, 5 μm to 100 μm.
負極材料層は、負極活物質として、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する材料を備えることが好ましい。このような材料としては、炭素材料、金属化合物、合金、セラミックス材料などが挙げられる。炭素材料としては、黒鉛、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)が好ましく、特に黒鉛やハードカーボンが好ましい。金属化合物としては、ケイ素酸化物、錫酸化物などが挙げられる。合金としては、ケイ素合金、錫合金などが挙げられる。セラミックス材料としては、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウムなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、炭素材料は、負極12の電位を低くすることができる点で好ましい。
The negative electrode material layer preferably includes, as the negative electrode active material, a material that electrochemically occludes and releases lithium ions. Examples of such materials include carbon materials, metal compounds, alloys, ceramic materials and the like. As the carbon material, graphite, non-graphitized carbon (hard carbon), and easily graphitized carbon (soft carbon) are preferable, and graphite and hard carbon are particularly preferable. Examples of the metal compound include silicon oxide and tin oxide. Examples of the alloy include a silicon alloy and a tin alloy. Examples of the ceramic material include lithium titanate and lithium manganate. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, the carbon material is preferable in that the potential of the
負極材料層には、負極活物質の他に、導電剤、結着剤などを含ませることが望ましい。導電剤としては、カーボンブラック、炭素繊維などが挙げられる。結着剤としては、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ゴム材料、セルロース誘導体などが挙げられる。フッ素樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、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などが挙げられる。アクリル樹脂としては、ポリアクリル酸、アクリル酸−メタクリル酸共重合体などが挙げられる。ゴム材料としては、スチレンブタジエンゴムが挙げられ、セルロース誘導体としてはカルボキシメチルセルロースが挙げられる。 It is desirable that the negative electrode material layer contains a conductive agent, a binder, or the like in addition to the negative electrode active material. Examples of the conductive agent include carbon black and carbon fiber. Examples of the binder include fluororesin, acrylic resin, rubber material, cellulose derivative and the like. Examples of the fluororesin include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. Examples of the acrylic resin include polyacrylic acid and acrylic acid-methacrylic acid copolymers. Examples of the rubber material include styrene-butadiene rubber, and examples of the cellulose derivative include carboxymethyl cellulose.
負極材料層は、例えば、負極活物質と、導電剤および結着剤などとを、分散媒とともに混合して負極合剤ペーストを調製し、負極合剤ペーストを負極集電体に塗布した後、乾燥することにより形成される。 For the negative electrode material layer, for example, a negative electrode active material, a conductive agent, a binder, and the like are mixed together with a dispersion medium to prepare a negative electrode mixture paste, and the negative electrode mixture paste is applied to the negative electrode current collector. It is formed by drying.
負極12には、予めリチウムイオンをプレドープすることが望ましい。これにより、負極12の電位が低下するため、正極11と負極12の電位差(すなわち電圧)が大きくなり、電気化学デバイス100のエネルギー密度が向上する。
It is desirable that the
リチウムイオンの負極12へのプレドープは、例えば、リチウムイオン供給源となる金属リチウム膜を負極材料層の表面に形成し、金属リチウム膜を有する負極12を、リチウムイオン伝導性を有する電解液(例えば、非水電解液)に含浸させることにより進行する。このとき、金属リチウム膜からリチウムイオンが非水電解液中に溶出し、溶出したリチウムイオンが負極活物質に吸蔵される。例えば負極活物質として黒鉛やハードカーボンを用いる場合には、リチウムイオンが黒鉛の層間やハードカーボンの細孔に挿入される。プレドープさせるリチウムイオンの量は、金属リチウム膜の質量により制御することができる。
For pre-doping the
負極12にリチウムイオンをプレドープするステップは、素子10を組み立てる前に行なってもよく、非水電解液とともに素子10を電気化学デバイス100の容器101に収容してからプレドープを進行させてもよい。
(セパレータ)
セパレータ13としては、微多孔膜、織布、不織布などが好ましい。セパレータを構成する材料としては、有機材料(ポリオレフィン、セルロースなどの高分子材料など)、無機材料(ガラスなど)などが挙げられる。織布や不織布を構成する繊維としては、ポリオレフィンなどのポリマー繊維、セルロース繊維、ガラス繊維などが挙げられる。これらの材料が併用されていてもよい。The step of pre-doping the
(Separator)
As the
セパレータ13の厚みは、例えば10μm〜100μmである。
(非水電解液)
電気化学デバイス100は、非水電解液を含むことが好ましい。The thickness of the
(Non-aqueous electrolyte)
The
非水電解液は、リチウムイオン伝導性を有することが好ましい。このような非水電解液は、例えば、リチウム塩と、リチウム塩を溶解させる非水溶媒とを含む。このとき、リチウム塩のアニオンは、正極11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。一方、リチウム塩に由来するリチウムイオンは、可逆的に負極12に吸蔵および放出される。
The non-aqueous electrolyte solution preferably has lithium ion conductivity. Such a non-aqueous electrolyte solution contains, for example, a lithium salt and a non-aqueous solvent for dissolving the lithium salt. At this time, the lithium salt anion can reversibly repeat doping and dedoping of the
リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiFSO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiB10Cl10、LiCl、LiBr、LiI、LiBCl4、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2などが挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、アニオンとして好適なハロゲン原子を含むオキソ酸アニオンを有するリチウム塩およびイミドアニオンを有するリチウム塩よりなる群から選択される少なくとも1種を用いることが望ましい。Examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiFSO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , LiCl, LiBr, LiI. , LiBCl 4 , LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, and the like. These may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. Among them, it is desirable to use at least one selected from the group consisting of a lithium salt having an oxoacid anion containing a halogen atom suitable as an anion and a lithium salt having an imide anion.
充電状態(充電率(SOC)90〜100%)における非水電解液中のリチウム塩の濃度は、例えば、0.2mol/L〜5mol/Lである。 The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolytic solution in the charged state (charging rate (SOC) 90 to 100%) is, for example, 0.2 mol / L to 5 mol / L.
非水溶媒としては、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などの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン類、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)などの鎖状エーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−プロパンサルトンなどを用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Non-aqueous solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, and fats such as methyl formate, methyl acetate, methyl propionate and ethyl propionate. Group carboxylic acid esters, lactones such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone, chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE) and ethoxymethoxyethane (EME). , Cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetraoxide, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamido, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, ethylmonoglyme, trimethoxymethane, sulfolane, methylsulfolane. , 1,3-Propane salton and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
非水電解液は、必要に応じて添加剤を含んでもよい。添加剤としては、例えば、不飽和カーボネートが挙げられる。不飽和カーボネートとしては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネートなどが好ましい。 The non-aqueous electrolyte solution may contain additives, if necessary. Examples of the additive include unsaturated carbonates. As the unsaturated carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, divinylethylene carbonate and the like are preferable.
[電気化学デバイスの製造方法]
上記の電気化学デバイスは、正極を得るステップと、正極と、セパレータと、負極と、を積層するステップと、を備える製造方法により製造できる。ここで、正極を得るステップは、正極集電体上に導電性高分子を含む活性層を形成するステップと、正極集電体と活性層との間にシラン化合物を付与するステップと、を備える。正極がカーボン層を含む場合には、正極を得るステップは、正極集電体上にカーボン層を形成するステップと、カーボン層上に活性層を形成するステップとを備える。[Manufacturing method of electrochemical device]
The above-mentioned electrochemical device can be manufactured by a manufacturing method including a step of obtaining a positive electrode, a step of laminating a positive electrode, a separator, and a negative electrode. Here, the step of obtaining the positive electrode includes a step of forming an active layer containing a conductive polymer on the positive electrode current collector and a step of applying a silane compound between the positive electrode current collector and the active layer. .. When the positive electrode contains a carbon layer, the step of obtaining the positive electrode includes a step of forming a carbon layer on the positive electrode current collector and a step of forming an active layer on the carbon layer.
以下、本発明の電気化学デバイス100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100の製造方法はこれに限定されるものではない。
Hereinafter, an example of the method for manufacturing the
電気化学デバイス100は、例えば、正極11を得るステップと、得られた正極11、セパレータ13および負極12をこの順に積層して、素子10を得るステップと、得られた素子10を非水電解液とともに容器101に収容するステップと、を備える方法により製造される。
The
上記のようにして得られた正極11に、リード部材(リード線104Aを備えるリードタブ105A)を接続し、負極12に他のリード部材(リード線104Bを備えるリードタブ105B)を接続する。続いて、これらリード部材が接続された正極11と負極12との間にセパレータ13を介在させて捲回し、図3に示すような、一端面よりリード部材が露出する捲回素子10を得る。素子10の最外周を、巻止めテープ14で固定する。
A lead member (
次いで、図2に示すように、素子10を、非水電解液(図示せず)とともに、開口を有する有底円筒形の容器101に収容する。封口体102からリード線104A、104Bを導出する。容器101の開口に封口体102を配置し、容器101を封口する。具体的には、容器101の開口端近傍を内側に絞り加工し、開口端を封口体102にかしめるようにカール加工する。封口体102は、例えば、ゴム成分を含む弾性材料で形成されている。
(正極を得るステップ)
正極11を得るステップは、正極集電体111上に活性層113を形成するステップと、正極集電体と活性層との間にシラン化合物114を付与するステップとを備える。正極11がカーボン層112を含む場合には、正極11を得るステップには、カーボン層112を形成するステップも含まれる。正極集電体111は、シラン化合物114の付与またはカーボン層112の形成に先立って、準備される。正極集電体111には、上述のようにシート状の金属材料が用いられるが、必要に応じて、親水性処理などの表面処理を行ってもよい。Next, as shown in FIG. 2, the
(Step to obtain positive electrode)
The step of obtaining the
(シラン化合物を付与するステップ)
シラン化合物114は、活性層113を形成する前の適当な段階で、活性層113の下地となる部分に付与すればよい。シラン化合物114の付与は、シラン化合物114を活性層113の下地となる部分に接触させることができればよい。例えば、活性層113の下地となる部分にシラン化合物114を塗布したり、シラン化合物114に、少なくとも、活性層113の下地となる部分を浸漬させたりすることにより、シラン化合物114を付与することができる。(Step to add silane compound)
The
例えば、シラン化合物114を正極集電体111の表面に付与することにより、正極集電体111の表面にシラン化合物114が存在する正極を形成できる。正極11がカーボン層112を備える場合には、シラン化合物114は、カーボン層112と正極集電体111との間、カーボン層112と活性層113との間、およびカーボン層112内からなる群より選択される少なくとも一箇所に付与すればよい。この場合、シラン化合物114は、正極集電体111の表面およびカーボン層112の表面の少なくとも一方に接触させることにより付与してもよい。カーボン層112内にシラン化合物114を付与する場合には、後述のように、カーボン層112を形成するステップにおいて、シラン化合物114を含むカーボンペーストを用いることにより、シラン化合物114を含むカーボン層112を形成してもよい。
For example, by applying the
シラン化合物114として、上述の疎水性基と加水分解性基とを有する化合物を用いる場合には、加水分解性基を正極集電体111の表面やカーボン層112の無機成分に対して反応させることにより、疎水性基を、これらの活性層113の下地となる部分に導入することが好ましい。
When the above-mentioned compound having a hydrophobic group and a hydrolyzable group is used as the
シラン化合物114は、活性層113の下地となる部分に、シラン化合物114そのものを用いて付与してもよく、溶媒でシラン化合物114を希釈した溶液を用いて付与してもよい。溶液に含まれるシラン化合物114の濃度は、例えば、0.1〜5質量%であり、0.5〜2質量%であることが好ましい。このような濃度の溶液を用いると、活性層113の下地となる部分に、適度な量のシラン化合物を付着させることができるため、活性層への不純物の混入をさらに抑制することができる。溶媒としては、特に制限されないが、例えば、アルコール、エステル、および/またはエーテルなどが挙げられる。
The
(カーボン層を形成するステップ)
カーボン層112は、例えば、カーボン層112の下地となる層上(例えば、正極集電体111の表面やシラン化合物114が付与された正極集電体111上)の表面に導電性炭素材料を蒸着することにより形成される。あるいは、カーボン層112は、導電性炭素材料を含むカーボンペーストを、カーボン層112の下地となる層上(例えば、正極集電体111の表面やシラン化合物114が付与された正極集電体111上)に塗布して塗膜を形成し、その後、塗膜を乾燥することで形成される。カーボンペーストは、例えば、導電性炭素材料と、高分子材料と、水または有機溶媒とを含む。カーボン層112にシラン化合物114を含める場合には、上記の成分に加え、さらにシラン化合物114を含むカーボンペーストを用いればよい。(Step to form carbon layer)
The
シラン化合物114を含むカーボンペーストを用いてカーボン層112を形成する場合、カーボン層112を形成するステップにおいて、シラン化合物114を付与することができる。そのため、カーボン層112を形成するステップとは別に、シラン化合物114を付与するステップを設ける必要がない。よって、ステップ数が増えるのを抑制する上で有利である。
When the
カーボンペーストの固形分に占めるシラン化合物の量は、例えば、0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましい。シラン化合物の量がこのような範囲である場合、カーボン層の疎水性を確保し易い。カーボンペーストの固形分に占めるシラン化合物の量は、例えば、5質量%以下であり、2質量%以下であることが好ましい。シラン化合物の量がこのような範囲である場合、カーボン層112の高い導電性を維持しながらも、活性層への不純物の混入を抑制する効果をさらに高めることができる。これらの下限値と上限値とは、任意に組み合わせることができる。
The amount of the silane compound in the solid content of the carbon paste is, for example, 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more. When the amount of the silane compound is in such a range, it is easy to secure the hydrophobicity of the carbon layer. The amount of the silane compound in the solid content of the carbon paste is, for example, 5% by mass or less, and preferably 2% by mass or less. When the amount of the silane compound is in such a range, the effect of suppressing the mixing of impurities into the active layer can be further enhanced while maintaining the high conductivity of the
(活性層を形成するステップ)
活性層113は、正極集電体111上に形成される。活性層113は、正極集電体111上に直接形成してもよく、正極集電体111上に形成されたカーボン層112上に形成してもよい。また、シラン化合物114が付与された正極集電体111上やシラン化合物114が付与されたカーボン層112上に、活性層113を形成してもよい。(Step to form active layer)
The
活性層113は、例えば、シラン化合物114が付与された正極集電体111(または、シラン化合物114が付与された、正極集電体111とカーボン層112との積層体)を、導電性高分子の原料モノマー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または化学重合することにより形成される。電解重合では、正極集電体111をアノードとして重合が行われる。このようにして、導電性高分子を含む活性層113は、活性層113の下地層(例えば、正極集電体111、カーボン層112など)の表面を覆うように形成される。このとき、活性層113は、シラン化合物114が付与された下地層上に形成してもよい。活性層113は、電解重合や化学重合以外の方法で形成してもよい。例えば、活性層113は、導電性高分子が溶解した溶液、または、導電性高分子が分散した分散液を、シラン化合物114が付与された正極集電体111および/またはシラン化合物114が付与されたカーボン層112に接触させることにより、形成してもよい。
The
緻密な活性層113が形成され易い観点からは、電解重合や化学重合により活性層113を形成することが好ましい。電解重合や化学重合の反応液には、アニオン性の成分(硫酸イオンなど)などの不純物が含まれており、正極集電体111の表面やカーボン層112およびその近傍に、不純物が残存し易い。そのため、シラン化合物114をこれらの部分に存在させることで、不純物が残存することを抑制して、活性層113への不純物の混入を効果的に抑制することができる。
From the viewpoint that the dense
電解重合または化学重合で用いられる原料モノマーは、重合により導電性高分子を生成可能な重合性化合物であればよい。原料モノマーは、オリゴマーを含んでもよい。原料モノマーとしては、例えばアニリン、ピロール、チオフェン、フラン、チオフェンビニレン、ピリジンまたはこれらの誘導体が用いられる。これらを単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。正極集電体111やカーボン層112の表面に活性層113が形成され易い点で、原料モノマーはアニリンであることが好ましい。
The raw material monomer used in electrolytic polymerization or chemical polymerization may be any polymerizable compound capable of producing a conductive polymer by polymerization. The raw material monomer may contain an oligomer. As the raw material monomer, for example, aniline, pyrrole, thiophene, furan, thiophene vinylene, pyridine or derivatives thereof are used. These may be used alone or in combination of two or more. The raw material monomer is preferably aniline because the
電解重合または化学重合は、アニオン(ドーパント)を含む反応液を用いて行うことが望ましい。導電性高分子の分散液や溶液もまた、ドーパントを含むことが望ましい。π電子共役系高分子は、ドーパントをドープすることで、優れた導電性を発現する。例えば、化学重合では、ドーパントと酸化剤と原料モノマーとを含む反応液に、シラン化合物114が付与された下地層を浸漬し、その後、反応液から引き揚げて乾燥させればよい。また、電解重合では、ドーパントと原料モノマーとを含む反応液に、シラン化合物114が付与された下地層と対向電極とを浸漬し、正極集電体111をアノードとし、対向電極をカソードとして、両者の間に電流を流せばよい。
It is desirable that electrolytic polymerization or chemical polymerization be carried out using a reaction solution containing an anion (dopant). It is desirable that the dispersion liquid or solution of the conductive polymer also contains a dopant. The π-electron conjugated polymer exhibits excellent conductivity by doping with a dopant. For example, in chemical polymerization, the base layer to which the
反応液の溶媒には、水を用いてもよいが、モノマーの溶解度を考慮して非水溶媒を用いてもよい。非水溶媒としては、エチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、ポロプレングリコールなどアルコール類などを用いることが望ましい。導電性高分子の分散媒あるいは溶媒としても、水や上記非水溶媒が挙げられる。 Water may be used as the solvent of the reaction solution, but a non-aqueous solvent may be used in consideration of the solubility of the monomer. As the non-aqueous solvent, it is desirable to use alcohols such as ethyl alcohol, methyl alcohol, isopropyl alcohol, ethylene glycol and propylene glycol. Examples of the dispersion medium or solvent of the conductive polymer include water and the above-mentioned non-aqueous solvent.
なお、活性層113の形成は、用いられる酸化剤やドーパントの影響により、通常、酸性雰囲気下で行われる。
The
活性層113の厚みは、例えば、重合時間を調節することにより制御できる。電解重合では、電解の電流密度を調節することによっても、活性層113の厚みを制御することができる。導電性高分子を含む溶液や分散液を用いる場合には、これらの液体中の導電性高分子の濃度を調節したり、液体を下地層に接触させる回数を調節したりすることにより活性層113の厚みを制御することができる。
The thickness of the
上記の実施形態では、円筒形状の捲回素子を備える電気化学デバイスについて説明したが、本発明の適用範囲は上記に限定されず、捲回素子や積層型の素子を備える角形形状の電気化学デバイスにも適用することができる。 In the above embodiment, the electrochemical device including the cylindrical winding element has been described, but the scope of application of the present invention is not limited to the above, and the angular electrochemical device including the winding element and the laminated element is described. It can also be applied to.
[実施例]
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
(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。[Example]
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
(Example 1)
(1) Preparation of Positive Electrode An aluminum foil having a thickness of 30 μm was prepared as a positive electrode current collector. On the other hand, an aniline aqueous solution containing aniline and sulfuric acid was prepared.
カーボンブラック11質量部およびポリプロピレン樹脂粒子7質量部を混合した混合粉末と、水とを混錬して、カーボンペーストを調製した。得られたカーボンペーストを、正極集電体の裏表の全面に塗布した後、加熱により乾燥して、カーボン層を形成した。カーボン層の厚さは、片面あたり2μmであった。 A mixed powder obtained by mixing 11 parts by mass of carbon black and 7 parts by mass of polypropylene resin particles was kneaded with water to prepare a carbon paste. The obtained carbon paste was applied to the entire front and back surfaces of the positive electrode current collector and then dried by heating to form a carbon layer. The thickness of the carbon layer was 2 μm per side.
カーボン層の表面に、シラン化合物としてヘキシルトリメトキシシランを1質量%濃度で含む水/エタノール溶液(水/エタノールの質量比=1/1)を塗布し、110℃で30分間熱処理することにより、カーボン層の表面にシラン化合物を導入した。 A water / ethanol solution (mass ratio of water / ethanol = 1/1) containing hexyltrimethoxysilane as a silane compound at a concentration of 1% by mass is applied to the surface of the carbon layer and heat-treated at 110 ° C. for 30 minutes. A silane compound was introduced on the surface of the carbon layer.
シラン化合物の導入後、カーボン層が形成された正極集電体と対向電極とを、アニリン水溶液に浸漬し、10mA/cm2の電流密度で20分間、電解重合を行ない、硫酸イオン(SO4 2−)がドープされた導電性高分子(ポリアニリン)の膜を、正極集電体の裏表のカーボン層上に付着させた。After introduction of the silane compound, and a carbon layer formed positive electrode current collector and the counter electrode, was immersed in aniline solution, 10 mA / cm 20 min at second current density, subjected to electrolytic polymerization, sulfate ion (SO 4 2 A film of a conductive polymer (polyaniline) doped with − ) was attached onto the carbon layers on the front and back of the positive electrode current collector.
硫酸イオンがドープされた導電性高分子を還元し、ドープされていた硫酸イオンを脱ドープした。こうして、硫酸イオンが脱ドープされた導電性高分子を含む活性層を形成した。次いで、活性層を十分に洗浄し、その後、乾燥を行なった。活性層の厚さは、片面あたり30μmであった。
(2)負極の作製
厚さ10μm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質量部と、カルボキシセルロース1質量部と、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、質量比で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52μm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。
(3)捲回素子の作製
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捲回して、捲回素子を形成した。
(4)非水電解液の調製
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としてLiPF6を所定濃度で溶解させて、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。
(5)電気化学デバイスの作製
開口を有する有底の容器に、捲回素子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3.6V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。
(評価)
得られた電気化学デバイスについて、下記の手順で初期容量を求めた。The sulfate ion-doped conductive polymer was reduced, and the doped sulfate ion was de-doped. In this way, an active layer containing a conductive polymer dedoped with sulfate ions was formed. The active layer was then thoroughly washed and then dried. The thickness of the active layer was 30 μm per side.
(2) Preparation of Negative Electrode A copper foil having a thickness of 10 μm was prepared as a negative electrode current collector. On the other hand, a negative mixture paste obtained by kneading 97 parts by mass of hard carbon, 1 part by mass of carboxycellulose, 2 parts by mass of styrene-butadiene rubber, and water at a mass ratio of 40:60. Was prepared. The negative electrode mixture paste was applied to both sides of the negative electrode current collector and dried to obtain a negative electrode having a negative electrode material layer having a thickness of 52 μm on both sides. Next, a metallic lithium foil in an amount calculated so that the negative electrode potential in the electrolytic solution after the completion of pre-doping was 0.2 V or less with respect to metallic lithium was attached to the negative electrode material layer.
(3) Preparation of winding element After connecting the lead tabs to the positive electrode and the negative electrode respectively, as shown in FIG. 3, the separator (thickness 35 μm) made of cellulose non-woven fabric and the positive electrode and the negative electrode are alternately superposed. The laminated body was wound to form a winding element.
(4) Preparation of non-aqueous electrolytic solution A solvent was prepared by adding 0.2% by mass of vinylene carbonate to a mixture of propylene carbonate and dimethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1. LiPF 6 as a lithium salt was dissolved in the obtained solvent at a predetermined concentration to prepare a non-aqueous electrolytic solution having hexafluorophosphate ion (PF 6 −) as an anion.
(5) Preparation of Electrochemical Device An electrochemical device as shown in FIG. 2 was assembled by accommodating a winding element and a non-aqueous electrolytic solution in a bottomed container having an opening. Then, while applying a charging voltage of 3.6 V between the terminals of the positive electrode and the negative electrode, aging was performed at 25 ° C. for 24 hours to allow pre-doping of lithium ions into the negative electrode.
(Evaluation)
The initial capacity of the obtained electrochemical device was determined by the following procedure.
電気化学デバイスを3.6Vの電圧で充電した後、1mAの電流で2.5Vまで放電した。途中3.3Vから3.0Vに低下する間に流れた放電電荷量(A・s)を電圧変化ΔV(=0.3V)で除算することにより求められる値を、初期容量(F)として求めた。
(実施例2)
シラン化合物の導入を、カーボン層の表面ではなく、正極集電体の表面に対して行った。これ以外は、実施例1と同様にして電気化学デバイスを作製し、評価した。
(実施例3)
カーボンブラック11質量部およびポリプロピレン樹脂粒子7質量部を混合した混合粉末と、ヘキシルトリメトキシシラン2質量部と、水とを混錬して、カーボンペーストを調製し、カーボン層を形成した。カーボン層の表面にはシラン化合物を導入しなかった。これら以外は、実施例1と同様にして電気化学デバイスを作製し、評価した。
(比較例1)
カーボン層の表面にはシラン化合物を導入しなかったこと以外は、実施例1と同様にして電気化学デバイスを作製し、評価した。The electrochemical device was charged with a voltage of 3.6 V and then discharged to 2.5 V with a current of 1 mA. The value obtained by dividing the amount of discharge charge (A · s) that flowed while the voltage dropped from 3.3 V to 3.0 V on the way by the voltage change ΔV (= 0.3 V) was obtained as the initial capacitance (F). It was.
(Example 2)
The introduction of the silane compound was carried out not on the surface of the carbon layer but on the surface of the positive electrode current collector. Except for this, an electrochemical device was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1.
(Example 3)
A carbon paste was prepared by kneading a mixed powder obtained by mixing 11 parts by mass of carbon black and 7 parts by mass of polypropylene resin particles, 2 parts by mass of hexyltrimethoxysilane, and water to form a carbon layer. No silane compound was introduced on the surface of the carbon layer. Except for these, an electrochemical device was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1.
(Comparative Example 1)
An electrochemical device was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the silane compound was not introduced on the surface of the carbon layer.
評価結果を表1に示す。実施例1〜3は、A1〜A3であり、比較例1はB1である。 The evaluation results are shown in Table 1. Examples 1 to 3 are A1 to A3, and Comparative Example 1 is B1.
表1に示すように、実施例では、比較例に比べて、高い初期容量が確保できている。これは、活性層の下地となる部分にシラン化合物を導入したことにより、下地となる部分において硫酸イオンなどの不純物の残存が抑制されことによるものと考えられる。これにより、活性層への不純物の混入が抑制され、充電時のアニオンの吸着が阻害されることが抑制されたと考えられる。 As shown in Table 1, in the examples, a higher initial capacity can be secured as compared with the comparative examples. It is considered that this is because the introduction of the silane compound into the base portion of the active layer suppresses the residual impurities such as sulfate ions in the base portion. It is considered that this suppressed the mixing of impurities into the active layer and suppressed the adsorption of anions during charging.
本発明に係る電気化学デバイスでは、容量の低下が抑制される。よって、高容量が求められる各種電気化学デバイス、特にバックアップ用電源として好適である。 In the electrochemical device according to the present invention, the decrease in capacity is suppressed. Therefore, it is suitable as a backup power source for various electrochemical devices that require high capacity.
10:素子
11:正極
111:正極集電体
112:カーボン層
113:活性層
114:シラン化合物
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
104A、104B:リード線
105A、105B:リードタブ10: Element 11: Positive electrode 111: Positive electrode current collector 112: Carbon layer 113: Active layer 114: Silane compound 12: Negative electrode 13: Separator 14: Winding tape 100: Electrochemical device 101: Container 102:
Claims (9)
前記正極は、正極集電体と、正極集電体上の活性層と、を備え、
前記活性層は、導電性高分子を含み、
前記正極集電体と、前記活性層との間には、シラン化合物が存在している、電気化学デバイス。A positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are provided.
The positive electrode includes a positive electrode current collector and an active layer on the positive electrode current collector.
The active layer contains a conductive polymer and contains
An electrochemical device in which a silane compound is present between the positive electrode current collector and the active layer.
前記シラン化合物は、前記カーボン層と前記正極集電体との間、前記カーボン層と前記活性層との間、および前記カーボン層内からなる群より選択される少なくとも一箇所に存在している、請求項1または2に記載の電気化学デバイス。The positive electrode further includes a carbon layer interposed between the positive electrode current collector and the active layer.
The silane compound is present at least one selected from the group consisting of the carbon layer and the positive electrode current collector, between the carbon layer and the active layer, and within the carbon layer. The electrochemical device according to claim 1 or 2.
前記正極を得るステップと、
前記正極と、前記セパレータと、前記負極と、を積層するステップと、を備え、
前記正極を得るステップは、正極集電体上に導電性高分子を含む活性層を形成するステップと、前記正極集電体と前記活性層との間にシラン化合物を付与するステップと、を備える電気化学デバイスの製造方法。A method for manufacturing an electrochemical device including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
The step of obtaining the positive electrode and
A step of laminating the positive electrode, the separator, and the negative electrode is provided.
The step of obtaining the positive electrode includes a step of forming an active layer containing a conductive polymer on the positive electrode current collector and a step of applying a silane compound between the positive electrode current collector and the active layer. How to make an electrochemical device.
前記シラン化合物を付与するステップにおいて、前記シラン化合物が、前記カーボン層と前記正極集電体との間、前記カーボン層と前記活性層との間、および前記カーボン層内からなる群より選択される少なくとも一箇所に付与される、請求項5に記載の電気化学デバイスの製造方法。The step of obtaining the positive electrode includes a step of forming a carbon layer on the positive electrode current collector and a step of forming the active layer on the carbon layer.
In the step of applying the silane compound, the silane compound is selected from the group consisting of the carbon layer and the positive electrode current collector, the carbon layer and the active layer, and the inside of the carbon layer. The method for manufacturing an electrochemical device according to claim 5, which is applied to at least one place.
前記カーボン層は、前記シラン化合物を含むカーボンペーストを前記正極集電体の表面に塗布して塗膜を形成した後、前記塗膜を乾燥することにより形成される、請求項7または8に記載の電気化学デバイスの製造方法。The step of applying the silane compound is carried out at least in the step of forming the carbon layer.
The carbon layer according to claim 7 or 8, wherein the carbon layer is formed by applying a carbon paste containing the silane compound to the surface of the positive electrode current collector to form a coating film, and then drying the coating film. How to make electrochemical devices.
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