JP7649550B2 - battery - Google Patents
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Description
本発明は、キャパシタ電池と二次電池および当該電池の製造方法に関するものである。主として本発明のキャパシタ電池と二次電池は電解液に過塩素酸塩水溶液、飽和過塩素酸塩水溶液等を用いる。 The present invention relates to a capacitor battery and a secondary battery, and a method for manufacturing the battery. The capacitor battery and secondary battery of the present invention mainly use a perchlorate aqueous solution, a saturated perchlorate aqueous solution, etc. as the electrolyte.
リチウムイオン二次電池としては正極にマンガン複合酸化物、負極にリチウム・アルミニウム合金を使用するマンガンリチウム二次電池(ML系)が普及している。
特許文献1には、リチウムイオン二次電池用正極材料等に特徴を有するリチウムイオン二次電池が開示されている。
The most widely used lithium-ion secondary battery is the manganese lithium secondary battery (ML type), which uses a manganese composite oxide for the positive electrode and a lithium-aluminum alloy for the negative electrode.
従来のリチウムイオン二次電池あるいはナトリウムイオン二次電池は、電解液に有機系電解液を用いるため、発火の危険性がある。 Conventional lithium-ion and sodium-ion secondary batteries use organic electrolytes, which pose a risk of fire.
二次電池の起電力は負極と正極での酸化還元反応によって支配される。たとえば、リチウムイオン電池において、起電力は3V以上のものも、3V以下のものと様々である。このことは、負極と正極で起こる反応が異なるからである。 The electromotive force of a secondary battery is governed by the redox reaction at the negative and positive electrodes. For example, in lithium-ion batteries, the electromotive force varies from 3V or more to 3V or less. This is because the reactions that occur at the negative and positive electrodes are different.
本発明は、飽和過塩素酸リチウム水溶液等をキャパシタ電池の電解液に使用する。過塩素酸塩水溶液は、広い電位窓を有するため、二次電池の電解液として優れた特性を発揮する。 The present invention uses a saturated lithium perchlorate aqueous solution as the electrolyte for the capacitor battery. Aqueous perchlorate solutions have a wide potential window and therefore exhibit excellent properties as an electrolyte for secondary batteries.
本発明のキャパシタ電池、二次電池は、電池の電解液として、過塩素酸リチウム(LiClO4)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸バリウム(Ba(ClO4)2)、過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)のうち、いずいれかの水溶液、もしくはこれらの水溶液を混合させた水溶液を使用する。なお、各過塩素酸水溶液は、98%以上の飽和過塩素酸水溶液とすることが好ましい。
また、少なくとも正極を鉄錯体で構成あるいは形成する。また、正極と負極のうち少なくとも一方の電極をFe2O3でコーティングした構成である。
本発明の電池はキャパシタの構造を有するため、電気二重層キャパシタ電池と呼ぶこともある。
The capacitor battery and secondary battery of the present invention use, as the electrolyte, an aqueous solution of any one of lithium perchlorate ( LiClO4 ), sodium perchlorate ( NaClO4 ), barium perchlorate (Ba( ClO4 ) 2 ), magnesium perchlorate (Mg(ClO4) 2 ), or a mixture of these aqueous solutions. Each aqueous solution of perchloric acid is preferably a saturated aqueous solution of perchloric acid of 98% or more.
At least the positive electrode is made of or formed from an iron complex. At least one of the positive and negative electrodes is coated with Fe2O3 .
Since the battery of the present invention has a capacitor structure, it is sometimes called an electric double layer capacitor battery.
本発明の一実施態様として、キャパシタ電池、二次電池等は負極として、黒鉛、または活性炭混合物、または黒鉛と活性炭混合物で構成される。正極として、黒鉛、またはLiCoO2(あるいは酸化されて構造変化しないもの)混合物、または黒鉛とLiCoO2を使用する。 In one embodiment of the present invention, a capacitor battery, secondary battery, etc., is constructed with a negative electrode made of graphite, or a mixture of activated carbon, or a mixture of graphite and activated carbon, and a positive electrode made of graphite, or a mixture of LiCoO2 (or a material that does not change structure when oxidized), or a mixture of graphite and LiCoO2 .
正極材料221と負極材料231間にはセパレータ204が配置される。セパレータ204は、過塩素酸リチウム(LiClO4)水溶液に含浸されている。正極205と負極206はガスケット207により絶縁されている。
A
本発明の一実施態様として、キャパシタ電池、二次電池等は正極205および負極206を1つの基板またはフィルム301上に形成する。前記基板またはフィルム301上に電解液222が配置、あるいは前記正極205および負極206が電解液222に浸漬されて構成される。
In one embodiment of the present invention, a capacitor battery, secondary battery, etc., has a
基板301aおよび基板301bに正極材料221と負極材料231とを隣接して配置している。基板301aの正極材料221の対向する基板301bには正極材料221が配置される。基板301aの負極材料231の対向する基板301bには負極材料231が配置される。正極材料221と負極材料231の表面はFe2O3でコーティングする。基板301aと基板301b間はガスケット207で封止され、過塩素酸塩水溶液からなる電解液222が充填される。
A
本発明の電池は、黒鉛と活性炭の混合物からなる負極と、コバルト酸リチウムを含有する正極と、正極および負極間に充填された過塩素酸リチウム水溶液を具備する。 The battery of the present invention comprises a negative electrode made of a mixture of graphite and activated carbon, a positive electrode containing lithium cobalt oxide, and an aqueous solution of lithium perchlorate filled between the positive and negative electrodes.
また、本発明の電池は、黒鉛と活性炭の混合物からなる負極と、黒鉛とコバルト酸リチウムを含有する正極と、正極および負極間に充填された過塩素酸リチウム水溶液を具備し、正極の黒鉛と混合せる材料との含有割合は、1:0.8~1:1.5である。 The battery of the present invention comprises a negative electrode made of a mixture of graphite and activated carbon, a positive electrode containing graphite and lithium cobalt oxide, and an aqueous solution of lithium perchlorate filled between the positive electrode and the negative electrode, and the ratio of the graphite in the positive electrode to the material mixed therewith is 1:0.8 to 1:1.5.
本発明の電池は、黒鉛と活性炭の混合物からなる負極と、低スピン鉄(II)錯体材料からなる正極と、正極および負極間に充填された電解液を具備し、電解液は、過塩素酸リチウム(LiClO4)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸バリウム(Ba(ClO4)2)、過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)のうち、いずれかである。 The battery of the present invention comprises a negative electrode made of a mixture of graphite and activated carbon, a positive electrode made of a low-spin iron(II) complex material, and an electrolyte filled between the positive electrode and the negative electrode, the electrolyte being any one of lithium perchlorate ( LiClO4 ), sodium perchlorate ( NaClO4 ), barium perchlorate (Ba( ClO4 ) 2 ), and magnesium perchlorate (Mg(ClO4) 2 ).
低スピン鉄(II)錯体材料は、[Fe(phen)3]2+、[Fe(bipy)3]2+、[Fe(terpy)3]2+のいずれかであることが好ましい。 The low-spin iron(II) complex material is preferably any one of [Fe(phen) 3 ] 2+ , [Fe(bipy) 3 ] 2+ , and [Fe(terpy) 3 ] 2+ .
また、本発明の電池は、黒鉛と活性炭の混合物からなる負極および正極と、正極および負極間に充填された電解液を具備し、電解液は、過塩素酸リチウム(LiClO4)、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸バリウム(Ba(ClO4)2)、過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)のうち、いずれかである。
負極と正極のうち、すくなくとも一方にFe2O3をコーティングされていることが好ましい。
負極と正極は同一の基板またはシートまたはフィルム上に隣接して形成または配置する。また、負極と正極の位置は段差があるように形成または配置する。
The battery of the present invention also comprises a negative electrode and a positive electrode made of a mixture of graphite and activated carbon, and an electrolyte filled between the positive electrode and the negative electrode, the electrolyte being any one of lithium perchlorate ( LiClO4 ), sodium perchlorate ( NaClO4 ), barium perchlorate (Ba( ClO4 ) 2 ), and magnesium perchlorate (Mg(ClO4) 2 ).
At least one of the negative electrode and the positive electrode is preferably coated with Fe 2 O 3 .
The negative electrode and the positive electrode are formed or arranged adjacent to each other on the same substrate, sheet or film, and are formed or arranged so that there is a step between the negative electrode and the positive electrode.
本発明のキャパシタ電池、二次電池等は、電解液をして、飽和過塩素酸塩水溶液を使用しているため、発火の恐れがない。また、飽和過塩素酸塩水溶液の伝導率は有機系電解液より10倍前後大きく、大きな電力を蓄積でき、高速充電でき、高い電流容量を得ることができる。 The capacitor battery, secondary battery, etc. of the present invention uses a saturated aqueous perchlorate solution as the electrolyte, so there is no risk of fire. In addition, the conductivity of a saturated aqueous perchlorate solution is about 10 times higher than that of an organic electrolyte, so it can store large amounts of power, can be charged quickly, and can achieve a high current capacity.
水溶液系の電解液(過塩素酸塩水溶液)をキャパシタ電池に用いることにより、電池の導電性を高めると同時に火災の恐れを無い。また、キャパシタ電池の製造工程において、水分を除去したドライルームを使用する必要がないため、製造設備コストを低減できる。 By using an aqueous electrolyte (perchlorate aqueous solution) in a capacitor battery, the conductivity of the battery is increased while eliminating the risk of fire. In addition, there is no need to use a dry room to remove moisture in the capacitor battery manufacturing process, which reduces manufacturing equipment costs.
本発明のキャパシタ電池、二次電池等は正極205および負極206を1つの基板またはフィルム301上に形成しているため、セパレータ204を使用しない電池を構成することができる。したがって、セパレータ204を使用する必要がなく、正極205を負極206が短絡することがない。
In the capacitor battery, secondary battery, etc. of the present invention, the
以下、本発明のキャパシタ電池および二次電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 The following describes an embodiment of the capacitor battery and secondary battery of the present invention with reference to the drawings.
発明を実施するための形態を説明するための各図面において、同一の機能を有する要素には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、本明細書に記載する本発明の実施例は、それぞれの実施例と一部または全部を組み合わせることができる。
発明を実施するための形態を説明するための各図面において、理解、説明を容易にするため、図示を容易にするため、拡大、縮小、省略する場合がある。
In each drawing for explaining the embodiment of the invention, elements having the same function are given the same reference numerals, and the description thereof may be omitted. In addition, the embodiments of the present invention described in this specification may be combined in part or in whole with each other.
In the drawings for explaining the embodiments of the invention, the drawings may be enlarged, reduced, or omitted in order to facilitate understanding and explanation and to facilitate illustration.
なお、本発明の実施例の説明あるいは図示において、正極、負極とは容器あるいは電極の概念として説明あるいは図示する場合がある。また、使用する電極材料の概念として説明する場合がある。また、容器、電極材料を含む概念として説明する場合がある。 In addition, in the explanation or illustration of the embodiments of the present invention, the positive electrode and the negative electrode may be explained or illustrated as the concepts of a container or an electrode. They may also be explained as the concepts of the electrode material used. They may also be explained as the concepts including the container and the electrode material.
電気二重層キャパシタの充電では、負極に陽イオンの吸着を牽引するのは、負極と陽イオンの間の静電的な相互作用である。蓄電容量と充放電速度が、温度に依存せず、また電解液の導電率にも影響されない。
二次電池のように、バルクにおけるイオンの拡散が必須な場合、蓄電容量と充放電速度は温度と電解液の導電率の影響を受ける。
電解液の導電率は、セルの内部抵抗に関する支配的な因子であるから、電気二重層キャパシタにおいても重要な要素である。
In charging an electric double layer capacitor, the adsorption of cations to the negative electrode is driven by electrostatic interactions between the negative electrode and cations. The storage capacity and charge/discharge rate are independent of temperature and are not affected by the conductivity of the electrolyte.
In cases where ion diffusion in the bulk is essential, such as in secondary batteries, the storage capacity and charge/discharge rate are affected by temperature and the conductivity of the electrolyte.
The electrical conductivity of the electrolyte is a dominant factor in the internal resistance of the cell, and is therefore also an important factor in the electric double layer capacitor.
非対称型キャパシタでは、対象型キャパシタと様相が異なる。充電において、負極に活性炭あるいは活性炭と同様の機能を有する物質が存在すると、その広い表面に陽イオンが吸着し、電気的中性を維持するため、電極中に電子が蓄積する。 Asymmetric capacitors behave differently from symmetric capacitors. When charging, if activated carbon or a substance with similar functions to activated carbon is present in the negative electrode, positive ions are adsorbed onto its large surface, and electrons accumulate in the electrode to maintain electrical neutrality.
対象型キャパシタでは、正極に活性炭あるいは活性炭と同様の機能を有する物質が存在するため、正極の表面に陰イオンが吸着し、電気的中性を保つため、電極中に正孔が生じる。 In symmetrical capacitors, the positive electrode contains activated carbon or a substance with similar functions to activated carbon, so anions are adsorbed onto the surface of the positive electrode, maintaining electrical neutrality and creating positive holes in the electrode.
非対称型キャパシタにおいて、正極に活性炭あるいは活性炭と同様の機能を有する物質が存在しない場合、負極と同じように陰イオンが正極に吸着することは不可能である負極と正極の間の電気的中性を保つためには、正極がブラスの電荷を持たねばならない。 In an asymmetric capacitor, if the positive electrode does not contain activated carbon or a substance with similar functions to activated carbon, it is impossible for anions to be adsorbed to the positive electrode in the same way as to the negative electrode. In order to maintain electrical neutrality between the negative and positive electrodes, the positive electrode must have a positive charge.
このことは、正極が酸化されることを意味する。正極には酸素がなく、また水も分解しないため、正極の酸化とは、正極から電子が引き抜かれることを意味し、正孔が生じる。 This means that the positive electrode is oxidized. Since there is no oxygen at the positive electrode and water does not break down, oxidation of the positive electrode means that electrons are removed from the positive electrode, creating holes.
ただし、通常の酸化反応のように、物質(イオン)の移動は伴わず、電子が移動するだけである。充電により、正極で酸化反応が起こるレドックスキャパシタと呼ぶことができる。 However, unlike a normal oxidation reaction, no substance (ions) is transferred, only electrons. This can be called a redox capacitor, in which an oxidation reaction occurs at the positive electrode when the capacitor is charged.
正極に、鉄(II)低スピン錯体が存在する場合、鉄(II)低スピン錯体は酸化すると鉄(III)低スピン錯体になる。鉄II価とIII価の低スピン錯体はいずれも八面体錯体で、可逆的な酸化還元反応をする。 When an iron (II) low-spin complex is present at the positive electrode, the iron (II) low-spin complex is oxidized to become an iron (III) low-spin complex. Both iron II and iron III low-spin complexes are octahedral complexes and undergo reversible oxidation-reduction reactions.
鉄II価とIII価の間では、d電子が6個と5個に変化するだけで、水溶液中に両者を共存させると、電子交換反応が起こり、II価はIII価に、III価はII価に迅速に変化する。
酸化還元電位は、ヘキサシアノ鉄(II)錯体では、0.36V、トリス1,10-フェナントロリン鉄(II)錯体では、1.06Vである。
正極における負荷電圧が酸化還元電位を超えると、鉄(II)錯体は酸化されて鉄(III)錯体になる。この反応は可逆的で、迅速に進行する。
トリス1,10-フェナントロリン鉄(II)錯体、[Fe(II)(phen)3]2+の酸化還元反応を以下に示す。
1,10-フェナントロリン : phen
[Fe(II)(phen)3]2+ ←→ [Fe(III)(phen)3]3+ + e-
Between iron divalent and iron trivalent, the number of d electrons changes from 6 to 5, and when the two coexist in an aqueous solution, an electron exchange reaction occurs, causing the iron divalent to change to iron trivalent and the iron trivalent to change to iron divalent.
The redox potential is 0.36 V for the hexacyanoiron(II) complex and 1.06 V for the tris-1,10-phenanthrolineiron(II) complex.
When the applied voltage at the positive electrode exceeds the redox potential, the iron(II) complex is oxidized to the iron(III) complex, a reaction that is reversible and proceeds rapidly.
The redox reaction of tris-1,10-phenanthroline iron (II) complex, [Fe(II)(phen) 3 ] 2+, is shown below.
1,10-phenanthroline: phen
[Fe(II)(phen) 3 ] 2+ ←→ [Fe(III)(phen) 3 ] 3+ + e -
低スピン鉄錯体は、II価とIII価において、八面体を維持し、構造的にはほとんど変化しない。ただし、カウンターイオン(ClO4 -)は酸化に伴い一つ増える。つまり、充電に伴い、電気的中性を維持するため、負極から正極にClO4 -が移動する。 Low-spin iron complexes maintain an octahedral structure in the divalent and trivalent states, with little structural change. However, the number of counter ions (ClO 4 - ) increases by one upon oxidation. In other words, to maintain electrical neutrality, ClO 4 - migrates from the negative electrode to the positive electrode upon charging.
NaClO4を電解液とする電気二重層キャパシタでは、充電に伴い、Na+は正極から負極に移動する。セル全体の中和の観点から見ると、負極から正極へのClO4 -の移動と正極から負極へのNa+の移動は同じ現象である。 In an electric double layer capacitor that uses NaClO4 as an electrolyte, Na + moves from the positive electrode to the negative electrode as it is charged. From the perspective of neutralization of the entire cell, the movement of ClO4- from the negative electrode to the positive electrode and the movement of Na + from the positive electrode to the negative electrode are the same phenomenon.
正極に鉄(II)低スピン錯体を混合させると、正極における負荷電圧が鉄(II)錯体の酸化還元電位を超えると、鉄(II)が酸化されて鉄(III)になる。
放電では、鉄(III)は還元され、鉄(II)になる。充放電に酸化還元反応が伴うので、レドックスキャパシタであることを意味する。
When an iron(II) low-spin complex is mixed with the positive electrode, the iron(II) is oxidized to iron(III) when the applied voltage at the positive electrode exceeds the redox potential of the iron(II) complex.
During discharge, iron(III) is reduced to iron(II). This means that the device is a redox capacitor, as charging and discharging involve an oxidation-reduction reaction.
正極に鉄(II)高スピン錯体を混合させても、レドックス効果を否定するものでないが、多くの鉄(II)高スピン錯体は低スピン錯体に比べると安定ではない。
空気酸化する可能性もあるので、扱いに注意が必要である。鉄(II)硫酸塩や鉄(II)リン酸塩は安定で、特に、鉄(II)リン酸塩は水に不溶である。
以上に説明したように、鉄錯体は良好な酸化還元作用を有する。本発明は、正極の鉄錯体を用いた電池に関するものである。
Incorporating high-spin iron(II) complexes into the positive electrode does not negate the redox effect, but many high-spin iron(II) complexes are not as stable as low-spin complexes.
It may be oxidized in air, so care must be taken when handling it. Iron(II) sulfate and iron(II) phosphate are stable, and iron(II) phosphate in particular is insoluble in water.
As described above, the iron complex has a good oxidation-reduction effect. The present invention relates to a battery using the iron complex in the positive electrode.
電解液は、電極の極近傍(Helmholtz層)とバルクの拡散層に分けられる。充電によるイオンの局在化はHelmholtz層の近傍に制約される。この際、陽イオンは溶媒和(水系では水和)したまま、負極に吸着する。 The electrolyte is divided into the very vicinity of the electrode (Helmholtz layer) and the bulk diffusion layer. Localization of ions due to charging is restricted to the vicinity of the Helmholtz layer. At this time, cations remain solvated (hydrated in aqueous systems) and adsorb to the negative electrode.
飽和過塩素酸ナトリウム水溶液を電解液とする場合、図7(b)に図示するように電極の表面に水が吸着する構造は合理的ではない。この水溶液では、水分子は金属イオンに束縛され、自由な水分子はほとんど存在しないからである。
陽イオンはカウンターイオン(ClO4
-)から引き離されて負極表面に吸着するので、電気的中性を保つため、負極に電子が蓄積する。
When a saturated aqueous solution of sodium perchlorate is used as the electrolyte, the structure in which water is adsorbed on the surface of the electrode as shown in Fig. 7(b) is not rational, because in this aqueous solution, the water molecules are bound by metal ions and there are almost no free water molecules.
As the cations are separated from the counter ions (ClO 4 − ) and adsorbed onto the surface of the negative electrode, electrons accumulate at the negative electrode to maintain electrical neutrality.
正極では、負極に吸着した電子と同じ電荷量の正に帯電した空孔(正孔)が生じる。充電によるイオンの吸着は、Helmholtz層の近傍で起こり、バルク層での拡散の影響を受けない。 At the positive electrode, positively charged vacancies (holes) with the same charge as the electrons adsorbed at the negative electrode are generated. The adsorption of ions due to charging occurs near the Helmholtz layer and is not affected by diffusion in the bulk layer.
陽イオンの吸着は、電極とイオンの間の静電的相互作用により引き起こされると考えるのが妥当である。なぜならば、充放電において、イオンの拡散が律速するならば、電解液の導電率と温度による影響を受けなければならない。また、電極近傍のイオン分布に、統計力学的なボルツマン分布を適用することも支持できない。ボルツマン分布は温度の関数だからである。 It is reasonable to assume that the adsorption of cations is caused by electrostatic interactions between the electrode and ions. Because if ion diffusion is rate-limiting during charging and discharging, it must be affected by the conductivity and temperature of the electrolyte. In addition, it is not possible to apply the statistical mechanical Boltzmann distribution to the ion distribution near the electrode, because the Boltzmann distribution is a function of temperature.
二次電池では、酸化還元反応に物質移動が含まれるため、バルク層におけるイオンの拡散が不可欠である。酸化還元反応がどれほど速くても、拡散速度に律速されるため、電解液の導電率と温度による影響を受けることになる。 In secondary batteries, the redox reaction involves mass transfer, so diffusion of ions in the bulk layer is essential. No matter how fast the redox reaction is, it is rate-limited by the diffusion rate and is therefore affected by the conductivity and temperature of the electrolyte.
二次電池における充電速度は原理的に拡散速度より速くはない。電気二重層キャパシタでは、充放電速度を支配するのは、負極と陽イオンの間の静電的な相互作用であり、陽イオンのイオン半径と電荷が重要な因子となる。
電気二重層キャパシタの電解液として、飽和LiClO4と飽和NaClO4水溶液を用いた場合を比較する。
In principle, the charging rate in a secondary battery is not faster than the diffusion rate. In an electric double layer capacitor, the charge and discharge rate is governed by the electrostatic interaction between the negative electrode and the cations, and the ionic radius and charge of the cations are important factors.
We compare the results of using saturated LiClO4 and saturated NaClO4 aqueous solutions as electrolytes for electric double layer capacitors.
集電極はチタン箔、活物質は活性炭と黒鉛の混合物である。チタン上に活物質を塗布技術、印刷技術等を用いて形成する。また、チタン箔の他、ステンレス箔、鉄箔、銀箔等の他の金属箔、金属板を用いることができることは言うまでもない。 The collecting electrode is titanium foil, and the active material is a mixture of activated carbon and graphite. The active material is formed on the titanium using coating or printing techniques. Needless to say, in addition to titanium foil, other metal foils and metal plates such as stainless steel foil, iron foil, and silver foil can also be used.
二つのキャパシタの違いは、陽イオンでのLi+とNa+だけである。Li+はNa+よりイオン半径は小さいが、水和半径ではLi+が大きいとされている。Na+とLi+は共にhardな酸に分類され、負極との間で、強い静電的な相互作用が期待される。 The only difference between the two capacitors is the cations Li + and Na + . Li + has a smaller ionic radius than Na + , but the hydration radius of Li + is larger. Both Na + and Li + are classified as hard acids, and strong electrostatic interactions are expected between the negative electrode and the negative electrode.
イオンが電極に吸着する際、図7(a)に示すように、水和を伴って移動する。ここで、飽和LiClO4水溶液の重量モル濃度は5.27m(mol/kg)、飽和NaClO4水溶液の重量モル濃度は17.1mである。 When ions are adsorbed on the electrode, they move with hydration, as shown in Fig. 7(a). Here, the molar concentration of the saturated LiClO4 solution is 5.27m(mol/kg), and the molar concentration of the saturated NaClO4 solution is 17.1m.
LiClO4の水への溶解度は高くないが、それも電位窓は飽和NaClO4水溶液と同等である。このことは、Li+の水和力が強いことの証でもある。水の束縛は第二配位圏に及ぶとされている。飽和LiClO4水溶液の導電率は20℃で200mS/cmを超え、飽和NaClO4水溶液と比べると約2倍大きい。 Although the solubility of LiClO4 in water is not high, its potential window is the same as that of a saturated NaClO4 aqueous solution. This is also evidence of the strong hydration power of Li + . It is said that the binding of water extends to the second coordination sphere. The conductivity of a saturated LiClO4 aqueous solution exceeds 200 mS/cm at 20°C, which is about twice as high as that of a saturated NaClO4 aqueous solution.
図8に、飽和NaClO4水溶液と飽和LiClO4水溶液を電解液とした場合、活性炭の比率とエネルギー密度の関係を示す。いずれの電解液においても、エネルギー密度は活性炭の比率に比例して増加する。 Figure 8 shows the relationship between the ratio of activated carbon and energy density when saturated NaClO4 aqueous solution and saturated LiClO4 aqueous solution are used as the electrolyte. In both electrolytes, the energy density increases in proportion to the ratio of activated carbon.
図8に示すように、エネルギー密度の値は、飽和NaClO4水溶液の方が飽和LiClO4水溶液より僅かに大きい。このことは、Li+の水和半径がNa+より大きいことに起因していると考えられる。 As shown in Figure 8, the energy density value of the saturated NaClO4 solution is slightly larger than that of the saturated LiClO4 solution. This is believed to be due to the fact that the hydration radius of Li + is larger than that of Na + .
したがって、Na+がLi+より、イオンの容積が小さく(Stokes半径では、Na+とLi+は、それぞれ、1.84と2.38Å)、その結果、Na+では、より多くのイオンが電極に吸着することになり、蓄電容量が大きくなる。 Therefore, Na + has a smaller ionic volume than Li + (Stokes radii of Na + and Li + are 1.84 and 2.38 Å, respectively), and as a result, more Na+ ions can be adsorbed onto the electrode, resulting in a larger charge storage capacity.
この際、飽和LiClO4水溶液の重量モル濃度は5.27mと比較的に低いが、エネルギー密度と活性炭比率が比例するので、電解液として十分に濃厚であることを意味する。 In this case, the molar concentration of the saturated LiClO4 aqueous solution is relatively low at 5.27 m, but since the energy density and the activated carbon ratio are proportional, this means that the electrolyte is sufficiently concentrated.
導電率は、飽和LiClO4水溶液が飽和NaClO4水溶液より2倍大きい。それに関わらず、前者ではエネルギー密度が後者より小さいことは、導電率が蓄電容量には影響を与えないことを支持する。 The conductivity of a saturated LiClO4 solution is twice as high as that of a saturated NaClO4 solution. Nevertheless, the energy density of the former is lower than that of the latter, which supports the idea that conductivity does not affect the storage capacity.
非対称キャパシタでは、対象型電気二重層キャパシタと様相が変わる。図10では、負極は黒鉛(アセチレンブラックを含む)と活性炭の混合物であり、正極は黒鉛(アセチレンブラックを含む)のみで構成されている。 Asymmetric capacitors have a different appearance from symmetric electric double layer capacitors. In Figure 10, the negative electrode is a mixture of graphite (containing acetylene black) and activated carbon, and the positive electrode is composed of only graphite (containing acetylene black).
充電時におけるセル電圧は、約3Vである。放電時におけるcut-off電圧は2.5Vから3.2Vに変化させている。放電時におけるcut-off電圧3.2Vと2.7Vの差が大きい。cut-off電圧2.7V以下では、蓄電能力が非常に低いことが分かる。
このことは、正極において、陰イオン、ClO4
-が吸着する電極表面が小さく、電極で正孔が生じ難いことを意味する。
The cell voltage during charging is about 3V. The cut-off voltage during discharging is changed from 2.5V to 3.2V. There is a large difference between the cut-off voltages of 3.2V and 2.7V during discharging. It can be seen that the storage capacity is very low below the cut-off voltage of 2.7V.
This means that the electrode surface area on the positive electrode where the anions, ClO 4 − , are adsorbed is small, and holes are unlikely to be generated in the electrode.
しかし、cut-off電圧3.2Vでは、放電曲線が一変し、エネルギー密度も20Wh/kgになる。このことは、以下のように説明される。正極において、印加電圧がしきい値を超えると、黒鉛が酸化される。酸化と言っても、正極には酸素がなく水も分解しない。結局、黒鉛から電子が引き抜かれ、正孔が生じる。即ち、正極では、以下の酸化反応が起こる。Cは黒鉛である。
C → C+ + e-
通常は物質移動を伴うが、ここでは、物質移動はなく、電子移動だけが起こる。
図11は、別の形の非対称キャパシタである。カーボンクロスにFe2O3をコーティングすると、活性炭のように表面積の大きな電極になる。
However, at a cut-off voltage of 3.2V, the discharge curve changes completely and the energy density becomes 20Wh/kg. This can be explained as follows. When the applied voltage exceeds the threshold value at the positive electrode, the graphite is oxidized. When we say oxidation, there is no oxygen at the positive electrode and water does not decompose. In the end, electrons are pulled out of the graphite and holes are created. In other words, the following oxidation reaction occurs at the positive electrode. C is graphite.
C → C + + e -
Although mass transfer is usually involved, here there is no mass transfer and only electron transfer occurs.
Another type of asymmetric capacitor is shown in Figure 11. Carbon cloth coated with Fe2O3 provides an electrode with a large surface area , similar to activated carbon.
図11(a)は正極と負極は共にFe2O3をコーティングしている。図11(b)は負極のみにFe2O3をコーティングしている。正極はカーボンクロスのみである。 In Fig. 11(a), both the positive and negative electrodes are coated with Fe2O3 . In Fig. 11(b), only the negative electrode is coated with Fe2O3 . The positive electrode is made of carbon cloth only.
図11(a)に図示するように、カーボンクロスにFe2O3をコーティングした電極を負極と正極に使うと、活性炭に勝るとも劣らない電気二重層キャパシタができる。一方、図11(b)に図示するように、負極にFe2O3をコーティングし、正極にカーボンクロスのみを用いると、蓄電容量は極端に減少する。
図11(a)の実施態様のように、カーボンクロス等で電極を形成し、前記電極にFe2O3をコーティングした電極を採用することが好ましい。
As shown in Fig. 11(a), when carbon cloth coated with Fe2O3 is used as the negative and positive electrodes, an electric double layer capacitor that is comparable to activated carbon can be made. On the other hand, as shown in Fig. 11(b), when the negative electrode is coated with Fe2O3 and only carbon cloth is used as the positive electrode, the storage capacity is extremely reduced.
As in the embodiment of FIG. 11(a), it is preferable to use an electrode formed of carbon cloth or the like and coated with Fe 2 O 3 .
以上の結果から、電気二重層キャパシタは負極によりけん引され、活性炭あるいは活性炭と同様の機能を有するものが存在すれば、そこにイオンが吸着し、負極では電子が蓄積する。 From the above results, it can be seen that the electric double layer capacitor is driven by the negative electrode, and if activated carbon or something with similar functions to activated carbon is present, ions are adsorbed there, and electrons accumulate at the negative electrode.
正極では、セル全体の電気的中性を保つため、正孔が蓄積する。非対称キャパシタでは、正極に、活性炭あるいは活性炭と同様の機能を有するものが存在しない場合、正極が酸化されることがある。この場合、エネルギー密度は活性炭を有する対称型電気二重層キャパシタに劣らない大きさを持ち、放電曲線は二次電池のようにプラトーな特性を示す。 In the positive electrode, holes accumulate to maintain electrical neutrality throughout the cell. In asymmetric capacitors, if the positive electrode does not contain activated carbon or a material with similar functions to activated carbon, the positive electrode may become oxidized. In this case, the energy density is comparable to that of a symmetric electric double layer capacitor with activated carbon, and the discharge curve shows plateau characteristics like a secondary battery.
正極の添加物として、鉄(II)低スピン錯体を想定する。鉄以外の遷移金属錯体でも同様である。冒頭に述べたように、鉄(II)低スピン錯体は酸化すると鉄(III)低スピン錯体になる。 As an additive to the positive electrode, we assume that the additive is an iron(II) low-spin complex. The same applies to transition metal complexes other than iron. As mentioned at the beginning, when an iron(II) low-spin complex is oxidized, it becomes an iron(III) low-spin complex.
酸化還元電位は、ヘキサシアノ鉄(II)錯体では、0.36V、トリス1,10-フェナントロリン鉄(II)錯体では、1.06Vである。正極における負荷電圧が酸化還元電位を超えると、鉄(II)錯体は酸化されて鉄(III)錯体になる。 The redox potential is 0.36 V for the hexacyanoiron(II) complex and 1.06 V for the tris-1,10-phenanthrolineiron(II) complex. When the applied voltage at the positive electrode exceeds the redox potential, the iron(II) complex is oxidized to the iron(III) complex.
この反応は可逆的で、迅速に進行することが知られている。トリス1,10-フェナントロリン鉄(II)錯体、[Fe(II)(phen)3]2+,の酸化還元反応を以下に示す。
ここで、phen : 1,10-フェナントロリンである。
[Fe(II)(phen)3]2+ ←→ [Fe(III)(phen)3]3+ + e-
This reaction is known to be reversible and proceeds rapidly. The redox reaction of tris-1,10-phenanthroline iron (II) complex, [Fe(II)(phen) 3 ] 2+ , is shown below.
Here, phen: 1,10-phenanthroline.
[Fe(II)(phen) 3 ] 2+ ←→ [Fe(III)(phen) 3 ] 3+ + e -
低スピン鉄錯体は、II価とIII価において、八面体を維持し、構造的にはほとんど変化しない。ただし、カウンターイオン(ClO4 -)は酸化に伴い、一つ増える。つまり、充電に伴い、電気的中性を維持するため、負極から正極にClO4 -が移動する。 Low-spin iron complexes maintain an octahedral structure in the divalent and trivalent states, with little structural change. However, the number of counter ions (ClO 4 - ) increases by one upon oxidation. In other words, to maintain electrical neutrality, ClO 4 - migrates from the negative electrode to the positive electrode upon charging.
電気二重層キャパシタにおいても、セル全体では、イオンは移動している。例えば、NaClO4を電解液とする場合、充電に伴い、Na+は正極から負極に移動する。二次電池との違いは、電気二重層キャパシタでは、イオンの移動が律速段階にならないことである。セル全体の中和の観点から見ると、負極から正極へのClO4 -の移動と正極から負極へのNa+の移動は同じ現象である。 In electric double layer capacitors, ions also move throughout the cell. For example, when NaClO4 is used as the electrolyte, Na + moves from the positive electrode to the negative electrode as the battery is charged. The difference from secondary batteries is that in electric double layer capacitors, the movement of ions is not the rate-limiting step. From the perspective of neutralization of the entire cell, the movement of ClO4- from the negative electrode to the positive electrode and the movement of Na + from the positive electrode to the negative electrode are the same phenomenon.
非対称キャパシタを実用化の観点から見ると、充電による正極での酸化反応は、セル電圧が2~2.5Vで起こることが望ましい。鉄(II)低スピン錯体は数多く存在するので、その中から、先の条件を満たす錯体を選べば良い。
鉄(II)低スピン錯体には、天然由来の錯体がある。鉄(II)ポルフィリン錯体は哺乳動物の血液から分離できる。
活物質として、汎用の活性炭や安価な金属化合物を用いることを前提にし、長時間の安定性を考えると、cut-off電圧は2.5~2.7Vとする。
From the viewpoint of practical application of asymmetric capacitors, it is desirable that the oxidation reaction at the positive electrode due to charging occurs at a cell voltage of 2 to 2.5 V. There are many iron(II) low-spin complexes, so one can simply select one that satisfies the above conditions.
Low-spin iron(II) complexes include naturally occurring complexes: iron(II) porphyrin complexes can be isolated from mammalian blood.
Assuming that general-purpose activated carbon or inexpensive metal compounds are used as the active material, and taking long-term stability into consideration, the cut-off voltage is set to 2.5 to 2.7 V.
図9において、電極中の黒鉛と活性炭の比率を変えると、活性炭の比率に比例してエネルギー密度は増加する。このことは、イオン濃度は十分に高く、活性炭の増加と共に吸着するイオン濃度が増加することを意味する。黒鉛と活性炭の混合物では、活性炭70%が限界であるが、活性炭とアセチレンブラックとの混合物では、活性炭を90%まで上げることができる。その場合、エネルギー密度は30Wh/kgを超える。
これまでの結果から、活性炭を電極に用いると、30Wh/kgが水系電気二重層キャパシタにおけるエネルギー密度が得られる。
In Figure 9, when the ratio of graphite to activated carbon in the electrode is changed, the energy density increases in proportion to the ratio of activated carbon. This means that the ion concentration is high enough, and the adsorbed ion concentration increases with increasing activated carbon. In the graphite and activated carbon mixture, the activated carbon content is limited to 70%, but in the activated carbon and acetylene black mixture, the activated carbon content can be increased to 90%. In that case, the energy density exceeds 30Wh/kg.
Based on the results so far, it has been shown that by using activated carbon as an electrode, an energy density of 30Wh/kg can be achieved in an aqueous electric double layer capacitor.
以下、本発明のキャパシタ電池(電気二重層キャパシタ電池)をリチウムイオン二次電池形態に構成することを例示して、実施形態に係るキャパシタ電池、二次電池の構造等を、図面を参照して説明する。図1は、キャパシタ電池の一例を示す断面図である。 Below, the capacitor battery (electric double layer capacitor battery) of the present invention is illustrated as being configured as a lithium ion secondary battery, and the structures of the capacitor battery and secondary battery according to the embodiment are described with reference to the drawings. Figure 1 is a cross-sectional view showing an example of a capacitor battery.
図1ではコイン型のリチウムイオン二次電池を例示して説明しているが、本発明の技術的思想は、これに限定するものではない。たとえば、図2に図示するように円筒形等であっても良いことは言うまでもない。その他、フィルム形状、箱型形状が例示される。 In FIG. 1, a coin-type lithium ion secondary battery is illustrated as an example, but the technical concept of the present invention is not limited to this. For example, it goes without saying that the battery may be cylindrical, as shown in FIG. 2. Other examples include a film shape and a box shape.
図1に図示するように、本発明のキャパシタ電池の一例としてのリチウムイオン二次電池は、正極205をなす導電体に正極材料221が形成または配置されている。負極206をなす導電体に負極材料231が形成または配置されている。正極材料221と負極材料231間にセパレータ204が配置され、セパレータ204は電解液222が充填、浸透、含浸されている。
As shown in FIG. 1, in a lithium ion secondary battery as an example of a capacitor battery of the present invention, a
図1では省略しているが、正極205には正極端子202が接続され、負極206には負極端子203が接続される。正極205と負極206間はガスケット207により絶縁されている。
Although omitted in FIG. 1, a
正極は正極205の内面に位置して接続される正極材料221で構成され、負極は正極材料221と対面する位置に配置され、正極と負極間にセパレータ204が配置される。
The positive electrode is composed of a
正極材料221は、コバルトを含有する材料を使用する。たとえば、黒鉛とコバルト酸リチウム(LiCoO2)の混合物を使用しても良い。また、黒鉛と混合せる材料との含有割合は、1:0.8~1:1.5の範囲とすることが好ましい。
A material containing cobalt is used as the
また、黒鉛とコバルトを使用する材料(LiCoO2)の混合物、黒鉛とマンガンを使用する材料(LiMn2O4)の混合物、黒鉛とニッケルを使用する材料(LiNiO2の混合物)、黒鉛とリン酸鉄を使用する材料(LiFePO4)の混合物、黒鉛と酸化鉄を使用する材料(Fe2O、Fe2O3)の混合物が例示される。また、炭素量子ドット(Carbon quantum dots:CQDs)も例示される。
以上のように、正極としてコバルト酸リチウムの他、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム等を用いることができる。
Other examples include a mixture of graphite and cobalt ( LiCoO2 ), a mixture of graphite and manganese ( LiMn2O4 ), a mixture of graphite and nickel ( LiNiO2 ), a mixture of graphite and iron phosphate (LiFePO4), and a mixture of graphite and iron oxide ( Fe2O , Fe2O3 ) . Carbon quantum dots (CQDs) are also examples.
As described above, in addition to lithium cobalt oxide, lithium manganate, lithium iron phosphate, and the like can be used for the positive electrode.
図11で説明したように、正極と負極のうち少なくとも一方は、Fe2O3をコーティングする。好ましくは、正極および負極は共に、Fe2O3をコーティングすることが好ましい。 As explained in Fig. 11, at least one of the positive electrode and the negative electrode is coated with Fe2O3 . Preferably, both the positive electrode and the negative electrode are coated with Fe2O3 .
LiCoO2等の混合物は酸化されて構造変化しないものであればいずれの酸化物であっても良い。なお、黒鉛に限定するものではなく、グラファイト系、コークス系等のカーボン材料を使用することができる。 The mixture such as LiCoO2 may be any oxide as long as it does not undergo structural changes when oxidized. It is not limited to graphite, and carbon materials such as graphite and coke can be used.
黒鉛とコバルトを使用する材料(LiCoO2)の混合物を使用しても良い。また、黒鉛と混合せる材料との含有割合は、1:0.8~1:1.5の範囲とすることが好ましい。 A mixture of graphite and a material using cobalt (LiCoO 2 ) may be used. The content ratio of the graphite to the material to be mixed is preferably in the range of 1:0.8 to 1:1.5.
黒鉛と混合させる材料は、酸化材料に限定されるものではない。たとえば、黒鉛と鉄フェナントロリン錯体([Fe(phen)3](ClO4)2)を使用する材料の混合物、黒鉛と鉄シアノ錯体(Li4[Fe(CN)6])を使用する材料の混合物が例示される。 The material to be mixed with graphite is not limited to oxide materials. For example, a mixture of graphite and a material using an iron phenanthroline complex ([Fe(phen) 3 ](ClO 4 ) 2 ) or a mixture of graphite and a material using an iron cyano complex (Li 4 [Fe(CN) 6 ]) can be used.
鉄(II)錯体の配位子はフェナントロリンに限らずビピリジンのような低スピン錯体を形成するものでも良い。他に、黒鉛と水酸化ニッケル(Ni(OH)2)を使用する材料の混合物が例示される。 The ligand of the iron(II) complex is not limited to phenanthroline, but may be one that forms a low-spin complex such as bipyridine. Other examples include a mixture of materials using graphite and nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ).
負極は負極206の内面に位置して接続される負極材料231で構成される。負極材料231として、黒鉛(LiC6)、ハードカーボン(LiC6)、チタネイト(Li4Ti5O12)、チタン酸リチウム(LTO)が例示される。
The negative electrode is composed of a
セパレータ204は、過塩素酸リチウム(LiClO4)等の過塩素酸塩水溶液に含浸されている。過塩素酸塩水溶液は飽和過塩素酸塩水溶液であることが好ましいが、飽和状態に近い水溶液でも性能、効率に差異はない。飽和状態の95%以上であれば良い。さらに好ましくは、98%以上であれば良い。
The
負極206は、その端部がその下端および両側面をガスケット207で包んだ状態で正極205内に挿入され、負極206を正極205にかしめて固定するとともに、負極206および正極205とはガスケット207により絶縁している。
The
図6は、本発明の電気二重層キャパシタ電池の充放電の動作を説明する説明図である。図6において、図6(a)は充電器101により電気二重層キャパシタ電池に充電しているときの動作の説明図であり、図6(b)はモバイル機器102等の負荷装置に放電しているときの動作の説明図である。
Figure 6 is an explanatory diagram explaining the charging and discharging operation of the electric double layer capacitor battery of the present invention. In Figure 6, Figure 6 (a) is an explanatory diagram of the operation when the electric double layer capacitor battery is being charged by the
電気二重層キャパシタ電池は、電解液中に溶解しているイオンの局在化で発生する。即ち、溶液に電圧を印加すると、陽イオンは負極に、負イオン正極に局在化する。電気的中性を保つため、負極には電子が吸着し、正極では正に帯電した空孔が生じる。 Electric double layer capacitor batteries are generated by the localization of ions dissolved in the electrolyte. That is, when a voltage is applied to the solution, positive ions localize at the negative electrode and negative ions localize at the positive electrode. To maintain electrical neutrality, electrons are adsorbed to the negative electrode, and positively charged vacancies are created at the positive electrode.
図6(a)に図示するように、Liイオン電池において、電圧を印加すると、下の式に示すように、正極では、コバルトが、部分的に、3価(LiCoO2)から4価(CoO2)に酸化される。部分的は、x < 1 で表現される。
LiCoO2 ←→ Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- 正極 (式1)
6xC + xLi+ + xe- ←→ xC6Li 負極 (式2)
As shown in Fig. 6(a), when a voltage is applied to a Li-ion battery, cobalt is partially oxidized from trivalent ( LiCoO2 ) to tetravalent ( CoO2 ) in the positive electrode, as shown in the formula below. Partial is expressed by x < 1.
LiCoO 2 ←→ Li (1-x) CoO 2 + xLi + + xe -positive electrode (Formula 1)
6xC + xLi + + xe - ←→ xC 6 Li negative electrode (Formula 2)
一方、負極では、リチウムイオンが黒鉛にインターカレーション(Intercalation)して、部分的に還元される。つまり、正極で放出されたLi+が負極で還元されC6Liになる。 Meanwhile, at the negative electrode, lithium ions are intercalated into the graphite and partially reduced, that is, Li+ released at the positive electrode is reduced to C 6 Li at the negative electrode.
この時、インターカレーションしたC6Liの酸化還元電位(C6Li / Li+=2.90)は単体Liにおける(Li / Li+=3.05)より低い。正極(反応1)における電位は0.90Vであるから、(式1)と(式2)を加えると全反応(電池)の起電力は3.8Vになる。しかし、xの値により起電力は変わる。実際に、東芝の水系リチウムイオン電池では、2.4Vで稼働している。 In this case, the redox potential of the intercalated C 6 Li (C 6 Li / Li + = 2.90) is lower than that of elemental Li (Li / Li + = 3.05). Since the potential at the positive electrode (reaction 1) is 0.90 V, adding (equation 1) and (equation 2) results in an electromotive force of 3.8 V for the total reaction (battery). However, the electromotive force changes depending on the value of x. In fact, Toshiba's aqueous lithium-ion battery operates at 2.4 V.
負極に黒鉛を用いた電気二重層キャパシタ電池では、正極で酸化されるものがなく、正に帯電した空孔が発生して電気的中性を維持している。負極では、Li+は還元されることなく、単に電極中に局在化する。 In an electric double-layer capacitor battery using graphite as the negative electrode, there is nothing to oxidize at the positive electrode, and positively charged vacancies are generated to maintain electrical neutrality. At the negative electrode, Li + is not reduced but simply localized in the electrode.
正極に、LiCoO2のように酸化される物質が存在すると、ある電圧(起電力を超えた)では、負極のLi+は黒鉛にインターカレーションしてC6Liを生成する。つまりLi+は還元される。この場合、リチウムイオン電池の負極と同じ現象が起こる。
つまり、リチウムイオン電池と本発明の電気二重層キャパシタ電池との違いは正極の混合物だけである。
If the positive electrode contains a substance that can be oxidized, such as LiCoO2, at a certain voltage (exceeding the electromotive force), the Li + in the negative electrode intercalates into the graphite to produce C6Li . In other words, Li + is reduced. In this case, the same phenomenon occurs as in the negative electrode of a lithium-ion battery.
In other words, the only difference between the lithium ion battery and the electric double layer capacitor battery of the present invention is the mixture of the positive electrode.
図6(a)のように電圧を印加すると、電圧上昇に伴い充電が開始する。最初は全て電気二重層キャパシタ電池によるものである。2V以上で、ある電圧(起電力)を超えると、リチウムイオン電池と同様の酸化還元反応が発生する。Cut-off電圧は2.7Vとする。これは、電気二重層キャパシタ電池に酸化還元反応を付随させた新しい概念の蓄電デバイスと言える。 When a voltage is applied as shown in Figure 6 (a), charging begins as the voltage rises. Initially, all charging is done by the electric double-layer capacitor battery. When the voltage exceeds 2V and a certain voltage (electromotive force), an oxidation-reduction reaction similar to that of a lithium-ion battery occurs. The cut-off voltage is set to 2.7V. This can be said to be a new concept of energy storage device that combines an oxidation-reduction reaction with an electric double-layer capacitor battery.
大電流を印加したとき、酸化還元反応は追いつかず、電気二重層キャパシタ電池のみが機能する。小電流を長い時間をかけ印加すると、起電力を超えた電圧で、酸化還元反応が起こり、全体のエネルギー密度は著しく増加することになる。 When a large current is applied, the redox reaction cannot keep up, and only the electric double-layer capacitor battery functions. When a small current is applied for a long time, the redox reaction occurs at a voltage that exceeds the electromotive force, and the overall energy density increases significantly.
たとえば、我々が開発した電気二重層キャパシタ電池において、電流密度20mA/cm2で、充放電容量0.03mAh/cm2が得られている(クーロン効率はほぼ100%)。このことは、5.4秒で満充電し、0.03mAh/cm2の充電容量が得られることを意味する。 For example, in the electric double-layer capacitor battery we developed, a charge/discharge capacity of 0.03 mAh/ cm2 was obtained at a current density of 20 mA/ cm2 (Coulombic efficiency is nearly 100%). This means that it can be fully charged in 5.4 seconds and a charge capacity of 0.03 mAh/ cm2 can be obtained.
5.4秒間では、二次電池(酸化還元反応)はほとんど応答せず、急速充電では電気二重層キャパシタだけが機能することになる。他方、低い電流密度で長時間充電する、たとえば電流密度が1/10以下では、二次電池つまり酸化還元反応が機能し始める。 In 5.4 seconds, the secondary battery (redox reaction) barely responds, and only the electric double layer capacitor functions during rapid charging. On the other hand, when charging for a long time at a low current density, for example when the current density is 1/10 or less, the secondary battery (redox reaction) begins to function.
負極では、Li+は黒鉛にインターカレーションしてC6Liを生成し、部分的に還元される。正極では、たとえば、LiCoO2は部分的に酸化されLi(1-x)CoO2になる。もし正極に[Fe(phen)3](ClO4)2が存在すると、酸化されて[Fe(phen)3](ClO4)3になる。つまり、鉄は2価から3価に酸化される。 At the negative electrode, Li + intercalates into graphite to form C6Li , which is partially reduced. At the positive electrode, for example, LiCoO2 is partially oxidized to Li (1-x) CoO2 . If [Fe(phen) 3 ]( ClO4 ) 2 is present at the positive electrode, it is oxidized to [Fe(phen) 3 ]( ClO4 ) 3 . That is, iron is oxidized from divalent to trivalent.
上記の蓄電方式は、広い電位窓の水系電解液において初めて可能である。電解液の電位窓が狭いと印加電圧を高くすることができず、酸化還元反応は起こらない。即ち二次電池として機能しない。これまで報告されているレドックスキャパシタとは本質的に異なる。同様に、有機系電解液を用いても行うことはできるが、有機系電解液における電気二重層キャパシタの蓄電容量は二次電池の数%にしかならず、ほとんど誤差の範囲となる。 The above-mentioned power storage method is only possible with aqueous electrolytes that have a wide potential window. If the potential window of the electrolyte is narrow, the applied voltage cannot be increased and the redox reaction does not occur. In other words, it does not function as a secondary battery. It is essentially different from the redox capacitors reported so far. Similarly, it can also be done with organic electrolytes, but the storage capacity of an electric double layer capacitor with organic electrolytes is only a few percent of that of a secondary battery, which is almost within the margin of error.
二次電池は負極と正極で起こる酸化還元反応を電気エネルギーに変換するものである。電解液の役割は、電子とイオンが負極と正極の間での移動を可能にすることである。 Secondary batteries convert the redox reaction that occurs at the negative and positive electrodes into electrical energy. The role of the electrolyte is to enable the movement of electrons and ions between the negative and positive electrodes.
電位窓が3V以上の飽和過塩素酸リチウム水溶液は、リチウムイオン電池の電解液に使用することができる。飽和でなくても、飽和に近い濃厚水溶液において、広い電位窓を有するため、二次電池の電解液に使用することができる。 A saturated lithium perchlorate aqueous solution with a potential window of 3 V or more can be used as an electrolyte for lithium-ion batteries. Even if it is not saturated, a concentrated aqueous solution close to saturation has a wide potential window and can therefore be used as an electrolyte for secondary batteries.
飽和過塩素酸塩水溶液を二次電池の電解液にするためには、電解液の電位窓は固有であるので、二次電池の起電力が電解液の電位窓よりも小さなものを選ばなければならない。 In order to use a saturated aqueous perchlorate solution as the electrolyte for a secondary battery, the electromotive force of the secondary battery must be smaller than the potential window of the electrolyte, since the potential window of the electrolyte is specific.
セパレータ204に固体電解質を用いても良い。固体電解質は負極と正極の間のイオンの移動を抑えるため、個々の電極、即ち負極と正極には独立して印加されるため、充電において、負極における還元電位と正極における酸化電位を低く抑えることができる。
A solid electrolyte may be used for the
そのため、電位窓の狭い水溶液を電解液にすることが可能になる。飽和過塩素酸リチウム水溶液は、他の水溶液よりも電位窓が広く(25℃で3.2V)、電解液として好ましい。 This makes it possible to use aqueous solutions with narrow potential windows as electrolytes. A saturated aqueous solution of lithium perchlorate has a wider potential window (3.2 V at 25°C) than other aqueous solutions, making it a preferable electrolyte.
本発明は、電位窓が広いため、安定して長時間の使用が可能である。ナトリウムイオン電池においても、同様に飽和過塩素酸ナトリウム水溶液を電解液として使用することができる。 The present invention has a wide potential window, allowing stable long-term use. Similarly, a saturated aqueous sodium perchlorate solution can be used as the electrolyte in sodium ion batteries.
飽和過塩素酸塩水溶液は過塩素酸リチウム(LiClO4),過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸バリウム(Ba(ClO4)2)および過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)である。これら飽和過塩素酸塩水溶液を二次電池の電解液に用いる。 Saturated perchlorate solutions include lithium perchlorate (LiClO 4 ), sodium perchlorate (NaClO 4 ), barium perchlorate (Ba(ClO 4 ) 2 ), and magnesium perchlorate (Mg(ClO4) 2 ). These saturated perchlorate solutions are used as electrolytes in secondary batteries.
本発明の実施例において、電解液として、飽和過塩素酸塩水溶液を用いるとして説明するが、飽和に限定するものではない。飽和に近い過塩素酸塩水溶液であっても、効果、能力、性能に大きな差異はない。したがって、過塩素酸塩水溶液を用いても良いことはいうまでもない。 In the examples of the present invention, a saturated aqueous perchlorate solution is used as the electrolyte, but this is not limited to being saturated. Even if the aqueous perchlorate solution is close to being saturated, there is no significant difference in effect, capacity, or performance. Therefore, it goes without saying that an aqueous perchlorate solution may be used.
図1、図2等は、本発明の電気二重層キャパシタ電池(二次電池)の斜視図および一部断面図である。本発明の電気二重層キャパシタ電池(二次電池)を筒状に構成した実施態様である。なお、図示を容易にするため、正極205、負極206等を省略している。本発明の電気二重層キャパシタ電池(二次電池)等は、その他、箱型、板状等の多種多様な形状に構成できることは言うまでもない。
Figures 1 and 2 are perspective views and partial cross-sectional views of the electric double layer capacitor battery (secondary battery) of the present invention. This is an embodiment in which the electric double layer capacitor battery (secondary battery) of the present invention is configured in a cylindrical shape. Note that, for ease of illustration, the
図1、図2等に図示するように、本発明の電気二重層キャパシタ電池(二次電池)は容器107に、正極材料221、負極材料231、セパレータ204が構成され、また、必要に応じて、正極材料221、負極材料231、セパレータ204間等に絶縁フィルム108が配置される。
セパレータ204、正極材料221、負極材料231間には電解液222が充填され、また、正極材料221、負極材料231中に電解液222が充填される。
図3は、飽和過塩素酸塩水溶液のサイクリックボルタモグラム(CV)の説明図である。参照電極としてAg/AgCl電極を用いた。
図3に図示するCV測定において、平坦な部分では電流が流れていない。つまり、水の分解反応が起きていないことを意味する。平坦な部分が電位窓である。
As shown in Figures 1 and 2, the electric double layer capacitor battery (secondary battery) of the present invention is configured such that a
An
3 is an explanatory diagram of a cyclic voltammogram (CV) of a saturated aqueous solution of perchlorate. An Ag/AgCl electrode was used as the reference electrode.
In the CV measurement shown in Figure 3, no current flows in the flat areas. This means that the water decomposition reaction is not occurring. The flat areas are potential windows.
飽和過塩素酸ナトリウム水溶液と飽和過塩素酸リチウム水溶液では電位窓は3.2Vで、飽和過塩素酸マグネシウムと飽和過水溶液と飽和過塩素酸バリウム水溶液においても広い電位窓(約3V)を持つことが分かる。 The potential window is 3.2 V for saturated sodium perchlorate and saturated lithium perchlorate aqueous solutions, and it can be seen that saturated magnesium perchlorate, saturated perchlorate aqueous solution, and saturated barium perchlorate aqueous solution also have a wide potential window (about 3 V).
このことは飽和過塩素酸リチウム(LiClO4)水溶液、飽和過塩素酸ナトリウム(NaClO4)水溶液、飽和過塩素酸バリウム(Ba(ClO4)2)水溶液および飽和過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)水溶液が、二次電池の電解液に使えることを意味する。
図3に図示するように、過塩素酸塩水溶液の飽和水溶液は広い電位窓を持つ。これらの水溶液を電解液にすると高い印加電圧を操作することが可能である。
This means that saturated aqueous solutions of lithium perchlorate (LiClO 4 ), sodium perchlorate (NaClO 4 ), barium perchlorate (Ba(ClO 4 ) 2 ) and magnesium perchlorate (Mg(ClO4) 2 ) can be used as electrolytes in secondary batteries.
As shown in Figure 3, saturated aqueous solutions of perchlorate have a wide potential window. If these aqueous solutions are used as electrolytes, it is possible to operate at high applied voltages.
図4は、飽和過塩素酸リチウム水溶液のサイクリックボルタモグラム(CV)および温度変化の説明図である。参照電極としてAg/AgCl電極を用いている。
CVは温度に依存するので、電位窓も温度により変化する。25℃では3.2Vであるが、40℃で3.0V、60℃では、2.8Vに減少する。
4 is an explanatory diagram of the cyclic voltammogram (CV) and temperature change of a saturated aqueous solution of lithium perchlorate. An Ag/AgCl electrode is used as the reference electrode.
Since CV depends on temperature, the potential window also changes with temperature. It is 3.2 V at 25°C, but decreases to 3.0 V at 40°C and 2.8 V at 60°C.
図4において、25℃では飽和水溶液であるが、温度上昇に伴い、過塩素酸リチウムの溶解度は増加するので、40℃と60℃では、飽和状態ではなく、飽和状態に近い濃厚水溶液である。 In Figure 4, the solution is saturated at 25°C, but as the temperature rises, the solubility of lithium perchlorate increases, so at 40°C and 60°C, the solution is not saturated but is concentrated and close to saturated.
図4において、40℃と60℃では、広い電位窓を維持している。即ち、飽和に近い濃厚水溶液においても電位窓が広く、二次電池の電解液として使用することができる。 In Figure 4, a wide potential window is maintained at 40°C and 60°C. In other words, even in a concentrated aqueous solution close to saturation, the potential window is wide, and it can be used as an electrolyte for secondary batteries.
過塩素酸リチウム(LiClO4)以外の水溶液も電解液として用いることができる。たとえば、過塩素酸ナトリウム(NaClO4)、過塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)、過塩素酸カルシウム(Ca(ClO4)2)、過塩素酸バリウム(Ba(ClO4)2)または過塩素酸アルミニウム(Al(ClO4)3)といった過塩素酸塩水溶液が例示される。
図5は、飽和過塩素酸リチウム水溶液および飽和過塩素酸リチウム水溶液の導電率とその温度変化の説明図である。
飽和過塩素酸リチウム水溶液の導電率は飽和過塩素酸ナトリウム水溶液の導電率より倍以上大きい。いずれの場合も、導電率は温度上昇と共に上昇する。
Aqueous solutions other than lithium perchlorate ( LiClO4 ) can also be used as the electrolyte, such as aqueous solutions of perchlorates such as sodium perchlorate ( NaClO4 ), magnesium perchlorate (Mg( ClO4 ) 2 ), calcium perchlorate (Ca( ClO4 ) 2 ), barium perchlorate (Ba( ClO4 ) 2 ) or aluminum perchlorate (Al( ClO4 ) 3 ).
FIG. 5 is an explanatory diagram of the conductivity of a saturated aqueous lithium perchlorate solution and its temperature change.
The conductivity of a saturated aqueous solution of lithium perchlorate is more than twice as high as that of a saturated aqueous solution of sodium perchlorate. In either case, the conductivity increases with increasing temperature.
図5において、グラフの横軸は温度とし、縦軸は導電率でミリジーメンス毎センチメートル(mS/cm)としている。過塩素酸リチウム(LiClO4)水溶液の導電率は、飽和NaClO4水溶液よりも約2倍高く、飽和LiClO4水溶液は優れた電解液である。 In Figure 5, the horizontal axis of the graph is temperature, and the vertical axis is conductivity in millisiemens per centimeter (mS/cm). The conductivity of a lithium perchlorate ( LiClO4 ) solution is about twice as high as that of a saturated NaClO4 solution, making the saturated LiClO4 solution an excellent electrolyte.
以上の結果、飽和過塩素酸リチウム(LiClO4)水溶液を電解液に使用すると、25℃において、最大3.2Vの印加電圧が可能で、60℃においても2.8Vの印加電圧が可能である。 As a result of the above, when a saturated aqueous solution of lithium perchlorate (LiClO 4 ) is used as the electrolyte, a maximum applied voltage of 3.2 V is possible at 25°C, and a voltage of 2.8 V is possible even at 60°C.
過塩素酸リチウム(LiClO4)水溶液の導電率は過塩素酸ナトリウム(NaClO4)水溶液よりも高く、電気二重層キャパシタ電池(二次電池)の電解液として好ましい。 The electrical conductivity of an aqueous solution of lithium perchlorate (LiClO 4 ) is higher than that of an aqueous solution of sodium perchlorate (NaClO 4 ), and is therefore preferable as an electrolyte for electric double layer capacitor batteries (secondary batteries).
水は水素結合を介してクラスター状に大きな構造を形成している。このクラスター構造が水の結合を弱め、結果として電位窓を狭くしている。逆に、独立したH2Oなら、電位窓は広いことが推測される。このことを可能にしたのが超濃厚水溶液である。 Water forms large cluster-like structures through hydrogen bonds. These cluster structures weaken the bonds of water, narrowing the potential window as a result. Conversely, it is assumed that independent H 2 O would have a wider potential window. This is made possible by ultra-concentrated aqueous solutions.
飽和過塩素酸ナトリウム水溶液の重量濃度は (25℃において17.1mol/(水1kg))と超濃厚で、水のクラスター構造はほぼ破壊されていると推測される。 The weight concentration of a saturated aqueous solution of sodium perchlorate is extremely high (17.1 mol/(1 kg of water) at 25°C), and it is assumed that the water cluster structure is almost completely destroyed.
上述の飽和過塩素酸ナトリウム水溶液、飽和過塩素酸リチウム水溶液、飽和過塩素酸マグネシウム、飽和過塩素酸カルシウム、飽和過塩素酸バリウム、飽和過塩素酸アルミニウム、飽和硫酸マグネシウム水溶液、飽和硫酸カリウム水溶液および飽和硫酸ナトリウム水溶液のうち、複数の飽和水溶液を混合した混合物を電解液として用いることもできる。 A mixture of two or more of the above-mentioned saturated aqueous solutions of sodium perchlorate, lithium perchlorate, magnesium perchlorate, calcium perchlorate, barium perchlorate, aluminum perchlorate, magnesium sulfate, potassium sulfate, and sodium sulfate can also be used as the electrolyte.
飽和過塩素酸ナトリウムの水溶液と飽和過塩素酸リチウム水溶液との混合物というような2種の飽和水溶液の組み合わせによる混合物に限られない。また、飽和過塩素酸ナトリウム水溶液、飽和過塩素酸リチウム水溶液および飽和過塩素酸バリウム水溶液の混合物というような3種以上の飽和水溶液の混合物であっても良い。
かかる混合物には、必ずしも過塩素酸リチウム水溶液を含まなくともよく、様々な組み合わせによる混合物を電解液として用いることができる。
The mixture is not limited to a combination of two types of saturated aqueous solutions, such as a mixture of a saturated aqueous solution of sodium perchlorate and a saturated aqueous solution of lithium perchlorate, but may also be a mixture of three or more types of saturated aqueous solutions, such as a mixture of a saturated aqueous solution of sodium perchlorate, a saturated aqueous solution of lithium perchlorate, and a saturated aqueous solution of barium perchlorate.
Such a mixture does not necessarily have to contain an aqueous solution of lithium perchlorate, and a mixture of various combinations can be used as the electrolyte.
リチウムイオン電池に、飽和過塩素酸リチウム水溶液あるいは飽和に近い濃厚な過塩素酸リチウム水溶液を電解液に用いるとしたが、リチウムイオン電池と同様、ナトリウムイオン電池において、飽和過塩素酸ナトリウム水溶液を電解液に用いることも本発明の技術的範疇である。 Although it has been stated that a saturated aqueous solution of lithium perchlorate or a concentrated aqueous solution of lithium perchlorate close to saturation is used as the electrolyte for lithium ion batteries, it is also within the technical scope of this invention to use a saturated aqueous solution of sodium perchlorate as the electrolyte for sodium ion batteries, just as in lithium ion batteries.
以下、本発明の他の実施例について説明をする。以前に説明した事項と同一あるいは類似の事項、内容は説明を省略することがある。また、本明細書、図面で記載した実施例は一部または全部を組み合わせることができる。 Other embodiments of the present invention will be described below. Details that are the same as or similar to those previously described may be omitted. In addition, the embodiments described in this specification and drawings may be combined in part or in whole.
図12は、本発明の他の実施例における電池の構成図および説明図である。図1、図2の実施例では、負極材料231と正極材料221がセパレータ204と対面した位置に配置されている。
Figure 12 is a diagram of the structure and explanation of a battery in another embodiment of the present invention. In the embodiment of Figures 1 and 2, the
図12の本発明の実施例では、基板あるいはフィルム(シート)(以下、基板(フィルム)と呼ぶ)301aに負極材料231と正極材料221が交互に隣接して配置または形成されている。負極材料231と正極材料221の周囲には電解液222が充填されている。
In the embodiment of the present invention shown in FIG. 12,
また、基板(フィルム)301bに正極材料221と負極材料231が交互に隣接して配置または形成されている。正極材料221と負極材料231の周囲には電解液222が充填されている。
Also, the
基板(フィルム)301aの正極材料221の対向位置には、基板(フィルム)301bの正極材料221が配置されている。基板(フィルム)301aの負極材料231の対向位置には、基板(フィルム)301bの負極材料231が配置されている。基板(フィルム)301aと基板(フィルム)301b間にはセパレータ204が配置され、セパレータ204はガスケット207に取り付けられている。基板(フィルム)301a、基板(フィルム)301b、セパレータ204の周囲には電解液222が充填されている。
The
基板(フィルム)301aの正極材料221に対向する位置には基板(フィルム)301bの正極材料221が配置または形成され、基板(フィルム)301aの負極材料231に対向する位置には基板(フィルム)301bの負極材料231が配置または形成されている。
図1において、セパレータ204は電解膜として機能するが、負極材料231と正極材料221が接触することを防止する機能も有する。
A
In FIG. 1, the
図12の実施例では、基板(フィルム)301aの正極材料221に対向する位置には基板(フィルム)301bの正極材料221が配置または形成されているため、セパレータ204aがなく、基板(フィルム)301aの正極材料221と、基板(フィルム)301bの正極材料221とが接触しても、電気的短絡が発生することがない。
また、電解液222と隣接した正極材料221と負極材料231で電池を構成するため効率が良好である。
各基板(フィルム)301の正極材料221は正極として、負極材料231は負極として機能し、電解液222を機能させて電池を構成する。
In the embodiment of Figure 12, the
In addition, since the battery is composed of the
The
基板(フィルム)301a、基板(フィルム)301dは片面に負極材料231、正極材料221が配置または形成されている。基板(フィルム)301b、基板(フィルム)301cは、両面に負極材料231、正極材料221が配置または形成されている。
The
各基板(フィルム)301の両端はガスケット207で封止され、各セパレータ204(セパレータ204a、セパレータ204b、セパレータ204c)が配置され、対向せする電極材料が接触することを防止している。
基板(フィルム)301a、基板(フィルム)301b、基板(フィルム)301c、
基板(フィルム)301dは、容器107内に保持される。
基板(フィルム)301は多数に積み重ねることにより、電力容量を増加させることができる。
Both ends of each substrate (film) 301 are sealed with
Substrate (film) 301a, substrate (film) 301b, substrate (film) 301c,
The substrate (film) 301 d is held in a
The power capacity can be increased by stacking multiple substrates (films) 301 .
図13は、本発明の他の実施例における電池の構成図および説明図である。図13において、負極材料231に負極コーティング材303を被覆(コーティング)し、正極材料221に正極コーティング材302を被覆(コーティング)している。
Figure 13 is a diagram of the structure and an explanatory diagram of a battery in another embodiment of the present invention. In Figure 13, the
図11で説明したように、カーボンクロス等で構成あるいは形成された電極材料にFe2O3をコーティングすると、活性炭のように表面積の大きな電極になる。
図11(a)では正極と負極は共にFe2O3をコーティングしている。図11(b)は負極のみにFe2O3をコーティングしている。
As explained in FIG. 11, when an electrode material made of or formed from carbon cloth or the like is coated with Fe 2 O 3 , an electrode with a large surface area like activated carbon is obtained.
In Fig. 11(a), both the positive and negative electrodes are coated with Fe2O3 , while in Fig. 11(b), only the negative electrode is coated with Fe2O3 .
図13に図示するように、正極材料221にFe2O3等の酸化鉄材料を正極コーティング材302として被覆し、負極材料231にFe2O3等の酸化鉄材料を負極コーティング材303として被覆することにより、活性炭のように表面積の大きな電極になり、電池効率が向上する。なお、コーティング材による電極の被覆は、正極材料221と負極材料231のうち、一方の電極材料に形成しても良い。
図13の実施態様のように、カーボンクロス等で電極を形成し、前記電極にFe2O3をコーティングした電極を採用することが好ましい。
13, by coating the
As in the embodiment of FIG. 13, it is preferable to use an electrode formed of carbon cloth or the like and coated with Fe 2 O 3 .
図12、図13で図示するように、対向する位置に同一極性の電極を配置することにより、対向する位置の電極(たとえば、基板(フィルム)301aの正極材料221と、基板(フィルム)301bの正極材料221)が積極しても電池機能としては動作する。したがって、電極材料が接触を防止する機能として使用するセパレータ204は不要である。なお、図13の構成においても、セパレータ204を使用しても良いことは言うまでもない。図14、図15は、本発明の他の実施例における電池等の構成図及び説明図である。主として、セパレータ204が構成または配置されていない場合における状態を図示している。
As shown in Figures 12 and 13, by arranging electrodes of the same polarity in opposing positions, the battery functions even if the opposing electrodes (for example, the
図14は、正極材料221と負極材料231の配置図の説明図である。正極材料221と負極材料231とは、櫛歯状に形成され、隙間をあけて配置されている。電極材料の周囲はガスケット207が配置され、ガスケット207内には電解液222が充填されている。
正極材料221の一端は正電位を印加する電極端子304aに接続されている。負極材料231の一端は負電位を印加する電極端子304bに接続されている。
櫛歯状に形成された正極材料221と、櫛状に形成された負極材料231と、充填された電解液222で電池等を構成する。
14 is an explanatory diagram of the arrangement of the
One end of the
A battery or the like is constituted by a
基板(フィルム)301a上に、正極材料221と負極材料231とを隣接して配置または形成することにより、セパレータ204は不要となる。櫛歯状に形成することにより、正極材料221と負極材料231とが隣接する面積が広くなり、良好な電流容量を実現できる。
By arranging or forming the
なお、図14等において、電極材料は櫛歯状として図示したが、これに限定するものではなく、1平面において、正極材料221と負極材料231とが隣接するように配置または形成した構成であればいずれの構成であっても良い。
In addition, in FIG. 14 and other figures, the electrode material is illustrated as having a comb-like shape, but this is not limited thereto, and any configuration may be used as long as the
図15は、図14のAA’線での断面図である。図15(a)は基板301aに正極材料(正極)と負極材料(負極)が形成あるいは構成された実施例である。図15(b)は基板301aおよび基板301bに正極材料(正極)と負極材料(負極)が形成あるいは構成された実施例である。
Figure 15 is a cross-sectional view taken along line AA' in Figure 14. Figure 15(a) shows an embodiment in which a positive electrode material (positive electrode) and a negative electrode material (negative electrode) are formed or configured on
図15(a)は、基板301bに電解液222の充填穴(入出穴)305が形成されている。入出穴305aから電解液を注入することができ、入出穴305bから電解液を注出することができる。したがって、電解液222を入れ替えることができる。
In FIG. 15(a), a filling hole (inlet/outlet hole) 305 for the
電解液222は、電池の使用により劣化する。したがって、一定以上、電解液222を入れ替えることが好ましい。また、電解液は基板301aと基板301bとをガスケット207で組み立ててから、注入すると電池の製造が容易となる。
The
入出穴305は、基板301aと基板301bの両方に形成または配置して良い。また、ガスケット207、容器107等に電解液222等の入出穴(図示せず)を形成し、この入出穴(図示せず)から電解液222を注入、注出しても良い。また、常時、入出穴305aから注入し、入出穴305bから注出するように構成し、電解液222を巡廻させても良い。
Inlet/outlet holes 305 may be formed or placed on both
図15(b)等の本発明の電池等において、基板301a正極材料221と基板301b正極材料221とを対向位置に配置し、基板301a負極材料231と基板301b負極材料231とを対向位置に配置することが好ましい。基板301a、基板301bが外部押圧などにより変形し、基板301aの正極材料221と基板301bの正極材料221が接触し、また、基板301aの負極材料231と基板301bの負極材料231とが接触しても電池の動作的に問題が少ないからである。
図14、図15は、基板301に正極材料221、負極材料231を隣接して、平面上に配置または形成した構成である。
15(b) and the like, it is preferable to arrange the
14 and 15 show a configuration in which a
図16は、基板301aに段差tを形成した構成である。段差tは、凸部307の形成により作製する。凸部307は、基板301aに樹脂などを使用して形成しても良いし、基板301aを溝状に切削して形成しても良い。
Figure 16 shows a configuration in which a step t is formed in the
図16の実施例では、凸部307に正極材料221を形成し、凹部308に負極材料231を形成しているとして図示している。なお、正極材料221と負極材料231の位置は、この逆でも良い。たとえば、凸部307に負極材料231を形成し、凹部308に正極材料221を形成する。
In the embodiment of FIG. 16, the
段差tは、正極材料221と負極材料231の膜厚で決定する。正極材料221あるいは負極材料231の膜厚をaとすれば、t > aの関係となるように形成し、さらに好ましくは、2t > aの関係となるように形成する。
The step t is determined by the film thickness of the
図16では、凹凸がある基板301aに、正極材料221、負極材料231が形成され、基板301bと基板301a間に電解液222が充填されている。正極材料221、負極材料231と、その間にある電解液222でキャパシタ電池等が構成される。
本発明の電池の製造方法では、正極材料221、負極材料231は、蒸着技術、スパッタ技術で形成する。
16, a
In the battery manufacturing method of the present invention, the
図17、図18、図19、図20は本発明の電池等の製造方法の説明図である。図17(a)は基板301aの平面図であり、図17(b)は、図17(a)のAA’線での断面図である。
Figures 17, 18, 19, and 20 are explanatory diagrams of the manufacturing method of the present invention for batteries, etc. Figure 17(a) is a plan view of
基板301aには段差tが形成されている。凸部307は、基板301aに樹脂などを使用して形成しても良い。基板301aを溝状に切削して凹部308を形成しても良い。
A step t is formed in the
図17(a)に図示するように、基板301aに櫛歯状の凹部308、凸部307が形成され、凹部308の一端には負電圧を印加する電極端子304aが配置され、凹ぬ308の一端には正電圧を印加する電極端子304bが配置される。なお、櫛歯状に限定されるものではなく、少なくとも一対の凸部307と凹部308とが形成すれば良い。
As shown in FIG. 17(a), comb-shaped
図18は、基板301aに蒸着技術(蒸着製膜)により膜306を形成している実施例である。なお、蒸着技術(蒸着製膜)に限定されるものではなく、スパッタリング成膜を採用しても良い。また、イオンプレーティング、気相成長(CVD)を用いて膜306を形成あるいは構成しても良いことは言うまでもない。
Figure 18 shows an example in which a film 306 is formed on a
蒸発源から蒸着材料309(正極材料221、負極材料231)が蒸発され、上方に配置された基板301aの膜306が蒸着される。膜306aが正極材料221となり、膜306bが負極材料231となる。
The deposition material 309 (
正極材料221と負極材料231とは、同一の蒸着材料309で形成されるが、段差tがあるため、蒸着膜306は「膜段切れ」し、蒸着膜306aと蒸着膜306bに分離される。
The
凸部307に形成された蒸着膜306aが正極材料221となり、凹部308に形成された蒸着膜306bが負極材料231となる。したがって、1回の蒸着工程において、段差tにより、正極材料221と負極材料231とを同時に形成または構成することができる。かつ、段差tにより、図17(a)に図示するように、櫛歯状に正極材料221と負極材料231とを形成することができる。また、電極端子304a、電極端子304bとを、蒸着材料309で形成することができる。
The deposited
図11等で説明したように、正極材料221と負極材料231を酸化鉄(たとえば、Fe2O3)でコーティングする場合は、蒸着膜306(蒸着膜306a、蒸着膜306b)を形成後、蒸着材料309として、酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を使用して、蒸着膜306(蒸着膜306a、蒸着膜306b)上に酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を形成する。
なお、電極端子304a、電極端子304bの蒸着材料309は、Niめっき、Cuめっき等のめっき技術でめっき膜を形成することが好ましい。
As described in Figure 11 etc. , when the
The
図18の本発明の製造方法の実施例は、正極材料221と負極材料231とを同一材料で形成する場合の実施例である。図19の本発明の製造方法は、正極材料221と負極材料231とは、異なる材料で形成する場合の実施例である。
正極材料221と負極材料231で、形成材料を変化あるいは変更するためには、蒸着マスク310を使用する。
The embodiment of the manufacturing method of the present invention shown in Fig. 18 is an embodiment in which the
In order to change or modify the forming materials of the
図19(a)で図示するように、凹部308部に開口部を有する蒸着マスク310aを基板301aの下に配置する。蒸着材料309は蒸着マスク310aの開口部を通過して基板301aの凹部308に蒸着膜306bとして蒸着される。蒸着膜306bは負極材料231となる。蒸着マスク310aの配置はこの逆でも良い。凸部307部に開口部を有する蒸着マスク310aを基板301aの下に配置する。蒸着材料309は蒸着マスク310aの開口部を通過して基板301aの凸部307に蒸着膜306bとして蒸着される。
As shown in FIG. 19(a), a
図19(b)で図示するように、凸部307部に開口部を有する蒸着マスク310bを基板301aの下に配置する。蒸着材料309は蒸着マスク310bの開口部を通過して基板301aの凸部307に蒸着膜306aとして蒸着される。蒸着膜306aは正極材料221となる。また、蒸着マスク306に位置は前述の逆位置でも良い。
As shown in FIG. 19(b), a
図19の実施例では、正極材料221の形成に使用する蒸着マスク310aと、負極材料231の形成に使用する蒸着マスク310bを使用することにより、正極材料221と負極材料231とは、異なる材料で形成することができる。
In the embodiment of FIG. 19, the
図20に図示するように、正極材料221と負極材料231とのうち、一方の電極材料を形成し、かつ、図11等で説明したように、電極材料を酸化鉄(たとえば、Fe2O3)でコーティングする場合は、蒸着膜306(蒸着膜306aまたは蒸着膜306b)を形成する。次に、蒸着材料309として、酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を使用して、蒸着膜306(蒸着膜306aまたは蒸着膜306b)上に酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を形成する。
正極材料221と負極材料231のうち、一方の電極を形成するためには、蒸着マスク310を使用する。
As shown in Fig. 20, when one of the
In order to form one of the
図20(a)で図示するように、凹部308部に開口部を有する蒸着マスク310を基板301の下に配置する。蒸着材料309は蒸着マスク310の開口部を通過して基板301aの凹部308に蒸着膜306bとして蒸着される。蒸着マスク310の位置はこの逆でも良い。凸部307部に開口部を有する蒸着マスク310を基板301の下に配置する。蒸着材料309は蒸着マスク310の開口部を通過して基板301aの凸部307に蒸着膜306bとして蒸着される。
As shown in FIG. 20(a), a
図20(b)で図示するように、蒸着マスク310を用いず、蒸着材料309として、酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を使用して、蒸着膜306b上に酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を形成する。
As shown in FIG. 20B, no
図20の実施例では、負極材料231の形成に蒸着マスク310を使用する。また、基板301aの全体を被覆するように、酸化鉄(たとえば、Fe2O3)を形成することができる。
20, a
以上の実施例は、正極材料221と負極材料231を櫛歯状に配置した実施例である。本発明はこれに限定するものではない。たとえば、図21に図示するように、渦巻き状あるいはらせん状に形成しても良い。つまり、本発明は、1つの基板あるいはフィルムに隣接して正極材料221からなる正極と、負極材料231からなる負極とを形成し、正極材料221と負極材料231間に電解液222を充填した構成であればいずれの構成あるいは構造であっても良い。
The above embodiment is an embodiment in which the
以上の実施例は、隣接して正極材料221からなる正極と、負極材料231からなる負極の位置配置が固定された実施例であったが、本発明はこれに限定するものではない。
The above examples are examples in which the adjacent positive electrode made of
図22は、本発明の電池などの構成図および説明図である。図22において、容器107内に、正極材料221からなる正極は、中心位置Cを中心に円筒状、かつL方向に回転できるように配置している。また、容器107内に、負極材料231からなる負極は、中心位置Cを中心に円筒状、かつR方向に回転できるように配置している。容器107内に電解液222が充填されている。
Figure 22 is a diagram of the configuration and an explanatory diagram of the battery of the present invention. In Figure 22, a positive electrode made of a
正極材料221からなる正極は、中心位置Cを中心に回転し、負極材料231からなる負極は、中心位置Cを中心に回転する。回転に伴い、正極と負極との位置関係が変化するとともに、電解液222が攪拌される。
The positive electrode made of the
図22においても、図15(a)に図示するように、容器107に電解液222の充填穴(入出穴)305(図示せず)を形成または配置しても良い。入出穴305から電解液を注入することができ、また、電解液を注出することができる。したがって、電解液222を入れ替えることができる。
充電あるいは放電の状態をモニターあるいは監視し、充電あるいは放電の状態にしたがって、電解液の流量あるいは移動量を変化あるいは調整しても良い。
入出穴305から電解液を注入、排出することにより、電解液を移動、攪拌することができ、充電、放電状態を良好にできる。
22, as shown in FIG. 15(a), a filling hole (inlet/outlet hole) 305 (not shown) for the
The state of charge or discharge may be monitored, and the flow rate or movement of the electrolyte may be changed or adjusted according to the state of charge or discharge.
By injecting and discharging the electrolyte through the inlet/outlet hole 305, the electrolyte can be moved and stirred, and the charging and discharging conditions can be improved.
図22において、正極材料221からなる正極はL方向に回転できるように配置、構成し、負極材料231からなる負極はR方向に回転できるように配置、構成するとしたが、これに限定するものではない。正極材料221からなる正極の回転方向と、負極材料231の回転方向を同一方向としても良い。正極材料221からなる正極の回転方向と、負極材料231の回転方向とを同期を取り、位置関係を保持した状態で回転させても良い。位置関係を保持することにより、電池の充電あるいは放電状態を一定にすることができ、また、電解液を攪拌することができる。
In FIG. 22, the positive electrode made of the
以上の事項は他の実施例にも適用される。また、回転に限定されるものではなく、たとえば、図21の実施例において、中心Oで回転させても良い。また、回転に限定されるものではなく、振動させても良い。たとえば、図16の実施例において、基板(フィルム、シート)301aを上下方向、左右方向に移動あるいは振動させることにより、電解液を攪拌等することができる。振動は超音波等による振動、移動であっても良い。 The above points also apply to other embodiments. In addition, it is not limited to rotation, and for example, in the embodiment of FIG. 21, it may be rotated around center O. In addition, it is not limited to rotation, and it may be vibrated. For example, in the embodiment of FIG. 16, the electrolyte can be stirred by moving or vibrating the substrate (film, sheet) 301a in the vertical or horizontal directions. The vibration may be vibration or movement caused by ultrasonic waves, etc.
本発明の実施例において、対向する位置に同一極性の電極あるいは電極材料を配置するとしたが、これに限定するものではない。対向する位置に異なる極性の電極あるいは電極材料を配置しても良い。 In the embodiment of the present invention, electrodes or electrode materials of the same polarity are arranged in opposing positions, but this is not limited to this. Electrodes or electrode materials of different polarities may be arranged in opposing positions.
以上の実施例では、負極あるいは負極材料231と正極あるいは正極材料221間に、間隙あるいは段差を形成あるいは構成し、電解液222を充填等するとしたが、これに限定するものではない。負極材料231と正極材料221間に絶縁材料(図示せず)からなる絶縁膜あるいは絶縁壁を形成または配置してよい。
In the above embodiment, a gap or step is formed or configured between the negative electrode or
また、負極材料231と正極材料221とは、エッチング工法等によりパターニングしても分離しても良いし、また、印刷工法により、負極材料231と正極材料221とは分離して形成しても良い。また、負極材料231と正極材料221とを1つの電極として形成し、レーザ等を負極材料231と正極材料221との間に照射し、負極材料231と正極材料221とを分離しても良い。
The
以上の実施例では、負極あるいは負極材料231と正極あるいは正極材料221間に、間隙あるいは段差を形成あるいは構成し、電解液222を充填等するとしたが、これに限定するものではない。
In the above embodiment, a gap or step is formed or configured between the negative electrode or
図23は、本発明の他の実施例における電池の構成図および説明図である。図23では負極材料231と正極材料221間に、絶縁材料312からなる絶縁膜あるいは絶縁壁を形成または配置した構成である。絶縁材料312を形成または配置することにより、負極材料231と正極材料221に電解液がなく、負極材料231と正極材料221との電界強度が均一となる。
Figure 23 is a diagram of the structure and an explanatory diagram of a battery in another embodiment of the present invention. In Figure 23, an insulating film or insulating wall made of insulating
セパレータ204の存在は正極と負極が短絡(ショート)することを防ぐだけである。短絡を防ぐ機能があれば、セパレータ204は必要ない。しかし、内部抵抗が電解液の導電率に支配される構造ならば、正極と負極の距離は短い方が良い。
The presence of
図23のように、絶縁材料312を配置すれば、正極と負極の間の実質的な距離は短くできる。もし、短絡が生じた場合(抵抗が異常に小さくなった場合)、その部分を自動的に排除すれば、電池全体では、問題なく機能する。
絶縁材料312として、SiO2、SiNx、TiO2、SiON等の無機材料、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン等の有機材料が例示される。
As shown in Fig. 23, by disposing the insulating
Examples of the insulating
絶縁材料312は壁状の絶縁壁であっても良い。また、隣接した電極間の電界強度を均一あるいは電界集中がないように隔離あるいは隔離間隔を設ける隔離膜あるいは隔離壁であっても良いことは言うまでもない。
The insulating
また、負極材料231と正極材料221とは、エッチング工法等によりパターニングしても分離しても良いし、また、印刷工法により、負極材料231と正極材料221とは分離して形成しても良い。また、負極材料231と正極材料221とを1つの電極として形成し、レーザ等を負極材料231と正極材料221との間に照射し、負極材料231と正極材料221とを分離しても良い。図23の絶縁材料312等の構成、形態は本発明の他の実施例にも適用できることは言うまでもない。
The
本発明のキャパシタ電池はキャパシタとしての機能だけでなく、二次電池、あるいは二次電池的な機能を有するものである。電圧を印加すると、電圧上昇に伴い充電が開始する。最初は全て電気二重層キャパシタによるものである。ある電圧(起電力)を超えると、リチウムイオン電池と同様の酸化還元反応が発生する。つまり、電気二重層キャパシタに酸化還元反応を付随させた新しい概念の蓄電デバイスである。したがって、高速な充放電機能と、二次電池的な電圧発生の両方の機能、構成、構造を有する。 The capacitor battery of the present invention not only functions as a capacitor, but also as a secondary battery or has secondary battery-like functions. When a voltage is applied, charging begins as the voltage rises. Initially, it is all due to the electric double layer capacitor. When a certain voltage (electromotive force) is exceeded, an oxidation-reduction reaction similar to that of a lithium-ion battery occurs. In other words, it is a new concept of an electricity storage device that combines an oxidation-reduction reaction with an electric double layer capacitor. Therefore, it has both the functions, configuration, and structure of high-speed charging and discharging and the voltage generation of a secondary battery.
本発明の電気二重層キャパシタ電池は、通常の二次電池と比較して高速な充放電が可能である。高出力特性に優れている電気二重層キャパシタ電池は、新エネルギーの蓄電等、様々な利用分野への応用が期待されている。 The electric double-layer capacitor battery of the present invention is capable of faster charging and discharging than conventional secondary batteries. Electric double-layer capacitor batteries have excellent high-output characteristics and are expected to be applied in a variety of fields, including the storage of new energy sources.
水溶液系の電解液を用いた、いわゆる水系の電気二重層キャパシタ電池(二次電池)は、導電性が高く、電解質の解離、イオンの移動度に優れ、また、溶媒が水であることから安全性が高く、不揮発性で水分管理がしやすく、コストも低い。また、高速な充放電機能を発揮できる。
本発明の電気二重層キャパシタ電池(二次電池)は、水の電気分解の制約を克服することができ、様々な分野での活用が期待できる。
Aqueous electric double layer capacitor batteries (secondary batteries) that use aqueous electrolytes have high electrical conductivity, excellent electrolyte dissociation and ion mobility, and are highly safe because the solvent is water, are non-volatile, easy to manage moisture, and are low cost. They also have high-speed charge and discharge capabilities.
The electric double layer capacitor battery (secondary battery) of the present invention can overcome the limitations of water electrolysis and is expected to be used in a variety of fields.
101 充電器
102 負荷
107 容器
108 絶縁フィルム
202 正極端子
203 負極端子
204 セパレータ
205 正極
206 負極
207 ガスケット
222 電解液
221 正極材料
231 負極材料
301 基板(フィルム、シート)
302 正極コーティング材
303 負極コーティング材
304 電極端子
305 入出穴
306 膜
307 凸部
308 凹部
309 蒸着材料
310 メタルマスク
312 絶縁材料(絶縁壁、隔離壁)
101 Charger 102
302 Positive
Claims (7)
前記容器内に配置された黒鉛と活性炭とアセチレンブラックのうち、少なくとも1つの材料を含有する負極と、
前記容器内に配置された鉄低スピン錯体とコバルト酸リチウム(LiCoO2)のうち、少なくとも一方の材料を含有する正極と、
前記正極および負極間に充填された飽和状態の95%以上の過塩素酸リチウム水溶液を具備することを特徴とする電池。 A container;
a negative electrode containing at least one of graphite, activated carbon, and acetylene black disposed in the container;
a positive electrode containing at least one of a low-spin iron complex and lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) disposed in the container;
A battery comprising an aqueous solution of lithium perchlorate in a saturated state of 95% or more filled between the positive electrode and the negative electrode.
前記容器内に配置された黒鉛と活性炭とアセチレンブラックのうち、少なくとも1つの材料を含有する負極と、
前記容器内に配置されたコバルト酸リチウム(LiCoO2)を含有する正極と、
前記正極および負極間に充填された飽和状態の95%以上の過塩素酸リチウム水溶液を具備することを特徴とする電池。 A container;
a negative electrode containing at least one of graphite, activated carbon, and acetylene black disposed in the container;
a positive electrode containing lithium cobalt oxide ( LiCoO2 ) disposed within the container;
A battery comprising an aqueous solution of lithium perchlorate in a saturated state of 95% or more filled between the positive electrode and the negative electrode.
前記正極は、第1の正極と第2の正極があり、
前記第1の負極と前記第1の正極は、第1の基板または第1のシートまたは第1のフィルム上に形成または配置され、
前記第2の負極と前記第2の正極は、第2の基板または第2のシートまたは第2のフィルム上に形成または配置され、
前記第1の基板または前記第1のシートまたは前記第1のフィルムと、前記第2の基板または前記第2のシートまたは前記第2のフィルムとは、対面して配置され、
前記第1の負極と前記第2の負極は対向する位置に配置され、
前記第2の正極と前記第2の正極は対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の電池。
The negative electrode includes a first negative electrode and a second negative electrode,
The positive electrode includes a first positive electrode and a second positive electrode,
the first negative electrode and the first positive electrode are formed or disposed on a first substrate or a first sheet or a first film;
the second negative electrode and the second positive electrode are formed or disposed on a second substrate or a second sheet or a second film;
The first substrate, the first sheet, or the first film and the second substrate, the second sheet, or the second film are disposed facing each other;
The first negative electrode and the second negative electrode are disposed in opposing positions,
3. The battery according to claim 1, wherein the second positive electrode and the second positive electrode are disposed in opposing positions.
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