JP7705769B2 - Non-aqueous alkali metal storage element - Google Patents
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Description
本発明は非水系アルカリ金属蓄電素子に関する。 The present invention relates to a non-aqueous alkali metal storage element.
近年、地球環境の保全および省資源を目指すエネルギーの有効利用の観点から、風力発電の電力平滑化システムまたは深夜電力貯蔵システム、太陽光発電技術に基づく家庭用分散型蓄電システム、電気自動車用の蓄電システム等が注目を集めている。これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン二次電池の開発が精力的に進められている。第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)または燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時に高い出力放電特性を発揮する蓄電システムが要求されている。現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。 In recent years, from the viewpoint of the conservation of the global environment and the effective use of energy aimed at resource conservation, attention has been focused on wind power generation power smoothing systems or nighttime power storage systems, distributed household power storage systems based on solar power generation technology, power storage systems for electric vehicles, etc. The first requirement for batteries used in these power storage systems is high energy density. As a promising candidate for a high energy density battery that can meet such requirements, the development of lithium ion secondary batteries is being actively pursued. The second requirement is high output characteristics. For example, in the combination of a high-efficiency engine and a power storage system (e.g., hybrid electric vehicles) or the combination of a fuel cell and a power storage system (e.g., fuel cell electric vehicles), a power storage system that exhibits high output discharge characteristics during acceleration is required. Currently, electric double layer capacitors, nickel-metal hydride batteries, etc. are being developed as high-output power storage devices.
電気二重層キャパシタのうち、電極に活性炭を用いたものは、0.5~1kW/L程度の出力特性を有する。この電気二重層キャパシタは、出力特性が高いだけでなく、耐久性(サイクル特性および高温保存特性)もまた高く、上記の高出力が要求される分野で最適のデバイスであると考えられてきた。しかしながら、そのエネルギー密度は1~5Wh/L程度に過ぎないため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。 Among electric double layer capacitors, those that use activated carbon for the electrodes have output characteristics of about 0.5 to 1 kW/L. This electric double layer capacitor not only has high output characteristics, but also has high durability (cycle characteristics and high-temperature storage characteristics), and has been considered to be the optimal device for the above-mentioned fields that require high output. However, since its energy density is only about 1 to 5 Wh/L, further improvement in energy density is necessary.
現在ハイブリッド電気自動車で一般に採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度および出力特性をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。 Nickel-metal hydride batteries, which are currently commonly used in hybrid electric vehicles, have a high output equivalent to that of electric double-layer capacitors and an energy density of about 160 Wh/L. However, vigorous research is being conducted to further increase their energy density and output characteristics, as well as to improve their durability (especially their stability at high temperatures).
リチウムイオン二次電池においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(すなわち、蓄電素子の放電容量に対する放電量の割合(%))50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオン二次電池が開発されている。しかしながら、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン二次電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計である。また、その耐久性(サイクル特性および高温保存特性)は、電気二重層キャパシタに比べ劣るため、そのようなリチウムイオン二次電池は、実用的な耐久性を持たせるために、放電深度が0~100%の範囲よりも狭い範囲で使用される。実際に使用できるリチウムイオン二次電池の容量はさらに小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。 Research is also being conducted on lithium-ion secondary batteries to increase their output. For example, lithium-ion secondary batteries have been developed that can obtain high output exceeding 3 kW/L at a discharge depth (i.e., the ratio (%) of the discharge amount to the discharge capacity of the storage element) of 50%. However, their energy density is 100 Wh/L or less, and the design deliberately suppresses the high energy density that is the greatest feature of lithium-ion secondary batteries. In addition, their durability (cycle characteristics and high-temperature storage characteristics) is inferior to that of electric double-layer capacitors, so such lithium-ion secondary batteries are used in a discharge depth range narrower than 0 to 100% in order to provide practical durability. The capacity of lithium-ion secondary batteries that can actually be used will be even smaller, so research is being actively conducted to further improve durability.
上記のように、高エネルギー密度、高出力特性、および高耐久性を兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。しかしながら、上述した既存の蓄電素子には、それぞれ一長一短があるため、これらの技術的要求を充足する新たな蓄電素子が求められている。その有力な候補として、リチウムイオンキャパシタと呼ばれる蓄電素子が注目され、開発が盛んに行われている。リチウムイオンキャパシタは、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子(以下、「非水系アルカリ金属蓄電素子」ともいう。)の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着および脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン二次電池と同様のリチウムイオンの吸蔵および放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。 As described above, there is a strong demand for practical use of storage elements that combine high energy density, high output characteristics, and high durability. However, since the above-mentioned existing storage elements each have their own advantages and disadvantages, a new storage element that meets these technical requirements is required. As a promising candidate, a storage element called a lithium-ion capacitor has attracted attention and is being actively developed. A lithium-ion capacitor is a type of storage element that uses a non-aqueous electrolyte containing lithium salt (hereinafter also referred to as a "non-aqueous alkali metal storage element"). At the positive electrode, a non-Faraday reaction occurs due to the adsorption and desorption of anions at approximately 3 V or more, similar to an electric double layer capacitor, and at the negative electrode, a Faraday reaction occurs due to the absorption and release of lithium ions, similar to a lithium ion secondary battery. This storage element charges and discharges.
上記の蓄電素子に一般的に用いられる電極材料とその特徴をまとめると、一般的に、電極に活性炭等の材料を用い、活性炭表面のイオンの吸着および脱離(非ファラデー反応)により充放電を行う場合は、高出力かつ高耐久性が得られるが、エネルギー密度が低くなる(例えば1倍とする。)。他方、電極に酸化物または炭素材料を用い、ファラデー反応により充放電を行う場合は、エネルギー密度が高くなる(例えば、活性炭を用いた非ファラデー反応の10倍とする。)が、耐久性および出力特性に課題がある。 To summarize the electrode materials commonly used in the above energy storage elements and their characteristics, generally, when materials such as activated carbon are used for the electrodes and charging and discharging is performed by adsorption and desorption of ions on the surface of the activated carbon (non-Faraday reaction), high output and high durability are obtained, but the energy density is low (for example, 1x). On the other hand, when oxide or carbon materials are used for the electrodes and charging and discharging is performed by the Faradaic reaction, the energy density is high (for example, 10x that of a non-Faraday reaction using activated carbon), but there are issues with durability and output characteristics.
これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極および負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって高出力かつ高耐久性を有するが、エネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。 As a combination of these electrode materials, electric double layer capacitors use activated carbon (energy density x1) for the positive and negative electrodes, and are characterized by charging and discharging through non-Faradic reactions at both the positive and negative electrodes. As such, they have high output and high durability, but low energy density (positive electrode x1 x negative electrode = 1).
リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)を有するが、出力特性および耐久性に課題がある。さらに、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10~50%しか使用できない。 Lithium-ion secondary batteries use lithium transition metal oxides (10 times the energy density) for the positive electrode and carbon materials (10 times the energy density) for the negative electrode, and are characterized by charging and discharging both the positive and negative electrodes through the Faraday reaction. As such, they have a high energy density (10 times the positive electrode x 10 times the negative electrode = 100), but they have issues with output characteristics and durability. Furthermore, to meet the high durability required for hybrid electric vehicles and the like, the depth of discharge must be limited, and with lithium-ion secondary batteries, only 10 to 50% of the energy can be used.
リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた非対称キャパシタである。リチウムイオンキャパシタは高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。 A lithium ion capacitor is characterized by using activated carbon (energy density x1) for the positive electrode and a carbon material (energy density x10) for the negative electrode, and charging and discharging is performed by a non-Faradaic reaction at the positive electrode and a Faradaic reaction at the negative electrode, and is therefore an asymmetric capacitor that combines the characteristics of an electric double layer capacitor and a lithium ion secondary battery. Lithium ion capacitors are characterized by having high output and durability, as well as a high energy density (1x positive electrode x 10x negative electrode = 10), and no need to limit the depth of discharge like lithium ion secondary batteries.
上記リチウムイオンキャパシタの更なる信頼性の向上、および高温耐久性の向上については、様々な検討が行われている(特許文献1~4)。特許文献1及び2には、正極と負極の短絡を防止するための絶縁テープの貼着(特許文献1)や、塗工絶縁材層(特許文献2)を設けたリチウムイオン二次電池が開示されている。特許文献3には、アルミニウム集電体の表面にAlF3を含む保護層により集電体の腐食を抑制する技術が開示されている。特許文献4には、高電圧の環境下でのアルミニウム箔の腐食を抑制し、かつ85℃以上の高温の環境下での保存に対して高い耐久性を有する非水系リチウム蓄電素子が開示されている。
Various studies have been conducted to further improve the reliability and high-temperature durability of the lithium-ion capacitor (Patent Documents 1 to 4).
しかしながら、いずれの文献にも、高温高電圧サイクルにおける電極の面内電位ばらつきに起因する正極集電体の腐食、および負極端部でのセル内余剰電解液との副反応の発生については全く考慮されていない。更に、高温環境下における負極にドープされたアルカリ金属イオンの失活と、これに伴う容量維持率の低下との抑制を両立することについては考慮されていない。 However, none of the documents take into consideration corrosion of the positive electrode current collector caused by in-plane potential variations in the electrode during high-temperature, high-voltage cycles, or the occurrence of side reactions with excess electrolyte in the cell at the end of the negative electrode. Furthermore, no consideration is given to preventing both the deactivation of alkali metal ions doped in the negative electrode in a high-temperature environment and the associated decrease in capacity retention.
以上の現状に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、高温高電圧サイクルにおける抵抗上昇を抑制し、かつ容量維持率の高い非水系アルカリ金属蓄電素子を提供することである。 In view of the above-mentioned current situation, the problem that the present invention aims to solve is to provide a non-aqueous alkali metal storage element that suppresses resistance increase during high-temperature, high-voltage cycles and has a high capacity retention rate.
上記課題は以下の技術的手段により解決される。すなわち、本発明は、以下のとおりのものである。
[1]
正極集電体上に配置された正極活物質層を含む正極、負極集電体上に配置された負極活物質層を含む負極、およびセパレータからなる電極体、並びにアルカリ金属イオンを含む非水系電解液を含む非水系アルカリ金属蓄電素子であって、前記正極活物質層は、炭素材料を含む正極活物質、およびアルカリ金属炭酸塩を含み、前記非水系電解液に含まれるヘキサフルオロリン酸イオンの濃度が0.00mol/L以上0.05mol/L以下であり、前記正極は正極集電体上に保護層および非保護層を有し、前記電極体の積層方向の投影面において、前記保護層と負極端部が重複しており、前記負極の外周部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度をA(mAh/g)とし、中央部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度をB(mAh/g)とするとき、1.02≦B/A≦1.45である非水系アルカリ金属蓄電素子。
[2]
前記保護層が前記正極の両面に存在する、項目1に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子。
[3]
前記負極は前記負極集電体の両面に前記負極活物質層を有し、前記電極体の最外層が前記負極であり、前記正極と非対向となる前記負極活物質層の中央部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度をE(mAh/g)とするとき、B>Eである、項目1又は2に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子。
[4]
前記保護層は保護テープであって、前記保護テープの基材は、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、アセテートクロス、およびポリテトラフルオロエチレンテープからなる群から選ばれる少なくとも1つの材料である、項目1~3のいずれか一項に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子。
[5]
前記保護層が、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、およびカーボンナノチューブからなる群から選ばれる少なくとも1つの炭素材料を含む、項目1~4のいずれか一項に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子。
[6]
前記保護層が、無機微粒子を含む、項目1~5のいずれか一項に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子。
[7]
前記正極、及び/または前記負極にカーボンナノチューブを含む、項目1~6のいずれか一項に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子。
[8]
項目1~7のいずれか一項に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子を含む、蓄電モジュール。
[9]
上記蓄電モジュールが、電力回生アシストシステム、電力負荷平準化システム、無停電電源システム、非接触給電システム、エナジーハーベストシステム、蓄電システム、太陽光発電蓄電システム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク、急速充電システム、およびスマートグリッドシステムからなる群から選択される少なくとも1つのシステムに組み込まれている、項目8に記載の蓄電モジュール。
[10]
項目1~7のいずれか一項に記載の非水系アルカリ金属蓄電素子と、
鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池、または燃料電池と
を直列または並列に接続した、蓄電システム。
The above problems can be solved by the following technical means. That is, the present invention is as follows.
[1]
a positive electrode including a positive electrode active material layer disposed on a positive electrode current collector, a negative electrode including a negative electrode active material layer disposed on a negative electrode current collector, and a separator; and a nonaqueous electrolyte solution including alkali metal ions, wherein the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material including a carbon material, and an alkali metal carbonate, and the nonaqueous electrolyte solution has a concentration of hexafluorophosphate ions of 0.00 mol/L or more and 0.05 mol/L or less, the positive electrode has a protective layer and a non-protective layer on the positive electrode current collector, and the protective layer and a negative electrode end portion overlap on a projected plane in a stacking direction of the electrode assembly, and the alkali metal ion concentration per unit area of the outer periphery of the negative electrode is A (mAh/g) and the alkali metal ion concentration per unit area of the central portion is B (mAh/g), where A is the alkali metal ion concentration per unit area of the outer periphery of the negative electrode, and B is the alkali metal ion concentration per unit area of the central portion, the relationship is 1.02≦B/A≦1.45.
[2]
2. The nonaqueous alkali metal storage element according to item 1, wherein the protective layer is present on both sides of the positive electrode.
[3]
3. The nonaqueous alkali metal storage element according to
[4]
4. The nonaqueous alkali metal storage element according to any one of items 1 to 3, wherein the protective layer is a protective tape, and the base material of the protective tape is at least one material selected from the group consisting of polyether ketone, polyphenylene sulfide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyamide, polyimide, aramid, acetate cloth, and polytetrafluoroethylene tape.
[5]
5. The nonaqueous alkali metal storage element according to any one of items 1 to 4, wherein the protective layer contains at least one carbon material selected from the group consisting of carbon black, graphite, graphene, and carbon nanotubes.
[6]
6. The nonaqueous alkali metal storage element according to any one of items 1 to 5, wherein the protective layer contains inorganic fine particles.
[7]
7. The nonaqueous alkali metal storage element according to any one of items 1 to 6, wherein the positive electrode and/or the negative electrode contain carbon nanotubes.
[8]
8. An electricity storage module comprising the nonaqueous alkali metal electricity storage element according to any one of items 1 to 7.
[9]
Item 9. The power storage module according to item 8, wherein the power storage module is incorporated into at least one system selected from the group consisting of a power regeneration assist system, a power load leveling system, an uninterruptible power supply system, a contactless power supply system, an energy harvesting system, a power storage system, a solar power generation storage system, an electric power steering system, an emergency power supply system, an in-wheel motor system, an idling stop system, an electric vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, an electric motorcycle, a quick charging system, and a smart grid system.
[10]
The nonaqueous alkali metal storage element according to any one of items 1 to 7,
An energy storage system that connects lead batteries, nickel-metal hydride batteries, lithium-ion secondary batteries, or fuel cells in series or parallel.
本発明によれば、高温高電圧サイクルにおいて正極集電体の腐食と負極端部での副反応が抑制されることで抵抗上昇率が小さく、負極のアルカリ金属イオンの失活が抑制されることで容量維持率の高い非水系アルカリ金属蓄電素子が提供される。 The present invention provides a non-aqueous alkali metal storage element that has a small resistance increase rate by suppressing corrosion of the positive electrode current collector and side reactions at the negative electrode end during high-temperature, high-voltage cycles, and has a high capacity retention rate by suppressing deactivation of alkali metal ions in the negative electrode.
以下、本発明の実施形態(以下、「本実施形態」という。)を詳細に説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。本実施形態の各数値範囲における上限値および下限値は任意に組み合わせて任意の数値範囲を構成することができる。 The following describes an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as "the present embodiment") in detail, but the present invention is not limited to this embodiment. The upper and lower limits of each numerical range in this embodiment can be arbitrarily combined to form any numerical range.
《非水系アルカリ金属蓄電素子》
本実施形態の非水系アルカリ金属蓄電素子は、正極と、負極と、セパレータと、非水系電解液とを主な構成要素とする。非水系電解液としては、有機溶媒中にアルカリ金属イオンを溶解した溶液を用いる。
<<Non-aqueous alkali metal storage element>>
The nonaqueous alkali metal storage element of the present embodiment mainly comprises a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte solution, which is a solution in which alkali metal ions are dissolved in an organic solvent.
〈負極〉
本実施形態における負極は、負極集電体と、その片面または両面上に設けられた負極活物質層とを有する。
<Negative electrode>
The negative electrode in this embodiment has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on one or both sides of the negative electrode current collector.
[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含み、これら以外に、必要に応じて、分散剤、導電性フィラー、及び結着剤等の任意成分を含んでよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material, and may further contain optional components such as a dispersant, a conductive filler, and a binder, as necessary.
(負極活物質)
負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵・放出可能な物質を用いることができる。具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫および錫化合物等が例示される。負極前駆体の負極活物質層における負極活物質の含有量は、負極活物質層の全質量を位基準として、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい。負極活物質は、粒子状であることが好ましい。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material may be a material capable of absorbing and releasing alkali metal ions.Specific examples include carbon materials, titanium oxides, silicon, silicon oxides, silicon alloys, silicon compounds, tin and tin compounds.The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer of the negative electrode precursor is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, based on the total mass of the negative electrode active material layer.The negative electrode active material is preferably particulate.
負極活物質は、好ましくは炭素材料を含む。負極活物質の総量に対する炭素材料の含有率は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は、100質量%であることができるが、他の材料の併用による効果を良好に得る観点から、例えば、95質量%以下であることが好ましく、90質量%以下でもよい。炭素材料の含有率の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。 The negative electrode active material preferably contains a carbon material. The content of the carbon material relative to the total amount of the negative electrode active material is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material can be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining a good effect by using other materials in combination, it is preferable that the content is, for example, 95% by mass or less, and may be 90% by mass or less. The upper and lower limits of the range of the carbon material content can be combined arbitrarily.
炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素材料;易黒鉛化性炭素材料;カーボンブラック;カーボンナノ粒子;活性炭;人造黒鉛;天然黒鉛;黒鉛化メソフェーズカーボン小球体;黒鉛ウイスカ;ポリアセン系物質等のアモルファス炭素質材料;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等の炭素前駆体を熱処理して得られる炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂またはノボラック樹脂の熱分解物;フラーレン;カーボンナノファイバー;およびこれらの複合炭素材料を挙げることができる。 Examples of carbon materials include non-graphitizable carbon materials; graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; activated carbon; artificial graphite; natural graphite; graphitized mesophase carbon spheres; graphite whiskers; amorphous carbonaceous materials such as polyacene-based substances; carbonaceous materials obtained by heat treating carbon precursors such as petroleum-based pitch, coal-based pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resins (e.g., phenolic resins); pyrolysates of furfuryl alcohol resins or novolac resins; fullerenes; carbon nanofibers; and composite carbon materials of these.
これらの中でも、負極の抵抗を低くする観点から、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛ウイスカ、及び高比表面積黒鉛等から選択される1種以上の黒鉛質材料と;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、及び合成樹脂、例えばフェノール樹脂等から選択される1種以上の炭素質材料前駆体とを共存させた状態で熱処理を行い、黒鉛質材料と炭素質材料前駆体由来の炭素質材料とを複合させた複合炭素材料が好ましい。炭素質材料前駆体としては、熱処理により炭素質材料となるものであれば特に制限はないが、石油系のピッチまたは石炭系のピッチが特に好ましい。熱処理を行う前に、炭素質材料前駆体の融点より高い温度において、黒鉛質材料と炭素質材料前駆体とを混合してもよい。熱処理温度は、使用する炭素質材料前駆体の揮発または熱分解によって発生する成分が炭素質材料となる温度であればよいが、好ましくは400℃以上2,500℃以下、より好ましくは500℃以上2,000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1,500℃以下である。熱処理を行う雰囲気は特に制限はないが、非酸化性雰囲気が好ましい。 Among these, from the viewpoint of reducing the resistance of the negative electrode, a composite carbon material is preferred in which one or more graphite materials selected from artificial graphite, natural graphite, graphitized mesophase carbon spheres, graphite whiskers, and high specific surface area graphite are coexisted with one or more carbonaceous material precursors selected from petroleum-based pitch, coal-based pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resins, such as phenolic resins, to form a composite carbon material. There are no particular limitations on the carbonaceous material precursor as long as it becomes a carbonaceous material by heat treatment, but petroleum-based pitch or coal-based pitch is particularly preferred. Before the heat treatment, the graphite material and the carbonaceous material precursor may be mixed at a temperature higher than the melting point of the carbonaceous material precursor. The heat treatment temperature may be any temperature at which the components generated by the volatilization or pyrolysis of the carbonaceous material precursor used become carbonaceous materials, but is preferably 400°C or higher and 2,500°C or lower, more preferably 500°C or higher and 2,000°C or lower, and even more preferably 550°C or higher and 1,500°C or lower. There are no particular restrictions on the atmosphere in which the heat treatment is performed, but a non-oxidizing atmosphere is preferred.
複合炭素材料のBET比表面積は、好ましくは1m2/g以上50m2/g以下、より好ましくは1.5m2/g以上40m2/g以下、さらに好ましくは2m2/g以上25m2/g以下である。複合炭素材料のBET比表面積が1m2/g以上であれば、非水系電解液中のリチウムイオンとの反応サイトを十分に多く確保できるため、高い入出力特性を示すことができる。複合炭素材料のBET比表面積が50m2/g以下であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上し、かつ充放電中の非水系電解液の還元分解が抑制されるため、高い高負荷充放電サイクル特性を示すことができる。 The BET specific surface area of the composite carbon material is preferably 1 m 2 /g or more and 50 m 2 /g or less, more preferably 1.5 m 2 /g or more and 40 m 2 /g or less, and even more preferably 2 m 2 /g or more and 25 m 2 /g or less. If the BET specific surface area of the composite carbon material is 1 m 2 /g or more, a sufficient number of reaction sites with lithium ions in the non-aqueous electrolyte can be secured, and high input/output characteristics can be exhibited. If the BET specific surface area of the composite carbon material is 50 m 2 /g or less, the charge/discharge efficiency of lithium ions is improved and the reductive decomposition of the non-aqueous electrolyte during charge/discharge is suppressed, and therefore high high-load charge/discharge cycle characteristics can be exhibited.
複合炭素材料の平均細孔径は、好ましくは1.5nm以上25nm以下、より好ましくは2nm以上22nm以下、さらに好ましくは3nm以上20nm以下、特に好ましくは3.5nm以上18nm以下である。複合炭素材料の平均細孔径が1.5nm以上であれば、非水系電解液中の溶媒和したアルカリ金属イオンのサイズ(1.2nm以下)よりも大きい細孔が多いため、複合炭素材料内における溶媒和したアルカリ金属イオンの拡散が良好となり、これを用いた非水系アルカリ金属蓄電素子は高い入出力特性を示すことができる。他方、複合炭素材料の平均細孔径が25nm以下であれば、これを用いた負極活物質層の嵩密度を十分に向上できるため、高いエネルギー密度を示すことができる。 The average pore diameter of the composite carbon material is preferably 1.5 nm to 25 nm, more preferably 2 nm to 22 nm, even more preferably 3 nm to 20 nm, and particularly preferably 3.5 nm to 18 nm. If the average pore diameter of the composite carbon material is 1.5 nm or more, there are many pores larger than the size (1.2 nm or less) of the solvated alkali metal ions in the non-aqueous electrolyte, so that the diffusion of the solvated alkali metal ions in the composite carbon material is good, and the non-aqueous alkali metal storage element using this can exhibit high input/output characteristics. On the other hand, if the average pore diameter of the composite carbon material is 25 nm or less, the bulk density of the negative electrode active material layer using this can be sufficiently improved, so that a high energy density can be exhibited.
複合炭素材料は、粒子状であってよく、その平均粒子径は、好ましくは1μm以上10μm以下、より好ましくは2μm以上8μm以下、さらに好ましくは3μm以上6μm以下である。複合炭素材料の平均粒子径が1μm以上であれば、アルカリ金属イオンの充放電効率を向上できるため、高い高負荷充放電サイクル特性を示すことができる。複合炭素材料の平均粒子径が10μm以下であれば、非水系電解液中のアルカリ金属イオンとの反応サイトが増加するため、高い入出力特性を示すことができる。 The composite carbon material may be particulate, and the average particle size is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 2 μm or more and 8 μm or less, and even more preferably 3 μm or more and 6 μm or less. If the average particle size of the composite carbon material is 1 μm or more, the charge/discharge efficiency of the alkali metal ions can be improved, and high high-load charge/discharge cycle characteristics can be exhibited. If the average particle size of the composite carbon material is 10 μm or less, the number of reaction sites with the alkali metal ions in the non-aqueous electrolyte increases, and high input/output characteristics can be exhibited.
複合炭素材料における、黒鉛質材料に対する炭素質材料の質量比率は、好ましくは1質量%以上20質量%以下、より好ましくは1.2質量%以上15質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以上10質量%以下、よりさらに好ましくは2質量%以上5質量%以下である。炭素質材料の質量比率が1質量%以上であれば、炭素質材料により非水系電解液中のアルカリ金属イオンとの反応サイトを十分に増加でき、かつアルカリ金属イオンの脱溶媒和も容易となるため、高い入出力特性を示すことができる。炭素質材料の質量比率が20質量%以下であれば、炭素質材料と黒鉛質材料との間のアルカリ金属イオンの固体内拡散を良好に保持できるため、高い入出力特性を示すことができる。また、アルカリ金属イオンの充放電効率が向上できるため、高い高負荷充放電サイクル特性を示すことができる。 In the composite carbon material, the mass ratio of the carbonaceous material to the graphite material is preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably 1.2% by mass or more and 15% by mass or less, even more preferably 1.5% by mass or more and 10% by mass or less, and even more preferably 2% by mass or more and 5% by mass or less. If the mass ratio of the carbonaceous material is 1% by mass or more, the carbonaceous material can sufficiently increase the reaction sites with the alkali metal ions in the non-aqueous electrolyte, and the alkali metal ions can be easily desolvated, so that high input/output characteristics can be exhibited. If the mass ratio of the carbonaceous material is 20% by mass or less, the solid diffusion of the alkali metal ions between the carbonaceous material and the graphite material can be well maintained, so that high input/output characteristics can be exhibited. In addition, the charge/discharge efficiency of the alkali metal ions can be improved, so that high high-load charge/discharge cycle characteristics can be exhibited.
複合炭素材料の単位質量当たりのアルカリ金属イオンのドープ量は、好ましくは50mAh/g以上700mAh/g以下、より好ましくは70mAh/g以上650mAh/g以下、さらに好ましくは90mAh/g以上600mAh/g以下、よりさらに好ましくは100mAh/g以上550mAh/g以下である。アルカリ金属イオンをドープすることにより、負極電位が低くなる。従って、アルカリ金属イオンがドープされた複合炭素材料を含む負極を正極と組み合わせた場合には、非水系アルカリ金属蓄電素子の電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなる。そのため、得られる非水系アルカリ金属蓄電素子の容量およびエネルギー密度が高くなる。複合炭素材料の単位質量当たりのアルカリ金属イオンのドープ量が50mAh/g以上であれば、複合炭素材料におけるアルカリ金属イオンを一旦挿入したら脱離し得ない不可逆なサイトにもアルカリ金属イオンが良好にドープされるため、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、および耐久性は向上する。複合炭素材料の単位質量当たりのアルカリ金属イオンのドープ量が700mAh/g以下であれば、リチウム金属等のアルカリ金属析出等の副作用が発生し難くなる。 The doping amount of alkali metal ions per unit mass of the composite carbon material is preferably 50 mAh/g or more and 700 mAh/g or less, more preferably 70 mAh/g or more and 650 mAh/g or less, even more preferably 90 mAh/g or more and 600 mAh/g or less, and even more preferably 100 mAh/g or more and 550 mAh/g or less. By doping with alkali metal ions, the negative electrode potential is lowered. Therefore, when a negative electrode containing a composite carbon material doped with alkali metal ions is combined with a positive electrode, the voltage of the non-aqueous alkali metal storage element becomes higher and the usable capacity of the positive electrode becomes larger. Therefore, the capacity and energy density of the obtained non-aqueous alkali metal storage element become higher. If the doping amount of alkali metal ions per unit mass of the composite carbon material is 50 mAh/g or more, the alkali metal ions are well doped even in irreversible sites in the composite carbon material where the alkali metal ions cannot be removed once they are inserted, so that a high energy density can be obtained. The greater the doping amount, the lower the negative electrode potential, and the better the input/output characteristics, energy density, and durability. If the doping amount of alkali metal ions per unit mass of the composite carbon material is 700 mAh/g or less, side effects such as precipitation of alkali metals such as lithium metal are less likely to occur.
複合炭素材料に用いる黒鉛質材料のBET比表面積は、好ましくは0.5m2/g以上80m2/g以下、より好ましくは1m2/g以上70m2/g以下、さらに好ましくは1.5m2/g以上60m2/g以下である。複合炭素材料に用いる黒鉛質材料のBET比表面積が上記範囲であれば、複合炭素材料のBET比表面積を上述する範囲に調整できる。 The BET specific surface area of the graphite material used in the composite carbon material is preferably 0.5 m2 /g to 80 m2 /g, more preferably 1 m2 /g to 70 m2 /g, and even more preferably 1.5 m2 /g to 60 m2 /g. If the BET specific surface area of the graphite material used in the composite carbon material is within the above range, the BET specific surface area of the composite carbon material can be adjusted to the above range.
複合炭素材料に用いる黒鉛質材料は、粒子状であってよく、その平均粒子径は、好ましくは1μm以上10μm以下、より好ましくは2μm以上8μm以下である。複合炭素材料に用いる黒鉛質材料の平均粒子径が1μm以上10μm以下の範囲内であれば、複合炭素材料の平均粒子径を上述する範囲に調整できる。 The graphite material used in the composite carbon material may be particulate, and the average particle size is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 2 μm or more and 8 μm or less. If the average particle size of the graphite material used in the composite carbon material is in the range of 1 μm or more and 10 μm or less, the average particle size of the composite carbon material can be adjusted to the above range.
複合炭素材料の原料として用いる炭素質材料前駆体とは、熱処理することにより、黒鉛質材料に炭素質材料を複合させることができる、固体、液体、または溶剤に溶解可能な有機材料である。この炭素質材料前駆体としては、例えば、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、および合成樹脂、例えばフェノール樹脂等を挙げることができる。これらの炭素質材料前駆体の中でも、安価であるピッチを用いることが、製造コスト上好ましい。ピッチは、大別して石油系ピッチと石炭系ピッチとに分けられる。石油系ピッチとしては、例えば原油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイル等)、サーマルクラッカーに由来するボトム油、ナフサクラッキングの際に得られるエチレンタール等が例示される。 The carbonaceous material precursor used as the raw material for the composite carbon material is a solid, liquid, or solvent-soluble organic material that can be composited with a graphitic material by heat treatment. Examples of the carbonaceous material precursor include pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resins such as phenolic resins. Among these carbonaceous material precursors, it is preferable to use pitch, which is inexpensive, in terms of production costs. Pitch is broadly divided into petroleum-based pitch and coal-based pitch. Examples of petroleum-based pitch include crude oil distillation residue, fluid catalytic cracking residue (decant oil, etc.), bottom oil derived from thermal crackers, and ethylene tar obtained during naphtha cracking.
(負極活物質層のその他の成分)
本実施形態における負極活物質層は、必要に応じて、負極活物質の他に、導電性フィラー、分散剤、及び結着剤等の任意成分を含んでよい。
(Other Components of the Negative Electrode Active Material Layer)
The negative electrode active material layer in this embodiment may contain optional components such as a conductive filler, a dispersant, and a binder, in addition to the negative electrode active material, as necessary.
導電性フィラーは、負極活物質よりも導電性の高い導電性炭素質材料から成ることが好ましい。このような導電性フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン等、およびこれらの混合物から選択される1種以上が好ましい。カーボンブラックとしては、例えば、ケッチェンブラック、及びアセチレンブラック等が挙げられる。導電性フィラーとしては、電子伝導性の高さよりカーボンナノチューブを用いることが好ましい。 The conductive filler is preferably made of a conductive carbonaceous material having a higher conductivity than the negative electrode active material. Such a conductive filler is preferably one or more selected from, for example, carbon black, carbon nanotubes, graphene, etc., and mixtures thereof. Examples of carbon black include ketjen black and acetylene black. As the conductive filler, it is preferable to use carbon nanotubes due to their high electronic conductivity.
(カーボンナノチューブ)
負極活物質層は、カーボンナノチューブを含むことが好ましい。カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、及び多層カーボンナノチューブが好適に用いられ、特に好ましくは単層カーボンナノチューブが用いられる。カーボンナノチューブの平均繊維径は1nm以上20nm未満であることが好ましく、より好ましくは1.5nm以上15nm以下である。平均繊維径が1nm以上であればカーボンナノチューブの分散性が向上する。平均繊維径が20nm未満であれば、更に高い入出力特性を有する非水系アルカリ金属蓄電素子を提供することができる。
(Carbon Nanotubes)
The negative electrode active material layer preferably contains carbon nanotubes. As the carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes are preferably used, and single-walled carbon nanotubes are particularly preferably used. The average fiber diameter of the carbon nanotubes is preferably 1 nm or more and less than 20 nm, more preferably 1.5 nm or more and 15 nm or less. If the average fiber diameter is 1 nm or more, the dispersibility of the carbon nanotubes is improved. If the average fiber diameter is less than 20 nm, a nonaqueous alkali metal storage element having even higher input/output characteristics can be provided.
単層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブが束になってできた構造(以下、「バンドル化」単層カーボンナノチューブと称する。)を有することが好ましい。1本の単層カーボンナノチューブの繊維長さは数ミクロン程度であるが、バンドル化単層カーボンナノチューブは、複数の単層カーボンナノチューブが連なって又は撚り集まって、数ミクロン~数十ミクロン程度の繊維長さになっていると推定される。カーボンナノチューブは、活物質の表面を網目状に被覆していることが好ましく、カーボンナノチューブが活物質同士を架橋していることもまた好ましい。ここで、「網目状」とは、複数のカーボンナノチューブ及び/又はバンドル化単層カーボンナノチューブが、活物質の表面上で互いに様々な方向に向かって交差して、カーボンナノチューブで覆われた部分と、活物質が露出した部分とからなる、網の目のような構造を形成していることをいう。バンドル化単層カーボンナノチューブの平均繊維径は、好ましくは5nm以上20nm以下、より好ましくは6nm以上17nm以下、更に好ましくは7nm以上14nm以下である。バンドル化単層カーボンナノチューブは、糸玉のような凝集体を形成し易い傾向があるが、バンドル化単層カーボンナノチューブの平均繊維径が5nm以上であれば分散性が向上し、糸玉のような凝集体の形成を抑制する傾向がみられ、20nm以下であれば活物質粒子間の結着性や電子伝導性を高めることができる。カーボンナノチューブは、例えば、化学気相成長法、アーク放電法、レーザー蒸発法等の適宜の方法で合成することができる。 The single-walled carbon nanotube preferably has a structure in which single-walled carbon nanotubes are bundled (hereinafter referred to as "bundled" single-walled carbon nanotubes). The fiber length of a single single-walled carbon nanotube is about several microns, but the bundled single-walled carbon nanotube is presumed to have a fiber length of about several microns to several tens of microns, with multiple single-walled carbon nanotubes linked or twisted together. The carbon nanotubes preferably cover the surface of the active material in a mesh-like manner, and it is also preferable that the carbon nanotubes bridge the active material. Here, "mesh-like" means that multiple carbon nanotubes and/or bundled single-walled carbon nanotubes cross each other in various directions on the surface of the active material to form a mesh-like structure consisting of parts covered with carbon nanotubes and parts where the active material is exposed. The average fiber diameter of the bundled single-walled carbon nanotubes is preferably 5 nm or more and 20 nm or less, more preferably 6 nm or more and 17 nm or less, and even more preferably 7 nm or more and 14 nm or less. Bundled single-walled carbon nanotubes tend to form agglomerates like thread balls, but if the average fiber diameter of the bundled single-walled carbon nanotubes is 5 nm or more, dispersibility is improved and the formation of agglomerates like thread balls tends to be suppressed, and if it is 20 nm or less, the binding between active material particles and electronic conductivity can be improved. Carbon nanotubes can be synthesized by any suitable method, such as chemical vapor deposition, arc discharge, or laser evaporation.
負極活物質層中のカーボンナノチューブの含有量は、負極活物質層の全質量を100質量%としたときに、0.003質量%以上0.120質量%以下であることが好ましい。0.003質量%以上であれば負極活物質粒子間の結着性や電子伝導性を高め、80℃以上の高温環境下での抵抗上昇を抑制することができる。0.120質量%以下であれば負極活物質粒子をカーボンナノチューブが過剰に被覆することがなく、かつ負極活物質層全体におけるカーボンナノチューブ上に生成するSEI(固体電解質界面)の存在量が低減するためにイオンの拡散抵抗を低減することができると共に、カーボンナノチューブに由来する不可逆容量を低減することで負極へのアルカリ金属イオンのプレドープ量を高めることができる。 The carbon nanotube content in the negative electrode active material layer is preferably 0.003% by mass or more and 0.120% by mass or less, when the total mass of the negative electrode active material layer is taken as 100% by mass. If it is 0.003% by mass or more, the adhesion between the negative electrode active material particles and the electronic conductivity can be improved, and the increase in resistance in a high-temperature environment of 80°C or more can be suppressed. If it is 0.120% by mass or less, the negative electrode active material particles are not excessively covered with carbon nanotubes, and the amount of SEI (solid electrolyte interface) formed on the carbon nanotubes in the entire negative electrode active material layer is reduced, so that the ion diffusion resistance can be reduced, and the amount of pre-doped alkali metal ions to the negative electrode can be increased by reducing the irreversible capacity derived from the carbon nanotubes.
カーボンナノチューブは、負極活物質の表面および粒子間に均一に分散されていることが好ましい。カーボンナノチューブを負極活物質の表面および粒子間に均一分散させることにより、負極活物質粒子間の電子伝導性および結着性を高めることができ、結着剤の含有量を低減させることが可能となる。結着剤は、80℃以上の高温環境下で徐々に分解が進むため、結着剤の含有量を低減させることにより、80℃以上の高温環境下における耐久性を付与することができる。 It is preferable that the carbon nanotubes are uniformly dispersed on the surface and between the particles of the negative electrode active material. By uniformly dispersing the carbon nanotubes on the surface and between the particles of the negative electrode active material, the electronic conductivity and binding between the particles of the negative electrode active material can be increased, and it becomes possible to reduce the content of the binder. Since the binder gradually decomposes in a high-temperature environment of 80°C or higher, by reducing the content of the binder, durability in a high-temperature environment of 80°C or higher can be imparted.
分散剤としては、特に制限されるものではないが、例えばカルボキシメチルセルロース、ポリカルボン酸、ポリカルボン酸塩、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、及び界面活性剤等から選択される1種または2種以上が好適に用いられる。特に、上記分散剤を2種以上用いることにより、カーボンナノチューブの分散性と塗工液との安定性を両立させることができる。分散剤は、例えば、カルボキシメチルセルロースと、ポリビニルピロリドンおよびポリビニルアルコールから選択される1種以上と、を含むことが、特に好ましい。分散安定剤の含有量は、負極活物質層中の固形分100質量%に対して、好ましくは0.1質量%以上7.0質量%以下である。分散安定剤の量が7.0質量%以下であれば、負極活物質へのイオンの出入りおよび拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The dispersant is not particularly limited, but one or more selected from, for example, carboxymethylcellulose, polycarboxylic acid, polycarboxylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, and surfactants are preferably used. In particular, by using two or more of the above dispersants, it is possible to achieve both the dispersibility of the carbon nanotubes and the stability of the coating liquid. It is particularly preferable that the dispersant contains, for example, carboxymethylcellulose and one or more selected from polyvinylpyrrolidone and polyvinyl alcohol. The content of the dispersion stabilizer is preferably 0.1% by mass or more and 7.0% by mass or less with respect to 100% by mass of the solid content in the negative electrode active material layer. If the amount of the dispersion stabilizer is 7.0% by mass or less, the ingress and egress of ions into and the diffusion of ions into the negative electrode active material are not hindered, and high input/output characteristics are expressed.
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、ポリイミド、ラテックス、スチレン-ブタジエン共重合体、アクリル共重合体等を使用することができる。負極活物質層における結着剤の含有量は、負極活物質100質量%に対して、0~20質量%が好ましく、0.1~15質量%の範囲がより好ましい。 Examples of binders that can be used include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, and acrylic copolymer. The content of the binder in the negative electrode active material layer is preferably 0 to 20% by mass, and more preferably 0.1 to 15% by mass, relative to 100% by mass of the negative electrode active material.
[負極集電体]
本実施形態に係る負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出、電解質またはイオンとの反応による劣化等が起こらない材料であることが好ましく、例えば金属箔であってよい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。本実施形態に係る非水系アルカリ金属蓄電素子における負極集電体としては、非水系電解液にリチウムイオンが含まれる場合は銅箔が好ましく、非水系電解液にナトリウムイオンまたはカリウムイオンから成る電解質を用いる場合はアルミニウム箔が好ましい。負極集電体としての金属箔は、凹凸または貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。負極集電体の厚みは、負極の形状および強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1~100μmである。
[Negative electrode current collector]
The material constituting the negative electrode current collector according to this embodiment is preferably a material that has high electronic conductivity and does not dissolve in the electrolyte or deteriorate due to reaction with the electrolyte or ions, and may be, for example, a metal foil. There is no particular limitation on such metal foil, and examples thereof include aluminum foil, copper foil, nickel foil, and stainless steel foil. As the negative electrode current collector in the nonaqueous alkali metal storage element according to this embodiment, when the nonaqueous electrolyte contains lithium ions, copper foil is preferable, and when the nonaqueous electrolyte uses an electrolyte consisting of sodium ions or potassium ions, aluminum foil is preferable. The metal foil as the negative electrode current collector may be a normal metal foil that does not have unevenness or through holes, or may be a metal foil having unevenness that has been subjected to embossing, chemical etching, electrolytic deposition, blasting, or the like, or may be a metal foil having through holes such as expanded metal, punching metal, and etching foil. The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it can sufficiently maintain the shape and strength of the negative electrode, and is, for example, 1 to 100 μm.
負極活物質層の厚みは、好ましくは集電体の片面当たり10μm以上70μm以下であり、より好ましくは15μm以上60μm以下である。この厚みが10μm以上であれば、良好な充放電容量を発現することができる。他方、この厚みが70μm以下であれば、セル体積を縮小することができるから、エネルギー密度を高めることができる。負極集電体に孔がある場合の負極活物質層の厚みとは、それぞれ、負極集電体の孔を有していない部分の片面当たりの厚みの平均値をいう。 The thickness of the negative electrode active material layer is preferably 10 μm to 70 μm per side of the current collector, and more preferably 15 μm to 60 μm. If the thickness is 10 μm or more, good charge/discharge capacity can be achieved. On the other hand, if the thickness is 70 μm or less, the cell volume can be reduced, and the energy density can be increased. When the negative electrode current collector has holes, the thickness of the negative electrode active material layer refers to the average thickness per side of the portion of the negative electrode current collector that does not have holes.
〈正極〉
本実施形態における正極は、正極集電体と、その片面または両面上に設けられた正極活物質層とを有する。本実施形態に係る正極活物質層は、正極活物質およびアルカリ金属炭酸塩を含む。
<Positive electrode>
The positive electrode of this embodiment has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer provided on one or both sides of the positive electrode current collector. The positive electrode active material layer according to this embodiment contains a positive electrode active material and an alkali metal carbonate.
後述のように、本実施形態では、蓄電素子組み立て工程内で、負極にアルカリ金属イオンをプレドープすることが好ましく、そのプレドープ方法としては、アルカリ金属炭酸塩を含む正極前駆体、負極、セパレータ、外装体、および非水系電解液を用いて蓄電素子を組み立てた後に、正極前駆体と負極との間に電圧を印加することが好ましい。この場合、アルカリ金属炭酸塩は、正極前駆体中にいかなる態様で含まれていてもよい。例えば、アルカリ金属炭酸塩は、正極集電体と正極活物質層との間に存在してよく、正極活物質層の表面上に存在してよく、正極活物質層中に存在していてよい。アルカリ金属炭酸塩は正極前駆体の正極集電体上に形成された正極活物質層に含有されることが好ましい。このような態様では、負極へのアルカリ金属イオンのプレドープに伴って、正極活物質層中に空孔が形成されて、正極活物質層の実効面積が増大する。本明細書では、アルカリ金属ドープ工程前における正極を「正極前駆体」、アルカリ金属ドープ工程後における正極を「正極」と定義する。 As described later, in this embodiment, it is preferable to pre-dope the negative electrode with alkali metal ions during the assembly process of the storage element, and as a pre-doping method, it is preferable to assemble the storage element using a positive electrode precursor containing an alkali metal carbonate, a negative electrode, a separator, an exterior body, and a non-aqueous electrolyte, and then apply a voltage between the positive electrode precursor and the negative electrode. In this case, the alkali metal carbonate may be contained in the positive electrode precursor in any manner. For example, the alkali metal carbonate may be present between the positive electrode collector and the positive electrode active material layer, may be present on the surface of the positive electrode active material layer, or may be present in the positive electrode active material layer. The alkali metal carbonate is preferably contained in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode collector of the positive electrode precursor. In such an embodiment, as the alkali metal ions are pre-doped into the negative electrode, vacancies are formed in the positive electrode active material layer, and the effective area of the positive electrode active material layer is increased. In this specification, the positive electrode before the alkali metal doping process is defined as the "positive electrode precursor," and the positive electrode after the alkali metal doping process is defined as the "positive electrode."
[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質およびアルカリ金属炭酸塩を含む。正極活物質層は、これら以外に、必要に応じて、後述の任意成分を含んでいてもよい。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material and an alkali metal carbonate. In addition to these, the positive electrode active material layer may contain optional components described below, as necessary.
(正極活物質)
正極活物質は、活性炭を含むことが好ましく、活性炭の他に、グラフェン、導電性高分子、及びリチウム遷移金属酸化物等をさらに含んでいてもよい。
(Cathode active material)
The positive electrode active material preferably contains activated carbon, and may further contain graphene, a conductive polymer, a lithium transition metal oxide, and the like in addition to activated carbon.
活性炭を正極活物質として用いる場合、活性炭の種類およびその原料には特に制限はないが、高い入出力特性と、高いエネルギー密度とを両立させるために、活性炭の細孔を最適に制御することが好ましい。具体的には、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、
(1)高い入出力特性のためには、0.3<V1≦0.8、および0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下である活性炭(以下、活性炭1ともいう。)が好ましく、また、
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V1≦2.5、および0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下である活性炭(以下、活性炭2ともいう。)が好ましい。
When activated carbon is used as the positive electrode active material, there is no particular limitation on the type of activated carbon and its raw material, but in order to achieve both high input/output characteristics and high energy density, it is preferable to optimally control the pores of the activated carbon. Specifically, when the amount of mesopores derived from pores with a diameter of 20 Å to 500 Å calculated by the BJH method is V 1 (cc/g), and the amount of micropores derived from pores with a diameter of less than 20 Å calculated by the MP method is V 2 (cc/g),
(1) For high input/output characteristics, activated carbon that satisfies 0.3<V1 ≦ 0.8 and 0.5≦ V2 ≦1.0 and has a specific surface area of 1,500 m2 /g or more and 3,000 m2 /g or less as measured by the BET method (hereinafter, also referred to as activated carbon 1) is preferred.
(2) In order to obtain a high energy density, activated carbon that satisfies 0.8<V1 ≦ 2.5 and 0.8< V2 ≦3.0 and has a specific surface area measured by the BET method of 2,300 m2 /g or more and 4,000 m2 /g or less (hereinafter also referred to as activated carbon 2) is preferred.
本実施形態における活物質のBET比表面積およびメソ孔量、マイクロ孔量、平均細孔径は、それぞれ以下の方法によって求められる値である。試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行なう。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、BET比表面積はBET多点法またはBET1点法により、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法により、それぞれ算出される。BJH法は一般的にメソ孔の解析に用いられる計算方法で、Barrett,Joyner, Halendaらにより提唱されたものである(非特許文献1)。MP法とは、「t-プロット法」(非特許文献2)を利用して、マイクロ孔容積、マイクロ孔面積、およびマイクロ孔の分布を求める方法を意味し、R.S.Mikhail, Brunauer,Bodorにより考案された方法である(非特許文献3)。また、平均細孔径とは、液体窒素温度下で、各相対圧力下における窒素ガスの各平衡吸着量を測定して得られる、試料の質量あたりの全細孔容積を上記BET比表面積で除して求めたものを指す。 The BET specific surface area, mesopore volume, micropore volume, and average pore diameter of the active material in this embodiment are values that are determined by the following method. The sample is vacuum dried at 200°C for 24 hours, and the adsorption and desorption isotherms are measured using nitrogen as the adsorbate. Using the adsorption side isotherms obtained here, the BET specific surface area is calculated by the BET multipoint method or BET single point method, the mesopore volume is calculated by the BJH method, and the micropore volume is calculated by the MP method. The BJH method is a calculation method generally used to analyze mesopores, and was proposed by Barrett, Joyner, Halenda, et al. (Non-Patent Document 1). The MP method refers to a method of determining the micropore volume, micropore area, and micropore distribution using the "t-plot method" (Non-Patent Document 2), and is a method devised by R. S. Mikhair, Brunauer, and Bodor (Non-Patent Document 3). The average pore size refers to the total pore volume per mass of the sample, which is obtained by measuring the equilibrium adsorption amount of nitrogen gas at each relative pressure at liquid nitrogen temperature, divided by the BET specific surface area.
(活性炭1)
活性炭1のメソ孔量V1は、正極材料を蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましい。V1は、正極の嵩密度の低下を抑える点から、0.8cc/g以下であることが好ましい。V1は、より好ましくは0.35cc/g以上0.7cc/g以下、さらに好ましくは0.4cc/g以上0.6cc/g以下である。活性炭1のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.5cc/g以上であることが好ましい。V2は、活性炭の嵩を抑え、電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという点から、1.0cc/g以下であることが好ましい。V2は、より好ましくは0.6cc/g以上1.0cc/g以下、さらに好ましくは0.8cc/g以上1.0cc/g以下である。マイクロ孔量V2に対するメソ孔量V1の比(V1/V2)は、0.3≦V1/V2≦0.9の範囲であることが好ましい。すなわち、高容量を維持しながら出力特性の低下を抑えることができる程度に、マイクロ孔量に対するメソ孔量の割合を大きくするという点から、V1/V2が0.3以上であることが好ましい。一方で、高出力特性を維持しながら容量の低下を抑えることができる程度に、メソ孔量に対するマイクロ孔量の割合を大きくするという点から、V1/V2は0.9以下であることが好ましい。より好ましいV1/V2の範囲は0.4≦V1/V2≦0.7、さらに好ましいV1/V2の範囲は0.55≦V1/V2≦0.7である。
(Activated carbon 1)
The mesopore volume V 1 of the activated carbon 1 is preferably a value larger than 0.3 cc/g in terms of increasing the input/output characteristics when the positive electrode material is incorporated into an electric storage element. V 1 is preferably 0.8 cc/g or less in terms of suppressing a decrease in the bulk density of the positive electrode. V 1 is more preferably 0.35 cc/g or more and 0.7 cc/g or less, and even more preferably 0.4 cc/g or more and 0.6 cc/g or less. The micropore volume V 2 of the activated carbon 1 is preferably 0.5 cc/g or more in order to increase the specific surface area of the activated carbon and increase the capacity. V 2 is preferably 1.0 cc/g or less in terms of suppressing the bulk of the activated carbon, increasing the density as an electrode, and increasing the capacity per unit volume. V 2 is more preferably 0.6 cc/g or more and 1.0 cc/g or less, and even more preferably 0.8 cc/g or more and 1.0 cc/g or less. The ratio of mesopore volume V1 to micropore volume V2 ( V1 / V2 ) is preferably in the range of 0.3≦ V1 / V2 ≦0.9. In other words, from the viewpoint of increasing the ratio of mesopore volume to micropore volume to an extent that a decrease in output characteristics can be suppressed while maintaining high capacity, V1 / V2 is preferably 0.3 or more. On the other hand, from the viewpoint of increasing the ratio of micropore volume to mesopore volume to an extent that a decrease in capacity can be suppressed while maintaining high output characteristics, V1 / V2 is preferably 0.9 or less. A more preferable range for V1 / V2 is 0.4≦ V1 / V2 ≦0.7, and an even more preferable range for V1 / V2 is 0.55≦ V1 / V2 ≦0.7.
活性炭1の平均細孔径は、得られる蓄電素子の出力を最大にする点から、17Å以上であることが好ましく、18Å以上であることがより好ましく、20Å以上であることが最も好ましい。また容量を最大にする点から、活性炭1の平均細孔径は25Å以下であることが好ましい。活性炭1のBET比表面積は、1,500m2/g以上3,000m2/g以下であることが好ましく、1,500m2/g以上2,500m2/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が1,500m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、BET比表面積が3,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つために結着剤を多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。 The average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 17 Å or more, more preferably 18 Å or more, and most preferably 20 Å or more, from the viewpoint of maximizing the output of the obtained electric storage element. Also, from the viewpoint of maximizing the capacity, the average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 25 Å or less. The BET specific surface area of the activated carbon 1 is preferably 1,500 m 2 /g or more and 3,000 m 2 /g or less, and more preferably 1,500 m 2 /g or more and 2,500 m 2 /g or less. When the BET specific surface area is 1,500 m 2 /g or more, a good energy density is easily obtained, while when the BET specific surface area is 3,000 m 2 /g or less, it is not necessary to add a large amount of binder to maintain the strength of the electrode, so the performance per electrode volume is high.
前記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明する原料および処理方法を用いて得ることができる。本実施形態では、活性炭1の原料として用いられる炭素源は、特に限定されるものではない。例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、およびこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応およびコストの観点から、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、およびそれらの炭化物が好ましく、ヤシ殻炭化物が特に好ましい。 Activated carbon 1 having the above-mentioned characteristics can be obtained, for example, by using the raw materials and processing method described below. In this embodiment, the carbon source used as the raw material of activated carbon 1 is not particularly limited. For example, plant-based raw materials such as wood, wood flour, coconut shells, by-products of pulp production, bagasse, and blackstrap molasses; fossil-based raw materials such as peat, lignite, brown coal, bituminous coal, anthracite, petroleum distillation residue components, petroleum pitch, coke, and coal tar; various synthetic resins such as phenol resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, celluloid, epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin, and polyamide resin; synthetic rubbers such as polybutylene, polybutadiene, and polychloroprene; other synthetic wood, synthetic pulp, and carbonized products thereof. Among these raw materials, plant-based raw materials such as coconut shells and wood flour, and carbonized products thereof are preferred from the viewpoint of mass production and cost, and coconut shell carbonized products are particularly preferred.
これらの原料を前記活性炭1とするための炭化および賦活の方式としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の既知の方式を採用できる。これらの原料の炭化方法としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、一酸化炭素、燃焼排ガス等の不活性ガス、またはこれらの不活性ガスを主成分とした他のガスとの混合ガスを使用して、400~700℃(好ましくは450~600℃)程度において、30分~10時間程度に亘って焼成する方法が挙げられる。上記で説明された炭化方法により得られた炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法が好ましく用いられる。これらのうち、賦活ガスとして、水蒸気または二酸化炭素を使用する方法が好ましい。この賦活方法では、賦活ガスを0.5~3.0kg/h(好ましくは0.7~2.0kg/h)の割合で供給しながら、得られた炭化物を3~12時間(好ましくは5~11時間、さらに好ましくは6~10時間)掛けて800~1,000℃まで昇温して賦活するのが好ましい。さらに、上記で説明された炭化物の賦活処理に先立ち、予め炭化物を1次賦活してもよい。この1次賦活では、通常、炭素材料を水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて、900℃未満の温度で焼成してガス賦活する方法が、好ましく採用できる。上記で説明された炭化方法における焼成温度および焼成時間と、賦活方法における賦活ガス供給量、昇温速度および最高賦活温度とを適宜組み合わせることにより、本実施形態において使用できる活性炭1を製造することができる。 As the carbonization and activation method for converting these raw materials into the activated carbon 1, for example, known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, a rotary kiln method, etc. can be adopted. As a method for carbonizing these raw materials, a method of burning them at about 400 to 700 ° C (preferably 450 to 600 ° C) for about 30 minutes to 10 hours using an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, xenon, neon, carbon monoxide, combustion exhaust gas, or a mixed gas containing these inert gases as the main component and other gases can be mentioned. As a method for activating the carbonized material obtained by the carbonization method described above, a gas activation method in which the carbonization is performed using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, or oxygen is preferably used. Of these, a method of using water vapor or carbon dioxide as the activation gas is preferable. In this activation method, it is preferable to activate the obtained carbonized material by heating it to 800 to 1,000°C over 3 to 12 hours (preferably 5 to 11 hours, more preferably 6 to 10 hours) while supplying the activation gas at a rate of 0.5 to 3.0 kg/h (preferably 0.7 to 2.0 kg/h). Furthermore, prior to the activation treatment of the carbonized material described above, the carbonized material may be first activated. In this first activation, a method of gas activation by firing the carbon material at a temperature of less than 900°C using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, or oxygen can be preferably used. By appropriately combining the firing temperature and firing time in the carbonization method described above with the activation gas supply amount, heating rate, and maximum activation temperature in the activation method, activated carbon 1 that can be used in this embodiment can be produced.
活性炭1の平均粒子径は、2~20μmであることが好ましい。平均粒子径が2μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。なお、平均粒子径が小さいと耐久性が低いという欠点を招来する場合があるが、平均粒子径が2μm以上であればそのような欠点が生じ難い。一方で、平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電には適合し易くなる傾向がある。活性炭1の平均粒子径は、より好ましくは2~15μmであり、さらに好ましくは3~10μmである。 The average particle diameter of the activated carbon 1 is preferably 2 to 20 μm. If the average particle diameter is 2 μm or more, the density of the active material layer is high, so the capacity per electrode volume tends to be high. Note that a small average particle diameter may result in the drawback of low durability, but if the average particle diameter is 2 μm or more, such a drawback is unlikely to occur. On the other hand, if the average particle diameter is 20 μm or less, it tends to be more suitable for high-speed charging and discharging. The average particle diameter of the activated carbon 1 is more preferably 2 to 15 μm, and even more preferably 3 to 10 μm.
(活性炭2)
活性炭2のメソ孔量V1は、正極材料を蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。V1は、蓄電素子の容量の低下を抑える観点から、2.5cc/g以下であることが好ましい。V1は、より好ましくは1.00cc/g以上2.0cc/g以下、さらに好ましくは、1.2cc/g以上1.8cc/g以下である。活性炭2のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。V2は、活性炭の電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという観点から、3.0cc/g以下であることが好ましい。V2は、より好ましくは1.0cc/gより大きく2.5cc/g以下、さらに好ましくは1.5cc/g以上2.5cc/g以下である。上述したメソ孔量およびマイクロ孔量を有する活性炭2は、従来の電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ用として使用されていた活性炭よりもBET比表面積が高いものである。活性炭2のBET比表面積の具体的な値は、2,300m2/g以上4,000m2/g以下であることが好ましく、3,000m2/g以上4,000m2/g以下であることがより好ましく、3,200m2/g以上3,800m2/g以下であることがさらに好ましい。BET比表面積が2,300m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、BET比表面積が4,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つために結着剤を多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。
(Activated carbon 2)
The mesopore volume V 1 of the activated
前記のような特徴を有する活性炭2は、例えば以下に説明するような原料および処理方法を用いて得ることができる。活性炭2の原料として用いられる炭素質材料としては、通常活性炭原料として用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、およびフラン樹脂は、高比表面積の活性炭を作製するのに適しており特に好ましい。
これらの原料を炭化する方式、或いは賦活処理時の加熱方法としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の公知の方式が挙げられる。加熱時の雰囲気は窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、またはこれらの不活性ガスを主成分として他のガスとの混合したガスが用いられる。炭化温度は400~700℃程度で0.5~10時間程度焼成する方法が一般的である。炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法、およびアルカリ金属化合物と混合した後に加熱処理を行うアルカリ金属賦活法があるが、高比表面積の活性炭を作製するにはアルカリ金属賦活法が好ましい。この賦活方法では、炭化物とKOH、NaOH等のアルカリ金属化合物との質量比が1:1以上(アルカリ金属化合物の量が、炭化物の量と同じかこれよりも多い量)となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600~900℃の範囲において、0.5~5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸および水により洗浄除去し、さらに乾燥を行ってもよい。マイクロ孔量を大きくし、メソ孔量を大きくしないためには、賦活する際に炭化物の量を多めにしてKOHと混合するとよい。マイクロ孔量およびメソ孔量の双方を大きくするためには、KOHの量を多めに使用するとよい。また、主としてメソ孔量を大きくするためには、アルカリ賦活処理を行った後に水蒸気賦活を行うことが好ましい。活性炭2の平均粒子径は2μm以上20μm以下であることが好ましく、より好ましくは3μm以上10μm以下である。
Methods for carbonizing these raw materials or methods for heating during activation treatment include well-known methods such as the fixed bed method, moving bed method, fluidized bed method, slurry method, and rotary kiln method. The atmosphere used during heating is an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, or a gas containing these inert gases as the main component and mixed with other gases. The carbonization temperature is generally about 400 to 700°C and the material is fired for about 0.5 to 10 hours. Methods for activating charcoal include the gas activation method, in which the material is fired using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, or oxygen, and the alkali metal activation method, in which the material is mixed with an alkali metal compound and then heated, but the alkali metal activation method is preferred for producing activated carbon with a high specific surface area. In this activation method, the carbide and an alkali metal compound such as KOH or NaOH are mixed in a mass ratio of 1:1 or more (the amount of the alkali metal compound is the same as or greater than the amount of the carbide), and then heated in an inert gas atmosphere at 600 to 900°C for 0.5 to 5 hours, after which the alkali metal compound is washed and removed with acid and water, and then dried. In order to increase the amount of micropores and not increase the amount of mesopores, it is recommended to mix a larger amount of carbide with KOH during activation. In order to increase both the amount of micropores and the amount of mesopores, it is recommended to use a larger amount of KOH. In addition, in order to mainly increase the amount of mesopores, it is preferable to perform steam activation after performing alkali activation treatment. The average particle size of the activated
(活性炭の使用態様)
活性炭1および2は、それぞれ、1種の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって前記した各々の特性値を混合物全体として示すものであってもよい。前記の活性炭1および2は、これらのうちのいずれか一方を選択して使用してもよいし、両者を混合して使用してもよい。正極活物質は、活性炭1および2以外の材料(例えば、上記で説明された特定のV1および/若しくはV2を有さない活性炭、または活性炭以外の材料(例えば、導電性高分子等))を含んでもよい。例示の態様において、活性炭1および2の合計含有量は、40.0質量%以上70.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは45.0質量%以上65.0質量%以下である。この値が40.0質量%以上であれば、エネルギー密度を高めることができる。この値が70.0質量%以下であれば、高温耐久性と高電圧耐久性を向上させることができる。
(Use of activated carbon)
The activated
(リチウム遷移金属酸化物)
正極活物質層中は、リチウム遷移金属化合物をさらに含むことが好ましい。リチウム遷移金属酸化物を含むことで非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化することができる。リチウム遷移金属酸化物は、リチウムを吸蔵および放出可能な遷移金属酸化物を含む。正極活物質として用いられる遷移金属酸化物には、特に制限はない。遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、バナジウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸化物が挙げられる。遷移金属酸化物として具体的には、下記式:
LixCoO2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixNiO2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixNiyM(1-y)O2{式中、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Mg、およびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは0≦x≦1を満たし、かつyは0.05<y<0.97を満たす。}、
LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixMnO2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
α-LixFeO2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixVO2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixCrO2{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixFePO4{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixMnPO4{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LizV2(PO4)3{式中、zは0≦z≦3を満たす。}、
LixMn2O4{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LixMyMn(2-y)O4{式中、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Mg、およびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは0≦x≦1を満たし、かつyは0.05<y<0.97を満たす。}、
LixNiaCobAl(1-a-b)O2{式中、xは0≦x≦1を満たし、かつaおよびbは0.02<a<0.97と0.02<b<0.97を満たす。}、
LixNicCodMn(1-c-d)O2{式中、xは0≦x≦1を満たし、かつcおよびdは0.02<c<0.97と0.02<d<0.97を満たす。}
で表される化合物等が挙げられる。これらの中でも、高容量、低抵抗、サイクル特性、アルカリ金属炭酸塩の分解、およびプレドープ時の正極活物質の欠落の抑制の観点から、上記式LixNiaCobAl(1-a-b)O2、LixNicCodMn(1-c-d)O2、LixCoO2、LixMn2O4、またはLixFePO4、LixMnPO4、およびLizV2(PO4)3で表される化合物が好ましい。
(Lithium transition metal oxides)
The positive electrode active material layer preferably further contains a lithium transition metal compound. The non-aqueous alkali metal storage element can have a high capacity by containing a lithium transition metal oxide. The lithium transition metal oxide includes a transition metal oxide capable of absorbing and releasing lithium. There is no particular limitation on the transition metal oxide used as the positive electrode active material. Examples of the transition metal oxide include oxides containing at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, manganese, iron, vanadium, and chromium. Specific examples of the transition metal oxide include oxides represented by the following formula:
Li x CoO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x NiO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x Ni y M (1-y) O 2 {wherein M is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, x satisfies 0≦x≦1, and y satisfies 0.05<y<0.97.}
Li x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x MnO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
α-Li x FeO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x VO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x CrO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x FePO 4 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x MnPO 4 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li z V 2 (PO 4 ) 3 {wherein z satisfies 0≦z≦3.}
Li x Mn 2 O 4 {wherein x satisfies 0≦x≦1.}
Li x M y Mn (2-y) O 4 {wherein M is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, x satisfies 0≦x≦1, and y satisfies 0.05<y<0.97.}
Li x Ni a Co b Al (1-a-b) O 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1, and a and b satisfy 0.02<a<0.97 and 0.02<b<0.97.}
Li x Ni c Co d Mn (1-cd) O 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1, and c and d satisfy 0.02<c<0.97 and 0.02<d<0.97.}
Among these, from the viewpoints of high capacity, low resistance, cycle characteristics, decomposition of alkali metal carbonate, and suppression of loss of positive electrode active material during pre-doping, the compounds represented by the above formula Li x Ni a Co b Al (1-ab) O 2 , Li x Ni c Co d Mn (1-cd) O 2 , Li x CoO 2 , Li x Mn 2 O 4 , or Li x FePO 4 , Li x MnPO 4 , and Li z V 2 (PO 4 ) 3 are preferred.
本実施形態では、正極活物質とは異なるアルカリ金属炭酸塩が正極前駆体に含まれていれば、プレドープにてアルカリ金属炭酸塩がアルカリ金属のドーパント源となり負極にプレドープができるため、遷移金属化合物に予めリチウムイオンが含まれていなくても(すなわちx=0、またはz=0であっても)、非水系アルカリ金属蓄電素子として電気化学的な充放電をすることができる。正極前駆体の正極活物質層中におけるリチウム遷移金属酸化物の含有量は8.0質量%以上30.0質量%以下であることが好ましい。リチウム遷移金属酸化物の含有量が8.0質量%以上であれば非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化することができる。リチウム遷移金属酸化物の含有量が30.0質量%以下の場合、非水系アルカリ金属蓄電素子を低抵抗化することができる。 In this embodiment, if the positive electrode precursor contains an alkali metal carbonate different from the positive electrode active material, the alkali metal carbonate becomes a dopant source for the alkali metal during pre-doping, and the negative electrode can be pre-doped. Therefore, even if the transition metal compound does not contain lithium ions in advance (i.e., even if x = 0 or z = 0), it can be used as a non-aqueous alkali metal storage element for electrochemical charging and discharging. The content of lithium transition metal oxide in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 8.0 mass% or more and 30.0 mass% or less. If the content of lithium transition metal oxide is 8.0 mass% or more, the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element can be increased. If the content of lithium transition metal oxide is 30.0 mass% or less, the resistance of the non-aqueous alkali metal storage element can be reduced.
(アルカリ金属炭酸塩)
本実施形態において、正極前駆体の正極活物質層は、正極活物質以外のアルカリ金属炭酸塩を含んでいてよい。アルカリ金属炭酸塩は、正極前駆体中で分解して陽イオンを放出し、負極で還元されることにより、負極をプレドープすることが可能である。正極前駆体の正極活物質層が、アルカリ金属炭酸塩を含む結果、プレドープ後に得られる正極の正極活物質層もまたアルカリ金属炭酸塩を含むことが好ましい。
(alkali metal carbonate)
In this embodiment, the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor may contain an alkali metal carbonate other than the positive electrode active material. The alkali metal carbonate decomposes in the positive electrode precursor to release cations, and is reduced at the negative electrode, thereby pre-doping the negative electrode. As a result of the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor containing an alkali metal carbonate, it is preferable that the positive electrode active material layer of the positive electrode obtained after pre-doping also contains an alkali metal carbonate.
このようなアルカリ金属炭酸塩としては、具体的には、例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸セシウムが挙げられる。特に、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、または炭酸カリウムがより好適に用いられ、単位質量当たりの容量が高いという観点からは、炭酸リチウムが特に好適に用いられる。 Specific examples of such alkali metal carbonates include lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, and cesium carbonate. In particular, lithium carbonate, sodium carbonate, and potassium carbonate are more preferably used, and lithium carbonate is particularly preferably used from the viewpoint of high capacity per unit mass.
アルカリ金属炭酸塩は、微粒子状であることが好ましい。本実施形態において、アルカリ金属炭酸塩の平均粒子径は、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。平均粒子径が0.1μm以上であれば正極前駆体中での分散性に優れる。平均粒子径が10μm以下であれば、アルカリ金属炭酸塩の表面積が増えるために分解反応が効率よく進行する。また、アルカリ金属炭酸塩の平均粒子径は、上記で説明された活性炭の平均粒子径より小さいことが好ましい。アルカリ金属炭酸塩の平均粒子径が活性炭の平均粒子径より小さければ、正極活物質層の電子伝導が高まるために、電極体または蓄電素子の低抵抗化に寄与することができる。正極前駆体中におけるアルカリ金属炭酸塩の平均粒子径の測定方法については特に限定されないが、正極断面のSEM画像、およびSEM-EDX画像から算出することができる。正極断面の形成方法については、正極上部からArビームを照射し、試料直上に設置した遮蔽板の端部に沿って平滑な断面を作製するBIB加工を用いることができる。アルカリ金属炭酸塩の微粒子化には、様々な方法を用いることができる。例えば、ボールミル、ビーズミル、リングミル、ジェットミル、ロッドミル等の粉砕機を使用することができる。 The alkali metal carbonate is preferably in the form of fine particles. In this embodiment, the average particle diameter of the alkali metal carbonate is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. If the average particle diameter is 0.1 μm or more, the alkali metal carbonate has excellent dispersibility in the positive electrode precursor. If the average particle diameter is 10 μm or less, the surface area of the alkali metal carbonate increases, so the decomposition reaction proceeds efficiently. In addition, the average particle diameter of the alkali metal carbonate is preferably smaller than the average particle diameter of the activated carbon described above. If the average particle diameter of the alkali metal carbonate is smaller than the average particle diameter of the activated carbon, the electronic conductivity of the positive electrode active material layer increases, which can contribute to reducing the resistance of the electrode body or the storage element. There is no particular limit to the method for measuring the average particle diameter of the alkali metal carbonate in the positive electrode precursor, but it can be calculated from SEM images and SEM-EDX images of the positive electrode cross section. As for the method for forming the positive electrode cross section, BIB processing can be used, in which an Ar beam is irradiated from above the positive electrode and a smooth cross section is created along the edge of a shielding plate placed directly above the sample. Various methods can be used to finely pulverize the alkali metal carbonate. For example, grinding machines such as ball mills, bead mills, ring mills, jet mills, and rod mills can be used.
正極前駆体の正極活物質層に含まれるアルカリ金属炭酸塩の含有量は、正極活物質層の全質量を100質量%としたときに、25.0質量%以上50.0質量%以下であることが好ましい。この値が25.0質量%以上であれば、負極に十分な量のアルカリ金属イオンをプレドープすることができ、非水系アルカリ金属蓄電素子の容量が高まる。この値が50.0質量%以下であれば、正極前駆体中の電子伝導を高めることができるので、アルカリ金属炭酸塩の分解を効率よく行うことができる。上記アルカリ金属元素、およびアルカリ土類金属元素の定量は、ICP-AES、原子吸光分析法、蛍光X線分析法、中性子放射化分析法、ICP-MS等により行うことができる。 The content of the alkali metal carbonate contained in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 25.0% by mass or more and 50.0% by mass or less, when the total mass of the positive electrode active material layer is taken as 100% by mass. If this value is 25.0% by mass or more, a sufficient amount of alkali metal ions can be pre-doped into the negative electrode, and the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element can be increased. If this value is 50.0% by mass or less, the electronic conductivity in the positive electrode precursor can be increased, and the alkali metal carbonate can be decomposed efficiently. The above-mentioned alkali metal elements and alkaline earth metal elements can be quantified by ICP-AES, atomic absorption spectrometry, X-ray fluorescence spectrometry, neutron activation analysis, ICP-MS, etc.
(正極活物質層のその他の成分)
本発明における正極前駆体の正極活物質層には、正極活物質およびアルカリ金属炭酸塩の他に、必要に応じて、例えば、分散剤、導電性フィラー、及び結着剤等のその他の成分を含んでいてもよい。正極活物質層中の分散剤、導電性フィラー、および結着剤は、それぞれ、負極活物質層中の分散剤、導電性フィラー、および結着剤として上記に例示したものから適宜選択して使用してよい。正極活物質層中の分散剤、および結着剤の含有量は、それぞれ、負極活物質中の分散剤、および結着剤の含有量として上記した範囲内であってよい。正極前駆体の正極活物質層における導電性フィラーの含有量は、正極活物質100質量%に対して、0~20質量%が好ましい。導電性フィラーは高入力の観点からはできるだけ多く配合する方が好ましい。しかしながら、配合量が20質量%よりも多くなると、正極活物質層における正極活物質の含有量が少なくなるために、正極活物質層体積当たりのエネルギー密度が低下するので、好ましくない。
(Other Components of Positive Electrode Active Material Layer)
In addition to the positive electrode active material and the alkali metal carbonate, the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor in the present invention may contain other components such as a dispersant, a conductive filler, and a binder, as necessary. The dispersant, conductive filler, and binder in the positive electrode active material layer may be appropriately selected from those exemplified above as the dispersant, conductive filler, and binder in the negative electrode active material layer. The content of the dispersant and binder in the positive electrode active material layer may be within the above-mentioned range as the content of the dispersant and binder in the negative electrode active material, respectively. The content of the conductive filler in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 0 to 20 mass% relative to 100 mass% of the positive electrode active material. From the viewpoint of high input, it is preferable to mix as much conductive filler as possible. However, if the mixing amount is more than 20 mass%, the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is reduced, so that the energy density per volume of the positive electrode active material layer is reduced, which is not preferable.
(カーボンナノチューブ)
正極活物質層は、導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含むことが好ましい。正極活物質層に含まれるカーボンナノチューブは、負極活物資層に含まれるカーボンナノチューブと同様のものであってよい。また、カーボンナノチューブは正極及び/又は負極に含まれることができる。
(Carbon Nanotubes)
The positive electrode active material layer preferably contains carbon nanotubes as a conductive filler. The carbon nanotubes contained in the positive electrode active material layer may be the same as the carbon nanotubes contained in the negative electrode active material layer. The carbon nanotubes may be contained in the positive electrode and/or the negative electrode.
正極活物質層中のカーボンナノチューブの含有量は、正極活物質層の全質量を100質量%としたときに、0.010質量%以上0.200質量%以下であることが好ましい。含有量が0.010質量%以上であれば正極活物質粒子間の結着性や電子伝導性を高め、80℃以上の高温環境下での抵抗上昇を抑制することができると共に、正極活物質層に含まれるアルカリ金属炭酸塩の分解を促進することで電解液の分解を抑制し、負極へのアルカリ金属イオンのプレドープ量を高めることができる。含有量が0.200質量%以下であれば正極活物質粒子をカーボンナノチューブが過剰に被覆することがなく、かつ正極活物質層全体におけるカーボンナノチューブ上に生成するSEI(固体電解質界面)の存在量が低減するためにイオンの拡散抵抗を低減することができる。 The carbon nanotube content in the positive electrode active material layer is preferably 0.010% by mass or more and 0.200% by mass or less when the total mass of the positive electrode active material layer is 100% by mass. If the content is 0.010% by mass or more, the adhesion between the positive electrode active material particles and electronic conductivity can be improved, and the increase in resistance in a high-temperature environment of 80°C or more can be suppressed. At the same time, the decomposition of the electrolyte can be suppressed by promoting the decomposition of the alkali metal carbonate contained in the positive electrode active material layer, and the pre-doping amount of the alkali metal ions to the negative electrode can be increased. If the content is 0.200% by mass or less, the carbon nanotubes do not excessively cover the positive electrode active material particles, and the amount of SEI (solid electrolyte interface) formed on the carbon nanotubes in the entire positive electrode active material layer is reduced, so that the diffusion resistance of ions can be reduced.
カーボンナノチューブは、正極活物質の表面および粒子間に均一に分散されていることが好ましい。カーボンナノチューブを正極活物質の表面および粒子間に均一分散させることにより、正極活物質粒子間の電子伝導性および結着性を高めることができ、結着剤の含有量を低減させることが可能となる。結着剤は、80℃以上の高温環境下で徐々に分解が進むため、結着剤の含有量を低減させることにより、80℃以上の高温環境下における耐久性を付与することができる。 It is preferable that the carbon nanotubes are uniformly dispersed on the surface and between the particles of the positive electrode active material. By uniformly dispersing the carbon nanotubes on the surface and between the particles of the positive electrode active material, the electronic conductivity and binding between the particles of the positive electrode active material can be increased, and it becomes possible to reduce the content of the binder. Since the binder gradually decomposes in a high-temperature environment of 80°C or higher, reducing the content of the binder can impart durability in a high-temperature environment of 80°C or higher.
カーボンナノチューブを、正極活物質の表面および粒子間に均一分散させることで、正極活物質粒子間の電子伝導性および結着性を高めることができ、結着剤の含有量を低減させることが可能となる。結着剤は80℃以上の高温環境下、または4.1V以上の高電圧環境下で徐々に分解が進むため、結着剤の含有量を低減させることで80℃以上の高温耐久性、および4.1V以上の高電圧耐久性を付与することができる。 By uniformly dispersing carbon nanotubes on the surface and between the particles of the positive electrode active material, it is possible to increase the electronic conductivity and binding between the particles of the positive electrode active material, and to reduce the binder content. Since the binder gradually decomposes in a high temperature environment of 80°C or higher, or in a high voltage environment of 4.1V or higher, reducing the binder content can impart high temperature durability of 80°C or higher and high voltage durability of 4.1V or higher.
[正極集電体]
本実施形態に係る正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出および電解質またはイオンとの反応等による劣化が起こらない材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。本実施形態に係る非水系アルカリ金属蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔がより好ましい。金属箔は凹凸または貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。後述されるアルカリ金属ドープ工程の観点からは、無孔状のアルミニウム箔がさらに好ましく、アルミニウム箔の表面が粗面化されていることが特に好ましい。正極集電体の厚みは、正極の形状および強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1~100μmが好ましい。前記金属箔の表面に、例えば黒鉛、鱗片状黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、気相成長炭素繊維等の導電性材料を含むアンカー層を設けることが好ましい。アンカー層を設けることで正極集電体と正極活物質層間の電気伝導が向上し、低抵抗化できる。アンカー層の厚みは、正極集電体の片面当たり0.1μm以上5μm以下であることが好ましい。
[Positive electrode current collector]
The material constituting the positive electrode current collector according to this embodiment is not particularly limited as long as it has high electronic conductivity and does not deteriorate due to elution in the electrolytic solution or reaction with the electrolyte or ions, but metal foil is preferred. Aluminum foil is more preferred as the positive electrode current collector in the nonaqueous alkali metal storage element according to this embodiment. The metal foil may be a normal metal foil without unevenness or through holes, or may be a metal foil with unevenness obtained by embossing, chemical etching, electrolytic deposition, blasting, or the like, or may be a metal foil with through holes such as expanded metal, punching metal, and etching foil. From the viewpoint of the alkali metal doping process described later, non-porous aluminum foil is more preferred, and it is particularly preferred that the surface of the aluminum foil is roughened. The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it can sufficiently maintain the shape and strength of the positive electrode, but for example, 1 to 100 μm is preferred. It is preferable to provide an anchor layer containing a conductive material such as graphite, flake graphite, carbon nanotubes, graphene, ketjen black, acetylene black, vapor-grown carbon fiber, etc. on the surface of the metal foil. By providing the anchor layer, electrical conduction between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer can be improved and resistance can be reduced. The thickness of the anchor layer is preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less per side of the positive electrode current collector.
本実施形態に係る正極集電体は、保護層および非保護層を有する。正極集電体上に保護層を設けることで高温高電圧環境下での集電体の腐食を抑制することができる。また、正極集電体上に非保護層を設けることで、正極集電体と正極端子との溶接強度を高め、溶接部の電子移動抵抗を低減することができる。正極集電体上の保護層は、正極集電体上の片面に存在しても良いし、両面に存在しても良い。 The positive electrode current collector according to this embodiment has a protective layer and a non-protective layer. By providing a protective layer on the positive electrode current collector, it is possible to suppress corrosion of the current collector in a high-temperature, high-voltage environment. In addition, by providing a non-protective layer on the positive electrode current collector, it is possible to increase the welding strength between the positive electrode current collector and the positive electrode terminal and reduce the electron transfer resistance of the welded portion. The protective layer on the positive electrode current collector may be present on one side or both sides of the positive electrode current collector.
正極保護層については材質を問わないが、例えば、保護テープ、カーボン層、無機微粒子層などが挙げられる。保護テープについては絶縁性のものが好ましく、その基材としては、例えば、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、アセテートクロス、およびポリテトラフルオロエチレンテープからなる群から選ばれる少なくとも1つの材料が好適に用いられる。カーボン層としては、特に限定されないが、例えば、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、およびカーボンナノチューブからなる群から選ばれる少なくとも1つの炭素材料が好適に用いられる。また、カーボン層としては前述のアンカー層を活物質層よりも広く設けることにより保護層として用いることもできる。無機微粒子層については、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、およびジルコニアからなる群から選ばれる少なくとも1つの材料が無機微粒子として好適に用いられる。 The material of the positive electrode protective layer is not limited, but examples thereof include protective tape, a carbon layer, and an inorganic fine particle layer. The protective tape is preferably insulating, and the base material is preferably at least one material selected from the group consisting of polyether ketone, polyphenylene sulfide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyamide, polyimide, aramid, acetate cloth, and polytetrafluoroethylene tape. The carbon layer is not particularly limited, but at least one carbon material selected from the group consisting of carbon black, graphite, graphene, and carbon nanotubes is preferably used. The carbon layer can also be used as a protective layer by providing the above-mentioned anchor layer wider than the active material layer. The inorganic fine particle layer is not particularly limited, but at least one material selected from the group consisting of aluminum oxide, silicon oxide, and zirconia is preferably used as the inorganic fine particles.
非保護層は、正極のうち、保護層を有していない部分を意味し、その材質を問わない。例えば、正極において正極集電体が露出している部分のことを非保護層と称してよい。 The non-protective layer refers to the portion of the positive electrode that does not have a protective layer, and the material may be any. For example, the portion of the positive electrode where the positive electrode current collector is exposed may be called the non-protective layer.
本実施形態に係る正極活物質層の厚みは、正極集電体の片面当たり10μm以上200μm以下であることが好ましい。正極活物質層の厚みは、より好ましくは片面当たり20μm以上150μm以下であり、さらに好ましくは30μm以上100μm以下である。この厚みが10μm以上であれば、十分な充放電容量を発現することができる。他方、この厚みが200μm以下であれば、電極内のイオン拡散抵抗を低く維持することができる。そのため、十分な出力特性が得られるとともに、セル体積を縮小することができ、従ってエネルギー密度を高めることができる。なお、正極集電体が貫通孔または凹凸を有する場合における正極活物質層の厚みとは、正極集電体の貫通孔または凹凸を有していない部分の片面当たりの厚みの平均値をいう。 The thickness of the positive electrode active material layer according to this embodiment is preferably 10 μm or more and 200 μm or less per side of the positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode active material layer is more preferably 20 μm or more and 150 μm or less per side, and even more preferably 30 μm or more and 100 μm or less. If the thickness is 10 μm or more, sufficient charge/discharge capacity can be achieved. On the other hand, if the thickness is 200 μm or less, the ion diffusion resistance in the electrode can be kept low. Therefore, sufficient output characteristics can be obtained, and the cell volume can be reduced, and therefore the energy density can be increased. Note that the thickness of the positive electrode active material layer in the case where the positive electrode current collector has through holes or unevenness refers to the average thickness per side of the part of the positive electrode current collector that does not have through holes or unevenness.
〈セパレータ〉
正極前駆体および負極は、セパレータを介して積層され、または積層および捲回され、正極前駆体、負極およびセパレータを有する電極積層体または電極捲回体が形成される。セパレータとしては、リチウムイオン二次電池に用いられるポリエチレン製の微多孔膜若しくはポリプロピレン製の微多孔膜、または電気二重層キャパシタで用いられるセルロース製の不織紙等を用いることができる。これらのセパレータの片面または両面に、有機または無機の微粒子からなる膜が積層されていてもよい。また、セパレータの内部に有機または無機の微粒子が含まれていてもよい。セパレータの厚みは5μm以上35μm以下が好ましい。5μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、35μm以下の厚みとすることにより、蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。また、有機または無機の微粒子からなる膜の厚みは、1μm以上10μm以下が好ましい。この膜を1μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、この膜を10μm以下の厚みとすることにより、蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
<Separator>
The positive electrode precursor and the negative electrode are laminated through a separator, or laminated and wound to form an electrode laminate or an electrode wound body having the positive electrode precursor, the negative electrode, and the separator. As the separator, a polyethylene microporous film or a polypropylene microporous film used in a lithium ion secondary battery, or a cellulose nonwoven paper used in an electric double layer capacitor, or the like, can be used. A film made of organic or inorganic fine particles may be laminated on one or both sides of these separators. In addition, organic or inorganic fine particles may be contained inside the separator. The thickness of the separator is preferably 5 μm or more and 35 μm or less. By making the thickness 5 μm or more, it is preferable because self-discharge due to internal micro-short circuits tends to be small. On the other hand, by making the thickness 35 μm or less, it is preferable because the output characteristics of the storage element tend to be high. In addition, the thickness of the film made of organic or inorganic fine particles is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. By making this film 1 μm or more thick, it is preferable because self-discharge due to internal micro-short circuits tends to be small. On the other hand, by making the thickness of this film 10 μm or less, the output characteristics of the electricity storage element tend to be improved, which is preferable.
〈外装体〉
外装体としては、金属缶、ラミネートフィルム等を使用できる。金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。金属缶は、例えば、角形、丸型、円筒型等の形態でよい。ラミネートフィルムとしては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内装樹脂フィルムからなる3層構成のものが例示される。外層樹脂フィルムは、接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロンまたはポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分およびガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内装樹脂フィルムは、内部に収納する電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変性ポリオレフィン等が好適に使用できる。
<Exterior body>
As the exterior body, a metal can, a laminate film, etc. can be used. As the metal can, one made of aluminum is preferable. The metal can may be, for example, rectangular, round, cylindrical, etc. As the laminate film, a film in which a metal foil and a resin film are laminated is preferable, and a three-layer structure consisting of an outer layer resin film/metal foil/interior resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact, etc., and resins such as nylon or polyester can be suitably used. The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and foils such as copper, aluminum, and stainless steel can be suitably used. In addition, the interior resin film is for protecting the metal foil from the electrolyte stored inside and for melt-sealing the opening when the exterior body is heat-sealed, and polyolefin, acid-modified polyolefin, etc. can be suitably used.
〈電解液〉
本実施形態における電解液は、非水系電解液である。すなわち、この電解液は、非水溶媒を含む。非水系電解液は、非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上のアルカリ金属塩を含有する。すなわち、非水系電解液は、アルカリ金属塩を電解質として含む。非水系電解液に含まれる非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等に代表される環状カーボネート、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等に代表される鎖状カーボネートが挙げられる。
<Electrolyte>
The electrolytic solution in this embodiment is a non-aqueous electrolytic solution. That is, this electrolytic solution contains a non-aqueous solvent. The non-aqueous electrolytic solution contains 0.5 mol/L or more of an alkali metal salt based on the total amount of the non-aqueous electrolytic solution. That is, the non-aqueous electrolytic solution contains an alkali metal salt as an electrolyte. Examples of the non-aqueous solvent contained in the non-aqueous electrolytic solution include cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
上記のような非水溶媒に溶解するアルカリ金属イオンを含む電解質塩としては、例えば、MをLi、Na、K、RbまたはCsとして、MFSI、MBF4、MPF6、MClO4、LiB(C2O4)2、LiBF2(C2O4)等を用いることができる。 Examples of electrolyte salts containing alkali metal ions that dissolve in non-aqueous solvents as described above include MFSI, MBF4 , MPF6 , MClO4 , LiB( C2O4 ) 2 , and LiBF2 ( C2O4 ), where M is Li, Na, K , Rb , or Cs.
電解液における電解質塩濃度は、0.5~2.0mol/Lの範囲が好ましい。0.5mol/L以上の電解質塩濃度では、アニオンが十分に存在し、非水系アルカリ金属蓄電素子の容量が維持される。一方で、2.0mol/L以下の電解質塩濃度では、塩が電解液中で十分に溶解し、電解液の適切な粘度および伝導度が保たれる。本実施形態における非水系電解液に含まれるMPF6の電解質塩濃度は、0.00mol/L以上0.05mol/Lの範囲であることが好ましい。0.05mol/L以下の濃度であれば、高温環境下でのヘキサフルオロリン酸イオンの分解を抑制することができ、高温高電圧サイクルでの抵抗上昇を抑制することができる。同様の観点から、本実施形態に係る非水系アルカリ金属蓄電素子において、非水系電解液に含まれるヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)の濃度は、0.00mol/L以上0.05mol/L以下であることが好ましい。 The electrolyte salt concentration in the electrolyte solution is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mol/L. At an electrolyte salt concentration of 0.5 mol/L or more, anions are sufficiently present, and the capacity of the nonaqueous alkali metal storage element is maintained. On the other hand, at an electrolyte salt concentration of 2.0 mol/L or less, the salt is sufficiently dissolved in the electrolyte solution, and the appropriate viscosity and conductivity of the electrolyte solution are maintained. The electrolyte salt concentration of MPF 6 contained in the nonaqueous electrolyte solution in this embodiment is preferably in the range of 0.00 mol/L or more and 0.05 mol/L or less. If the concentration is 0.05 mol/L or less, decomposition of hexafluorophosphate ions in a high-temperature environment can be suppressed, and an increase in resistance in a high-temperature high-voltage cycle can be suppressed. From the same viewpoint, in the nonaqueous alkali metal storage element according to this embodiment, the concentration of hexafluorophosphate ions (PF 6 − ) contained in the nonaqueous electrolyte solution is preferably 0.00 mol/L or more and 0.05 mol/L or less.
非水系電解液に含まれる水分量は0ppm以上、500ppm以下であることが好ましい。水分量が0ppm以上であれば、正極前駆体中のアルカリ金属炭酸塩が僅かに溶解できるため、プレドープを温和な条件で行うことができるために高容量化、および低抵抗化できる。水分量が500ppm以下であれば、電解質の分解が抑制されることで高温保存特性が向上する。電解液中の水分量は上述のカールフィッシャー法で測定できる。 The amount of moisture contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0 ppm or more and 500 ppm or less. If the amount of moisture is 0 ppm or more, the alkali metal carbonate in the positive electrode precursor can be slightly dissolved, and pre-doping can be performed under mild conditions, resulting in high capacity and low resistance. If the amount of moisture is 500 ppm or less, decomposition of the electrolyte is suppressed, improving high-temperature storage characteristics. The amount of moisture in the electrolyte can be measured by the Karl Fischer method described above.
《非水系アルカリ金属蓄電素子の製造方法》
[負極の製造]
負極は、負極集電体の片面上または両面上に負極活物質層を有する。典型的な態様において負極活物質層は負極集電体に固着している。負極は、既知のリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、負極活物質を含む各種材料を水または有機溶剤中に分散または溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を負極集電体上の片面または両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより、負極を得ることができる。さらに得られた負極にプレスを施して、負極活物質層の膜厚または嵩密度を調整してもよい。
<<Method for producing a non-aqueous alkali metal storage element>>
[Production of negative electrode]
The negative electrode has a negative electrode active material layer on one or both sides of the negative electrode current collector. In a typical embodiment, the negative electrode active material layer is fixed to the negative electrode current collector. The negative electrode can be manufactured by known manufacturing techniques for electrodes in lithium ion secondary batteries, electric double layer capacitors, etc. For example, various materials including the negative electrode active material are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry-like coating liquid, and the coating liquid is applied to one or both sides of the negative electrode current collector to form a coating film, which is then dried to obtain a negative electrode. The obtained negative electrode may be pressed to adjust the film thickness or bulk density of the negative electrode active material layer.
塗工液の調製方法は、特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパー、多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機を用いて行うことができる。良好な分散状態の塗工液を得るためには、塗工液を、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解または分散するため好ましい。周速50m/s以下であれば、分散による熱またはせん断力により各種材料が破壊されることなく、再凝集が抑制されるため、好ましい。 The method for preparing the coating liquid is not particularly limited, but can be suitably carried out using a dispersing machine such as a homodisper, a multi-axis dispersing machine, a planetary mixer, or a thin film rotating high-speed mixer. To obtain a coating liquid in a well-dispersed state, it is preferable to disperse the coating liquid at a peripheral speed of 1 m/s or more and 50 m/s or less. A peripheral speed of 1 m/s or more is preferable because various materials are well dissolved or dispersed. A peripheral speed of 50 m/s or less is preferable because various materials are not destroyed by heat or shear force due to dispersion, and re-agglomeration is suppressed.
塗工液の分散度は、粒ゲージで測定した粒度が0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。分散度の上限としては、粒ゲージで測定した粒度として、より好ましくは80μm以下、さらに好ましくは50μm以下である。この範囲の粒度であれば、塗工液の調製時に、材料を破砕することなく、塗工時のノズルの詰まり、塗膜のスジ発生等が抑制され、安定な塗工ができることとなる。 The degree of dispersion of the coating liquid is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less in particle size measured with a particle gauge. The upper limit of the degree of dispersion is more preferably 80 μm or less, and even more preferably 50 μm or less, in particle size measured with a particle gauge. If the particle size is within this range, the material is not crushed when preparing the coating liquid, and nozzle clogging during coating and the occurrence of streaks in the coating film are suppressed, allowing for stable coating.
塗工液の粘度(ηb)は、100mPa・s以上10,000mPa・s以下が好ましく、より好ましくは300mPa・s以上5,000mPa・s以下、さらに好ましくは500mPa・s以上3,000mPa・s以下である。粘度(ηb)が100mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅および厚みが良好に制御できる。また、粘度が10,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく、安定に塗工でき、塗膜厚みの制御が容易となる。 The viscosity (ηb) of the coating liquid is preferably 100 mPa·s or more and 10,000 mPa·s or less, more preferably 300 mPa·s or more and 5,000 mPa·s or less, and even more preferably 500 mPa·s or more and 3,000 mPa·s or less. If the viscosity (ηb) is 100 mPa·s or more, dripping during coating film formation is suppressed, and the coating film width and thickness can be well controlled. Furthermore, if the viscosity is 10,000 mPa·s or less, there is little pressure loss in the flow path of the coating liquid when using a coating machine, stable coating can be performed, and the coating film thickness can be easily controlled.
塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、1.1以上が好ましく、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。TI値が1.1以上であれば、塗膜幅および厚みが良好に制御できる。 The TI value (thixotropy index value) of the coating liquid is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and even more preferably 1.5 or more. If the TI value is 1.1 or more, the coating width and thickness can be well controlled.
負極活物質層の塗膜の形成には、特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターまたはコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。多層塗工の場合には、塗膜各層内の成分の含有量が異なるように塗工液組成を調整してもよい。負極集電体上に塗膜を塗工する際、多条塗工してもよいし、間欠塗工してもよいし、多条間欠塗工してもよい。負極集電体の両面に負極活物質層を形成する場合、負極集電体の片面に塗工、乾燥し、その後もう一方の面に塗工、乾燥する逐次塗工を行ってもよいし、負極集電体の両面に同時に塗工液を塗工、乾燥する両面同時塗工を行ってもよい。また、この場合、負極集電体の表面および裏面の負極活物質層の厚みの差は、両者の平均厚みの10%以下であることが好ましい。表面および裏面における負極活物質層の質量比、および膜厚比が1.0に近いほど、一方の面に充放電の負荷が集中することがないため、高負荷充放電サイクル特性が向上する。 The coating film of the negative electrode active material layer is not particularly limited, but a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coater can be preferably used. The coating film may be formed by single-layer coating, or may be formed by multi-layer coating. In the case of multi-layer coating, the coating liquid composition may be adjusted so that the content of the components in each layer of the coating film is different. When applying the coating film to the negative electrode current collector, it may be multi-line coating, intermittent coating, or multi-line intermittent coating. When forming the negative electrode active material layer on both sides of the negative electrode current collector, sequential coating may be performed by coating one side of the negative electrode current collector and drying, and then coating the other side and drying, or simultaneous double-sided coating may be performed by simultaneously coating both sides of the negative electrode current collector with the coating liquid and drying. In this case, the difference in thickness between the negative electrode active material layers on the front and back sides of the negative electrode current collector is preferably 10% or less of the average thickness of both. The closer the mass ratio and film thickness ratio of the negative electrode active material layer on the front and back surfaces are to 1.0, the less the charge/discharge load is concentrated on one surface, improving the high-load charge/discharge cycle characteristics.
負極集電体上に負極活物質層の塗膜を形成した後、該塗膜の乾燥を行う。負極前駆体の塗膜の乾燥は、好ましくは熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥等の適宜の乾燥方法により、好ましくは遠赤外線、近赤外線、または熱風で行なわれる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。乾燥温度は、25℃以上200℃以下であることが好ましく、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることが出来る。他方、200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れまたはマイグレーションによる結着剤の偏在、負極集電体または負極活物質層の酸化を抑制できる。 After forming a coating film of the negative electrode active material layer on the negative electrode current collector, the coating film is dried. The coating film of the negative electrode precursor is dried by an appropriate drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying, preferably far infrared rays, near infrared rays, or hot air. The coating film may be dried at a single temperature, or may be dried by changing the temperature in multiple stages. A combination of multiple drying methods may be used. The drying temperature is preferably 25°C or higher and 200°C or lower, more preferably 40°C or higher and 180°C or lower, and even more preferably 50°C or higher and 160°C or lower. If the drying temperature is 25°C or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. On the other hand, if the drying temperature is 200°C or lower, the coating film can be cracked due to sudden solvent evaporation, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the negative electrode current collector or the negative electrode active material layer can be suppressed.
乾燥後の負極活物質層に含まれる水分量は、負極活物質層の全質量を100質量%としたときに、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましい。水分量が0.1質量%以上であれば、過剰な乾燥による結着剤の劣化を抑え、低抵抗化できる。水分量が10質量%以下であれば、アルカリ金属イオンの失活を抑え、高容量化できる。塗工液の調整にN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を用いた場合、乾燥後の負極活物質層におけるNMPの含有量は、負極活物質層の全質量を100%としたときに、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましい。負極活物質層に含まれる水分量は、例えばカールフィッシャー滴定法(JIS 0068(2001)「化学製品の水分測定方法」)により測定することができる。負極活物質層に含まれるNMP量は、25℃環境下、負極活物質層の質量の50~100倍の質量のエタノールに負極活物質層を24時間含侵させてNMPを抽出し、その後GC/MSを測定し、予め作成した検量線に基づいて定量することができる。 The amount of moisture contained in the negative electrode active material layer after drying is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, when the total mass of the negative electrode active material layer is 100% by mass. If the amount of moisture is 0.1% by mass or more, deterioration of the binder due to excessive drying can be suppressed, and resistance can be reduced. If the amount of moisture is 10% by mass or less, deactivation of alkali metal ions can be suppressed, and capacity can be increased. When N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used to adjust the coating liquid, the content of NMP in the negative electrode active material layer after drying is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, when the total mass of the negative electrode active material layer is 100%. The amount of moisture contained in the negative electrode active material layer can be measured, for example, by Karl Fischer titration (JIS 0068 (2001) "Method for measuring moisture in chemical products"). The amount of NMP contained in the negative electrode active material layer can be determined by immersing the negative electrode active material layer in ethanol with a mass that is 50 to 100 times the mass of the negative electrode active material layer for 24 hours in a 25°C environment to extract the NMP, and then measuring with GC/MS and quantifying it based on a previously prepared calibration curve.
負極活物質層のプレスには、好適には、油圧プレス機、真空プレス機、ロールプレス機等の適宜のプレス機を用いることができる。負極活物質層の膜厚、嵩密度および電極強度は、後述するプレス圧力、プレスロール間の隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力は0.5kN/cm以上20kN/cm以下が好ましく、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。他方、プレス圧力が20kN/cm以下であれば、負極に撓みおよびシワが生じることがなく、負極活物質層を所望の膜厚または嵩密度に調整できる。プレスにロールプレス機を使用する場合、プレスロール間の隙間としては、負極活物質層が所望の厚みおよび嵩密度となるように、適宜の値を設定できる。プレス速度は、負極に撓みおよびシワが生じない適宜の速度に設定できる。 For pressing the negative electrode active material layer, an appropriate press machine such as a hydraulic press machine, a vacuum press machine, or a roll press machine can be preferably used. The thickness, bulk density, and electrode strength of the negative electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap between the press rolls, and the surface temperature of the press section, which will be described later. The press pressure is preferably 0.5 kN/cm or more and 20 kN/cm or less, more preferably 1 kN/cm or more and 10 kN/cm or less, and even more preferably 2 kN/cm or more and 7 kN/cm or less. If the press pressure is 0.5 kN/cm or more, the electrode strength can be sufficiently high. On the other hand, if the press pressure is 20 kN/cm or less, the negative electrode does not bend or wrinkle, and the negative electrode active material layer can be adjusted to a desired thickness or bulk density. When a roll press machine is used for pressing, the gap between the press rolls can be set to an appropriate value so that the negative electrode active material layer has the desired thickness and bulk density. The press speed can be set to an appropriate speed at which the negative electrode does not bend or wrinkle.
プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要により加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、使用する結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは結着剤の融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは結着剤の融点マイナス30℃以上である。他方、加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、使用する結着剤の融点プラス50℃以下が好ましく、より好ましくは結着剤融点プラス30℃以下、さらに好ましくは結着剤の融点プラス20℃以下である。例えば、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(融点150℃)を用いる場合、プレス部を90℃以上200℃以下に加温することが好ましく、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下に加熱することである。また、結着剤にスチレン-ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いた場合、プレス部を、40℃以上150℃以下に加温することが好ましく、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下に加温することである。結着剤の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温したときに、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。 The surface temperature of the press part may be room temperature, or may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the press part when heated is preferably 60°C minus the melting point of the binder used, more preferably 45°C minus the melting point of the binder, and even more preferably 30°C minus the melting point of the binder. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the press part when heated is preferably 50°C plus the melting point of the binder used, more preferably 30°C plus the melting point of the binder, and even more preferably 20°C plus the melting point of the binder. For example, when polyvinylidene fluoride (melting point 150°C) is used as the binder, it is preferable to heat the press part to 90°C to 200°C, more preferably 105°C to 180°C, and even more preferably 120°C to 170°C. In addition, when a styrene-butadiene copolymer (melting point 100°C) is used as the binder, it is preferable to heat the press part to 40°C or more and 150°C or less, more preferably 55°C or more and 130°C or less, and even more preferably 70°C or more and 120°C or less. The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry). For example, using a PerkinElmer differential scanning calorimeter "DSC7", 10 mg of sample resin is placed in the measurement cell, and the temperature is raised from 30°C to 250°C at a heating rate of 10°C/min in a nitrogen gas atmosphere. The endothermic peak temperature during the heating process is the melting point.
プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。負極活物質層を多条塗工した場合には、プレスの前にスリットすることが好ましい。多条塗工された負極活物質層をスリットせずに負極のプレスを行うと、負極活物質層が塗工されていない負極集電体部分に過剰の応力が掛かり、皺ができる場合がある。プレス後に、負極活物質層を再度スリットしてもよい。 Pressing may be performed multiple times while changing the conditions of press pressure, gap, speed, and surface temperature of the press part. When the negative electrode active material layer is applied in multiple stripes, it is preferable to slit it before pressing. If the negative electrode is pressed without slitting the multiple stripe-applied negative electrode active material layer, excessive stress may be applied to the negative electrode current collector part not coated with the negative electrode active material layer, which may cause wrinkles. After pressing, the negative electrode active material layer may be slit again.
[正極前駆体の製造]
本実施形態において、非水系アルカリ金属蓄電素子の正極となる正極前駆体は、既知のリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質およびアルカリ金属炭酸塩、ならびに必要に応じて使用されるその他の任意成分を水または有機溶剤中に分散または溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を正極集電体上の片面または両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより正極前駆体を得ることができる。さらに、得られた正極前駆体にプレスを施して、正極活物質層の膜厚または嵩密度を調整してもよい。正極活物質層形成用塗工液の調製、正極集電体上への塗工液の塗工、塗膜の乾燥、およびプレスは、それぞれ、負極の製造について上述した方法に準じて行うことができる。
[Production of positive electrode precursor]
In this embodiment, the positive electrode precursor which becomes the positive electrode of the non-aqueous alkali metal storage element can be manufactured by a known manufacturing technique for electrodes in lithium ion secondary batteries, electric double layer capacitors, etc. For example, a positive electrode active material, an alkali metal carbonate, and other optional components used as necessary are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry-like coating liquid, and this coating liquid is applied to one or both sides of a positive electrode current collector to form a coating film, which is then dried to obtain a positive electrode precursor. Furthermore, the obtained positive electrode precursor may be pressed to adjust the film thickness or bulk density of the positive electrode active material layer. The preparation of the coating liquid for forming the positive electrode active material layer, the application of the coating liquid to the positive electrode current collector, the drying of the coating film, and the pressing can each be performed in accordance with the method described above for the manufacture of the negative electrode.
[組立工程]
一実施形態の組立工程では、例えば、枚葉の形状にカットした正極前駆体および負極を、セパレータを介して積層してなる積層体に、正極端子および負極端子を接続して、電極積層体を作製する。別の実施形態では、正極前駆体および負極を、セパレータを介して積層および捲回した捲回体に正極端子および負極端子を接続して、電極捲回体を作製してもよい。電極捲回体の形状は円筒型であっても、扁平型であってもよい。正極端子および負極端子の接続の方法は特に限定されないが、抵抗溶接、超音波溶接等の方法を用いることができる。端子を接続した電極体(電極積層体、または電極捲回体)を乾燥して、残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法は限定されないが、真空乾燥等により乾燥することができる。残存溶媒は、正極活物質層または負極活物質層の合計質量当たり、1.5質量%以下であることが好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性を悪化させるため好ましくない。乾燥した電極体は、好ましくは露点-40℃以下のドライ環境下にて、金属缶またはラミネートフィルムに代表される外装体の中に収納し、非水系電解液を注液するための開口部を1方だけ残して封止することが好ましい。露点が-40℃より高いと、電極体に水分が付着してしまい、系内に水が残存し、自己放電特性を悪化させるため好ましくない。外装体の封止方法は特に限定されないが、ヒートシール、インパルスシール等の方法を用いることができる。
[Assembly process]
In an assembly process of one embodiment, for example, a positive electrode terminal and a negative electrode terminal are connected to a laminate formed by stacking a positive electrode precursor and a negative electrode cut into a sheet shape with a separator interposed therebetween to prepare an electrode laminate. In another embodiment, a positive electrode terminal and a negative electrode terminal may be connected to a wound body formed by stacking and winding a positive electrode precursor and a negative electrode with a separator interposed therebetween to prepare an electrode wound body. The shape of the electrode wound body may be cylindrical or flat. The method of connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is not particularly limited, but methods such as resistance welding and ultrasonic welding can be used. It is preferable to dry the electrode body (electrode laminate or electrode wound body) to which the terminals are connected to remove the remaining solvent. The drying method is not limited, but it can be dried by vacuum drying or the like. The remaining solvent is preferably 1.5 mass% or less per total mass of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. If the remaining solvent is more than 1.5 mass%, the solvent remains in the system, which is not preferable because it deteriorates the self-discharge characteristics. The dried electrode body is preferably stored in an exterior body such as a metal can or a laminate film in a dry environment with a dew point of -40°C or less, and is preferably sealed except for one opening for injecting a non-aqueous electrolyte. If the dew point is higher than -40°C, moisture will adhere to the electrode body, water will remain in the system, and the self-discharge characteristics will deteriorate, which is not preferable. The method for sealing the exterior body is not particularly limited, but methods such as heat sealing and impulse sealing can be used.
本実施形態に係る非水系アルカリ金属蓄電素子は、電極体の積層方向の投影面において、上記で説明された正極集電体の保護層と負極端部とが重複することを特徴とする。非水系アルカリ金属蓄電素子の充放電において、負極活物質層と対向しない正極集電体、または正極活物質層と対向しない負極集電体が存在する場合、そのような集電体部分での電位変動が急激となる。特に、非水電解液中にヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)の存在量が0.05mol/L以下の場合、正極集電体上に安定な不働態被膜が形成されず、後述する高温高電圧サイクルにおいては集電体の腐食が進行して抵抗上昇してしまう。そのため、負極活物質層と対向する正極集電体上に前記正極保護層を設けることにより、正極集電体の腐食を抑制することができる。 The non-aqueous alkali metal storage element according to this embodiment is characterized in that the protective layer of the positive electrode collector described above and the negative electrode end overlap on the projection surface in the stacking direction of the electrode body. In the charge and discharge of the non-aqueous alkali metal storage element, if there is a positive electrode collector that does not face the negative electrode active material layer, or a negative electrode collector that does not face the positive electrode active material layer, the potential fluctuation at such a collector portion becomes abrupt. In particular, when the amount of hexafluorophosphate ion (PF 6 − ) present in the non-aqueous electrolyte is 0.05 mol/L or less, a stable passive film is not formed on the positive electrode collector, and the corrosion of the collector progresses in the high-temperature high-voltage cycle described later, resulting in an increase in resistance. Therefore, by providing the positive electrode protective layer on the positive electrode collector facing the negative electrode active material layer, the corrosion of the positive electrode collector can be suppressed.
図1は、本発明の一実施形態に係る電極体の積層方向の模式的な投影図である。図2は、本発明の一実施形態に係る電極体の模式的な断面図である。図1および図2を参照することにより、電極体(E)において、負極(1)、負極端部(e)、負極集電体(2)、負極活物質層(3)、セパレータ(4)、正極(5)、正極集電体(6)、正極活物質層(7)、保護層(8)、非保護層(9)などを位置決めすることができる。 Figure 1 is a schematic projection view of the stacking direction of an electrode body according to one embodiment of the present invention. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an electrode body according to one embodiment of the present invention. By referring to Figures 1 and 2, it is possible to position the negative electrode (1), negative electrode end (e), negative electrode current collector (2), negative electrode active material layer (3), separator (4), positive electrode (5), positive electrode current collector (6), positive electrode active material layer (7), protective layer (8), non-protective layer (9), etc. in the electrode body (E).
[注液、含浸、封止工程]
組立工程後に、外装体の中に収納された電極体に、非水系電解液を注液する。注液後に、さらに含浸を行い、正極、負極、およびセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、およびセパレータのうちの少なくとも一部に電解液が浸っていない状態では、後述するアルカリ金属ドープ工程において、アルカリ金属ドープが不均一に進むため、得られる非水系アルカリ金属蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸後に、外装体が開口した状態の電極体を減圧しながら封止することで密閉することができる。
[Injection, impregnation, and sealing processes]
After the assembly process, the non-aqueous electrolyte is injected into the electrode body housed in the exterior body. After the injection, it is desirable to further impregnate the positive electrode, the negative electrode, and the separator so that they are sufficiently soaked with the non-aqueous electrolyte. In a state where the electrolyte is not soaked in at least a part of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, the alkali metal doping proceeds unevenly in the alkali metal doping process described later, so that the resistance of the obtained non-aqueous alkali metal storage element increases or the durability decreases. The impregnation method is not particularly limited, but for example, the electrode body after the injection is placed in a reduced pressure chamber with the exterior body open, and the chamber is reduced pressure using a vacuum pump, and the pressure is returned to atmospheric pressure again. After the impregnation, the electrode body with the exterior body open can be sealed while reducing the pressure.
[アルカリ金属ドープ工程]
アルカリ金属ドープ工程では、正極前駆体と負極との間に電圧を印加して、正極前駆体中に好ましく含まれるアルカリ金属炭酸塩を分解してアルカリ金属イオンを放出し、負極でアルカリ金属イオンを還元することにより、負極活物質層にアルカリ金属イオンをプレドープすることが好ましい。アルカリ金属ドープ工程において、正極前駆体中のアルカリ金属炭酸塩の酸化分解に伴い、CO2等のガスが発生する。そのため、電圧を印加する際には、発生したガスを外装体の外部に放出する手段を講ずることが好ましい。この手段としては、例えば、外装体の一部を開口させた状態で電圧を印加する方法;外装体の一部に予めガス抜き弁、ガス透過フィルム等の適宜のガス放出手段を設置した状態で電圧を印加する方法;等を挙げることができる。また、アルカリ金属ドープ工程では、外装体に封止された電極体の中央部の両面を、緩衝材で挟んで加圧することが好ましく、外装体の外側から電極体の中央部の両面を緩衝材で挟んで加圧することがより好ましい。加圧時の圧力は、10kPa以上1000kPa以下であることが好ましい。加圧時の圧力が10kPa以上であれば、ドープ工程で発生するガスが電極体内部から排出され、アルカリ金属炭酸塩の分解が促進される。加圧時の圧力が1000kPa以下であれば、電極体内に非水系電解液が十分に保持されるためにアルカリ金属炭酸塩の分解が促進される。緩衝材は、例えば、シリコンスポンジ、シリコンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルゴム等が挙げられる。
[Alkali metal doping process]
In the alkali metal doping step, it is preferable to apply a voltage between the positive electrode precursor and the negative electrode, decompose the alkali metal carbonate preferably contained in the positive electrode precursor to release the alkali metal ion, and reduce the alkali metal ion at the negative electrode, thereby pre-doping the alkali metal ion into the negative electrode active material layer. In the alkali metal doping step, gas such as CO 2 is generated due to the oxidative decomposition of the alkali metal carbonate in the positive electrode precursor. Therefore, when applying a voltage, it is preferable to take a means for releasing the generated gas to the outside of the exterior body. Examples of this means include a method of applying a voltage with a part of the exterior body opened; a method of applying a voltage with a suitable gas release means such as a gas vent valve or a gas permeable film installed in advance on a part of the exterior body; and the like. In addition, in the alkali metal doping step, it is preferable to pressurize both sides of the center of the electrode body sealed in the exterior body by sandwiching them with a buffer material, and it is more preferable to pressurize both sides of the center of the electrode body by sandwiching them with a buffer material from the outside of the exterior body. The pressure during pressing is preferably 10 kPa or more and 1000 kPa or less. If the pressure during pressurization is 10 kPa or more, the gas generated during the doping process is discharged from inside the electrode body, and the decomposition of the alkali metal carbonate is promoted. If the pressure during pressurization is 1000 kPa or less, the non-aqueous electrolyte is sufficiently retained inside the electrode body, and the decomposition of the alkali metal carbonate is promoted. Examples of the buffer material include silicone sponge, silicone rubber, chloroprene rubber, butyl rubber, urethane rubber, styrene butadiene rubber, and acrylonitrile rubber.
[エージング工程]
アルカリ金属ドープ工程後に、電極体にエージングを行うことが好ましい。エージング工程では、電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にアルカリ金属イオン透過性の固体高分子被膜が形成される。エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば高温環境下で電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。
[Aging process]
After the alkali metal doping step, it is preferable to perform aging on the electrode body. In the aging step, the solvent in the electrolyte is decomposed at the negative electrode, and a solid polymer coating permeable to alkali metal ions is formed on the surface of the negative electrode. The aging method is not particularly limited, but for example, a method of reacting the solvent in the electrolyte under a high temperature environment can be used.
[ガス抜き工程]
エージング工程後に、さらにガス抜きを行い、電解液、正極、および負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。電解液、正極、および負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系アルカリ金属蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、外装体を開口した状態で電極体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。ガス抜き後、外装体をシールすることにより外装体を密閉し、非水系アルカリ金属蓄電素子を作製することができる。
[Gas removal process]
After the aging process, it is preferable to perform degassing to reliably remove gas remaining in the electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode. When gas remains in at least a part of the electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode, ion conduction is inhibited, and the resistance of the obtained nonaqueous alkali metal storage element increases. The method of degassing is not particularly limited, but for example, a method of placing the electrode body in a reduced pressure chamber with the exterior body open and reducing the pressure in the chamber using a vacuum pump can be used. After degassing, the exterior body is sealed to close the exterior body, and a nonaqueous alkali metal storage element can be produced.
[高温高電圧サイクル特性]
85℃以上の高温かつ4.0V以上の高電圧環境下においては、電解液の分解反応が促進され易くなり、負極においては、アルカリ金属イオンがドープされて電位の低くなった負極上で電解液溶媒の還元反応が進行する。特に、電極端部においてはその周囲に余剰な電解液が多く存在するために、この副反応が進行し易い。さらに、高温環境下においては負極活物質中にドープされたアルカリ金属イオンの失活が促進されるために電位が上昇し易くなり、その結果容量が低下し易くなる。つまり、負極端部での副反応の抑制、および負極にドープされたアルカリ金属イオンの失活を抑制することで、高温高電圧サイクルにおける抵抗上昇の抑制と、容量維持率の向上を図ることができる。
[High temperature and high voltage cycle characteristics]
In a high temperature environment of 85°C or higher and a high voltage environment of 4.0V or higher, the decomposition reaction of the electrolyte is easily promoted, and in the negative electrode, the reduction reaction of the electrolyte solvent proceeds on the negative electrode where the potential is lowered due to the doping of alkali metal ions. In particular, since there is a large amount of excess electrolyte around the electrode end, this side reaction is likely to proceed. Furthermore, in a high temperature environment, the deactivation of the alkali metal ions doped in the negative electrode active material is promoted, so the potential is likely to increase, and as a result, the capacity is likely to decrease. In other words, by suppressing the side reaction at the negative electrode end and suppressing the deactivation of the alkali metal ions doped in the negative electrode, it is possible to suppress the increase in resistance in the high temperature high voltage cycle and improve the capacity retention rate.
負極端部での副反応は、負極端部に存在するアルカリ金属イオン濃度に相関があり、つまり負極の外周部の単位面積当たりのアルカリ金属イオン量が少ないほど反応性が低くなる。一方、負極中央部のアルカリ金属イオン量を高めておくことで、負極にドープされたアルカリ金属イオンが多少失活したとしても電位の上昇を抑制することができる。つまり、前記負極の外周部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度をA(mAh/g)とし、中央部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度をB(mAh/g)とするとき、1.02≦B/A≦1.45とするとき、高温高電圧サイクルにおける抵抗上昇の抑制と、容量維持率の向上を実現できる。B/Aが1.02以上であれば、負極端部での副反応を抑制することで高温高電圧サイクルにおける抵抗上昇を抑制できる。B/Aが1.45以下であれば、負極端部と対向する正極端部の過剰な電位上昇を抑えることができ、正極集電体の腐食を抑制することで抵抗上昇を抑制できる。このような観点から、1.03≦B/A≦1.44が好ましい。なお、図3は、負極の外周部、および中央部を示すイメージ図であり、負極の模式上面図(a)と、負極の外周部と中央部と端部を説明するための模式図(b)とを表示する。図3を参照することにより、被測定負極(1)の外周部(о)と中央部(c)を画定することができる。負極(1)では、負極集電体(2)上に負極活物質層(3)が配置されており、中央部(c)は、太線で表示された電極端部(e)から中央に向かって長さ5%に位置する点線で囲まれた領域であり、外周部(о)は、点線と太線で囲まれた領域である。 The side reaction at the negative electrode end is correlated with the concentration of alkali metal ions present at the negative electrode end, that is, the smaller the amount of alkali metal ions per unit area of the outer periphery of the negative electrode, the lower the reactivity. On the other hand, by increasing the amount of alkali metal ions at the center of the negative electrode, the increase in potential can be suppressed even if the alkali metal ions doped in the negative electrode are somewhat deactivated. In other words, when the alkali metal ion concentration per unit area of the outer periphery of the negative electrode is A (mAh/g) and the alkali metal ion concentration per unit area of the center is B (mAh/g), if 1.02≦B/A≦1.45, the resistance increase in the high-temperature high-voltage cycle can be suppressed and the capacity retention rate can be improved. If B/A is 1.02 or more, the resistance increase in the high-temperature high-voltage cycle can be suppressed by suppressing the side reaction at the negative electrode end. If B/A is 1.45 or less, the excessive potential increase at the positive electrode end facing the negative electrode end can be suppressed, and the resistance increase can be suppressed by suppressing the corrosion of the positive electrode current collector. From this viewpoint, 1.03≦B/A≦1.44 is preferable. FIG. 3 is an image diagram showing the outer periphery and center of the negative electrode, showing a schematic top view (a) of the negative electrode and a schematic view (b) for explaining the outer periphery, center, and end of the negative electrode. By referring to FIG. 3, the outer periphery (o) and center (c) of the negative electrode (1) to be measured can be defined. In the negative electrode (1), the negative electrode active material layer (3) is disposed on the negative electrode current collector (2), and the center (c) is the area surrounded by the dotted line located 5% in length from the electrode end (e) shown by the thick line toward the center, and the outer periphery (o) is the area surrounded by the dotted line and the thick line.
B/Aを1.02以上1.45以下する方法は、特に制限されないが、例えば、負極と対向する正極前駆体の中央部のアルカリ金属炭酸塩の濃度を高める方法、アルカリ金属ドープ時に電極体中央部を局所的に加温して中央部のアルカリ金属ドープ反応を促進する方法、アルカリ金属ドープ時に電極体中央部を局所的に加圧して中央部のアルカリ金属ドープ反応を促進する方法、予め中央部をアルカリ金属ドープした負極を用いて電極体を組み立てる方法等を挙げることができる。 The method for making B/A 1.02 or more and 1.45 or less is not particularly limited, but examples include a method of increasing the concentration of alkali metal carbonate in the center of the positive electrode precursor facing the negative electrode, a method of locally heating the center of the electrode body during alkali metal doping to promote the alkali metal doping reaction in the center, a method of locally pressurizing the center of the electrode body during alkali metal doping to promote the alkali metal doping reaction in the center, and a method of assembling an electrode body using a negative electrode whose center has already been doped with an alkali metal.
[AおよびBの算出方法]
外周部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度A、および中央部の単位面積当たりアルカリ金属イオン濃度Bは以下の方法で求めることができる。
[Calculation method of A and B]
The alkali metal ion concentration A per unit area of the outer periphery and the alkali metal ion concentration B per unit area of the central portion can be determined by the following method.
まず、非水系アルカリ金属蓄電素子を25℃環境下、3.8Vに電圧を調整した後、露点が-60℃以下のアルゴン雰囲気中で解体し、負極を取り出す。得られた負極について、ジメチルカーボネートを用いて2回洗浄し、風乾した後、電極端部から5%以内の距離を含む領域で電極を切り出して外周部のサンプルとする。また、電極端部から最長距離となる位置を中心点とし、この中心点を含む領域で電極を切り出し、中央部のサンプルとする。切り出す電極の面積については特に指定はないが、活物質層を含む負極の電極面積を100%とするとき、5%以上20%以下の面積となるように電極を切り出すことが好ましい。得られたサンプルを作用極とし、セパレータ、金属リチウムを対極および参照極として用い、上述した非水系電解液を注液して負極ハーフセルを作製する。作用極サンプルについて、集電体の両面に活物質層が存在する場合、スパチュラや刷毛を用いて片方の面の活物質層を剥がし取る。使用する非水系電解液については、負極にドープされたアルカリ金属イオン種と同じカチオンを含む電解質塩を用い、鎖状カーボネートと環状カーボネートの混合溶媒(例えば、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比1:2の混合溶媒)を用いることが好ましい。得られた負極ハーフセルについて、25℃環境下、0.1mA/cm2の電流値で、作用極の電位が2.5Vになるまで定電流充電を行う。この時の充電容量について、例えば図3を参照しながら、外周部のサンプルの評価結果をA1(mAh)、中央部のサンプルの評価結果をB1(mAh)とし、A1およびB1を作用極サンプルの活物質層重量で除することにより、AおよびBを算出することができる。 First, the non-aqueous alkali metal storage element is adjusted to a voltage of 3.8 V in a 25° C. environment, and then disassembled in an argon atmosphere with a dew point of −60° C. or less, and the negative electrode is taken out. The obtained negative electrode is washed twice with dimethyl carbonate, air-dried, and then cut out in a region including a distance of 5% or less from the electrode end to obtain a sample of the outer periphery. In addition, the position with the longest distance from the electrode end is set as the center point, and the electrode is cut out in a region including this center point to obtain a sample of the center. There is no particular specification for the area of the electrode to be cut out, but it is preferable to cut out the electrode so that the area of the negative electrode including the active material layer is 5% or more and 20% or less when the electrode area of the negative electrode including the active material layer is 100%. The obtained sample is used as the working electrode, and the separator and metallic lithium are used as the counter electrode and reference electrode, and the above-mentioned non-aqueous electrolyte is poured to prepare a negative electrode half cell. For the working electrode sample, if active material layers are present on both sides of the current collector, the active material layer on one side is peeled off using a spatula or a brush. For the non-aqueous electrolyte solution used, it is preferable to use an electrolyte salt containing the same cation as the alkali metal ion species doped in the negative electrode, and to use a mixed solvent of a chain carbonate and a cyclic carbonate (for example, a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 1:2). The obtained negative electrode half cell is charged at a constant current of 0.1 mA/cm 2 in a 25° C. environment until the potential of the working electrode reaches 2.5 V. For the charge capacity at this time, for example, with reference to FIG. 3, the evaluation result of the outer peripheral sample is A1 (mAh), the evaluation result of the central sample is B1 (mAh), and A and B can be calculated by dividing A1 and B1 by the weight of the active material layer of the working electrode sample.
[最外層が両面に活物質層を有する負極の場合]
電極積層体、または電極捲回体の最外層が負極であり、該負極の負極集電体の両面に負極活物質層を有する場合、正極と非対向となる負極活物質層の中央部の単位面積あたりアルカリ金属イオン濃度をE(mAh/g)とするとき、B>Eとすることが好ましい。B>Eとすることで最外層の負極上での副反応を抑制することができる。Eの算出については、上述のアルカリ金属イオン濃度Bと同様の方法で求めることができる。
[In the case of a negative electrode in which the outermost layer has active material layers on both sides]
In the case where the outermost layer of the electrode laminate or electrode wound body is a negative electrode and the negative electrode active material layer is provided on both sides of the negative electrode current collector of the negative electrode, when the alkali metal ion concentration per unit area of the central part of the negative electrode active material layer not facing the positive electrode is E (mAh/g), it is preferable that B>E. By making B>E, it is possible to suppress side reactions on the negative electrode of the outermost layer. E can be calculated in the same manner as the alkali metal ion concentration B described above.
《非水系アルカリ金属蓄電素子の用途》
本実施形態に係る複数個の非水系アルカリ金属蓄電素子を直列または並列に接続することにより蓄電モジュールを作製することができる。本実施形態の非水系アルカリ金属蓄電素子および蓄電モジュールは、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができる。そのため、電力回生アシストシステム、電力負荷平準化システム、無停電電源システム、非接触給電システム、エナジーハーベストシステム、蓄電システム、太陽光発電蓄電システム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、急速充電システム、スマートグリッドシステム等に使用されることができる。蓄電システムは太陽光発電または風力発電等の自然発電に、電力負荷平準化システムはマイクログリッド等に、無停電電源システムは工場の生産設備等に、それぞれ好適に利用される。非接触給電システムにおいて、非水系アルカリ金属蓄電素子は、マイクロ波送電または電界共鳴等の電圧変動の平準化およびエネルギーの蓄電のために;エナジーハーベストシステムにおいて、非水系アルカリ金属蓄電素子は、振動発電等で発電した電力を使用するために、それぞれ好適に利用される。
<<Uses of non-aqueous alkali metal storage elements>>
A storage module can be fabricated by connecting a plurality of nonaqueous alkali metal storage elements according to this embodiment in series or in parallel. The nonaqueous alkali metal storage element and storage module according to this embodiment can achieve both high input/output characteristics and safety at high temperatures. Therefore, they can be used in power regeneration assist systems, power load leveling systems, uninterruptible power supply systems, non-contact power supply systems, energy harvesting systems, storage systems, solar power generation storage systems, electric power steering systems, emergency power supply systems, in-wheel motor systems, idling stop systems, quick charging systems, smart grid systems, and the like. The storage system is preferably used for natural power generation such as solar power generation or wind power generation, the power load leveling system is preferably used for microgrids, and the uninterruptible power supply system is preferably used for factory production facilities, and the like. In contactless power supply systems, non-aqueous alkali metal storage elements are preferably used for leveling out voltage fluctuations such as those caused by microwave transmission or electric field resonance, and for storing energy; in energy harvesting systems, non-aqueous alkali metal storage elements are preferably used for using power generated by vibration power generation, etc.
蓄電システムにおいては、セルスタックとして、複数個の非水系アルカリ金属蓄電素子が直列または並列に接続されるか、または非水系アルカリ金属蓄電素子と、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池または燃料電池とが直列または並列に接続される。また、本実施形態に係る非水系アルカリ金属蓄電素子は、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができるので、例えば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク等の乗り物に搭載されることができる。上記で説明された電力回生アシストシステム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、またはこれらの組み合わせが、乗り物に好適に搭載される。 In the energy storage system, a plurality of nonaqueous alkaline metal storage elements are connected in series or parallel to form a cell stack, or a nonaqueous alkaline metal storage element is connected in series or parallel to a lead battery, a nickel-metal hydride battery, a lithium-ion secondary battery, or a fuel cell. In addition, the nonaqueous alkaline metal storage element according to this embodiment can achieve both high input/output characteristics and safety at high temperatures, and can therefore be mounted on vehicles such as electric vehicles, plug-in hybrid vehicles, hybrid vehicles, and electric motorcycles. The above-described power regeneration assist system, electric power steering system, emergency power supply system, in-wheel motor system, idling stop system, or a combination thereof, is preferably mounted on the vehicle.
以下、実施例および比較例を示して本発明の実施形態を具体的に説明する。しかしながら本発明は、以下の実施例および比較例により、何ら限定されるものではない。なお、以下の説明では、略称CMC1、CMC2およびCMC3を使用しているが、CMC1~CMC3は、配合割合の計算のために表示されるものであり、同じカルボキシメチルセルロースである。 Below, the embodiments of the present invention will be specifically explained by showing examples and comparative examples. However, the present invention is not limited in any way by the following examples and comparative examples. In the following explanation, the abbreviations CMC1, CMC2, and CMC3 are used, but CMC1 to CMC3 are displayed for the purpose of calculating the blending ratio, and are the same carboxymethyl cellulose.
《負極、正極前駆体及び電解液の製造例》
[カーボンナノチューブ分散液の調製]
市販の単層カーボンナノチューブ(CNT)を0.400質量%、分散剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC1)を0.600質量%、および蒸留水99.000質量%を混合し、PRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17m/sの条件で分散してカーボンナノチューブ分散液を作製した。
<Production Example of Negative Electrode, Positive Electrode Precursor, and Electrolyte>
[Preparation of Carbon Nanotube Dispersion]
A carbon nanotube dispersion was prepared by mixing 0.400 mass% of commercially available single-walled carbon nanotubes (CNT), 0.600 mass% of carboxymethyl cellulose (CMC1) as a dispersant, and 99.000 mass% of distilled water, and dispersing the mixture at a peripheral speed of 17 m/s using a thin-film swirling high-speed mixer, Filmix, manufactured by PRIMIX Corporation.
[負極1の製造]
平均粒子径4.5μmの人造黒鉛を94.800質量%、カーボンブラックを3.000質量%、分散剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC2)を2.000質量%、ならびに蒸留水を混合して、固形分の質量割合が28.0質量%の混合物を得た。得られた混合物を、シンキー社製の自転公転ミキサー「泡とり練太郎(登録商標)」を用いて、2,000rpmの回転速度にて10分間分散して、混合物を得た。上記作製した混合物に、カーボンナノチューブ(CNT)が0.080質量%、CMC1が0.120質量%となるようカーボンナノチューブ分散液を混合し、2,000rpmの回転速度にて10分間分散して負極塗工液1を作製した。得られた負極塗工液1の粘度(ηb)およびTI値を、東機産業社のE型粘度計TVE-35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は1,560mPa・s、TI値は3.7であった。厚さ10μmの電解銅箔の片面に、ドクターブレードを用いて負極塗工液1を塗工し、50℃に加熱したホットプレートで10分間乾燥した。次いでロールプレス機を用いて、圧力5kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスすることにより、負極1を作製した。負極1を3cm×3cmの大きさに切断し、その負極活物質層の重量を負極面積で除して負極活物質層目付を算出したところ44.0g/m2であった。
[Production of negative electrode 1]
94.800% by mass of artificial graphite with an average particle size of 4.5 μm, 3.000% by mass of carbon black, 2.000% by mass of carboxymethylcellulose (CMC2) as a dispersant, and distilled water were mixed to obtain a mixture with a mass ratio of solids of 28.0% by mass. The obtained mixture was dispersed for 10 minutes at a rotation speed of 2,000 rpm using a revolution mixer "Awatori Rentaro (registered trademark)" manufactured by Thinky Corporation to obtain a mixture. The above-prepared mixture was mixed with a carbon nanotube dispersion liquid so that carbon nanotubes (CNT) were 0.080% by mass and CMC1 were 0.120% by mass, and dispersed for 10 minutes at a rotation speed of 2,000 rpm to prepare a negative electrode coating liquid 1. The viscosity (ηb) and TI value of the obtained negative electrode coating liquid 1 were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 1,560 mPa·s and the TI value was 3.7. A negative electrode coating solution 1 was applied to one side of a 10 μm thick electrolytic copper foil using a doctor blade and dried for 10 minutes on a hot plate heated to 50 ° C. Then, a negative electrode 1 was produced by pressing using a roll press under conditions of a pressure of 5 kN / cm and a surface temperature of the press part of 25 ° C. The negative electrode 1 was cut into a size of 3 cm x 3 cm, and the weight of the negative electrode active material layer was divided by the negative electrode area to calculate the weight of the negative electrode active material layer, which was 44.0 g / m 2 .
[負極2~4の製造]
負極活物質層目付を表1に記載のとおりになるように調整した他は、[負極1の製造]と同様にして、負極2~4を製造した。
[Manufacture of
[正極活物質の調製]
破砕されたヤシ殻炭化物を小型炭化炉内へ入れ、窒素雰囲気下、500℃で3時間炭化処理して炭化物を得た。得られた炭化物を賦活炉内へ入れ、予熱炉で加温した水蒸気を1kg/hで賦活炉内へ導入し、900℃まで8時間かけて昇温して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、窒素雰囲気下で冷却して、賦活された活性炭を得た。得られた賦活された活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りし、115℃に保持された電気乾燥機内で10時間乾燥した後に、ボールミルで1時間粉砕を行うことにより、活性炭1を得た。島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD-2000J)を用いて、活性炭1の平均粒子径を測定した結果、5.5μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB-1 AS-1-MP)を用いて、活性炭1の細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が2360m2/g、メソ孔量(V1)が0.52cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.88cc/g、V1/V2=0.59であった。
[Preparation of Positive Electrode Active Material]
The crushed coconut shell carbonized material was placed in a small carbonization furnace and carbonized at 500°C for 3 hours under a nitrogen atmosphere to obtain a carbonized material. The obtained carbonized material was placed in an activation furnace, and steam heated in a preheating furnace was introduced into the activation furnace at 1 kg/h, and the temperature was raised to 900°C over 8 hours to activate the material. The activated carbon was removed and cooled under a nitrogen atmosphere to obtain activated activated carbon. The obtained activated activated carbon was washed with water for 10 hours, drained, dried for 10 hours in an electric dryer maintained at 115°C, and then pulverized in a ball mill for 1 hour to obtain activated carbon 1. The average particle size of activated carbon 1 was measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer (SALD-2000J) manufactured by Shimadzu Corporation, and was found to be 5.5 μm. The pore size distribution of the activated carbon 1 was measured using a pore size distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. As a result, the BET specific surface area was 2360 m 2 /g, the mesopore volume (V 1 ) was 0.52 cc/g, the micropore volume (V 2 ) was 0.88 cc/g, and V 1 /V 2 = 0.59.
[正極前駆体1の製造]
活性炭1を46.200質量%、カルボキシメチルセルロース(CMC3)を2.000質量%、炭酸リチウムを40.000質量%、カーボンブラックを5.000質量%、およびアクリルラテックス(LTX)を4.500質量%、PVP(ポリビニルピロリドン)を2.000質量%、ならびに固形分の質量割合が34.1質量%になるように蒸留水を混合し、これをシンキー社製の自転公転ミキサー「泡とり練太郎(登録商標)」を用いて、2000rpmの回転速度で20分間分散して混合物を得た。得られた混合物に、カーボンナノチューブ(CNT)が0.120質量%、CMC1が0.180質量%となるようカーボンナノチューブ分散液を混合し、2,000rpmの回転速度にて10分間分散して正極塗工液1を作製した。得られた正極塗工液1の粘度(ηb)およびTI値を東機産業社のE型粘度計TVE-35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,340mPa・s、TI値は5.1であった。また、得られた正極塗工液1の分散度をヨシミツ精機社製の粒ゲージを用いて測定した。その結果、粒度は33μmであった。ドクターブレードを用いて、厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に正極塗工液1を塗工し、50℃に加熱したホットプレートで10分間乾燥した後、ロールプレス機を用いて圧力6kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスすることにより、正極前駆体1を得た。上記と同様の方法で正極前駆体1の目付を測定したところ、48.0g/m2であった。
[Production of positive electrode precursor 1]
Activated carbon 1 was 46.200% by mass, carboxymethyl cellulose (CMC3) was 2.000% by mass, lithium carbonate was 40.000% by mass, carbon black was 5.000% by mass, and acrylic latex (LTX) was 4.500% by mass, PVP (polyvinylpyrrolidone) was 2.000% by mass, and distilled water was mixed so that the mass ratio of the solid content was 34.1% by mass, and this was dispersed for 20 minutes at a rotation speed of 2000 rpm using a revolution mixer "Awatori Rentaro (registered trademark)" manufactured by Thinky Corporation to obtain a mixture. The obtained mixture was mixed with a carbon nanotube dispersion liquid so that carbon nanotubes (CNT) were 0.120% by mass and CMC1 were 0.180% by mass, and dispersed for 10 minutes at a rotation speed of 2,000 rpm to prepare a positive electrode coating liquid 1. The viscosity (ηb) and TI value of the obtained positive electrode coating liquid 1 were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,340 mPa·s and the TI value was 5.1. In addition, the degree of dispersion of the obtained positive electrode coating liquid 1 was measured using a particle gauge manufactured by Yoshimitsu Seiki Co., Ltd. As a result, the particle size was 33 μm. Using a doctor blade, the positive electrode coating liquid 1 was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, and then dried for 10 minutes on a hot plate heated to 50 ° C., and then pressed using a roll press machine under conditions of a pressure of 6 kN / cm and a surface temperature of the press part of 25 ° C. to obtain a positive electrode precursor 1. When the basis weight of the positive electrode precursor 1 was measured by the same method as above, it was 48.0 g / m 2 .
[正極前駆体2~4の製造例]
各成分の使用量を表2に記載のとおりになるように調整した他は、[正極前駆体1の製造]と同様にして、正極前駆体2~4を製造した。
[Production Examples of
[電解液1の調製]
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=33:67(体積比)の混合溶媒を用い、電解質としてLiFSIを用い、1.0mol/Lの濃度となるように電解質塩を溶解することにより、非水系電解液1を得た。
[Preparation of electrolyte solution 1]
A mixed solvent of ethylene carbonate (EC):ethyl methyl carbonate (EMC) = 33:67 (volume ratio) was used as the organic solvent, and LiFSI was used as the electrolyte. An electrolyte salt was dissolved therein to a concentration of 1.0 mol/L, thereby obtaining a non-aqueous electrolyte solution 1.
[電解液2~5の調製]
各成分の使用量を表3に記載のとおりになるように調整した他は、[電解液1の調製]と同様にして、非水系電解液2~5を製造した。
《実施例1》
〈非水系アルカリ金属蓄電素子の製造〉
[組立工程]
得られた正極前駆体1を、正極活物質層が4.4cm×9.4cmであり、正極活物質層のない正極集電体部分が1.5cm×2.5cmの大きさになるように1枚切り出し、正極活物質層のない正極集電体上に0.5cm×2.5cmの大きさで厚み35μmのポリイミドテープを正極活物質層の端部から貼り付けた。続いて負極1を、負極活物質層が4.5cm×9.5cmであり、負極活物質層のない集電体部分が1.4cm×2.5cmの大きさになるように1枚切り出した。また、4.7cm×9.8cmのポリエチレン製のセパレータ(旭化成株式会社製、厚み15μm)を1枚用意した。これらを用いて、正極前駆体1、セパレータ、および負極1の順に、セパレータを挟んで正極活物質層の中心と負極活物質層の中心とが重なり、負極端部と正極集電体の保護層が重なるよう積層し、電極積層体を得た。得られた電極体に正極端子および負極端子を超音波溶接し、アルミラミネート包材で形成された外装体に入れ、電極端子部を含む3辺をヒートシールによりシールした。
Example 1
<Production of non-aqueous alkali metal electricity storage element>
[Assembly process]
The obtained positive electrode precursor 1 was cut out into one piece so that the positive electrode active material layer was 4.4 cm x 9.4 cm, and the positive electrode current collector portion without the positive electrode active material layer was 1.5 cm x 2.5 cm in size, and a polyimide tape having a size of 0.5 cm x 2.5 cm and a thickness of 35 μm was attached from the end of the positive electrode active material layer to the positive electrode current collector without the positive electrode active material layer. Next, the negative electrode 1 was cut out into one piece so that the negative electrode active material layer was 4.5 cm x 9.5 cm, and the current collector portion without the negative electrode active material layer was 1.4 cm x 2.5 cm in size. In addition, one polyethylene separator (manufactured by Asahi Kasei Corporation, thickness 15 μm) of 4.7 cm x 9.8 cm was prepared. Using these, the positive electrode precursor 1, the separator, and the negative electrode 1 were laminated in this order, with the separator sandwiched between them, so that the center of the positive electrode active material layer overlapped with the center of the negative electrode active material layer, and the negative electrode end overlapped with the protective layer of the positive electrode current collector, to obtain an electrode laminate. The positive electrode terminal and the negative electrode terminal were ultrasonically welded to the obtained electrode body, which was then placed in an exterior body formed of an aluminum laminate packaging material, and the three sides including the electrode terminal portion were sealed by heat sealing.
[注液、含浸、封止工程]
大気圧下、温度25℃、露点-40℃以下のドライエアー環境下にて、電極積層体を収納した外装体内に、非水系電解液1を約2.5g注入した。続いて、電極積層体および非水系電解液を収納している外装体を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から-87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、チャンバー内の外装体を大気圧から-87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、大気圧下にて15分間静置した。以上の工程により、非水系電解液1を電極積層体に含浸させた。その後、非水系電解液1を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、-95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることにより外装体を封止した。
[Injection, impregnation, and sealing processes]
About 2.5 g of non-aqueous electrolyte 1 was injected into the exterior housing containing the electrode laminate under a dry air environment at atmospheric pressure, temperature 25 ° C., and dew point of -40 ° C. or less. Next, the exterior housing containing the electrode laminate and the non-aqueous electrolyte was placed in a vacuum chamber, depressurized from atmospheric pressure to -87 kPa, then returned to atmospheric pressure, and left to stand for 5 minutes. Then, the process of depressurizing the exterior housing in the chamber from atmospheric pressure to -87 kPa and then returning to atmospheric pressure was repeated four times, and then left to stand for 15 minutes under atmospheric pressure. Through the above process, the non-aqueous electrolyte 1 was impregnated into the electrode laminate. Then, the electrode laminate impregnated with the non-aqueous electrolyte 1 was placed in a vacuum sealer, and the exterior housing was sealed by sealing at a pressure of 0.1 MPa for 10 seconds at 180 ° C. in a state where the pressure was reduced to -95 kPa.
[アルカリ金属ドープ工程]
封止された電極積層体の中央部の両面を3.0cm×7.0cmのシリコンスポンジ製の緩衝材で挟み、30kPaの圧力で加圧した。これを温度45℃にて、電流値10mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を2時間継続する手法により、初期充電を行い、負極にアルカリ金属ドープを行った。
[Alkali metal doping process]
Both sides of the central portion of the sealed electrode laminate were sandwiched between 3.0 cm × 7.0 cm silicone sponge cushioning materials and pressed with a pressure of 30 kPa. This was charged at a constant current of 10 mA at a temperature of 45° C. until the voltage reached 4.5 V, and then initially charged at a constant voltage of 4.5 V for 2 hours, thereby doping the negative electrode with an alkali metal.
[エージング工程]
アルカリ金属ドープ後の電極積層体をドライボックスから取り出し、25℃環境下にて、50mAで電圧2.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、2.0Vでの定電流放電を1時間行うことにより、電圧を2.0Vに調整した。続いて、外装体に封止された電極積層体を85℃の恒温槽中に12時間保管した。
[Aging process]
The electrode laminate after doping with the alkali metal was taken out of the dry box, and constant current discharge was performed at 50 mA in a 25° C. environment until the voltage reached 2.0 V, and then constant current discharge at 2.0 V was performed for 1 hour to adjust the voltage to 2.0 V. Subsequently, the electrode laminate sealed in an exterior body was stored in a thermostatic chamber at 85° C. for 12 hours.
[ガス抜き工程]
エージング後、温度25℃、露点-40℃のドライエアー環境下にて、外装体の一部を開封して、電極積層体を取出した。取り出した電極積層体を、減圧チャンバーの中に入れ、ダイヤフラムポンプを用いて大気圧から-80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、電極積層体を外装体内に戻し入れ、減圧シール機を用いて、-90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールして外装体を封止することにより、非水系アルカリ金属蓄電素子を製造した。
また、非水系アルカリ金属蓄電素子について、上記項目[AおよびBの算出方法]に記載のとおり、各値を測定または算出して表4に示す。
[Gas removal process]
After aging, a part of the exterior body was opened in a dry air environment at a temperature of 25° C. and a dew point of −40° C., and the electrode laminate was taken out. The electrode laminate taken out was placed in a vacuum chamber, and a process of reducing the pressure from atmospheric pressure to −80 kPa over 3 minutes using a diaphragm pump, and then returning to atmospheric pressure over 3 minutes was repeated three times in total. Thereafter, the electrode laminate was placed back into the exterior body, and the pressure was reduced to −90 kPa using a vacuum sealer, and the exterior body was sealed at 200° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa to produce a nonaqueous alkali metal storage element.
Furthermore, for the nonaqueous alkali metal electricity storage element, each value was measured or calculated as described in the above section [Calculation method of A and B], and is shown in Table 4.
〈非水系アルカリ金属蓄電素子の評価〉
[内部抵抗Raの測定]
内部抵抗Ra(mΩ)とは、以下の方法によって得られる値である。先ず、非水系アルカリ金属蓄電素子を25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で4.0Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.0Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、サンプリング間隔を0.05秒とし、20Cの電流値で2.0Vまで定電流放電を行って、放電カーブ(時間-電圧)を得る。この放電カーブにおいて、放電時間1秒および2秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとしたときに、降下電圧ΔE=4.0-EoからRa=ΔE/(20Cの電流値)として算出される値である。得られた非水系アルカリ金属蓄電素子の内の1個について、25℃に設定した恒温槽内で、アスカ電子株式会社製の充放電装置(5V,10A)を用い、上述の方法により内部抵抗Raを測定したところ、Raは80.5mΩであった。この値は、初期内部抵抗Raとして、表5に示した。
Evaluation of non-aqueous alkali metal storage element
[Measurement of internal resistance Ra]
The internal resistance Ra (mΩ) is a value obtained by the following method. First, the non-aqueous alkaline metal storage element is charged at a constant current of 20 C in a thermostatic chamber set at 25 ° C. until it reaches 4.0 V, and then a constant voltage charge of 4.0 V is applied for a total of 30 minutes. Next, a sampling interval is set to 0.05 seconds, and a constant current discharge is performed at a current value of 20 C to 2.0 V to obtain a discharge curve (time-voltage). In this discharge curve, when the voltage at the discharge time = 0 seconds obtained by extrapolating the voltage values at the time points of 1 second and 2 seconds of discharge time by linear approximation is Eo, the value is calculated as Ra = ΔE / (current value of 20 C) from the drop voltage ΔE = 4.0 - Eo. The internal resistance Ra of one of the obtained nonaqueous alkali metal storage elements was measured by the above-mentioned method in a thermostatic chamber set at 25° C. using a charge/discharge device (5 V, 10 A) manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd. The Ra was 80.5 mΩ. This value is shown in Table 5 as the initial internal resistance Ra.
[容量Qaの測定]
容量Qa(mAh)とは、以下の方法によって得られる値である。先ず、非水系アルカリ金属蓄電素子を25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で4.0Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.0Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、サンプリング間隔を1.0秒とし、1Cの電流値で2.0Vまで定電流放電を行ったときの放電容量を容量Qaとする。上記の非水系アルカリ金属蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、アスカ電子株式会社製の充放電装置(5V,10A)を用い、上述の方法により容量Raを測定したところ、Qaは6.58mAhであった。この値は、初期容量Qaとして表5に示した。
[Measurement of Capacity Qa]
The capacity Qa (mAh) is a value obtained by the following method. First, the non-aqueous alkali metal storage element is charged at a constant current of 20C in a thermostatic chamber set at 25°C until it reaches 4.0V, and then a constant voltage charge of 4.0V is applied for a total of 30 minutes. Next, the discharge capacity when the sampling interval is set to 1.0 second and the constant current discharge is performed at a current value of 1C to 2.0V is defined as the capacity Qa. The capacity Ra of the non-aqueous alkali metal storage element was measured by the above-mentioned method using a charge/discharge device (5V, 10A) manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd. in a thermostatic chamber set at 25°C, and the Qa was 6.58mAh. This value is shown in Table 5 as the initial capacity Qa.
[高温高電圧サイクル試験]
高温高電圧サイクル試験後の抵抗、および容量の変化率は、以下の方法によって測定される値である。先ず、非水系アルカリ金属蓄電素子と対応するセルを85℃に設定した恒温槽内で、50Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて50Cの電流値で3.0Vに到達するまで定電流放電する。この充放電を1000回繰り返した後、上記内部抵抗の測定方法に従い高温高電圧サイクル試験後の内部抵抗Rb、および上記容量の測定方法に従い高温高電圧サイクル試験後の容量Qbを測定する。Rb/Raを高温高電圧サイクル試験後の抵抗変化率、Qb/Qaを高温高電圧サイクル試験後の容量変化率とする。これらの結果を表5に示した。
[High temperature and high voltage cycle test]
The resistance and capacity change rate after the high-temperature, high-voltage cycle test are values measured by the following method. First, in a thermostatic chamber set at 85° C., the nonaqueous alkali metal storage element and the corresponding cell are charged at a constant current of 50 C until 4.2 V is reached, and then discharged at a constant current of 50 C until 3.0 V is reached. After repeating this charge and discharge 1000 times, the internal resistance Rb after the high-temperature, high-voltage cycle test is measured according to the above-mentioned internal resistance measurement method, and the capacity Qb after the high-temperature, high-voltage cycle test is measured according to the above-mentioned capacity measurement method. Rb/Ra is the resistance change rate after the high-temperature, high-voltage cycle test, and Qb/Qa is the capacity change rate after the high-temperature, high-voltage cycle test. These results are shown in Table 5.
《実施例2~11、比較例1~7》
負極、正極前駆体、および非水系電解液として、それぞれ、表1、表2および表3に記載の物を用い、表4のとおりの製造条件とし、比較例1~4は正極集電体部にポリイミドテープを貼りつけなかったこと以外は、実施例1と同様にして、非水系アルカリ金属蓄電素子を製造し、評価した。評価結果を表4および表5に示した。
Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 7
Non-aqueous alkali metal storage elements were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode, positive electrode precursor, and non-aqueous electrolyte solution shown in Tables 1, 2, and 3 were used under the production conditions shown in Table 4, and no polyimide tape was attached to the positive electrode current collector in Comparative Examples 1 to 4. The evaluation results are shown in Tables 4 and 5.
実施例と比較例の対比から、アルカリ金属ドープ時に非水系アルカリ金属蓄電素子の中央部を加圧することにより、中央部のアルカリ金属炭酸塩の分解反応が促進し、負極の外周部と中央部のアルカリ金属イオン濃度を変えることができ、高温高電圧サイクルにおける抵抗上昇の抑制と、容量維持率の向上を達成できたと考えられる。 Comparing the Examples and Comparative Examples, it appears that by applying pressure to the center of the non-aqueous alkali metal storage element during alkali metal doping, the decomposition reaction of the alkali metal carbonate in the center is promoted, making it possible to change the alkali metal ion concentration in the outer periphery and center of the negative electrode, thereby suppressing the increase in resistance during high-temperature, high-voltage cycles and improving the capacity retention rate.
《実施例12~17》
正極保護層を表6に記載のとおりとしたこと以外は、実施例1と同様にして、非水系アルカリ金属蓄電素子を製造し、評価した。
Examples 12 to 17
A nonaqueous alkali metal electricity storage element was produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode protective layer was as shown in Table 6.
なお、正極保護層として炭素材料を用いた実施例14および15においては、正極集電体として幅15.0cm、厚み15μmのアルミニウム箔上にアンカー層が幅7.0cm、厚み1μmで塗布されたアンカー箔を用い、アンカー層が露出した部分を0.5cm幅で残して正極活物質層を6.0cmの幅で塗布して正極前駆体を作製した。続いて、正極前駆体を切り出す際にアンカー層が0.5cm×2.5cmの大きさの保護層となるようにして非水系アルカリ金属蓄電素子を作製した。 In Examples 14 and 15, in which a carbon material was used as the positive electrode protective layer, an anchor foil was used as the positive electrode current collector, in which an anchor layer was applied to a width of 7.0 cm and a thickness of 1 μm on an aluminum foil having a width of 15.0 cm and a thickness of 15 μm, and a positive electrode precursor was produced by applying a positive electrode active material layer to a width of 6.0 cm, leaving a 0.5 cm wide exposed portion of the anchor layer. Next, a nonaqueous alkali metal storage element was produced by cutting out the positive electrode precursor so that the anchor layer became a protective layer measuring 0.5 cm x 2.5 cm.
正極保護層として無機微粒子を用いた実施例16および17においては、無機粒子を80質量部、カルボキシメチルセルロース5質量部、アクリルラテックス15質量部の水分散溶液を正極前駆体1の正極活物質層の端部から0.5cm幅で塗布、乾燥したものを用いた。 In Examples 16 and 17, in which inorganic fine particles were used as the positive electrode protective layer, an aqueous dispersion of 80 parts by weight of inorganic particles, 5 parts by weight of carboxymethyl cellulose, and 15 parts by weight of acrylic latex was applied to a width of 0.5 cm from the end of the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor 1 and then dried.
《実施例18》
厚さ10μmの電解銅箔の片面に、ドクターブレードを用いて負極塗工液1を塗工し、50℃に加熱したホットプレートで10分間乾燥した。続いて上記電解銅箔の裏面に負極塗工液1を塗工し、上記と同様に乾燥した。次いでロールプレス機を用いて、圧力5kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスすることにより、負極5を作製した。
Example 18
Negative electrode coating solution 1 was applied to one side of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm using a doctor blade, and dried for 10 minutes on a hot plate heated to 50° C. Next, negative electrode coating solution 1 was applied to the back side of the electrolytic copper foil, and dried in the same manner as above. Next, a roll press was used to press the foil under conditions of a pressure of 5 kN/cm and a surface temperature of the press part of 25° C., thereby preparing a negative electrode 5.
ドクターブレードを用いて、厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に正極塗工液1を塗工し、50℃に加熱したホットプレートで10分間乾燥した。続いて上記アルミニウム箔の裏面に正極塗工液1を塗工し、上記と同様に乾燥した。ロールプレス機を用いて圧力6kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスすることにより、正極前駆体5を得た。 Using a doctor blade, positive electrode coating solution 1 was applied to one side of a 15 μm thick aluminum foil, and then dried for 10 minutes on a hot plate heated to 50°C. Next, positive electrode coating solution 1 was applied to the back side of the aluminum foil, and then dried in the same manner as above. Positive electrode precursor 5 was obtained by pressing using a roll press under conditions of a pressure of 6 kN/cm and a surface temperature of the pressing part of 25°C.
正極前駆体5の集電体の両面に0.5cm×2.5cmのポリイミドテープを貼り付け、負極5、実施例1に使用されたものと同じセパレータ、正極前駆体5、セパレータ、負極5の順に、セパレータを挟んで正極活物質層と負極活物質層とが対向するよう積層し、電極積層体を得たこと以外は実施例1と同様の方法で非水系アルカリ金属蓄電素子を作製した。 A non-aqueous alkali metal storage element was produced in the same manner as in Example 1, except that 0.5 cm x 2.5 cm polyimide tape was attached to both sides of the current collector of the positive electrode precursor 5, and the negative electrode 5, the same separator as that used in Example 1, the positive electrode precursor 5, the separator, and the negative electrode 5 were laminated in this order, with the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer facing each other with the separator in between, to obtain an electrode laminate.
《比較例8》
厚さ12μmの開口率20%のエッチング銅箔を用いたこと以外は、実施例18と同様の方法で負極6を作製した。厚さ20μmの開口率20%のエッチングアルミニウム箔を用いたこと以外は、実施例18と同様の方法で正極前駆体6を作製した。負極6、セパレータ、正極前駆体6、セパレータ、負極6の順に、セパレータを挟んで正極活物質層と負極活物質層とが対向するよう積層し、電極積層体を得たこと以外は比較例1と同様の方法で非水系アルカリ金属蓄電素子を作製した。
Comparative Example 8
A negative electrode 6 was produced in the same manner as in Example 18, except that an etched copper foil having a thickness of 12 μm and an aperture ratio of 20% was used. A positive electrode precursor 6 was produced in the same manner as in Example 18, except that an etched aluminum foil having a thickness of 20 μm and an aperture ratio of 20% was used. A nonaqueous alkali metal storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 1, except that the negative electrode 6, the separator, the positive electrode precursor 6, the separator, and the negative electrode 6 were laminated in this order so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer faced each other with the separator sandwiched therebetween to obtain an electrode laminate.
実施例18、および比較例8の評価結果を表7に示す。 The evaluation results for Example 18 and Comparative Example 8 are shown in Table 7.
比較例8では、集電箔として開口部を有するエッチング箔を用いることで最外層の負極活物質層にもアルカリ金属イオンが均一にドープされた。その結果、最外層の負極活物質層の電位が下がり、電極体の外部の余剰な非水系電解液との反応が起こり易くなり、高温高電圧サイクルでの抵抗上昇と容量維持率の低下を招いたと考えられる。 In Comparative Example 8, the use of an etched foil with openings as the current collector foil allowed the alkali metal ions to be uniformly doped into the outermost negative electrode active material layer. As a result, the potential of the outermost negative electrode active material layer decreased, making it easier for a reaction to occur with excess nonaqueous electrolyte outside the electrode body, which is thought to have led to an increase in resistance and a decrease in capacity retention rate during high-temperature, high-voltage cycles.
本発明の非水系アルカリ金属蓄電素子は、高温高電圧環境下での高い耐久性が求められる自動車のハイブリット駆動システムの電力回生システム、太陽光発電や風力発電等の自然発電やマイクログリッド等における電力負荷平準化システム、工場の生産設備等における無停電電源システム、マイクロ波送電や電解共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電を目的とした非接触給電システム、振動発電等で発電した電力の利用を目的としたエナジーハーベストシステムに用いられる非水系アルカリ金属蓄電素子として好適に利用できる。該非水系アルカリ金属蓄電素子は、例えば、複数個の非水系アルカリ金属蓄電素子を直列、又は並列に接続して蓄電モジュールを作ることができる。本発明の非水系アルカリ金属蓄電素子は、リチウムイオンキャパシタとして適用したときに、本発明の効果が最大限に発揮されるため、好ましい。 The nonaqueous alkali metal storage element of the present invention can be suitably used as a nonaqueous alkali metal storage element for use in power regeneration systems for hybrid drive systems of automobiles that require high durability in high-temperature, high-voltage environments, power load leveling systems for natural power generation such as solar power generation and wind power generation and microgrids, uninterruptible power supply systems for factory production facilities, non-contact power supply systems for the purpose of leveling voltage fluctuations such as microwave transmission and electrolytic resonance and storing energy, and energy harvesting systems for the purpose of utilizing power generated by vibration power generation, etc. The nonaqueous alkali metal storage element can be used to create a storage module, for example, by connecting multiple nonaqueous alkali metal storage elements in series or in parallel. The nonaqueous alkali metal storage element of the present invention is preferable because the effects of the present invention are maximized when it is applied as a lithium ion capacitor.
E 電極体
1 負極
2 負極集電体
3 負極活物質層
4 セパレータ
5 正極
6 正極集電体
7 正極活物質層
8 保護層
9 非保護層
c 負極中央部
e 負極端部
о 負極外周部
E Electrode body 1
Claims (10)
鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池、または燃料電池と
を直列または並列に接続した、蓄電システム。 The nonaqueous alkali metal storage element according to any one of claims 1 to 7,
An energy storage system that connects lead batteries, nickel-metal hydride batteries, lithium-ion secondary batteries, or fuel cells in series or parallel.
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