JP2016072309A - Lithium ion capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セルロース微細繊維の作る微細な網目構造からなるセパレータを用いたリチウムイオンキャパシタに関する。 The present invention relates to a lithium ion capacitor using a separator having a fine network structure formed by cellulose fine fibers.
蓄電デバイスには主にニッケル・水素電池やリチウム2次イオン電池のように電池系のデバイスとアルミ電解コンデンサや電気2重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタのようにキャパシタ系のものとがある。従来、キャパシタ系デバイスの容量は、数pF(ピコファラッド)のオーダーから数mF(ミリファラッド)のオーダーの比較的小さな容量であったが、近年、電気2重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタのような大容量型コンデンサが出現し、特に、リチウムイオンキャパシタはエネルギー密度の観点でも電池系デバイスに対し、遜色ないレベルにまで到達しつつある。この結果、リチウムイオンキャパシタは、(1)電気化学的反応を伴わないため繰り返し耐性に優れる、(2)出力密度が高く、貯めた電気を一気に出力することができる、という従来電池が持ち合わせていなかったキャパシタならではの特徴を活かし、ハイブリッド自動車や燃料電池車のような次世代自動車用の搭載蓄電デバイスとして注目を浴びている。 Storage devices mainly include battery-type devices such as nickel-hydrogen batteries and lithium secondary ion batteries, and capacitor-type devices such as aluminum electrolytic capacitors, electric double layer capacitors, and lithium ion capacitors. Conventionally, the capacitance of a capacitor-based device has been a relatively small capacitance on the order of several pF (picofarad) to several mF (millifarad). Capacitance capacitors have emerged, and in particular, lithium ion capacitors are reaching a level comparable to battery-based devices from the viewpoint of energy density. As a result, the lithium-ion capacitor is not equipped with a conventional battery that (1) it has no electrochemical reaction and is excellent in repeated resistance, and (2) it has a high output density and can output stored electricity all at once. Taking advantage of the unique characteristics of the capacitor, it is attracting attention as an onboard storage device for next-generation vehicles such as hybrid vehicles and fuel cell vehicles.
当然のことながら、こうした蓄電デバイスはその用途に応じて適宜選択され、それぞれのデバイスに見合った分野で使用されてきた。その中でも、例えば、上述した次世代自動車用の蓄電デバイスは、新たな大きな市場を期待することができる点で多くの研究者が開発に参入している。燃料電池車における燃料電池の開発はその最も顕著な分野と言える。こと次世代自動車用蓄電デバイスに関して言えば、自動車に搭載する蓄電デバイスという観点から、従来の用途では要求されなかった新たな性能(例えば、使用環境としての高温耐性,更なる高エネルギー密度等)が必要となるケースが多く、そのことによって蓄電デバイスを構成する部材レベルでの改善も積極的に行われている。 As a matter of course, such an electricity storage device is appropriately selected according to its use, and has been used in a field suitable for each device. Among them, for example, many researchers have entered the development of the above-mentioned power storage device for next-generation automobiles in that a large new market can be expected. The development of fuel cells in fuel cell vehicles is the most prominent field. Regarding next-generation automotive energy storage devices, new performance (for example, high-temperature resistance as a usage environment, higher energy density, etc.) that was not required in conventional applications from the viewpoint of energy storage devices mounted on automobiles. There are many cases where this is necessary, and as a result, improvements at the member level that constitutes the electricity storage device are also being actively carried out.
多くの蓄電デバイスにおける主要な部材の一つであるセパレータに関して言えば、蓄電デバイスの種類によって要求される性能も当然異なるものの、リチウムイオンキャパシタに関しては、薄膜であっても、繰り返しの充放電による短絡(耐ショート性)がないことが実現でき、(1)デバイス使用環境での長期にわたる性能維持性(例えば、充電環境下での高温、長期に渡る安定性)、(2)限られたスペースの中で、特に体積を大きくせずに高容量化を図る、高い体積エネルギー密度化した蓄電デバイスを形成する(又は同一性能での軽量小型化)という要求性能が必要である。
以上のセパレータに対する要求物性をセパレータの構造上の特徴と関連付けると次のようになる。できるだけ微細な孔をもちながら通気性があり、かつ、内部抵抗の低減化に寄与する低内部抵抗セパレータにおいて、(1)に関しては、セパレータが本質的に耐熱性の材質から構成されていること、(2)の解決のためには従来存在するセパレータ膜と比して圧倒的に薄いこと、がそれぞれ必要となる。
Speaking of separators, which are one of the main components in many electricity storage devices, the required performance varies naturally depending on the type of electricity storage device. (1) Long-term performance maintenance in the device usage environment (for example, high temperature under charging environment, long-term stability), (2) limited space In particular, the required performance of forming an electricity storage device with a high volumetric energy density that achieves higher capacity without increasing the volume (or lighter and smaller with the same performance) is required.
The above required physical properties of the separator are related to the structural features of the separator as follows. In the low internal resistance separator that has air permeability while having as fine a hole as possible and contributes to the reduction of internal resistance, (1), the separator is essentially made of a heat resistant material, In order to solve the problem (2), it is necessary to be overwhelmingly thinner than conventional separator films.
これらの課題を解決すべく、多くの電解液に対し含浸性の面で優れた表面特性を有するセルロース系セパレータに関しても数多くの発明がなされている。例えば、以下の特許文献1では、電気二重層コンデンサに、原料として叩解可能な溶剤紡糸セルロース繊維の叩解原料を60〜100重量%の範囲で使用したセパレータを使用した技術が報告されている。セパレータの原料として叩解可能な溶剤紡糸セルロース繊維の叩解原料を使用しているため、叩解によって得られたフィブリルによりセパレータは非常に緻密な構造となり、ショート不良率を改善するための高い緻密性を有し、かつ、内部抵抗を改善するためにイオンが通る経路としての貫通孔を維持したセパレータを得られることが開示されている。一方で、太い繊維が残存しているために、得られるセパレータの厚みは25μmまでの実施例しかなく、これ以上の薄膜化は困難と記載されており、蓄電の高効率性を満足していない。 In order to solve these problems, many inventions have been made with respect to a cellulose-based separator having excellent surface characteristics in terms of impregnation with respect to many electrolytic solutions. For example, in the following Patent Document 1, a technique using a separator using a beating raw material of solvent-spun cellulose fiber that can be beaten as a raw material in a range of 60 to 100% by weight is reported in an electric double layer capacitor. Since the beating raw material of solvent-spun cellulose fiber is used as the separator raw material, the separator has a very dense structure due to the fibrils obtained by beating, and has a high density to improve the short-circuit defect rate. In order to improve internal resistance, it is disclosed that a separator maintaining a through hole as a path through which ions pass can be obtained. On the other hand, since thick fibers remain, the thickness of the separator obtained is only an example up to 25 μm, and it is stated that further thinning is difficult, and does not satisfy the high efficiency of power storage. .
また、以下の特許文献2や特許文献3においては、最大繊維径が1000nm以下であり、かつ、固体NMR法によって求められる結晶化度が60%以上であるセルロース繊維を用いた蓄電デバイス用セパレータが報告されている。これら技術は、微多孔構造を創出しやすいという観点から、200nm以下の数平均繊維径の微細セルロースを用いて蓄電デバイス用セパレータを形成している。セルロース繊維径を非常に小さくし超微多孔構造を形成させることで、低内部抵抗性を発現させた技術であるものの、該セパレータを使用した蓄電デバイスでは、繊維が細過ぎて表面積が大きいが故に電極と接するセパレータ周辺で進行する酸化還元反応に対する耐性、すなわち、耐久性の点において十分な性能を保有しているとは言えなかった。それ故、自動車用途で求められるようなセパレータとしての要求特性をすべて満足しているものではなく、上述した(1)と(2)の課題の両者を解決するための構成要件に関する記載及び効果の点で、発明は未完成のままであった。すなわち、上述した2つの課題をすべて満足するセパレータを現実的な方法で提供できる技術は未だ確立されていないのが現状である。 Moreover, in the following patent document 2 and patent document 3, the separator for electrical storage devices using the cellulose fiber whose maximum fiber diameter is 1000 nm or less and whose crystallinity calculated | required by solid NMR method is 60% or more is provided. It has been reported. These technologies form a separator for an electricity storage device using fine cellulose having a number average fiber diameter of 200 nm or less from the viewpoint of easily creating a microporous structure. Although it is a technology that expresses low internal resistance by making the cellulose fiber diameter very small and forming a microporous structure, in the electricity storage device using this separator, the fibers are too thin and the surface area is large. It cannot be said that it has sufficient performance in terms of resistance to the redox reaction proceeding around the separator in contact with the electrode, that is, durability. Therefore, it does not satisfy all the required characteristics as a separator as required in automotive applications, and the description and effects of the structural requirements for solving both the above problems (1) and (2). In that respect, the invention remained unfinished. That is, at present, a technology that can provide a separator that satisfies all of the two problems described above in a realistic manner has not yet been established.
上述の状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、セパレータが薄膜でありながら耐ショート性及び化学的・物理的安定性に優れ、デバイスとしての低内部抵抗化を実現し、さらに耐熱性、長期安定性に優れたリチウムイオンキャパシタを提供することである。 In view of the above situation, the problem to be solved by the present invention is that the separator is a thin film, but has excellent short circuit resistance and chemical / physical stability, realizes low internal resistance as a device, and further has heat resistance. It is to provide a lithium ion capacitor having excellent long-term stability.
本発明者らは、上記課題を解決すべき鋭意検討し、実験を重ねた結果、微細セルロース繊維からな微多孔性でかつ高空孔率の微細セルロースシートであって、再生セルロース微細繊維の比表面積相当繊維径を0.20μm以上0.45μm以下、透気抵抗度を5s/100ml以上40s/100ml以下、膜厚を8μm以上22μm以下と設計することで、上述した課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems and repeated experiments, the inventors of the present invention are microporous and high-porosity fine cellulose sheets made of fine cellulose fibers, which have a specific surface area of regenerated cellulose fine fibers. It has been found that the above-mentioned problems can be solved by designing an equivalent fiber diameter of 0.20 μm to 0.45 μm, an air resistance of 5 s / 100 ml to 40 s / 100 ml, and a film thickness of 8 μm to 22 μm. The present invention has been completed.
すなわち、本発明は、以下のとおりのものである。
[1]炭素材料を負極活物質として含む負極活物質層が負極集電体に設置されている負極電極体;
セパレータ;及び
炭素材料又は炭素化合物材料のいずれかから成る正極活物質を含む正極活物質層が正極集電体に設置されている正極電極体;
を積層して成る電極積層体;並びに
リチウムイオン含有電解質を含む非水系電解液;
を、外装体に収納して含むリチウムイオンキャパシタであって、
該セパレータが、再生セルロース微細繊維を70重量%以上で含むセルロース微細繊維層を少なくとも一層含む単層又は3層以下の複数層から構成され、以下の要件:
(1)セルロース微細繊維層を構成する繊維の比表面積相当繊維径が0.20μm以上0.45μm以下である;
(2)透気抵抗度が5s/100ml以上40s/100ml以下である;及び
(3)膜厚が8μm以上22μm以下である;
を満足するセパレータであることを特徴とする前記リチウムイオンキャパシタ。
That is, the present invention is as follows.
[1] A negative electrode body in which a negative electrode active material layer containing a carbon material as a negative electrode active material is disposed on a negative electrode current collector;
A positive electrode body in which a positive electrode active material layer including a positive electrode active material made of either a carbon material or a carbon compound material is disposed on a positive electrode current collector;
A non-aqueous electrolyte containing a lithium ion-containing electrolyte;
A lithium ion capacitor that is housed in an exterior body,
The separator is composed of a single layer containing at least one cellulose fine fiber layer containing regenerated cellulose fine fibers at 70% by weight or more, or a plurality of layers of 3 layers or less, and the following requirements:
(1) The specific surface area equivalent fiber diameter of the fibers constituting the cellulose fine fiber layer is 0.20 μm or more and 0.45 μm or less;
(2) Air permeability resistance is 5 s / 100 ml or more and 40 s / 100 ml or less; and (3) Film thickness is 8 μm or more and 22 μm or less;
The lithium ion capacitor characterized by being a separator satisfying the following.
[2]前記セルロース微細繊維層の目付が4g/m2以上13g/m2以下である、前記[1]に記載のリチウムイオンキャパシタ。 [2] The lithium ion capacitor according to [1], wherein the basis weight of the cellulose fine fiber layer is 4 g / m 2 or more and 13 g / m 2 or less.
[3]前記再生セルロース微細繊維の比表面積相当繊維径が0.20μm以上0.45μm以下である、前記[1]又は[2]に記載のリチウムイオンキャパシタ。 [3] The lithium ion capacitor according to [1] or [2], wherein the regenerated cellulose fine fiber has a specific surface area equivalent fiber diameter of 0.20 μm or more and 0.45 μm or less.
[4]前記セルロース微細繊維層に天然セルロース微細繊維が30重量%未満で含まれる、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [4] The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [3], wherein the cellulose fine fiber layer contains natural cellulose fine fibers at less than 30% by weight.
[5]前記セルロース微細繊維層にCSFが300ml↑以上の微細繊維である天然セルロース微細繊維が30重量%未満で含まれる、前記[1]〜[4]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [5] The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [4], wherein the cellulose fine fiber layer includes natural cellulose fine fibers that are fine fibers having a CSF of 300 ml ↑ or more in an amount of less than 30% by weight.
[6]前記セルロース微細繊維層にセルロース以外の有機ポリマーからなる微細繊維が30重量%未満で含まれる、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [6] The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [3], wherein the cellulose fine fiber layer contains fine fibers made of an organic polymer other than cellulose at less than 30% by weight.
[7]前記セルロース微細繊維層が、反応性架橋剤を10重量%以下で含む、前記[1]〜[6]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [7] The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [6], wherein the cellulose fine fiber layer contains a reactive crosslinking agent in an amount of 10% by weight or less.
[8]3層以下の複数層構造の一層として、目付3g/m2以上15g/m2以下の不織布又は紙である基材層を含む、前記[1]〜[7]いずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [8] one layer of the multilayer structure of 3 layers or less, comprising a substrate layer is a basis weight 3 g / m 2 or more 15 g / m 2 or less of the nonwoven fabric or paper, the [1] to [7] according to any one Lithium ion capacitor.
[9]前記セパレータの片面又は両面に絶縁多孔膜が形成されている、前記[1]〜[8]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [9] The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [8], wherein an insulating porous film is formed on one side or both sides of the separator.
[10]前記絶縁多孔膜は、無機フィラー及び樹脂バインダーを含み、かつ、目付が2g/m2以上10g/m2以下である、前記[9]に記載のリチウムイオンキャパシタ。 [10] The lithium ion capacitor according to [9], wherein the insulating porous film includes an inorganic filler and a resin binder, and has a basis weight of 2 g / m 2 or more and 10 g / m 2 or less.
[11]前記負極活物質が、活性炭の表面が炭素材料で被覆された複合多孔性材料であり、かつ、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Vm1(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Vm2(cc/g)とするとき、0.010≦Vm1≦0.250、0.001≦Vm2≦0.200、及び1.5≦Vm1/Vm2≦20.0を満たす、前記[1]〜[10]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [11] The negative electrode active material is a composite porous material in which the surface of activated carbon is coated with a carbon material, and the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method is Vm1 ( cc / g), when the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method is Vm2 (cc / g), 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.250, 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0 200 and 1.5 ≦ Vm1 / Vm2 ≦ 20.0, the lithium ion capacitor according to any one of [1] to [10].
[12]前記負極活物質が、活性炭の表面が炭素質材料で被覆された複合多孔性材料であり、かつ、前記複合多孔性材料の単位質量あたり1,050mAh/g以上2,050mAh/g以下のリチウムイオンがプリドープされており、前記炭素質材料の前記活性炭に対する質量比率が、10%以上60%以下であり、そして前記負極活物質層の厚さが、片面当たり20μm以上45μm以下である、前記[1]〜[10]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [12] The negative electrode active material is a composite porous material in which the surface of activated carbon is coated with a carbonaceous material, and the unit mass of the composite porous material is not less than 1,050 mAh / g and not more than 2,050 mAh / g. Lithium ions are pre-doped, the mass ratio of the carbonaceous material to the activated carbon is 10% or more and 60% or less, and the thickness of the negative electrode active material layer is 20 μm or more and 45 μm or less per side, The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [10].
[13]前記正極活物質が、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、0.3<V1≦0.8、及び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以下を示す活性炭である、前記[1]〜[12]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [13] The positive electrode active material is derived from V1 (cc / g) mesopore amount derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method, and from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method. When the amount of micropores is V2 (cc / g), 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 1, The lithium ion capacitor according to any one of [1] to [12], wherein the lithium ion capacitor is activated carbon that exhibits 500 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less.
[14]前記正極活物質が、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V1(cc/g)が0.8<V1≦2.5を満たし、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V2(cc/g)が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3,000m2/g以上4,000m2/g以下を示す活性炭である、前記[1]〜[12]のいずれかに記載のリチウムイオンキャパシタ。 [14] The positive electrode active material has a mesopore volume V1 (cc / g) derived from pores having a diameter of 20 mm or more and 500 mm or less calculated by the BJH method satisfying 0.8 <V1 ≦ 2.5, and by the MP method. The calculated micropore amount V2 (cc / g) derived from pores having a diameter of less than 20 mm satisfies 0.8 <V2 ≦ 3.0, and the specific surface area measured by the BET method is 3,000 m 2 / g. The lithium ion capacitor according to any one of the above [1] to [12], which is activated carbon exhibiting 4,000 m 2 / g or less.
本発明のセパレータは、薄膜でありながら耐ショート性、耐熱性、及び化学的・物理的安定性に優れており、これを使用したリチウムイオンキャパシタは優れた電気特性(低内部抵抗化,小さな漏れ電流値等)、長期安定性を実現することができる。 Although the separator of the present invention is a thin film, it has excellent short-circuit resistance, heat resistance, and chemical / physical stability. A lithium ion capacitor using the separator has excellent electrical characteristics (low internal resistance, small leakage). Current value etc.) and long-term stability can be realized.
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態のリチウムイオンキャパシタに用いるセパレータは、再生セルロース微細繊維を70重量%以上含むセルロース微細繊維層を少なくとも一層含む単層又は3層以下の複数層から構成される蓄電デバイス用セパレータであって、以下の:
(1)セルロース微細繊維層を構成する繊維の比表面積相当繊維径が0.20μm以上0.45μm以下である;
(2)透気抵抗度が5s/100ml以上40s/100ml以下である;及び
(3)膜厚が8μm以上22μm以下である;
を特徴とするセパレータである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The separator used in the lithium ion capacitor of the present embodiment is a separator for an electricity storage device composed of a single layer including at least one cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of regenerated cellulose fine fibers or a plurality of layers of 3 layers or less. ,below:
(1) The specific surface area equivalent fiber diameter of the fibers constituting the cellulose fine fiber layer is 0.20 μm or more and 0.45 μm or less;
(2) Air permeability resistance is 5 s / 100 ml or more and 40 s / 100 ml or less; and (3) Film thickness is 8 μm or more and 22 μm or less;
It is a separator characterized by these.
蓄電デバイスにおいて低内部抵抗化を追求すると、理想的にはセパレータがない、すなわち、セパレータの存在する空間が電解液で満たされた状態が望まれる。これは、電解液に対して、元来非導電性固体であるセパレータの構成材料が極めて高い電気的抵抗を有するためである。しかしながら、それでは正負電極の接触に基づくショート性に問題が生じるため、空孔率ができるだけ高い、すなわち、電解液で置換できる空間ができるだけ多いセパレータが必要となる。
セパレータの種類としては、不織布系のセパレータと微多孔膜(一般的には、膜を多孔化したもの)系のセパレータが考えられるが、本発明者らは、同程度の貫通孔サイズと同程度の空孔率を仮定した場合、セルロース系の不織布が望ましいことを見出した。材質としてセルロースが望ましい理由は、セルロースが両親媒性の表面特性を有し(例えば、H. Ono et al., Trans. Mat. Res. Soc. Jpn., 26, 569-572 (2001))、多くの蓄電デバイスで使用される水系電解液又は有機系電解液に対する濡れ性が極めて良好であるからである。実際、アルミ電解コンデンサや鉛蓄電池用のセパレータとしてセルロース不織布(紙)が使用されている。また、微多孔膜に対し不織布系膜が優れる理由は、前者がオープンポア(貫通孔又は孔の両側が貫通孔に通じている孔)の他にクローズドポア(孔の片側が貫通孔に通じていない孔)が共存するのに対し、後者では構造上、ほぼオープンポアのみから構成され、表面濡れ性が良い場合には、空孔のほとんどが電解液で占められる状態を作ることができるためである。クローズドポアの存在する微多孔膜では、特に、孔径が小さくなると、表面張力等種々の理由により電解液を含浸させた状態でも空孔が存在する。基本的に空気等の気相は電解液に比べ高い抵抗値を有するため、クローズドポアの存在は内部抵抗を低減させるのを阻害する。
さらに内部抵抗を低減させるのに必要な方策はセパレータの膜厚を薄くすることであるが、通常の繊維(細いものでも繊維径は数μm以上)では不織布の膜厚を薄くするのに限界がある。何故なら、比較的太い繊維で薄くて空孔率が高いセパレータを作ろうとすると貫通孔径は大きくなってしまい、耐ショート性に問題が生じるためである。逆に言えば、内部抵抗の低減化に寄与する薄い不織布系膜を高空孔率かつ微小な貫通孔径で提供しようとすると微小な繊維径を有するセルロース繊維を使用することが必須条件となる。
When a reduction in internal resistance is pursued in an electricity storage device, ideally there is no separator, that is, a state where the space where the separator exists is filled with an electrolyte is desired. This is because the constituent material of the separator, which is originally a non-conductive solid, has an extremely high electric resistance with respect to the electrolytic solution. However, this causes a problem with short-circuiting due to contact between the positive and negative electrodes, and therefore a separator having as high a porosity as possible, that is, having as much space as can be replaced with the electrolyte is required.
As the types of separators, non-woven separators and microporous membrane (generally porous membranes) separators can be considered, but the present inventors have the same degree of through-hole size. It was found that a cellulose-based non-woven fabric is desirable when the porosity of is assumed. The reason why cellulose is desirable as a material is that it has amphiphilic surface characteristics (for example, H. Ono et al., Trans. Mat. Res. Soc. Jpn., 26, 569-572 (2001)) It is because the wettability with respect to the water-system electrolyte solution or organic-system electrolyte solution used with many electrical storage devices is very favorable. In fact, cellulose nonwoven fabric (paper) is used as a separator for aluminum electrolytic capacitors and lead-acid batteries. In addition, the reason why the nonwoven fabric film is superior to the microporous film is that the former is a closed pore (one side of the hole is connected to the through hole) in addition to the open pore (the hole having the through hole or both sides of the hole being connected to the through hole). In the latter case, the structure consists of almost only open pores, and when the surface wettability is good, it is possible to create a state where most of the pores are occupied by the electrolyte. is there. In a microporous membrane having closed pores, pores are present even when impregnated with an electrolytic solution for various reasons such as surface tension, particularly when the pore diameter is small. Basically, a gas phase such as air has a higher resistance value than the electrolytic solution, so the presence of closed pores inhibits the reduction of internal resistance.
Further measures to reduce the internal resistance are to reduce the thickness of the separator, but there is a limit to reducing the thickness of the non-woven fabric with normal fibers (thin fibers having a fiber diameter of several μm or more). is there. This is because if the separator is made of a relatively thick fiber and is thin and has a high porosity, the diameter of the through-hole becomes large, causing a problem in short-circuit resistance. In other words, to provide a thin non-woven membrane that contributes to a reduction in internal resistance with a high porosity and a small through-hole diameter, it is essential to use cellulose fibers having a fine fiber diameter.
以下、本実施形態のリチウムイオンキャパシタに用いるセパレータの条件について詳細に説明する。
まず、本実施形態のセパレータを構成する微細セルロース繊維について説明する。
本明細書中、再生セルロースとは、天然セルロースを溶解又は結晶膨潤(マーセル化)処理し再生して得られる物質であって、粒子線回折によって格子面間隔0.73nm、0.44nm及び0.40nmに相当する回折角を頂点とする結晶回折パターン(セルロースII型結晶)を与えるような分子配列を有するβ1,4−結合グルカン(グルコース重合体)を言い、例えば、レーヨン、キュプラ、テンセル等の再生セルロース繊維を意味する。これらの中でも微細化のし易さの観点から、繊維軸方向への分子配向性の高いキュプラまたはテンセルを原料として微細化した繊維を用いることが好ましい。
Hereinafter, the conditions of the separator used for the lithium ion capacitor of this embodiment will be described in detail.
First, the fine cellulose fiber which comprises the separator of this embodiment is demonstrated.
In the present specification, regenerated cellulose is a substance obtained by regenerating natural cellulose by dissolving or crystal swelling (mercelization) treatment, and the lattice spacing of 0.73 nm, 0.44 nm and 0. A β1,4-bonded glucan (glucose polymer) having a molecular arrangement that gives a crystal diffraction pattern (cellulose type II crystal) with a diffraction angle corresponding to 40 nm as the apex, such as rayon, cupra, tencel, etc. Regenerated cellulose fiber is meant. Among these, from the viewpoint of ease of miniaturization, it is preferable to use fine fibers made from cupra or tencel having a high molecular orientation in the fiber axis direction.
再生セルロース微細繊維の最大繊維太さは3μm以下であることが好ましく、より好ましくは2.5μm以下、さらに好ましくは2μm以下である。ここで、最大繊維太さが3μm以下であるとは、以下の条件で測定されるセルロース不織布の電子顕微鏡(SEM)において、画像上で3μmの繊維径を超える繊維が全く確認できないことを意味する。
セパレータの表面SEM画像を1万倍相当の倍率にて採取し、この画像中に含まれるいずれの交絡繊維についても繊維径が3μm以下であり、かつ、同様にキャスト表面の任意の部分を同一条件のSEM画像で観察し、合計100本以上の繊維について同じように3μmの繊維径を超える繊維が確認できない場合、最大繊維径が3μm以下であると定義する。ただし、画像において数本の微細繊維が多束化して3μm以上の繊維径となっていることが明確に確認できる場合には3μm以上の繊維径をもつ繊維とはしないものとする。最大繊維太さが3μmを超えると薄膜性のセパレータの製造において孔径等の均一性が確保し難くなるため好ましくない。
The maximum fiber thickness of the regenerated cellulose fine fiber is preferably 3 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, and further preferably 2 μm or less. Here, the maximum fiber thickness of 3 μm or less means that no fiber exceeding 3 μm fiber diameter can be confirmed on the image in an electron microscope (SEM) of a cellulose nonwoven fabric measured under the following conditions. .
A surface SEM image of the separator was collected at a magnification equivalent to 10,000 times, and the fiber diameter of any entangled fiber contained in this image was 3 μm or less, and similarly, any part of the cast surface was subjected to the same conditions. When a fiber exceeding a fiber diameter of 3 μm cannot be confirmed in the same manner for a total of 100 or more fibers, the maximum fiber diameter is defined as 3 μm or less. However, if it can be clearly confirmed that several fine fibers are bundled in the image to have a fiber diameter of 3 μm or more, it is not considered as a fiber having a fiber diameter of 3 μm or more. When the maximum fiber thickness exceeds 3 μm, it is difficult to ensure uniformity such as pore diameter in the production of a thin film separator, which is not preferable.
本実施形態のセパレータとして、再生セルロースを70重量%以上含むセルロース微細繊維層の比表面積相当繊維径は、好ましくは0.45μm以下、より好ましくは0.43μm以下、さらに好ましくは0.40μ以下である。ここで、比表面積相当繊維径について説明する。窒素吸着によるBET法を用いて比表面積をまず評価し、該比表面積に対し、セパレータを構成する繊維が仮想的に、繊維間の融着が全く起こっていない理想状態であり、かつ、セルロース密度がd(g/cm3)でありL/D(L:繊維長,D:繊維径(共に単位:μm))が無限大である円柱である繊維によって表面が構成されると仮定した円柱モデルによって、比表面積と繊維径に関する次式:
比表面積=4/(dD) (m2/g)
を誘導した。BET法による比表面積を上式の比表面積として代入し、セルロース密度としてd=1.50g/cm3を代入することにより繊維径Dに換算した数値を、比表面積相当繊維径と定義する。ここで、BET法による比表面積測定は、比表面積・細孔分布測定装置(ベックマン・コールター社製)にて、試料約0.2gに対する液体窒素の沸点における窒素ガスの吸着量を同装置のプログラムに則り測定した後、比表面積を算出した。
As the separator of this embodiment, the specific surface area equivalent fiber diameter of the cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of regenerated cellulose is preferably 0.45 μm or less, more preferably 0.43 μm or less, and further preferably 0.40 μm or less. is there. Here, the specific surface area equivalent fiber diameter will be described. The specific surface area is first evaluated using the BET method by nitrogen adsorption, and the fibers constituting the separator are virtually in an ideal state in which no fusion between the fibers occurs with respect to the specific surface area, and the cellulose density Is a cylindrical model in which the surface is constituted by fibers that are cylinders of which d is g (cm / cm 3 ) and L / D (L: fiber length, D: fiber diameter (both units: μm)) is infinite Depending on the specific surface area and fiber diameter:
Specific surface area = 4 / (dD) (m 2 / g)
Induced. The specific surface area by the BET method is substituted as the specific surface area of the above formula, and the numerical value converted to the fiber diameter D by substituting d = 1.50 g / cm 3 as the cellulose density is defined as the specific surface area equivalent fiber diameter. Here, the specific surface area measurement by the BET method is performed by measuring the adsorption amount of nitrogen gas at the boiling point of liquid nitrogen with respect to about 0.2 g of sample with a specific surface area / pore distribution measuring device (manufactured by Beckman Coulter). Then, the specific surface area was calculated.
本実施形態のセパレータは、再生セルロース微細繊維を70重量%以上含むセルロース微細繊維層の比表面積相当繊維径上記範囲に選択することにより、均一な厚み分布をもつセパレータを好適に提供することができる。再生セルロースを70重量%以上含むセルロース微細繊維層の比表面積相当繊維径が0.45μmを超えると、繊維径が太すぎるために、上述した微細繊維による微多孔構造の分布が大きくなる、すなわち大きな孔径の孔が散在するため、耐ショート性を維持しながら、薄膜化を追求するという観点から、好ましくない。 The separator of the present embodiment can suitably provide a separator having a uniform thickness distribution by selecting the fiber diameter corresponding to the specific surface area of the cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of regenerated cellulose fine fibers in the above range. . When the fiber diameter corresponding to the specific surface area of the cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of the regenerated cellulose exceeds 0.45 μm, the fiber diameter is too thick, so that the distribution of the microporous structure by the fine fibers described above becomes large, that is, large Since the holes having the hole diameter are scattered, it is not preferable from the viewpoint of pursuing a thin film while maintaining short-circuit resistance.
再生セルロース微細繊維を70重量%以上含むセルロース微細繊維層の比表面積相当繊維径は、好ましくは0.20μm以上、より好ましくは0.25μm以上である。再生セルロースを70重量%以上含むセルロース微細繊維層の比表面積相当繊維径が0.20μm未満となると、デバイスを組み充放電を続けて長期安定性評価をした際、繊維径が細すぎるために、劣化の原因となり、内部抵抗の経時的増大やガス発生に繋がることもあるため、好ましくない。 The fiber diameter corresponding to the specific surface area of the cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of regenerated cellulose fine fibers is preferably 0.20 μm or more, more preferably 0.25 μm or more. When the fiber diameter corresponding to the specific surface area of the cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of regenerated cellulose is less than 0.20 μm, when the device is assembled and charged and discharged for long-term stability evaluation, the fiber diameter is too thin. This is not preferable because it may cause deterioration and increase internal resistance over time or gas generation.
本実施形態のセパレータは、透気抵抗度が5s/100ml以上40s/100ml以下の範囲である。ここで、透気抵抗度はJIS P 8117に記載のガーレー試験機法に基づき測定される数値を意味する。透気抵抗度は6s/100ml以上35s/100ml以下の範囲内であることが好ましい。透気抵抗度が5s/100mlより低いと耐ショート性と強度の面で問題が生じ、セパレータとしての機能を発現しなくなるため好ましくない。また、40s/100mlを超える場合には、空孔率が著しく低下するか、あるいは孔径が小さくなり過ぎ、電解液のイオン透過性の点で不利となり、内部抵抗を高める効果として作用するため、セパレータとして好ましくない。 The separator of the present embodiment has a gas permeability resistance in the range of 5 s / 100 ml to 40 s / 100 ml. Here, the air resistance is a numerical value measured based on the Gurley tester method described in JIS P 8117. The air resistance is preferably in the range of 6 s / 100 ml to 35 s / 100 ml. If the air permeation resistance is lower than 5 s / 100 ml, problems occur in terms of short-circuit resistance and strength, and the function as a separator is not exhibited, which is not preferable. In addition, when it exceeds 40 s / 100 ml, the porosity is remarkably reduced or the pore diameter becomes too small, which is disadvantageous in terms of ion permeability of the electrolytic solution, and acts as an effect of increasing internal resistance. It is not preferable.
本実施形態のセパレータは、上述したように微細セルロース繊維をシート状に加工して得ることができるが、加工上及び機能上の制約により実質的に膜厚が8μm以上22μm以下であることが好ましい。ここで、膜厚の測定は、面接触型の膜厚計、例えば、Mitutoyo製の膜厚計(Model ID−C112XB)等を用い、セパレータから10.0cm×10.0cmの正方形片を切り取り種々な位置について5点の測定値の平均値を膜厚T(μm)とする。また、膜厚の測定で切り取った10.0cm×10.0cmの正方形片の膜厚T(μm)と、その重さW(g)から、次式:
W0=100×W
を用いて膜の目付W0(g/m2)を算出することができる。
The separator of this embodiment can be obtained by processing fine cellulose fibers into a sheet as described above, but it is preferable that the film thickness is substantially 8 μm or more and 22 μm or less due to processing and functional restrictions. . Here, the film thickness is measured by using a surface contact type film thickness meter, for example, a Mitutoyo film thickness meter (Model ID-C112XB) or the like, and cutting a 10.0 cm × 10.0 cm square piece from the separator. The average value of the measured values at five points for a certain position is defined as a film thickness T (μm). Further, from the film thickness T (μm) of a 10.0 cm × 10.0 cm square piece cut out in the measurement of the film thickness and its weight W (g), the following formula:
W0 = 100 × W
Can be used to calculate the basis weight W0 (g / m 2 ) of the film.
本実施形態のセパレータの膜厚は、より好ましくは9μm以上20μm以下、さらに好ましくは9μm以上18μm以下である。膜厚が上記の範囲であると、低内部抵抗等の電気特性(機能面)やセパレータを捲回してデバイスを組み立てる際の取り扱い性が極めて良好なセパレータとなる。厚みが8μmより薄いとデバイス組み立て工程において取り扱い難くなり不適切な場合があり、経時的劣化に伴うショートの発生長期安定性の観点からも好ましくない。また、厚みが22μmよりも大きいと、低内部抵抗化等の望ましい効果が期待できなくなることもある。 The film thickness of the separator of this embodiment is more preferably 9 μm or more and 20 μm or less, and further preferably 9 μm or more and 18 μm or less. When the film thickness is in the above range, a separator having extremely good electrical characteristics (functional aspect) such as low internal resistance and handling property when winding a separator to assemble a device is obtained. If the thickness is less than 8 μm, it is difficult to handle in the device assembling process, which may be inappropriate. On the other hand, if the thickness is larger than 22 μm, a desirable effect such as a reduction in internal resistance may not be expected.
本実施形態のセパレータに用いられるセルロース微細繊維層の目付は、好ましくは4g/m2以上13g/m2以下、より好ましくは5g/m2以上12g/m2以下である。目付が4g/m2未満であると、デバイス組み立て工程において取り扱い難くなり不適切な場合があり、長期安定性の観点から好ましくない。他方、目付が13g/m2より大きいと、薄膜化できないうえに、絶縁体目付が増大することにより低内部抵抗化等の望ましい効果が期待できなくなる。 The basis weight of the cellulose fine fiber layer used in the separator of the present embodiment is preferably 4 g / m 2 or more and 13 g / m 2 or less, more preferably 5 g / m 2 or more and 12 g / m 2 or less. When the basis weight is less than 4 g / m 2, it is difficult to handle in the device assembly process and may be inappropriate, which is not preferable from the viewpoint of long-term stability. On the other hand, if the basis weight is larger than 13 g / m 2 , it is not possible to reduce the thickness of the film, and a desirable effect such as a low internal resistance cannot be expected due to an increase in the basis weight of the insulator.
本実施形態のセパレータに用いられる再生セルロース微細繊維を70重量%以上含むセルロース微細繊維層には、さらに再生セルロース微細繊維の他に天然セルロース微細繊維が30重量%未満含まれていてもよい。天然セルロース微細繊維を使用することで、その構成単位であるミクロフィブリルの細さから、0.20μm未満の繊維径の微細セルロース繊維の製造が比較的容易に得られ、またより細く繊維長/繊維径比率の大きな天然セルロース微細繊維の混在によりセパレータ強度を増大させることができる。これを30重量%未満含むことで、セルロース微細繊維層の強度が増加し、デバイスを組み立てる際の取り扱い性が極めて良好なセパレータとなる。天然セルロース微細繊維の含有量は好ましくは20重量%未満である。 The cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of the regenerated cellulose fine fiber used in the separator of the present embodiment may further contain less than 30% by weight of natural cellulose fine fiber in addition to the regenerated cellulose fine fiber. By using natural cellulose fine fibers, it is relatively easy to produce fine cellulose fibers having a fiber diameter of less than 0.20 μm from the fineness of microfibrils, which are the structural units, and the finer fiber length / fiber Separator strength can be increased by mixing natural cellulose fine fibers having a large diameter ratio. By containing less than 30% by weight, the strength of the cellulose fine fiber layer is increased, and the separator becomes extremely good in handling when assembling the device. The content of natural cellulose fine fibers is preferably less than 20% by weight.
本実施形態のセパレータに用いられるセルロース微細繊維層中の天然セルロース微細繊維径は、最大繊維太さが2μm以下であることが好ましい。最大繊維径が太すぎる場合、上述した微細繊維による微多孔構造に基づいき耐ショート性を維持しつつ薄膜化を追求するという観点から、好ましくない場合がある。
セルロースの最大繊維径が2μmを超えない天然セルロース微細繊維としては、広葉樹又は針葉樹から得られる木材パルプ、精製リンターあるいは各種植物種(竹、麻系繊維、バガス、ケナフ、リンター等)からの精製パルプ等を高度に微細化処理したものの他に、セルロース生産菌(バクテリア)の作るバクテリアセルロース(BC)のようなネバードライで微細繊維の集合体である天然セルロース微細繊維も含まれる。
As for the natural cellulose fine fiber diameter in the cellulose fine fiber layer used for the separator of this embodiment, it is preferable that the maximum fiber thickness is 2 micrometers or less. When the maximum fiber diameter is too large, it may not be preferable from the viewpoint of pursuing a thin film while maintaining short-circuit resistance based on the above-described microporous structure with fine fibers.
Natural cellulose fine fibers whose maximum fiber diameter does not exceed 2 μm include wood pulp obtained from hardwoods or conifers, refined linters, or refined pulps from various plant species (bamboo, hemp fiber, bagasse, kenaf, linter, etc.) In addition to those obtained by highly refining and the like, natural cellulose fine fibers that are aggregates of never-dry and fine fibers such as bacterial cellulose (BC) produced by cellulose-producing bacteria (bacteria) are also included.
また、本実施形態のセパレータに用いられる再生セルロース微細繊維を70重量%以上含むセルロース微細繊維層には、さらに再生セルロース微細繊維の他にセルロース以外の有機ポリマーからなる微細繊維が30重量%未満含まれていてもよく、好ましくは25重量%以下である。該有機ポリマーとしては微細繊維を製造し得る有機ポリマーであれば何でも使用することができ、例えば、芳香族系又は脂肪族系のポリエステル、ナイロン、ポリアクリロニトリル、セルロースアセテート、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリケトン、芳香族系ポリアミド、ポリイミド、絹、羊毛等のセルロース以外の天然有機ポリマーを挙げることができるがこれらに限定されない。該有機ポリマーからなる微細繊維は、有機繊維を叩解、又は高圧ホモジナイザー等による微細化処理により高度にフィブリル化あるいは微細化させた微細繊維、各種ポリマーを原料としてエレクトロスピニング法によって得られる微細繊維、各種ポリマーを原料としてメルトブロウン法によって得られる微細繊維等を挙げることができるが、これらに限定されない。これらの中でも、特に全芳香族ポリアミドであるアラミド繊維を高圧ホモジナイザーにより微細化した微小繊維状アラミド、ティアラ(登録商標)(ダイセル化学工業(株)製)は、平均繊維径0.2〜0.3μm、平均繊維長500〜600μmであり、アラミド繊維の高耐熱性、高い化学的安定性とも相まって、本実施形態における繊維状フィラーとして好適に使用することができる。 In addition, the cellulose fine fiber layer containing 70% by weight or more of the regenerated cellulose fine fibers used in the separator of this embodiment further contains less than 30% by weight of fine fibers made of an organic polymer other than cellulose in addition to the regenerated cellulose fine fibers. Preferably, it is 25 weight% or less. As the organic polymer, any organic polymer capable of producing fine fibers can be used. For example, aromatic or aliphatic polyester, nylon, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyurethane, polyethylene, polypropylene, polyketone In addition, natural organic polymers other than cellulose, such as aromatic polyamide, polyimide, silk, and wool, can be mentioned, but are not limited thereto. The fine fibers made of the organic polymer are fine fibers obtained by beating organic fibers, or highly fibrillated or miniaturized by a refining process using a high-pressure homogenizer, various fine fibers obtained by electrospinning using various polymers as raw materials, Although the fine fiber etc. which are obtained with a polymer by the melt blown method can be mentioned as a raw material, it is not limited to these. Among these, a microfibrous aramid obtained by refining an aramid fiber, which is a wholly aromatic polyamide, with a high-pressure homogenizer, Tiara (registered trademark) (manufactured by Daicel Chemical Industries) has an average fiber diameter of 0.2 to 0.00. It is 3 μm and has an average fiber length of 500 to 600 μm, and can be suitably used as a fibrous filler in the present embodiment, coupled with high heat resistance and high chemical stability of aramid fibers.
次にセルロース微細繊維の製造方法について記載する。セルロース繊維の微細化は、再生セルロース繊維、天然セルロース繊維共に、前処理工程、叩解処理工程及び微細化工程を経ることが好ましい。特に再生セルロース繊維を微細化する場合には前処理工程は油剤を除去するための、場合によって界面活性剤を使用する水洗工程にて実施できるが、天然セルロース繊維の前処理工程においては、100〜150℃の温度での水中含浸下でのオートクレーブ処理、酵素処理等、又はこれらの組み合わせによって、原料パルプが以降の工程で微細化し易い状態にしておくことは有効である。これらの前処理は、微細化処理の負荷を軽減するだけでなく、セルロース繊維を構成するミクロフィブリルの表面や間隙に存在するリグニンやヘミセルロース等の不純物成分を水相へ排出し、その結果、微細化された繊維のα−セルロース純度を高める効果もあるため、微細セルロース繊維不織布の耐熱性の向上に大変有効であることもある。 Next, the manufacturing method of a cellulose fine fiber is described. The refining of the cellulose fiber is preferably performed through a pretreatment step, a beating treatment step, and a refining step for both the regenerated cellulose fiber and the natural cellulose fiber. In particular, when regenerated cellulose fibers are refined, the pretreatment step can be carried out in a water washing step using a surfactant to remove the oil agent, but in the pretreatment step of natural cellulose fibers, It is effective to make the raw material pulp easy to be refined in the subsequent steps by autoclave treatment under an impregnation in water at a temperature of 150 ° C., enzyme treatment, or a combination thereof. These pretreatments not only reduce the load of the micronization process, but also discharge impurity components such as lignin and hemicellulose present on the surface and gaps of the microfibrils that make up the cellulose fibers to the aqueous phase, resulting in a finer process. Since there is also an effect of increasing the α-cellulose purity of the formed fiber, it may be very effective in improving the heat resistance of the fine cellulose fiber nonwoven fabric.
叩解処理工程以降については、再生セルロース繊維、天然セルロース繊維共に以下の内容で製造する。
叩解処理工程においては、原料パルプを0.5重量%以上4重量%以下、好ましくは0.8重量%以上3重量%以下、より好ましくは1.0重量%以上2.5重量%以下の固形分濃度となるように水に分散させ、ビーターやディスクレファイナー(ダブルディスクレファイナー)のような叩解装置でフィブリル化を高度に促進させる。ディスクレファイナーを用いる場合には、ディスク間のクリアランスを極力狭く(例えば、0.1mm以下)設定して、処理を行うと、極めて高度な叩解(フィブリル化)が進行するので、高圧ホモジナイザー等による微細化処理の条件を緩和でき、有効な場合がある。
After the beating process, both regenerated cellulose fibers and natural cellulose fibers are produced with the following contents.
In the beating treatment step, the raw material pulp is 0.5 wt% or more and 4 wt% or less, preferably 0.8 wt% or more and 3 wt% or less, more preferably 1.0 wt% or more and 2.5 wt% or less. Disperse in water to a partial concentration and highly promote fibrillation with a beating device such as a beater or disc refiner (double disc refiner). When a disc refiner is used, if the clearance between the discs is set as narrow as possible (for example, 0.1 mm or less) and processing is performed, extremely advanced beating (fibrillation) proceeds. The conditions for the miniaturization treatment can be relaxed and may be effective.
好ましい叩解処理の程度は以下のように定められる。本願発明者らによる検討において、叩解処理を行うにつれCSF値(セルロースの叩解の程度を示す。JIS P 8121で定義されるパルプのカナダ標準ろ水度試験方法で評価)が経時的に減少していき、一旦、ゼロ近くとなった後、さらに叩解処理を続けると再び増大していく傾向が確認され、本実施形態の不織布構造体の原料である微細セルロース繊維を調製するためには、前処理として、CSF値が一旦、ゼロ近くとなった後、さらに叩解処理を続けCSF値が増加している状態まで叩解することが好ましいことが分かった。本明細書中、未叩解からCSF値が減少する過程でのCSF値を***ml↓、ゼロとなった後に増大する傾向におけるCSF値を***ml↑と表現する。該叩解処理においては、再生セルロース、天然セルロースを問わず叩解工程のCSF値は少なくともゼロよりも叩解度が高いことが好ましく、CSF30ml↑よりも叩解度が高いことがより好ましい。このような叩解度に調製した水分散体ではフィブリル化が高度に進行し、特に、再生セルロースに関しては、該叩解と後述する更なる微細化処理を組み合わせることにより、比表面積相当繊維径が、0.20μm以上0.45μm以下である微細繊維を産することができる。CSF値が少なくともゼロあるいはその後増大する***ml↑の値をもつ高度に叩解された水分散体は均一性が増大し、その後の高圧ホモジナイザー等による微細化処理での詰まりを軽減できるという製造効率上の利点がある。さらに、天然セルロースの微細繊維を製造する場合には、上記叩解工程と更なる微細化処理とを組み合わせることにより微細繊維のスラリーとして、CSF300ml↑よりも叩解されていることがセパレータの強度補強の観点から好ましいがより好ましくはCSF350ml↑以上である。
また、再生セルロースの微細繊維を製造する場合には、上記叩解工程と更なる微細化処理とを組み合わせることにより微細繊維のスラリーとして、CSF100ml↑よりも叩解されていることがセパレータの強度補強の観点から好ましいがより好ましくはCSF150ml↑以上である。
A preferable degree of beating processing is determined as follows. In the study by the inventors of the present application, the CSF value (indicating the degree of cellulose beating. Evaluated by the Canadian standard freeness test method for pulp as defined in JIS P 8121) decreases with time as the beating process is performed. In order to prepare the fine cellulose fiber that is the raw material of the nonwoven fabric structure of the present embodiment, once it was close to zero and then continued to be further beaten, it was confirmed that the pre-treatment As described above, it was found that it is preferable that the beating process is further continued until the CSF value is increased after the CSF value is once close to zero. In the present specification, the CSF value in the process of decreasing the CSF value from unbeaten is expressed as *** ml ↓, and the CSF value in a tendency to increase after becoming zero is expressed as *** ml ↑. In the beating process, regardless of whether the cellulose is regenerated cellulose or natural cellulose, the beating step preferably has a beating degree higher than at least zero and more preferably higher than CSF 30 ml ↑. In the aqueous dispersion prepared to such a beating degree, fibrillation proceeds to a high degree. In particular, with regard to regenerated cellulose, the fiber diameter corresponding to the specific surface area is 0 by combining the beating and further refinement treatment described later. A fine fiber having a size of 20 μm or more and 0.45 μm or less can be produced. A highly beaten water dispersion with a CSF value of at least zero or subsequently increasing *** ml ↑ increases the homogeneity and reduces the clogging caused by subsequent refinement with a high-pressure homogenizer, etc. There is an efficiency advantage. Further, when producing fine fibers of natural cellulose, it is beaten from CSF 300 ml ↑ as a fine fiber slurry by combining the above-described beating step and further refinement treatment from the viewpoint of reinforcing the strength of the separator. However, it is more preferably CSF 350 ml ↑ or more.
Moreover, when manufacturing the fine fiber of regenerated cellulose, it is beaten rather than CSF100ml ↑ as a fine fiber slurry by combining the said beating process and the further refinement | miniaturization process, and a viewpoint of strength reinforcement of a separator However, it is more preferably CSF 150 ml ↑ or more.
微細セルロース繊維の製造には、上述した叩解工程に引き続き、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、グラインダー等による微細化処理を施すことが好ましい。この際の水分散体中の固形分濃度は、上述した叩解処理に準じ、0.5重量%以上4重量%以下、好ましくは0.8重量%以上3重量%以下、より好ましくは1.0重量%以上2.5重量%以下である。この範囲の固形分濃度の場合、詰まりが発生せず、しかも効率的な微細化処理が達成できる。
使用する高圧ホモジナイザーとしては、例えば、ニロ・ソアビ社(伊)のNS型高圧ホモジナイザー、(株)エスエムテーのラニエタイプ(Rモデル)圧力式ホモジナイザー、三和機械(株)の高圧式ホモゲナイザー等を挙げることができ、これらの装置とほぼ同様の機構で微細化を実施する装置であれば、これら以外の装置であっても構わない。超高圧ホモジナイザーとしては、みづほ工業(株)のマイクロフルイダイザー、吉田機械興業(株)ナノマイザー、(株)スギノマシーンのアルティマイザー等の高圧衝突型の微細化処理機を意味し、これらの装置とほぼ同様の機構で微細化を実施する装置であれば、これら以外の装置であっても構わない。グラインダー型微細化装置としては、(株)栗田機械製作所のピュアファインミル、増幸産業(株)のスーパーマスコロイダーに代表される石臼式摩砕型を挙げることができるが、これらの装置とほぼ同様の機構で微細化を実施する装置であれば、これら以外の装置であっても構わない。
In the production of the fine cellulose fiber, it is preferable to carry out a refining treatment with a high-pressure homogenizer, an ultra-high pressure homogenizer, a grinder or the like following the above-described beating step. In this case, the solid content concentration in the aqueous dispersion is 0.5 wt% or more and 4 wt% or less, preferably 0.8 wt% or more and 3 wt% or less, more preferably 1.0 wt. % By weight to 2.5% by weight. In the case of a solid content concentration in this range, clogging does not occur and an efficient miniaturization process can be achieved.
Examples of the high-pressure homogenizer used include NS type high-pressure homogenizer manufactured by Niro Soabi (Italy), SMT Co., Ltd., Lanier type (R model) pressure-type homogenizer, Sanwa Kikai Co., Ltd. high-pressure type homogenizer, and the like. Any device other than these devices may be used as long as the device performs miniaturization by a mechanism substantially similar to those of these devices. Ultra-high pressure homogenizers mean high-pressure collision type miniaturization machines such as Mizuho Kogyo Co., Ltd. microfluidizer, Yoshida Kikai Kogyo Co., Ltd. Nanomizer, Sugino Machine Ultimate Co., Ltd. Any device other than these devices may be used as long as the device performs miniaturization with a substantially similar mechanism. Examples of the grinder-type miniaturization device include the pure fine mill of Kurita Machinery Co., Ltd. and the stone mill type milling die represented by Masuyuki Sangyo Co., Ltd. Any device other than these may be used as long as the device performs miniaturization by this mechanism.
微細セルロース繊維の繊維径は、高圧ホモジナイザー等による微細化処理の条件(装置の選定や操作圧力及びパス回数)又は該微細化処理前の前処理の条件(例えば、オートクレーブ処理、酵素処理、叩解処理等)によって制御することができる。
さらに、本発明に使用できる天然セルロース微細繊維として、表面の化学処理を加えたセルロース系の微細繊維、及びTEMPO酸化触媒によって6位の水酸基が酸化され、カルボキシル基(酸型、塩型を含む)となったセルロース系の微細繊維を本発明の微細セルロース繊維として使用することもできる。前者の場合は、目的に応じて種々の表面化学処理を施すことにより、例えば、微細セルロース繊維の表面に存在する一部あるいは大部分の水酸基が酢酸エステル、硝酸エステル、硫酸エステルを含むエステル化されたもの、メチルエーテルを代表とするアルキルエーテル、カルボキシメチルエーテルを代表とするカルボキシエーテル、シアノエチルエーテルを含むエーテル化されたものを、適宜調製して使用することができる。また、後者、すなわち、TEMPO酸化触媒によって6位の水酸基が酸化された微細セルロース繊維の調製においては、必ずしも高圧ホモジナイザーのような高エネルギーを要する微細化装置を使用することは必要なく、微細セルロースの分散体を得ることができる。例えば、文献(A.Isogai et al.,Biomacromolecules,7,1687−1691(2006))に記載されるように、天然セルロースの水分散体に2,2,6,6−テトラメチルピペリジノオキシラジカルのようなTEMPOと呼ばれる触媒とハロゲン化アルキルを共存させ、これに次亜塩素酸のような酸化剤を添加し、一定時間反応を進行させることにより、水洗等の精製処理後に、通常のミキサー処理を施すことにより極めて容易に微細セルロース繊維の分散体を得ることができる。
なお、本発明では、上記の原料の異なる再生セルロースまたは天然セルロース系の微細繊維やフィブリル化度の異なる天然セルロースの微細繊維、表面を化学処理された天然セルロースの微細繊維などを2種類以上、本発明で規定する量混合させてセルロース微細繊維層を形成させることも有効である場合がある。
The fiber diameter of the fine cellulose fiber is determined according to the conditions for refinement using a high-pressure homogenizer (selection of equipment and operating pressure and number of passes) or pre-treatment conditions (for example, autoclave treatment, enzyme treatment, beating treatment). Etc.).
Furthermore, as a natural cellulose fine fiber that can be used in the present invention, a hydroxyl group at the 6-position is oxidized by a cellulose-based fine fiber subjected to chemical treatment of the surface and a TEMPO oxidation catalyst, and a carboxyl group (including an acid type and a salt type). The resulting cellulose-based fine fibers can also be used as the fine cellulose fibers of the present invention. In the former case, by subjecting to various surface chemical treatments depending on the purpose, for example, some or most of the hydroxyl groups present on the surface of the fine cellulose fiber are esterified including acetate ester, nitrate ester, sulfate ester. In addition, etherified products including alkyl ethers typified by methyl ether, carboxy ethers typified by carboxymethyl ether, and cyanoethyl ether can be appropriately prepared and used. Moreover, in the preparation of the latter, that is, the fine cellulose fiber in which the hydroxyl group at the 6-position is oxidized by the TEMPO oxidation catalyst, it is not always necessary to use a high-energy refining device such as a high-pressure homogenizer. A dispersion can be obtained. For example, as described in the literature (A. Isogai et al., Biomacromolecules, 7, 1687-1691 (2006)), 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy is added to an aqueous dispersion of natural cellulose. By mixing a catalyst called TEMPO such as a radical with an alkyl halide, adding an oxidant such as hypochlorous acid to this, and allowing the reaction to proceed for a certain period of time, after a purification treatment such as water washing, an ordinary mixer By performing the treatment, a dispersion of fine cellulose fibers can be obtained very easily.
In the present invention, two or more kinds of the above-mentioned regenerated cellulose or natural cellulose-based fine fibers of different raw materials, natural cellulose fine fibers having different fibrillation degrees, natural cellulose fine fibers whose surface has been chemically treated, etc. It may be effective to mix the amounts specified in the invention to form a cellulose fine fiber layer.
本実施形態のセパレータに用いられるセルロース微細繊維層は、反応性架橋剤を10重量%以下含んでいても強度補強のために有効であることがある。反応性架橋剤とは、多官能性イソシアネートに由来する反応体のことを言い、多官能性イソシアネート化合物と活性水素含有化合物との付加反応により生成した樹脂をいう。反応性架橋剤を10重量%以下含んでいることで、セルロース微細繊維層の強度が増加し、デバイスを組み立てる際の取り扱い性が極めて良好なセパレータとなる。より好ましくは6重量%以下である。 Even if the cellulose fine fiber layer used for the separator of the present embodiment contains 10% by weight or less of a reactive crosslinking agent, it may be effective for reinforcing the strength. The reactive crosslinking agent refers to a reactant derived from a polyfunctional isocyanate, and refers to a resin produced by an addition reaction between a polyfunctional isocyanate compound and an active hydrogen-containing compound. By containing 10% by weight or less of the reactive cross-linking agent, the strength of the cellulose fine fiber layer is increased, and the separator becomes extremely good in handling when assembling the device. More preferably, it is 6% by weight or less.
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータに用いられるセルロース微細繊維層中の反応性架橋剤を形成する、反応性架橋剤多官能性イソシアネート化合物としては、例えば、芳香族多官能性イソシアネート、芳香脂肪族多官能性イソシアネート、脂環族多官能性イソシアネート、脂肪族多官能性イソシアネート等が挙げられる。黄変性が少ないという観点から脂環族多官能性イソシアネート及び脂肪族多官能性イソシアネートがより好ましい。また、多官能性イソシアネート化合物は1種類または2種類以上含まれていてもよい。 Examples of the reactive crosslinking agent polyfunctional isocyanate compound that forms the reactive crosslinking agent in the cellulose fine fiber layer used in the separator for an electricity storage device of the present embodiment include, for example, aromatic polyfunctional isocyanates, araliphatic polyhydric isocyanates, and the like. Functional isocyanate, alicyclic polyfunctional isocyanate, aliphatic polyfunctional isocyanate, etc. are mentioned. From the viewpoint of less yellowing, alicyclic polyfunctional isocyanates and aliphatic polyfunctional isocyanates are more preferable. In addition, one type or two or more types of polyfunctional isocyanate compounds may be contained.
芳香族多官能性イソシアネートとしては、例えば、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート及びその混合物(TDI)、ジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート(MDI)、ナフタレン−1,5−ジイソシアネート、3,3−ジメチル−4,4−ビフェニレンジイソシアネート、粗製TDI、ポリメチレンポリフェニルジイソシアネート、粗製MDI、フェニレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート等の芳香族多官能性イソシアネートが挙げられる。
脂環族多官能性イソシアネートとしては、例えば、1,3−シクロペンタンジイソシアネート、1,3−シクロペンテンジイソシアネート、シクロヘキサンジイソシアネート等の脂環族多官能性イソシアネートが挙げられる。
脂肪族多官能性イソシアネートとしては、例えば、トリメチレンジイソシアネート、1,2−プロピレンジイソシアネート、ブチレンジイソシアネート、ペンタメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族多官能性イソシアネート等が挙げられる。
活性水素含有化合物としては、例えば、1価アルコール、多価アルコール及びフェノール類を含む水酸基含有化合物、アミノ基含有化合物、チオール基含有化合物、カルボキシル基含有化合物等が挙げられる。また、空気中あるいは反応場に存在する水や二酸化炭素なども含まれる。活性水素含有化合物は、1種類又は2種類以上が含まれていてもよい。
Examples of the aromatic polyfunctional isocyanate include 2,4-tolylene diisocyanate, 2,6-tolylene diisocyanate and a mixture thereof (TDI), diphenylmethane-4,4′-diisocyanate (MDI), and naphthalene-1,5. -Aromatic polyfunctional isocyanates such as diisocyanate, 3,3-dimethyl-4,4-biphenylene diisocyanate, crude TDI, polymethylene polyphenyl diisocyanate, crude MDI, phenylene diisocyanate and xylylene diisocyanate.
Examples of the alicyclic polyfunctional isocyanate include alicyclic polyfunctional isocyanates such as 1,3-cyclopentane diisocyanate, 1,3-cyclopentene diisocyanate, and cyclohexane diisocyanate.
Examples of the aliphatic polyfunctional isocyanate include aliphatic polyfunctional isocyanates such as trimethylene diisocyanate, 1,2-propylene diisocyanate, butylene diisocyanate, pentamethylene diisocyanate, and hexamethylene diisocyanate.
Examples of the active hydrogen-containing compound include a hydroxyl group-containing compound including a monohydric alcohol, a polyhydric alcohol, and phenols, an amino group-containing compound, a thiol group-containing compound, and a carboxyl group-containing compound. Also included are water and carbon dioxide present in the air or in the reaction field. One or more active hydrogen-containing compounds may be contained.
1価アルコールとしては、例えば、炭素数1〜20のアルカノール(メタノール、エタノール、ブタノール、オクタノール、デカノール、ドデシルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール及びステアリルアルコール等)、炭素数2〜20のアルケノール(オレイルアルコール及びリノリルアルコール等)及び炭素数7〜20の芳香脂肪族アルコール(ベンジルアルコール及びナフチルエタノール等)等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、炭素数2〜20の2価アルコール[脂肪族ジオール(エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−又は1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール及び1,10−デカンジオール、等)、脂環式ジオール(シクロヘキサンジオール及びシクロヘキサンジメタノール等)及び芳香脂肪族ジオール{1,4−ビス(ヒドロキシエチル)ベンゼン等}等]、炭素数3〜20の3価アルコール[脂肪族トリオール(グリセリン及びトリメチロールプロパン等)等]及び炭素数5〜20の4〜8価アルコール[脂肪族ポリオール(ペンタエリスリトール、ソルビトール、マンニトール、ソルビタン、ジグリセリン及びジペンタエリスリトール等)及び糖類(ショ糖、グルコース、マンノース、フルクトース、メチルグルコシド及びその誘導体)]等が挙げられる。
Examples of the monohydric alcohol include alkanols having 1 to 20 carbon atoms (methanol, ethanol, butanol, octanol, decanol, dodecyl alcohol, myristyl alcohol, cetyl alcohol, stearyl alcohol, etc.), and alkenols having 2 to 20 carbon atoms (oleyl alcohol). And linoleyl alcohol) and araliphatic alcohols having 7 to 20 carbon atoms (such as benzyl alcohol and naphthylethanol).
Examples of the polyhydric alcohol include divalent alcohols having 2 to 20 carbon atoms [aliphatic diols (ethylene glycol, propylene glycol, 1,3- or 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, neopentyl glycol). And 1,10-decanediol, etc.), alicyclic diols (cyclohexanediol, cyclohexanedimethanol, etc.) and araliphatic diols {1,4-bis (hydroxyethyl) benzene, etc.}, etc. Trihydric alcohols [aliphatic triols (such as glycerin and trimethylolpropane)] and 4- to 8-valent alcohols having 5 to 20 carbon atoms [aliphatic polyols (pentaerythritol, sorbitol, mannitol, sorbitan, diglycerin and dipentaerythritol) Etc.) and sugars (sucrose, guru) Over scan, mannose, fructose, methyl glucoside and derivatives thereof)], and the like.
フェノール類としては、例えば、1価のフェノール(フェノール、1−ヒドロキシナフタレン、アントロール及び1−ヒドロキシピレン等)及び多価フェノール[フロログルシン、ピロガロール、カテコール、ヒドロキノン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、1,3,6,8−テトラヒドロキシナフタレン、1,4,5,8−テトラヒドロキシアントラセン、フェノールとホルムアルデヒドとの縮合物(ノボラック)及び米国特許3265641号明細書に記載のポリフェノール等]等が挙げられる。
アミノ基含有化合物としては、例えば、炭素数1〜20のモノハイドロカルビルアミン[アルキルアミン(ブチルアミン等)、ベンジルアミン及びアニリン等]、炭素数2〜20の脂肪族ポリアミン(エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン及びジエチレントリアミン等)、炭素数6〜20の脂環式ポリアミン(ジアミノシクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタンジアミン及びイソホロンジアミン等)、炭素数2〜20の芳香族ポリアミン(フェニレンジアミン、トリレンジアミン及びジフェニルメタンジアミン等)、炭素数2〜20の複素環式ポリアミン(ピペラジン及びN−アミノエチルピペラジン等)、アルカノールアミン(モノエタノールアミン、ジエタノールアミン及びトリエタノールアミン等)、ジカルボン酸と過剰のポリアミンとの縮合により得られるポリアミドポリアミン、ポリエーテルポリアミン、ヒドラジン(ヒドラジン及びモノアルキルヒドラジン等)、ジヒドラジッド(コハク酸ジヒドラジッド及びテレフタル酸ジヒドラジッド等)、グアニジン(ブチルグアニジン及び1−シアノグアニジン等)及びジシアンジアミド等が挙げられる。
Examples of phenols include monovalent phenols (phenol, 1-hydroxynaphthalene, anthrol, 1-hydroxypyrene, etc.) and polyhydric phenols (phloroglucin, pyrogallol, catechol, hydroquinone, bisphenol A, bisphenol F, bisphenol S, 1,3,6,8-tetrahydroxynaphthalene, 1,4,5,8-tetrahydroxyanthracene, a condensate of phenol and formaldehyde (novolak) and polyphenol described in US Pat. No. 3,265,641] and the like It is done.
Examples of the amino group-containing compound include monohydrocarbylamines having 1 to 20 carbon atoms [alkylamine (butylamine and the like), benzylamine and aniline and the like], aliphatic polyamines having 2 to 20 carbon atoms (ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like). Diethylenetriamine, etc.), C6-C20 alicyclic polyamines (diaminocyclohexane, dicyclohexylmethanediamine, isophoronediamine, etc.), C2-C20 aromatic polyamines (phenylenediamine, tolylenediamine, diphenylmethanediamine, etc.), carbon Heterocyclic polyamines of 2 to 20 (such as piperazine and N-aminoethylpiperazine), alkanolamines (such as monoethanolamine, diethanolamine and triethanolamine), dicarboxylic acid and excess poly Polyamide polyamine, polyether polyamine, hydrazine (such as hydrazine and monoalkyl hydrazine), dihydrazide (such as succinic acid dihydrazide and terephthalic acid dihydrazide), guanidine (such as butyl guanidine and 1-cyanoguanidine) and dicyandiamide obtained by condensation with amine Is mentioned.
チオール基含有化合物としては、例えば、炭素数1〜20の1価のチオール化合物(エチルチオール等のアルキルチオール、フェニルチオール及びベンジルチオール)及び多価のチオール化合物(エチレンジチオール及び1,6−ヘキサンジチオール等)等が挙げられる。
カルボキシル基含有化合物としては、1価のカルボン酸化合物(酢酸等のアルキルカルボン酸、安息香酸等の芳香族カルボン酸)及び多価のカルボン酸化合物(シュウ酸やマロン酸等のアルキルジカルボン酸及びテレフタル酸等の芳香族ジカルボン酸等)等が挙げられる。
Examples of the thiol group-containing compound include monovalent thiol compounds having 1 to 20 carbon atoms (alkyl thiol such as ethyl thiol, phenyl thiol and benzyl thiol) and polyvalent thiol compounds (ethylene dithiol and 1,6-hexanedithiol). Etc.).
Examples of the carboxyl group-containing compound include monovalent carboxylic acid compounds (alkyl carboxylic acids such as acetic acid, aromatic carboxylic acids such as benzoic acid) and polyvalent carboxylic acid compounds (alkyl dicarboxylic acids such as oxalic acid and malonic acid, and terephthalic acid). Aromatic dicarboxylic acids such as acids) and the like.
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータに用いられるセルロース微細繊維層は、3層以下の複数層構造の一層として目付3g/m2以上15g/2以下の不織布又は紙である基材層を含んでいてもよい。目付3g/m2以上15g/2以下の不織布又は紙である基材層を含むことで、薄膜のセルロース微細繊維層自体の強度が不足していたとしても、基材層が強度を補うために、蓄電デバイス用セパレータとしての機能(低内部抵抗等)を保持しながら、デバイスを組み立てる際の取り扱い性が極めて良好なセパレータとなる。 The cellulose fine fiber layer used in the separator for an electricity storage device of the present embodiment includes a base material layer that is a nonwoven fabric or paper having a basis weight of 3 g / m 2 or more and 15 g / 2 or less as one layer having a multilayer structure of 3 layers or less. Also good. Even if the strength of the cellulose fine fiber layer itself of the thin film is insufficient by including a base material layer that is a nonwoven fabric or paper having a basis weight of 3 g / m 2 or more and 15 g / 2 or less, the base material layer supplements the strength. In addition, it is a separator that has extremely good handleability when assembling a device while maintaining the function as a separator for an electricity storage device (low internal resistance and the like).
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータに用いられる基材層としては、例えば、6−ナイロンや6,6−ナイロン等のポリアミド繊維、ポリエチレンテレフタレートやポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、木材パルプやコットンリンター等の天然セルロース繊維、ビスコースレーヨンや銅アンモニアレーヨン等の再生セルロース繊維及びリヨセルやテンセル等の精製セルロース繊維の群から選ばれる少なくとも1種からなる不織布又は紙である。電解液等の含浸性の観点から、セルロースであることが好ましい。また、上記基材層としては、本実施形態において規定する膜厚範囲において、メルトブロウン又はエレクトロスピニング系の不織布が好適に使用でき、更にカレンダー処理により薄膜化した基材を用いることがより好ましい。 Examples of the base material layer used in the electricity storage device separator of the present embodiment include polyamide fibers such as 6-nylon and 6,6-nylon, polyester fibers such as polyethylene terephthalate, polytrimethylene terephthalate, and polybutylene terephthalate, polyethylene Nonwoven fabric or paper comprising at least one selected from the group of fibers, polypropylene fibers, natural cellulose fibers such as wood pulp and cotton linter, regenerated cellulose fibers such as viscose rayon and copper ammonia rayon, and purified cellulose fibers such as lyocell and tencel. It is. From the viewpoint of impregnation properties such as an electrolytic solution, cellulose is preferable. In addition, as the base material layer, a melt blown or electrospinning nonwoven fabric can be suitably used in the film thickness range defined in the present embodiment, and a base material that has been thinned by calendaring is more preferably used.
本実施形態のセパレータの片面又は両面には、絶縁多孔膜を形成していてもよい。蓄電デバイスは内部短絡等の原因により電池内部で局部的な発熱が生じた場合、発熱部位周辺のセパレータが収縮して内部短絡がさらに拡大し、暴走的に発熱して発火・破裂等の重大な事象に至ることがある。セパレータの片面又は両面に絶縁多孔膜を形成することで、短絡の発生や拡大を防ぎ、安全性の高い蓄電デバイスを提供することがきる。 An insulating porous film may be formed on one side or both sides of the separator of this embodiment. In the case of an electrical storage device, when local heat is generated inside the battery due to an internal short circuit or the like, the separator around the heat generating part contracts, the internal short circuit further expands, and a runaway heat is generated, causing severe ignition or rupture. It can lead to an event. By forming the insulating porous film on one or both sides of the separator, it is possible to prevent the occurrence or expansion of a short circuit and provide a highly safe power storage device.
本実施形態のセパレータの片面又は両面に形成される絶縁多孔膜は、無機フィラーと熱硬化性樹脂からなり、熱硬化性樹脂が無機フィラーを埋没させることなく、無機フィラー間の空隙を保持していることが好ましい。無機フィラーとしては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、アルミナ、ギブサイト、ベーマイト、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、シリカ、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化ジルコニウムなどの無機酸化物や無機水酸化物、窒化アルミニウムや窒化珪素などの無機窒化物、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム、シリコン、アルミニウム化合物、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカ、及びモンモリロナイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であることができる。 The insulating porous film formed on one side or both sides of the separator of the present embodiment is composed of an inorganic filler and a thermosetting resin, and the thermosetting resin does not embed the inorganic filler and holds the voids between the inorganic fillers. Preferably it is. Examples of the inorganic filler include calcium oxide, sodium carbonate, alumina, gibbsite, boehmite, magnesium oxide, magnesium hydroxide, silica, titanium oxide, barium titanate, zirconium oxide, and other inorganic oxides, inorganic hydroxides, and aluminum nitride. Or at least one selected from the group consisting of inorganic nitrides such as silicon nitride, calcium fluoride, barium fluoride, barium sulfate, silicon, aluminum compounds, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, mica, and montmorillonite Can be.
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、オキセタン系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、アルキド系樹脂、ノボラック系樹脂、レゾール系樹脂、ウレア系樹脂、メラミン系樹脂などが挙げられ、これらを単独で使用することもでき、2種以上を併用することもできる。これらの熱硬化性樹脂は、取り扱いやすさと安全性の点で水分散体が好ましい。水分散体には必要に応じて分散剤、乳化剤、有機溶剤などを含有してもよい。エポキシ系樹脂としては、例えば、アクリル酸グリシジル、アクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸、メタクリル酸ブチル、スチレンなどの共重合体が挙げられる。アクリル系樹脂としては、例えば、メタクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸、ヒドロキシエチルメタクリレート、スチレンなどの共重合体が挙げられる。
本実施形態のセパレータの片面又は両面に形成される絶縁多孔膜は、無機フィラーと熱硬化性樹脂の混合スラリーを不織布基材に接触させ、乾燥させることによって作製され、セルロース微細繊維層に固着する。混合スラリーには、必要に応じて増粘剤、消泡剤、有機溶剤を添加してもよい。
Examples of thermosetting resins include epoxy resins, acrylic resins, oxetane resins, unsaturated polyester resins, alkyd resins, novolac resins, resol resins, urea resins, melamine resins, and the like. These can be used alone, or two or more of them can be used in combination. These thermosetting resins are preferably water dispersions in terms of ease of handling and safety. The aqueous dispersion may contain a dispersant, an emulsifier, an organic solvent and the like as necessary. Examples of the epoxy resin include copolymers such as glycidyl acrylate, acrylic acid, methyl methacrylate, methacrylic acid, butyl methacrylate, and styrene. Examples of the acrylic resin include copolymers such as methyl methacrylate, butyl acrylate, methacrylic acid, hydroxyethyl methacrylate, and styrene.
The insulating porous film formed on one side or both sides of the separator of this embodiment is prepared by bringing a mixed slurry of an inorganic filler and a thermosetting resin into contact with a nonwoven fabric substrate and drying it, and is fixed to the cellulose fine fiber layer. . You may add a thickener, an antifoamer, and an organic solvent to a mixing slurry as needed.
本実施形態のセパレータの片面又は両面に形成される絶縁多孔膜は、目付が2g/m2以上10g/m2以下であることが好ましい。目付が2g/m2であると、ピンホールが生成する場合があり、他方、目付が10g/m2より大きいと、絶縁層が厚くなりすぎて内部抵抗の上昇や、折り曲げ加工時に無機フィラーの粉落ちや剥離が生じる場合がある。セパレータ中の無機フィラーの含有率は、15.0〜50.0重量%が好ましく、セパレータ中の熱硬化性樹脂の固形分含有率は、1.0〜15.0質量%であることが好ましい。無機フィラーの含有率が10.0質量%未満であり、熱硬化性樹脂の固形分含有率が20.0質量%超であると、ピンホールが生成する場合がある。無機フィラーの含有率が70.0質量%超であり、熱硬化性樹脂の固形分含有率が0.1質量%未満であると無機フィラーの粉落ちや剥離が生じる場合がある。 The insulating porous film formed on one or both sides of the separator of the present embodiment preferably has a basis weight of 2 g / m 2 or more and 10 g / m 2 or less. If the basis weight is 2 g / m 2 , pinholes may be generated. On the other hand, if the basis weight is greater than 10 g / m 2 , the insulating layer becomes too thick and the internal resistance increases, Powder fall and peeling may occur. The content of the inorganic filler in the separator is preferably 15.0 to 50.0% by weight, and the solid content of the thermosetting resin in the separator is preferably 1.0 to 15.0% by weight. . If the content of the inorganic filler is less than 10.0% by mass and the solid content of the thermosetting resin is more than 20.0% by mass, pinholes may be generated. If the content of the inorganic filler is more than 70.0% by mass and the solid content of the thermosetting resin is less than 0.1% by mass, the inorganic filler may fall off or peel off.
本実施形態のセパレータでは、用途によっては、含有金属イオン量の一つの尺度となる塩素イオン含有濃度が40ppm以下であることが好ましい。塩素イオン含有濃度が40ppm以下であると、Na、Ca等の金属イオン類も相対的に低い濃度で含まれることとなり、その結果、セパレータの耐熱性及び該セパレータが組み込まれた蓄電デバイスの電気特性の阻害を抑制することができるためである。塩素イオン含有濃度は、より好ましくは30ppm以下、さらに好ましくは25ppm以下であると、より好適に耐熱性が発現される。塩素イオン濃度の評価はイオンクロマトグラフィー法で行うことができる。 In the separator of this embodiment, it is preferable that the chlorine ion containing concentration used as one scale of the amount of contained metal ions is 40 ppm or less depending on a use. When the chlorine ion content is 40 ppm or less, metal ions such as Na and Ca are also contained at a relatively low concentration. As a result, the heat resistance of the separator and the electrical characteristics of the electricity storage device incorporating the separator are included. This is because it is possible to suppress the inhibition of. When the chloride ion-containing concentration is more preferably 30 ppm or less, and even more preferably 25 ppm or less, heat resistance is more suitably exhibited. The chloride ion concentration can be evaluated by ion chromatography.
本実施形態のセパレータの主な製造方法としては、再生セルロース微細繊維を水等の分散媒体へ高度に分散させた分散液を抄紙法や塗布法により製膜することが挙げられるが、乾燥工程における負荷等の製膜法の効率性の視点から抄紙法により製膜することが好ましい。従来、セルロースの微細繊維から空孔率の高いセパレータを製造するためには、乾燥時の繊維間の融着、凝集を抑えるために抄紙によって形成される湿紙中の水を有機溶媒に置換した後に乾燥させるか、又は有機溶媒を含有した分散液を塗布用の塗工液として使用する必要があった(特許第4753874号公報参照)。しかしながら、本発明においては、比表面積相当径が0.20μm以上0.45μm以下の再生セルロース微細繊維を所定量含有させることにより、有機溶媒を使用することなく抄紙法又は塗布法によりセパレータとして必要な空孔を乾燥時に保持することが可能であることが見い出された。ここで、比表面積相当径が0.20μm以上0.45μm以下の再生セルロース微細繊維とは、該当する再生セルロース微細繊維のみを含む水分散体から単層の抄紙(目付:10g/m2)を行い、製膜した際に得られる単層シートのBET法による比表面積測定から先に示した数式により算出した比表面積相当繊維径が0.20μm以上0.45μm以下である再生セルロース微細繊維を意味し、該比表面積相当繊維径は、好ましくは0.25μm以上0.43μm以下、より好ましくは0.25μm以上0.40μm以下である。該比表面積相当繊維径が0.20μmよりも小さくなると水系湿紙からの乾燥からはセパレータとして相応しい空孔を保つのが難しくなり、また、該比表面積相当繊維径が0.45μmよりも大きくなると耐ショート性の点で問題が発生し易くなる。
本実施形態のセパレータを製造する場合には、抄紙用又は塗布用の水分散液としてセルロース微細繊維を高度に分散させる際の分散法も重要であり、その選択は、後述するセパレータの厚みの均一性に大きく影響を及ぼす。
The main production method of the separator of the present embodiment includes forming a dispersion liquid obtained by highly dispersing regenerated cellulose fine fibers in a dispersion medium such as water by a papermaking method or a coating method. It is preferable to form a film by a papermaking method from the viewpoint of the efficiency of the film forming method such as load. Conventionally, in order to produce a separator with high porosity from fine cellulose fibers, water in the wet paper formed by papermaking was replaced with an organic solvent in order to suppress fusion and aggregation between the fibers during drying. It was necessary to dry later or to use a dispersion containing an organic solvent as a coating liquid for coating (see Japanese Patent No. 4753874). However, in the present invention, by containing a predetermined amount of regenerated cellulose fine fibers having a specific surface area equivalent diameter of 0.20 μm or more and 0.45 μm or less, it is necessary as a separator by a papermaking method or a coating method without using an organic solvent. It has been found that the pores can be retained during drying. Here, the regenerated cellulose fine fiber having a specific surface area equivalent diameter of 0.20 μm or more and 0.45 μm or less is a single-layer papermaking (weight per unit: 10 g / m 2 ) from an aqueous dispersion containing only the corresponding regenerated cellulose fine fiber. This means a regenerated cellulose fine fiber having a specific surface area equivalent fiber diameter of 0.20 μm or more and 0.45 μm or less calculated from the specific surface area measurement by the BET method of the single layer sheet obtained when the film is formed. The specific surface area equivalent fiber diameter is preferably 0.25 μm or more and 0.43 μm or less, more preferably 0.25 μm or more and 0.40 μm or less. When the fiber diameter corresponding to the specific surface area is smaller than 0.20 μm, it becomes difficult to keep pores suitable as a separator from drying from the aqueous wet paper, and when the fiber diameter corresponding to the specific surface area is larger than 0.45 μm. Problems are likely to occur in terms of short circuit resistance.
When manufacturing the separator of the present embodiment, a dispersion method for highly dispersing cellulose fine fibers as an aqueous dispersion for papermaking or coating is also important, and the selection is made with a uniform thickness of the separator described later. It greatly affects sex.
上述した製造方法によりフィブリル化処理又は微細化処理によって得られた再生セルロース微細繊維を含有する分散液は、そのままで、又は水で希釈して適当な分散処理により分散させて、本実施形態のセパレータを調製するための抄紙用又は塗布用の分散液とすることができる。再生セルロース微細繊維以外の成分、例えば、天然セルロース微細繊維やセルロース以外の有機ポリマーからなる微細繊維、又は反応性架橋剤などは上述した分散液製造の各工程のどのタイミングで混合してもよいが、抄紙用又は塗布用の分散液を製造する段階で加えるのが望ましいこともある。該成分を混入後適当な分散処理により分散し、抄紙用又は塗布用の分散液とする。特に、再生セルロース微細繊維以外の微細繊維を混合するタイミングに関しては、パルプ又はカット糸の段階から叩解工程で再生セルロース原料(カット糸)と混合し、叩解してもよいし、叩解処理した原料を高圧ホモジナイザー等による微細化処理を行う工程で混合してもよい。抄紙用又は塗布用の分散液の希釈後、あるいは原料混合後の希釈処理はどのような分散方法を用いてもよいが、混入している原料成分の内容に応じて適当に選択する。例えば、ディスパー型の攪拌機、各種ホモミキサー、各種ラインミキサー等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 The dispersion containing the regenerated cellulose fine fiber obtained by the fibrillation treatment or the refinement treatment by the production method described above is used as it is or diluted with water and dispersed by an appropriate dispersion treatment, and the separator of this embodiment It can be used as a dispersion for paper making or for coating. Components other than regenerated cellulose fine fibers, for example, natural cellulose fine fibers, fine fibers composed of organic polymers other than cellulose, or reactive cross-linking agents may be mixed at any timing in each step of the dispersion production described above. It may be desirable to add it at the stage of producing a papermaking or coating dispersion. The components are mixed and then dispersed by an appropriate dispersion treatment to obtain a dispersion for papermaking or coating. In particular, regarding the timing of mixing fine fibers other than regenerated cellulose fine fibers, it may be mixed with regenerated cellulose raw material (cut yarn) in the beating process from the pulp or cut yarn stage, and beaten, or the beaten raw material You may mix in the process of performing the refinement | miniaturization process by a high pressure homogenizer. Although any dispersion method may be used after dilution of the papermaking or coating dispersion or after mixing the raw materials, it is appropriately selected according to the contents of the mixed raw material components. For example, a disper-type stirrer, various homomixers, various line mixers and the like can be mentioned, but the invention is not limited to these.
以下、主に抄紙法による製膜方法について記載する。
抄紙方法は、バッチ式の抄紙機は勿論、工業的に利用可能なすべての連続抄紙機を用いて実施することができる。特に、傾斜ワイヤー型抄紙機、長網式抄紙機、丸網式抄紙機によって好適に本発明の複合シート材料を製造することができる。膜質均一性を高めるために、一機又は二機以上(例えば、下地層抄紙は傾斜ワイヤー型抄紙機、上地層抄紙では丸網式抄紙機を用いる等)の抄紙機を用いて多段式の抄紙を施すのも場合によっては有効である。多段式の抄紙とは、例えば、1段目で5g/m2の目付で抄紙を行い、そこで得られた湿紙上で2段目の5g/m2の抄紙を行って、合計10g/m2の目付の複合シート材料を得る技術である。多段抄紙の場合は、上層と下層を同じ分散体から製膜する場合には単層の複合シート材料となるが、下層として第1段で、例えば、フィブリル化繊維を用いて目の細かな湿紙の層を形成させ、その上から第2段で前述した分散体による抄紙を行い、下層である湿紙を後述するフィルターとして機能させることもできる。
Hereinafter, the film forming method mainly by the papermaking method will be described.
The paper making method can be carried out using not only a batch type paper machine but also all industrially available continuous paper machines. In particular, the composite sheet material of the present invention can be suitably produced by an inclined wire type paper machine, a long net type paper machine, or a round net type paper machine. In order to improve film quality uniformity, use one or more machines (for example, an inclined wire type paper machine is used for the base layer paper and a round net type paper machine is used for the upper layer paper machine). It is also effective in some cases. The papermaking multistage, for example, by performing carried out papermaking with a basis weight of 5 g / m 2 in the first stage, the thus obtained wet the second stage of the paper of 5 g / m 2 on paper, total 10 g / m 2 This is a technique for obtaining a composite sheet material having a basis weight of In the case of multi-stage papermaking, when the upper layer and the lower layer are formed from the same dispersion, it becomes a single-layer composite sheet material. However, in the first stage as the lower layer, for example, fine moisture using fibrillated fibers. It is also possible to form a paper layer, perform paper making with the dispersion described above in the second stage, and allow the lower wet paper to function as a filter to be described later.
本実施形態のセパレータは微細繊維を使用するため、抄紙法で製膜する際には抄紙時に微細繊維が抜けることのない微細な構造を有する濾布やプラスチックワイヤーを用いることが好ましい。このような微細な構造を有する濾布又はプラスチックワイヤーとして、基本的には、抄紙用の分散液中の固形分が湿紙として歩止まる、すなわち抄紙工程における固形分の収率として、90重量%以上、好ましくは95重量%以上、より好ましくは99重量%以上である濾布やプラスチックワイヤーを選択すると工業的に好適な生産が可能となる。該収率が高いことは、フィルター内部への食い込みが低いことも意味し、抄紙製膜後の剥離性が良好になる点でも好ましい。また、フィルターの目のサイズが細かくなると上記収率は向上するので望ましいが、そのため濾水性が悪くなると、湿紙の生産速度が遅くなるため好ましくない。すなわち、大気圧下25℃でのワイヤーメッシュ又は濾布の水透過量が、好ましくは0.005ml/cm2・s以上、より好ましくは0.01ml/cm2・s以上であると、生産性の観点からも好適な抄紙が可能となる。実際には、固形分の収率が高く、濾水性も良好な濾布やプラスチックワイヤーを選ぶことが好ましい。上記の条件を満たす濾布やプラスチックワイヤーは限定されるが、例えば、SEFAR社(スイス)製のTETEXMONODLW07−8435−SK010(PET製)、濾布として敷島カンバス社製NT20(PET/ナイロン混紡)、日本フィルコン社製のプラスチックワイヤーLTT−9FE、さらには特開2011−42903号公報に記載される多層化ワイヤーを挙げることができるが、これらに限定されない。微細セルロース繊維の濃度が0.01重量%以上0.5重量%以下、より好ましくは0.05重量%以上0.3重量%以下に調製した抄紙用分散液を上述した条件を満足する濾布上でサクションの稼働等により濾過することによって該濾布上に堆積させ、該セルロース繊維の固形分4重量%以上の湿紙を製造することができる。この際の固形分率は、できるだけ高い方が好ましく、好ましくは8重量%以上、さらに好ましくは12重量%以上である。この湿紙に対して、さらにプレス処理することにより、抄紙用分散体中の分散媒体を高効率で除去し、得られる湿膜中の固形分率を高めることができ、より強度の高い湿紙を得ることが可能となる。この後にドラムドライヤー等の乾燥設備によって乾燥処理を行い、セパレータとして巻き取る。乾燥工程では湿紙を乾燥させることにより本実施形態のセパレータを得ることができる。乾燥は、ドラムドライヤーやピンテンター式熱風乾燥室での大気圧下での乾燥を通常行うが、場合によっては加圧下又は真空下での乾燥を実施しても構わない。この際、物性の均一性を確保し、幅方向の収縮を抑える目的により、湿紙は有効に定長乾燥させることができるドラムドライヤーにより乾燥させることがより好ましい。乾燥温度は、60℃〜150℃の範囲で適宜選択すればよい。場合によっては、60〜80℃程度の低い温度で粗乾燥して湿紙に自立性を与え、100℃以上での本乾燥工程とするような多段式の乾燥も操作上、有効であることもある。 Since the separator of the present embodiment uses fine fibers, it is preferable to use a filter cloth or a plastic wire having a fine structure in which fine fibers do not come out during paper making when forming a film by a paper making method. As a filter cloth or plastic wire having such a fine structure, basically, the solid content in the dispersion for papermaking stops as wet paper, that is, 90% by weight as the solid content yield in the papermaking process. As described above, industrially suitable production is possible by selecting a filter cloth or plastic wire that is preferably 95% by weight or more, more preferably 99% by weight or more. A high yield also means that the bite into the filter is low, which is preferable in that the peelability after papermaking becomes good. In addition, it is desirable to reduce the filter mesh size because the yield is improved. However, if the filterability is deteriorated, it is not preferable because the production rate of wet paper is reduced. That is, the water permeation amount of wire mesh or cloth under 25 ° C. atmospheric pressure, is preferably 0.005ml / cm 2 · s or more, more preferably 0.01ml / cm 2 · s or more, productivity From this point of view, it is possible to make a suitable paper. In practice, it is preferable to select a filter cloth or plastic wire having a high solid content and good drainage. Although the filter cloth and plastic wire which satisfy | fill said conditions are limited, For example, TETEXMONODW07-8435-SK010 (product made from PET) made by SEFAR (Switzerland), NT20 (PET / nylon blend) made by Shikishima canvas company as a filter cloth, Examples thereof include, but are not limited to, plastic wire LTT-9FE manufactured by Nippon Filcon Co., Ltd. and multilayered wires described in JP2011-42903A. A filter cloth satisfying the above-described conditions for a dispersion for papermaking prepared with a fine cellulose fiber concentration of 0.01 wt% or more and 0.5 wt% or less, more preferably 0.05 wt% or more and 0.3 wt% or less The wet paper having a solid content of 4% by weight or more of the cellulose fibers can be produced by depositing on the filter cloth by filtering by operating suction or the like. The solid content in this case is preferably as high as possible, preferably 8% by weight or more, and more preferably 12% by weight or more. By further pressing the wet paper, the dispersion medium in the papermaking dispersion can be removed with high efficiency, and the solid content in the resulting wet film can be increased. Can be obtained. After that, a drying process is performed by a drying facility such as a drum dryer, and the separator is wound up. In the drying step, the separator of this embodiment can be obtained by drying the wet paper. Drying is usually performed under atmospheric pressure in a drum dryer or a pin tenter type hot air drying chamber, but depending on circumstances, drying under pressure or vacuum may be performed. At this time, it is more preferable to dry the wet paper with a drum dryer that can be effectively dried for a fixed length for the purpose of ensuring uniformity of physical properties and suppressing shrinkage in the width direction. What is necessary is just to select a drying temperature suitably in the range of 60 to 150 degreeC. In some cases, multi-stage drying such as rough drying at a low temperature of about 60 to 80 ° C. to give the wet paper self-supporting property and the main drying step at 100 ° C. or more may be effective in operation. is there.
本実施形態のセパレータを連続的に製膜するためには、上述したような抄紙工程と乾燥工程、場合によってはカレンダー処理による平滑化工程を連続的に実施すると有効である場合が多い。カレンダー装置による平滑化処理を施すことにより、上述した薄膜化が可能となり、広範囲の、膜厚/透気抵抗度/強度の組み合わせのセパレータを提供することが可能となる。カレンダー装置としては単一プレスロールによる通常のカレンダー装置の他に、これらが多段式に設置された構造をもつスーパーカレンダー装置を用いてもよい。これらの装置、カレンダー処理時におけるロール両側それぞれの材質(材質硬度)や線圧を目的に応じて選定することにより、多種の物性バランスをもつ本発明のセパレータを得ることができる。 In order to continuously form the separator according to this embodiment, it is often effective to continuously perform the paper making process and the drying process as described above, and in some cases, the smoothing process by a calendar process. By performing a smoothing process using a calendar device, the above-described thinning can be achieved, and a wide range of separators with a combination of film thickness / air resistance / strength can be provided. As the calendar device, in addition to a normal calendar device using a single press roll, a super calendar device having a structure in which these are installed in a multistage manner may be used. By selecting the material (material hardness) and the linear pressure on both sides of the roll during the calendar process, these separators according to the present invention having various physical property balances can be obtained.
また、上述した抄紙による製膜プロセスにおいて、使用する抄紙用の濾布又はプラスチックワイヤーは、エンドレス仕様のものを用いて全工程を一つのワイヤーで行うか、あるいは途中で次工程のエンドレスフィルター又はエンドレスのフェルト布にピックアップして渡すか又は転写させて渡すか、あるいは連続製膜の全工程又は一部の工程を、濾布を使用するロールtoロールの工程にするかのいずれかを採り得る。もっとも、本実施形態のセパレータの製法はこれに限定されるものではない。 Also, in the above-mentioned film-forming process by papermaking, the papermaking filter cloth or plastic wire to be used is an endless specification, and the entire process is performed with one wire, or the endless filter or endless of the next process is performed on the way. The felt cloth can be picked up and transferred or transferred, or the whole film forming process or a part of the film forming process can be made a roll-to-roll process using a filter cloth. But the manufacturing method of the separator of this embodiment is not limited to this.
本実施形態のセパレータは、本質的にすべての一次電池、二次電池(例えば、リチウム2次イオン電池)、電解コンデンサ(アルミ電解コンデンサ)、電気2重層キャパシタ、あるいはセパレータを構成部材として必要とする新規な蓄電デバイス類(例えば、特開2004−079321号公報に記載されたデバイス類)に適用でき、蓄電デバイスの電極様式においても捲回型、コイン型、積層型等、汎用的に使われているほとんどすべての様式にて適用することができる。また、本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、特に、電気2重層キャパシタや液体型又は固体型のアルミ電解コンデンサ、リチウムイオン2次電池、あるいはリチウムイオンキャパシタにおいて好適にその性能が発揮される。それは、以下の理由による。例えば、電気2重層キャパシタは、一般的な蓄電デバイスが電極/電解液/セパレータ/電解液/電極の構造からなるのに対し、該構造中の電解液の部分がいずれも数μmないし十数μmの粒子系の電解液を含浸した活性炭層に置き換わった構造を有している。活性炭の層は実質的に電極として機能するため、セパレータの間際まで電極層が接近しており、しかも電極が微粒子積層構造をもつため、セパレータを突き抜けていわゆるショートを起こし易い。また、電気2重層キャパシタは電解液の耐久性の問題から、その製造工程においては、極めて吸湿し易い活性炭中の水分を完全に除去する必要がある。通常、電気2重層の組み立て工程は、電解液以外の積層構造を作った後に水分を除去し、最後に電解液を注入するので、水分除去を目的とする乾燥工程においては、セパレータを含む活性炭層が高温に晒されることになる。乾燥工程では、活性炭中の水分除去を完全に行うために150℃以上の条件で乾燥させることが多い。すなわち、セパレータにはこの条件に耐えられるだけの耐熱性が要求される。本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは上述したように、耐ショート性、耐熱性の面で特に優れた性能を有するため、特に、電気2重層キャパシタでは好適に機能する。さらに、本実施形態のセパレータは電気2重層キャパシタと同様、有機系電解液を使用するリチウム2次イオン電池等他の蓄電デバイスにおいても極めて好適に作用する。 The separator of this embodiment requires essentially all primary batteries, secondary batteries (for example, lithium secondary ion batteries), electrolytic capacitors (aluminum electrolytic capacitors), electric double layer capacitors, or separators as constituent members. It can be applied to new electricity storage devices (for example, devices described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-077931), and the electrode type of the electricity storage device is generally used such as a wound type, a coin type, and a laminated type. It can be applied in almost any style. In addition, the performance of the separator for an electricity storage device of the present embodiment is suitably exhibited particularly in an electric double layer capacitor, a liquid or solid aluminum electrolytic capacitor, a lithium ion secondary battery, or a lithium ion capacitor. The reason is as follows. For example, in an electric double layer capacitor, a general electricity storage device has a structure of electrode / electrolyte / separator / electrolyte / electrode, whereas the portion of the electrolyte in the structure is several μm to several tens μm. The activated carbon layer impregnated with the particle-based electrolytic solution is replaced with a structure. Since the activated carbon layer substantially functions as an electrode, the electrode layer is close to the middle of the separator, and the electrode has a fine particle laminated structure, so that it is easy to cause a so-called short circuit through the separator. In addition, due to the problem of the durability of the electrolytic solution, it is necessary to completely remove the moisture in the activated carbon that is very hygroscopic in the manufacturing process of the electric double layer capacitor. Normally, the assembly process of the electric double layer is to remove the moisture after making a laminated structure other than the electrolyte, and finally inject the electrolyte. Therefore, in the drying process for removing moisture, the activated carbon layer including the separator Will be exposed to high temperatures. In the drying process, in order to completely remove water in the activated carbon, drying is often performed under conditions of 150 ° C. or higher. That is, the separator is required to have heat resistance enough to withstand this condition. As described above, the power storage device separator of the present embodiment has particularly excellent performance in terms of short-circuit resistance and heat resistance, and thus functions particularly favorably in an electric double layer capacitor. Furthermore, the separator according to the present embodiment works extremely favorably also in other power storage devices such as a lithium secondary ion battery using an organic electrolyte solution, similarly to the electric double layer capacitor.
次に、本実施形態のリチウムイオンキャパシタについて詳細に説明する。
本実施形態のリチウムイオンキャパシタは、炭素材料を負極活物質として含む負極活物質層が負極集電体に設置されている負極電極体;
セパレータ;及び
炭素材料又は炭素化合物材料から成る正極活物質を含む正極活物質層が正極集電体に設置されている正極電極体;
を積層又は捲回して成る電極積層体;並びに
リチウムイオン含有電解質を含む非水系電解液;
を、外装体に収納してなる。
Next, the lithium ion capacitor of this embodiment will be described in detail.
The lithium ion capacitor of the present embodiment includes a negative electrode body in which a negative electrode active material layer containing a carbon material as a negative electrode active material is disposed on a negative electrode current collector;
A positive electrode body in which a positive electrode active material layer including a positive electrode active material made of a carbon material or a carbon compound material is installed on a positive electrode current collector;
An electrode laminate comprising: laminating or winding; and a non-aqueous electrolyte containing a lithium ion-containing electrolyte;
Is housed in an exterior body.
<負極>
本実施形態のキャパシタに用いられる負極電極体は、負極集電体上に負極活物質層を設けたものである。負極集電体は金属箔であることが好ましく、より好ましくは1〜100μmの厚みの銅箔である。
負極活物質層は負極活物質と結着剤を含有し、必要に応じて導電性フィラーを含有する。負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料である。また、負極集電体には、この炭素材料に加えて、リチウムチタン複合酸化物、導電性高分子等の、リチウムイオンを吸蔵放出する他の材料が含まれることができる。炭素材料としては、例えば、難黒鉛性カーボン、易黒鉛性カーボン、複合多孔性材料等を挙げることができる。
<Negative electrode>
The negative electrode body used in the capacitor of the present embodiment is obtained by providing a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector. The negative electrode current collector is preferably a metal foil, more preferably a copper foil having a thickness of 1 to 100 μm.
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material and a binder, and optionally contains a conductive filler. The negative electrode active material is a carbon material that can occlude and release lithium ions. In addition to the carbon material, the negative electrode current collector can contain other materials that occlude and release lithium ions, such as lithium titanium composite oxides and conductive polymers. Examples of the carbon material include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and composite porous material.
<負極その1>
負極活物質は、活性炭の表面に炭素材料を被着させて成る複合多孔性材料であることが好ましい。上記複合多孔性材料は、例えば、活性炭と炭素材料前駆体とを共存させた状態で、これらを熱処理することにより得ることができる。
上記の複合多孔性材料の原料に用いる活性炭に関し、得られる複合多孔性材料が所望の特性を発揮する限り、活性炭を得るための原材料に特に制限はなく、石油系、石炭系、植物系、高分子系等の各種の原材料から得られた市販品を使用することができる。特に、平均粒径が1μm以上15μm以下の活性炭粉末を用いることが好ましい。該平均粒径は、より好ましくは2μm以上10μm以下である。尚、本実施形態における平均粒子径とは、粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定した際、全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが50%となる点の粒子径を50%径とし、その50%径(Median径)のことを指すものである。この平均粒子径は市販のレーザー回折式粒度分布測定装置で測定することができる。
<Negative electrode 1>
The negative electrode active material is preferably a composite porous material obtained by depositing a carbon material on the surface of activated carbon. The composite porous material can be obtained, for example, by heat-treating activated carbon and a carbon material precursor in the coexistence state.
Regarding the activated carbon used as a raw material for the composite porous material, as long as the obtained composite porous material exhibits desired characteristics, there are no particular restrictions on the raw material for obtaining the activated carbon, and petroleum-based, coal-based, plant-based, Commercial products obtained from various raw materials such as molecular systems can be used. In particular, it is preferable to use activated carbon powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 15 μm or less. The average particle diameter is more preferably 2 μm or more and 10 μm or less. The average particle size in the present embodiment is the particle at which the cumulative curve is 50% when the cumulative curve is determined with the total volume being 100% when the particle size distribution is measured using a particle size distribution measuring device. The diameter is 50%, and the 50% diameter (Median diameter) is indicated. This average particle diameter can be measured with a commercially available laser diffraction particle size distribution analyzer.
他方、上記の複合多孔性材料の原料に用いる炭素材料前駆体とは、熱処理することにより、活性炭に炭素材料を被着させることができる、固体、液体、又は溶剤に溶解可能な有機材料であり、例えば、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、フェノール樹脂等の合成樹脂等を挙げることができる。これらの炭素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。例えば、石油系ピッチとしては、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。 On the other hand, a carbon material precursor used as a raw material for the composite porous material is an organic material that can be dissolved in a solid, liquid, or solvent, which can be subjected to heat treatment to deposit the carbon material on activated carbon. Examples thereof include synthetic resins such as pitch, mesocarbon microbeads, coke, and phenol resin. Among these carbon material precursors, it is preferable in terms of production cost to use an inexpensive pitch. Pitch is roughly divided into petroleum pitch and coal pitch. Examples of petroleum pitches include crude oil distillation residue, fluid catalytic cracking residue (decant oil, etc.), bottom oil derived from thermal crackers, ethylene tar obtained during naphtha cracking, and the like.
上記ピッチを用いる場合、複合多孔性材料は、活性炭の表面でピッチの揮発成分又は熱分解成分を熱反応させることによって、該活性炭に炭素材料を被着させることにより得られる。この場合、200℃〜500℃程度の温度において、ピッチの揮発成分又は熱分解成分の活性炭細孔内への被着が進行し、400℃以上で該被着成分が炭素材料となる反応が進行する。熱処理時のピーク温度は、得られる複合多孔性材料の特性、熱反応パターン、熱反応雰囲気等により適宜決定されるものであるが、400℃以上であることが好ましく、より好ましくは450℃〜1000℃程度であり、さらに好ましくは500℃〜800℃程度である。また、熱処理時のピーク温度を維持する時間は、30分間〜10時間であればよく、好ましくは1時間〜7時間、より好ましくは2時間〜5時間である。例えば、500℃〜800℃程度のピーク温度で2時間〜5時間に亘って熱処理する場合、活性炭表面に被着している炭素材料は多環芳香族系炭化水素になっているものと考えられる。 When the pitch is used, the composite porous material is obtained by depositing a carbon material on the activated carbon by thermally reacting the volatile component or pyrolysis component of the pitch on the surface of the activated carbon. In this case, at a temperature of about 200 ° C. to 500 ° C., the deposition of pitch volatile components or pyrolysis components into the activated carbon pores proceeds, and at 400 ° C. or higher, the reaction that the deposited components become carbon materials proceeds. To do. The peak temperature during the heat treatment is appropriately determined according to the characteristics of the composite porous material to be obtained, the thermal reaction pattern, the thermal reaction atmosphere, etc., but is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 450 ° C. to 1000 ° C. The temperature is about 500C, more preferably about 500C to 800C. Moreover, the time which maintains the peak temperature at the time of heat processing should just be 30 minutes-10 hours, Preferably they are 1 hour-7 hours, More preferably, they are 2 hours-5 hours. For example, when heat treatment is performed for 2 hours to 5 hours at a peak temperature of about 500 ° C. to 800 ° C., the carbon material deposited on the activated carbon surface is considered to be a polycyclic aromatic hydrocarbon. .
複合多孔性材料の製造方法としては、例えば、炭素材料前駆体から揮発した炭化水素ガスを含む不活性雰囲気中で活性炭を熱処理し、気相で炭素材料を被着させる方法が挙げられる。また、活性炭と炭素材料前駆体とを予め混合し熱処理する方法、又は溶媒に溶解させた炭素材料前駆体を活性炭に塗布して乾燥させた後に熱処理する方法も可能である。
複合多孔性材料は、活性炭の表面に炭素材料を被着させたものであるが、活性炭の細孔内部に炭素材料を被着させた後の細孔分布が重要であり、メソ孔量及びマイクロ孔量により規定できる。本発明においては、特に、メソ孔量及びマイクロ孔量の絶対値と共に、メソ孔量/マイクロ孔量の比率が重要である。すなわち、本発明の一実施形態においては、上記の複合多孔性材料における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Vm1(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Vm2(cc/g)としたとき、0.010≦Vm1≦0.250、0.001≦Vm2≦0.200、かつ1.5≦Vm1/Vm2≦20.0であることが好ましい。
Examples of the method for producing a composite porous material include a method in which activated carbon is heat-treated in an inert atmosphere containing a hydrocarbon gas volatilized from a carbon material precursor, and the carbon material is deposited in a gas phase. In addition, a method in which activated carbon and a carbon material precursor are mixed and heat-treated in advance, or a method in which a carbon material precursor dissolved in a solvent is applied to activated carbon and dried and then heat-treated is also possible.
The composite porous material is obtained by depositing a carbon material on the surface of activated carbon, but the pore distribution after the carbon material is deposited inside the pores of activated carbon is important. It can be defined by the pore volume. In the present invention, the ratio of mesopore amount / micropore amount is particularly important as well as the absolute values of mesopore amount and micropore amount. That is, in one embodiment of the present invention, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method in the above composite porous material was calculated by Vm1 (cc / g) and MP method. When the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 mm is Vm2 (cc / g), 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.250, 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.200, and 1.5 ≦ Vm1 / It is preferable that Vm2 ≦ 20.0.
メソ孔量Vm1については、0.010≦Vm1≦0.225がより好ましく、0.010≦Vm1≦0.200が更に好ましい。マイクロ孔量Vm2については、0.001≦Vm2≦0.150がより好ましく、0.001≦Vm2≦0.100が更に好ましい。メソ孔量/マイクロ孔量の比率については、1.5≦Vm1/Vm2≦15.0がより好ましく、1.5≦Vm1/Vm2≦10.0が更に好ましい。メソ孔量Vm1が上限以下(Vm1≦0.250)であれば、リチウムイオンに対する高い充放電効率が維持でき、メソ孔量Vm1及びマイクロ孔量Vm2が下限以上(0.010≦Vm1、0.001≦Vm2)であれば、高出力特性が得られる。 The mesopore amount Vm1 is more preferably 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.225, and further preferably 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.200. About micropore amount Vm2, 0.001 <= Vm2 <= 0.150 is more preferable, and 0.001 <= Vm2 <= 0.100 is still more preferable. The ratio of mesopore amount / micropore amount is more preferably 1.5 ≦ Vm1 / Vm2 ≦ 15.0, and further preferably 1.5 ≦ Vm1 / Vm2 ≦ 10.0. If the mesopore volume Vm1 is less than or equal to the upper limit (Vm1 ≦ 0.250), high charge / discharge efficiency with respect to lithium ions can be maintained, and the mesopore volume Vm1 and the micropore volume Vm2 are equal to or greater than the lower limit (0.010 ≦ Vm1, 0. If 001 ≦ Vm2), high output characteristics can be obtained.
また、孔径の大きいメソ孔内では、マイクロ孔よりもイオン伝導性が高い為、高出力特性を得るためにはメソ孔量が必要であり、一方、孔径の小さいマイクロ孔内では、蓄電素子の耐久性に悪影響を及ぼすとされる水分等の不純物が脱着し難い為、高耐久性を得るためにはマイクロ孔量を制御する必要があると考えられる。したがって、メソ孔量とマイクロ孔量との比率の制御が重要であり、下限以上(1.5≦Vm1/Vm2)の場合、すなわち、炭素材料が活性炭のメソ孔よりもマイクロ孔に多く被着し、被着後の複合多孔性材料のメソ孔量が多く、マイクロ孔量が少ない場合に、高エネルギー密度、高出力特性かつ高耐久性(サイクル特性、フロート特性等)が得られる。メソ孔量とマイクロ孔量との比率が上限以下(Vm1/Vm2≦20.0)の場合、高出力特性が得られる。 Also, in the mesopores with a large pore diameter, the ion conductivity is higher than that of the micropores. Therefore, the mesopore amount is necessary to obtain high output characteristics, while in the micropores with a small pore diameter, Since impurities such as moisture that are considered to have an adverse effect on durability are difficult to desorb, it is considered necessary to control the amount of micropores in order to obtain high durability. Therefore, it is important to control the ratio between the amount of mesopores and the amount of micropores. When the ratio is equal to or higher than the lower limit (1.5 ≦ Vm1 / Vm2), that is, the carbon material is deposited on the micropores more than the mesopores of activated carbon. When the composite porous material after deposition has a large amount of mesopores and a small amount of micropores, high energy density, high output characteristics and high durability (cycle characteristics, float characteristics, etc.) can be obtained. When the ratio between the mesopore amount and the micropore amount is not more than the upper limit (Vm1 / Vm2 ≦ 20.0), high output characteristics can be obtained.
本発明では、マイクロ孔量及びメソ孔量は以下のような方法により求められる値である。すなわち、試料を500℃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。このときの脱着側の等温線を用いて、マイクロ孔量はMP法により、メソ孔量はBJH法により算出する。
MP法とは、「t−プロット法」(B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965))を利用して、マイクロ孔容積、マイクロ孔面積、及びマイクロ孔の分布を求める方法を意味し、M.Mikhail, Brunauer, Bodorにより考案された方法である(R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface Sci.,26,45 (1968))。また、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(E. P. Barrett, L. G. Joyner and P. Halenda, J. Amer. Chem. Soc., 73, 373(1951))。
本実施形態においては、上述のように、活性炭の表面に炭素材料を被着した後のメソ孔量/マイクロ孔量の比率が重要である。本発明で規定する細孔分布範囲の複合多孔性材料を得る為には、原料に用いる活性炭の細孔分布が重要である。
In the present invention, the micropore volume and mesopore volume are values determined by the following method. That is, the sample is vacuum-dried at 500 ° C. all day and night, and the adsorption and desorption isotherm is measured using nitrogen as an adsorbate. Using the isotherm on the desorption side at this time, the micropore volume is calculated by the MP method, and the mesopore volume is calculated by the BJH method.
The MP method uses a “t-plot method” (BC Lippens, JH de Boer, J. Catalysis, 4319 (1965)), and uses a micropore volume, a micropore area, and a micropore. Is a method for obtaining the distribution of M.M. It is a method devised by Mikhail, Brunauer, Bodor (RS Mikhal, S. Brunauer, EE Bodor, J. Colloid Interface Sci., 26, 45 (1968)). The BJH method is a calculation method generally used for analysis of mesopores and was proposed by Barrett, Joyner, Halenda et al. (EP Barrett, LG Joyner and P. Halenda, J Amer. Chem. Soc., 73, 373 (1951)).
In the present embodiment, as described above, the ratio of the mesopore amount / micropore amount after the carbon material is deposited on the surface of the activated carbon is important. In order to obtain a composite porous material having a pore distribution range defined in the present invention, the pore distribution of activated carbon used as a raw material is important.
負極活物質としての複合多孔性材料の形成に用いる活性炭においては、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)としたとき、0.050≦V1≦0.500、0.005≦V2≦1.000、かつ0.2≦V1/V2≦20.0であることが好ましい。
メソ孔量V1については、0.050≦V1≦0.350がより好ましく、0.100≦V1≦0.300が更に好ましい。マイクロ孔量V2については、0.005≦V2≦0.850がより好ましく、0.100≦V2≦0.800が更に好ましい。メソ孔量/マイクロ孔量の比率については、0.22≦V1/V2≦15.0がより好ましく、0.25≦V1/V2≦10.0が更に好ましい。活性炭のメソ孔量V1が0.500以下である場合及びマイクロ孔量V2が1.000以下である場合、上記本発明の一実施形態の複合多孔性材料の細孔構造を得る為には適量の炭素材料を被着させれば足りるので、細孔構造を制御し易くなる傾向がある。他方、活性炭のメソ孔量V1が0.050以上である場合及びマイクロ孔量V2が0.005以上である場合、V1/V2が0.2以上である場合、及びV1/V2が20.0以下である場合は、該活性炭の細孔分布から本実施形態の複合多孔性材料の細孔構造が容易に得られる傾向がある。
In the activated carbon used for forming the composite porous material as the negative electrode active material, the mesopore amount derived from the pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method is V1 (cc / g), the diameter calculated by the MP method. When the amount of micropores derived from pores less than 20 mm is V2 (cc / g), 0.050 ≦ V1 ≦ 0.500, 0.005 ≦ V2 ≦ 1.000, and 0.2 ≦ V1 / V2 It is preferable that ≦ 20.0.
About mesopore amount V1, 0.050 <= V1 <= 0.350 is more preferable, and 0.100 <= V1 <= 0.300 is still more preferable. The micropore amount V2 is more preferably 0.005 ≦ V2 ≦ 0.850, and further preferably 0.100 ≦ V2 ≦ 0.800. The ratio of mesopore amount / micropore amount is more preferably 0.22 ≦ V1 / V2 ≦ 15.0, and further preferably 0.25 ≦ V1 / V2 ≦ 10.0. When the mesopore volume V1 of the activated carbon is 0.500 or less and when the micropore volume V2 is 1.000 or less, an appropriate amount is obtained to obtain the pore structure of the composite porous material of one embodiment of the present invention. Since it is sufficient to deposit the carbon material, the pore structure tends to be easily controlled. On the other hand, when the mesopore volume V1 of the activated carbon is 0.050 or more, when the micropore volume V2 is 0.005 or more, when V1 / V2 is 0.2 or more, and when V1 / V2 is 20.0. In the following cases, the pore structure of the composite porous material of the present embodiment tends to be easily obtained from the pore distribution of the activated carbon.
本実施形態における複合多孔性材料の平均粒径は1μm以上10μm以下であることが好ましい。下限については、より好ましくは2μm以上であり、更に好ましくは2.5μm以上である。上限については、より好ましくは6μm以下であり、更に好ましくは4μm以下である。平均粒径が1μm以上10μm以下であれば良好な耐久性が保たれる。上記の複合多孔性材料の平均粒径の測定方法は、上述の正極活物質の活性炭の平均粒径に用いる測定方法と同様である。
上記の複合多孔性材料において、水素原子/炭素原子の原子数比(以下、H/Cともいう。)は、0.05以上0.35以下であることが好ましく、0.05以上0.15以下であることがより好ましい。H/Cが0.35以下である場合には、活性炭表面に被着している炭素材料の構造(典型的には、多環芳香族系共役構造)が十分に発達するので、容量(エネルギー密度)及び充放電効率が高くなるため好ましい。他方、H/Cが0.05以上である場合には、炭素化が過度に進行することはないため十分なエネルギー密度を得られる。尚、H/Cは元素分析装置により測定される。
The average particle size of the composite porous material in the present embodiment is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. About a lower limit, More preferably, it is 2 micrometers or more, More preferably, it is 2.5 micrometers or more. About an upper limit, More preferably, it is 6 micrometers or less, More preferably, it is 4 micrometers or less. If the average particle size is 1 μm or more and 10 μm or less, good durability is maintained. The measurement method of the average particle diameter of said composite porous material is the same as the measurement method used for the average particle diameter of the activated carbon of the above-mentioned positive electrode active material.
In the above composite porous material, the atomic ratio of hydrogen atoms / carbon atoms (hereinafter also referred to as H / C) is preferably 0.05 or more and 0.35 or less, and 0.05 or more and 0.15. The following is more preferable. When H / C is 0.35 or less, the structure (typically polycyclic aromatic conjugated structure) of the carbon material deposited on the activated carbon surface is sufficiently developed. Density) and charge / discharge efficiency are increased. On the other hand, when H / C is 0.05 or more, since carbonization does not proceed excessively, a sufficient energy density can be obtained. H / C is measured by an elemental analyzer.
また、通常、上記複合多孔性材料は、原料の活性炭に由来するアモルファス構造を有するとともに主に被着した炭素材料に由来する結晶構造を有する。X線広角回折法によると、該複合多孔性材料は、高い出力特性を発現するためには結晶性が低い構造が好ましく、充放電における可逆性を保つには結晶性が高い構造が好ましいという観点から、(002)面の面間隔d002が3.60Å以上4.00Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが8.0Å以上20.0Å以下であるものが好ましく、d002が3.60Å以上3.75Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが11.0Å以上16.0Å以下であるものがより好ましい。
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、スチレン−ブタジエン共重合体など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混合量は、負極活物質に対して3〜20質量%が好ましく、5〜15質量%の範囲がさらに好ましい。
In addition, the composite porous material usually has an amorphous structure derived from the activated carbon as a raw material and a crystal structure mainly derived from the deposited carbon material. According to the X-ray wide angle diffraction method, the composite porous material preferably has a structure with low crystallinity in order to exhibit high output characteristics, and has a structure with high crystallinity in order to maintain reversibility in charge and discharge. From the (002) plane spacing d 002 is 3.60 to 4.00 mm, and the crystallite size Lc in the c-axis direction obtained from the half width of this peak is 8.0 to 20.0 mm. Some are preferable, d 002 is 3.60 to 3.75 Å, and the crystallite size Lc in the c-axis direction obtained from the half width of this peak is 11.0 to 16.0 よ り. preferable.
As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, styrene-butadiene copolymer and the like can be used. 3-20 mass% is preferable with respect to a negative electrode active material, and, as for the mixing amount of the binder in a negative electrode active material layer, the range of 5-15 mass% is further more preferable.
上記負極活物質層には、上記リチウムイオン吸蔵可能炭素材料及び結着剤以外に、必要に応じて負極活物質より導電性の高い炭素質材料からなる導電性フィラーを混合することができる。導電性フィラーとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維、これらの混合物を挙げることができる。
導電性フィラーの混合量は、負極活物質に対して0〜20質量%が好ましく、1質量%〜15質量%の範囲がさらに好ましい。導電性フィラーは高入力の観点からは混合したほうが好ましいが、混合量が20質量%よりも多いと負極活物質層における負極活物質の含有量が少なくなるために、体積あたりのエネルギー密度が低下するので好ましくない。
負極電極体は、リチウムイオン吸蔵可能炭素材料と結着剤(必要に応じ、導電性フィラー)とを溶媒に分散させたペーストを作製し、このペーストを負極集電体上に塗布し、乾燥し、必要に応じてプレスすることにより得られる。塗布方法としては、正極電極体と同様の方法が使用可能であり、ペーストの物性と塗布厚に応じた塗布方法を適宜選択できる。上記負極活物質層の厚みは、通常50μm〜200μm程度である。
In addition to the lithium ion storable carbon material and the binder, a conductive filler made of a carbonaceous material having higher conductivity than the negative electrode active material can be mixed in the negative electrode active material layer as necessary. Examples of the conductive filler include acetylene black, ketjen black, vapor grown carbon fiber, and a mixture thereof.
0-20 mass% is preferable with respect to a negative electrode active material, and, as for the mixing amount of an electroconductive filler, the range of 1 mass%-15 mass% is further more preferable. The conductive filler is preferably mixed from the viewpoint of high input, but if the mixing amount is more than 20% by mass, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer decreases, so the energy density per volume decreases. This is not preferable.
For the negative electrode body, a paste is prepared by dispersing a lithium ion storable carbon material and a binder (if necessary, a conductive filler) in a solvent, and this paste is applied onto the negative electrode current collector and dried. It is obtained by pressing as necessary. As a coating method, the same method as that for the positive electrode body can be used, and a coating method according to the physical properties and coating thickness of the paste can be appropriately selected. The thickness of the negative electrode active material layer is usually about 50 μm to 200 μm.
本実施形態のキャパシタに用いられる負極活物質には、リチウムを予めドープしておくことができる。リチウムを予めドープしておくことにより、キャパシタの初期効率、容量、及び出力特性を制御することが可能である。ドープ量は負極活物質が吸蔵できるリチウムイオンの30%〜100%の範囲であることが好ましく、より好ましくは40%〜80%の範囲である。
負極活物質にリチウムイオンを予めドープする方法は、特に制限しないが、公知の方法を用いることができる。例えば、負極活物質を電極に成型した後、該負極電極体を作用極、金属リチウムを対極に使用し、非水系電解液を組み合わせた電気化学セルを作製し、電気化学的にリチウムイオンをドープする方法が挙げられる。また、該負極電極体に金属リチウム箔を圧着し、非水系電解液に入れることで負極活物質にリチウムイオンをドープすることも可能である。
The negative electrode active material used in the capacitor of this embodiment can be doped with lithium in advance. By pre-doping with lithium, the initial efficiency, capacity, and output characteristics of the capacitor can be controlled. The doping amount is preferably in the range of 30% to 100% of lithium ions that can be occluded by the negative electrode active material, and more preferably in the range of 40% to 80%.
A method for doping lithium ion into the negative electrode active material in advance is not particularly limited, but a known method can be used. For example, after forming a negative electrode active material into an electrode, using the negative electrode body as a working electrode and metallic lithium as a counter electrode, an electrochemical cell combining non-aqueous electrolyte solution is produced, and lithium ions are doped electrochemically. The method of doing is mentioned. It is also possible to dope lithium ions into the negative electrode active material by pressing a metal lithium foil on the negative electrode body and placing it in a non-aqueous electrolyte.
<負極その2>
本実施形態における負極活物質は、負極活物質層に含まれ、かつ、
作用極が負極、対極がリチウム、参照極がリチウム、電解液がエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを体積比1:4で混合した溶媒に1mol/LとなるLiPF6を溶解したものにおける3極式セルにおいて、電流値が負極活物質当り100mA/gとなる値であり、かつ、セル温度が45℃であるという条件下で、定電流にてリチウムを充電し、負極電位が1mVになると定電圧に切り替えて更に充電をし、定電流定電圧充電で合計40時間後の充電量を初回リチウム充電量とし、上記充電後、電流値が負極活物質当り50mA/gとなる値であり、かつ、セル温度が45℃であるという条件下で、定電流にて負極電位が2.5Vになるまでリチウムを放電した際の放電量を初回リチウム放電量としたとき、初回リチウム充放電特性において、以下の(1)と(2):
(1)充電量が1100mAh/g以上2000mAh/g以下である;及び
(2)0〜0.5Vの負極電位において、放電量が100mAh/g以上である;
を同時に満足することを特徴とする。
<Negative electrode 2>
The negative electrode active material in the present embodiment is included in the negative electrode active material layer, and
Tripolar cell in which LiPF 6 is dissolved at 1 mol / L in a solvent in which the working electrode is a negative electrode, the counter electrode is lithium, the reference electrode is lithium, and the electrolytic solution is a mixture of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate in a volume ratio of 1: 4. In this case, lithium is charged with a constant current under the condition that the current value is 100 mA / g per negative electrode active material and the cell temperature is 45 ° C., and the constant voltage is reached when the negative electrode potential becomes 1 mV. The battery is further charged by switching, and the charge amount after a total of 40 hours by constant current and constant voltage charge is the initial lithium charge amount. After the above charge, the current value is 50 mA / g per negative electrode active material, and the cell When the discharge amount when lithium is discharged at a constant current until the negative electrode potential reaches 2.5 V under the condition that the temperature is 45 ° C., the initial lithium charge amount is In the discharge characteristics, the following (1) and (2):
(1) The charge amount is 1100 mAh / g or more and 2000 mAh / g or less; and (2) The discharge amount is 100 mAh / g or more at a negative electrode potential of 0 to 0.5 V;
Is satisfied at the same time.
上記(1)については、充電量が1100mAh/g以上あれば負極内の負極活物質量を少なくすることができ、負極活物質層を薄くすることが可能となり蓄電素子が高エネルギー密度を発現することができ、充電量が2000mAh/g以下であれば、負極活物質の細孔量が多くなりすぎず、負極活物質層の嵩密度を高めることができる。より好ましくは、充電量が1200mAh/g以上1700mAh/g以下であり、更に好ましくは、充電量が1300mAh/g以上1600mAh/g以下である。 As for the above (1), if the charge amount is 1100 mAh / g or more, the amount of the negative electrode active material in the negative electrode can be reduced, the negative electrode active material layer can be made thin, and the energy storage device exhibits a high energy density. If the charge amount is 2000 mAh / g or less, the amount of pores in the negative electrode active material does not increase too much, and the bulk density of the negative electrode active material layer can be increased. More preferably, the charge amount is 1200 mAh / g or more and 1700 mAh / g or less, and still more preferably, the charge amount is 1300 mAh / g or more and 1600 mAh / g or less.
上記(2)については、負極電位が0〜0.5Vの間にあるときに、放電量が100mAh/g以上あれば、蓄電素子とした際の充放電過程において、負極電位を低電位で作動させることが可能となり、高耐久性を発現することができる。より好ましくは、負極電位が0〜0.5V間の放電量が120mAh/g以上であり、更に好ましくは140mAh/g以上である。 As for (2) above, when the negative electrode potential is between 0 and 0.5 V and the discharge amount is 100 mAh / g or more, the negative electrode potential operates at a low potential in the charge / discharge process when the battery is used. And high durability can be exhibited. More preferably, the discharge amount between the negative electrode potential of 0 to 0.5 V is 120 mAh / g or more, and more preferably 140 mAh / g or more.
本実施形態における負極活物質は、活性炭の表面にピッチ炭を被着させた複合多孔性材料を含むことが好ましい。
本実施形態の複合多孔性材料を含んだ負極活物質は、以下の(i)と(ii)を同時に満足することを特徴とする:
(i)該ピッチ炭の該活性炭に対する重量比率が、10%以上60%以下であり、かつ、該ピッチ炭の原料であるピッチの軟化点が100℃以下である;及び
(ii)該負極活物質はBET比表面積が350m2/g〜1500m2/gであり、かつ、リチウムイオンが、単位重量当たり1100mAh/g〜2000mAh/gドープされている。
The negative electrode active material in the present embodiment preferably includes a composite porous material in which pitch charcoal is deposited on the surface of activated carbon.
The negative electrode active material containing the composite porous material of the present embodiment is characterized by satisfying the following (i) and (ii) simultaneously:
(I) The weight ratio of the pitch charcoal to the activated carbon is 10% or more and 60% or less, and the softening point of the pitch as a raw material of the pitch charcoal is 100 ° C. or less; and (ii) the negative electrode active material is the BET specific surface area of 350m 2 / g~1500m 2 / g, and lithium ions, have been 1100mAh / g~2000mAh / g doped per unit weight.
以下、上記(i)について説明する。
該ピッチ炭の該活性炭に対する重量比率が10%以上あれば、該活性炭が有していたマイクロ孔を該ピッチ炭で適度に埋めることができ、リチウムイオンの充放電効率が向上することで耐久性を損なわない。また、炭素質材料の重量比率が60%以下であれば、複合多孔性材料の細孔を適度に保持することで比表面積を大きくでき、リチウムイオンのプリドープ量を高めることができる結果、負極を薄膜化しても高出力密度かつ高耐久性を維持することができる。以上より、この重量比率は、好ましくは15%以上55%以下であり、より好ましくは18%以上50%以下であり、特に好ましくは20%以上47%以下である。
さらに、該ピッチ炭の原料であるピッチの軟化点が100℃以下であれば、理論に拘束されるものではないが、該活性炭が有していたマイクロ孔を該ピッチ炭で適度に埋めることができ、初回リチウム充放電特性の充放電効率が向上することで、負極電位が0〜0.5Vの間にあるときに放電量を大きくすることが可能となり、耐久性を向上できる。ピッチの軟化点は、より好ましくは90℃以下であり、更に好ましくは50℃以下である。また、ピッチの軟化点は、約35℃以上であることが好ましい。
Hereinafter, the above (i) will be described.
If the weight ratio of the pitch charcoal to the activated carbon is 10% or more, the micropores that the activated charcoal has can be appropriately filled with the pitch charcoal, and durability is improved by improving the charge / discharge efficiency of lithium ions. Will not be damaged. Further, if the weight ratio of the carbonaceous material is 60% or less, the specific surface area can be increased by appropriately holding the pores of the composite porous material, and the pre-doping amount of lithium ions can be increased. High power density and high durability can be maintained even if the film is thinned. From the above, this weight ratio is preferably 15% or more and 55% or less, more preferably 18% or more and 50% or less, and particularly preferably 20% or more and 47% or less.
Furthermore, if the softening point of the pitch coal raw material is 100 ° C. or less, it is not bound by theory, but the micropores possessed by the activated carbon can be appropriately filled with the pitch coal. In addition, since the charge / discharge efficiency of the initial lithium charge / discharge characteristics is improved, the discharge amount can be increased when the negative electrode potential is between 0 and 0.5 V, and the durability can be improved. The softening point of the pitch is more preferably 90 ° C. or less, and further preferably 50 ° C. or less. The pitch softening point is preferably about 35 ° C. or higher.
以下、上記(ii)について説明する。
該負極活物質のBET法における比表面積は、350m2/g以上であると負極活物質の細孔を適度に保持することができ、リチウムイオンのドープ量を高めることができる結果、負極の薄膜化が可能となる。他方、この比表面積は、1500m2/g以下であると活性炭のマイクロ孔を適度に埋めることができ、初回リチウム充放電特性の充放電効率が向上することで、負極電位が0〜0.5Vの間にあるときに放電量を大きくすることが可能となり、耐久性を向上できる。この比表面積は、より好ましくは350m2/g〜1100m2/gであり、更に好ましくは370m2/g〜600m2/gである。
Hereinafter, the above (ii) will be described.
When the specific surface area of the negative electrode active material in the BET method is 350 m 2 / g or more, the pores of the negative electrode active material can be appropriately retained, and the doping amount of lithium ions can be increased. Can be realized. On the other hand, when the specific surface area is 1500 m 2 / g or less, the micropores of the activated carbon can be appropriately filled, and the charge / discharge efficiency of the initial lithium charge / discharge characteristics is improved, so that the negative electrode potential is 0 to 0.5V. It is possible to increase the amount of discharge when it is between, and durability can be improved. The specific surface area is more preferably 350m 2 / g~1100m 2 / g, more preferably from 370m 2 / g~600m 2 / g.
さらに、該負極活物質にはリチウムイオンをドープする(プリドープともいう)。このプリドープ量は該複合多孔性材料の単位重量当たり1100mAh/g以上2000mAh/g以下である。このプリドープ量は、好ましくは1200mAh/g以上1700mAh/g以下であり、更に好ましくは1300mAh/g以上1600mAh/g以下である。リチウムイオンをプリドープすることで、負極電位が低くなり、正極と組み合わせたときにセル電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなるため高容量となり、高いエネルギー密度が得られる。 Further, the negative electrode active material is doped with lithium ions (also referred to as pre-doping). The pre-doping amount is 1100 mAh / g or more and 2000 mAh / g or less per unit weight of the composite porous material. This pre-doping amount is preferably 1200 mAh / g or more and 1700 mAh / g or less, and more preferably 1300 mAh / g or more and 1600 mAh / g or less. By pre-doping with lithium ions, the negative electrode potential is lowered, the cell voltage is increased when combined with the positive electrode, and the utilization capacity of the positive electrode is increased, resulting in higher capacity and higher energy density.
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子用負極においては、該プリドープ量が1100mAh/g以上であれば、負極材料におけるリチウム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リチウムイオンが十分にプリドープされ、更に所望のリチウム量に対する負極活物質量を低減することができるため、負極膜厚を薄くすることが可能となり、高い耐久性、出力特性、及び高エネルギー密度が得られる。また、該プリドープ量は、高いほど負極電位が下がり、耐久性及びエネルギー密度は向上するが、2000mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生する恐れがない。
上記負極活物質は、1種類のみで使用するか又は2種以上を混合して使用してもよい。
In the negative electrode for a non-aqueous lithium storage element according to this embodiment, if the pre-doping amount is 1100 mAh / g or more, lithium ions are sufficiently present at irreversible sites that cannot be desorbed once lithium ions in the negative electrode material are inserted. Since the amount of the negative electrode active material with respect to the desired lithium amount can be reduced, the negative electrode film thickness can be reduced, and high durability, output characteristics, and high energy density can be obtained. Further, the higher the pre-doping amount, the lower the negative electrode potential and the higher the durability and energy density. However, when the pre-doping amount is 2000 mAh / g or less, there is no possibility that side effects such as precipitation of lithium metal occur.
The negative electrode active material may be used alone or in combination of two or more.
複合多孔性材料は、例えば、活性炭とピッチを共存させた状態で熱処理することにより得ることができる。
上記の複合多孔性材料の原料に用いる活性炭は、得られる複合多孔性材料が所望の特性を発揮する限り、活性炭とする前の原材料に特に制限はなく、石油系、石炭系、植物系、高分子系などの各種の原材料から得られた市販品を使用することができる。平均粒子径が1μm以上15μm以下の活性炭粉末を用いることが好ましく、より好ましくは、平均粒子径は2μm以上10μm以下である。
他方、上記の複合多孔性材料の原料に用いるピッチは、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、原油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイルなど)、サーマルクラッカーからのボトム油、ナフサクラッキングの際に得られるエチレンタールなどが例示される。
The composite porous material can be obtained, for example, by heat treatment in a state where activated carbon and pitch coexist.
The activated carbon used as a raw material for the composite porous material is not particularly limited as long as the raw material before activated carbon is used as long as the obtained composite porous material exhibits desired characteristics. Commercial products obtained from various raw materials such as molecular systems can be used. It is preferable to use activated carbon powder having an average particle size of 1 μm or more and 15 μm or less, and more preferably the average particle size is 2 μm or more and 10 μm or less.
On the other hand, the pitch used for the raw material of the composite porous material is roughly divided into petroleum pitch and coal pitch. Examples of petroleum pitches include crude oil distillation residue, fluid catalytic cracking residue (such as decant oil), bottom oil from thermal crackers, and ethylene tar obtained during naphtha cracking.
複合多孔性材料は、活性炭の表面でピッチの揮発成分又は熱分解成分を熱反応させることにより、該活性炭にピッチ炭を被着させることにより得られる。この場合、200〜500℃程度の温度において、ピッチの揮発成分又は熱分解成分の活性炭細孔内への被着が進行し、400℃以上で該被着成分がピッチ炭となる反応が進行する。熱処理時のピーク温度は、得られる複合多孔性材料の特性、熱反応パターン、熱反応雰囲気などにより適宜決定されるものであるが、400℃以上であることが好ましく、より好ましくは450℃〜1000℃であり、さらに好ましくは500〜800℃程度である。また、熱処理時のピーク温度を維持する時間は30分間〜10時間であればよく、好ましくは1時間〜7時間、より好ましくは2時間〜5時間である。500〜800℃程度のピーク温度で2時間から5時間熱処理する場合、活性炭表面に被着しているピッチ炭は多環芳香族系炭化水素になっているものと考えられる。
上記の複合多孔性材料の製造方法は、例えば、ピッチから揮発した炭化水素ガスを含む不活性雰囲気中で活性炭を熱処理し、気相でピッチ炭を被着させる方法が挙げられる。また、活性炭とピッチを予め混合し熱処理する方法、又は溶媒に溶解させたピッチを活性炭に塗布して乾燥させた後に熱処理する方法も利用することができる。
The composite porous material is obtained by depositing pitch charcoal on the activated carbon by thermally reacting the volatile component or pyrolysis component of the pitch on the surface of the activated carbon. In this case, at a temperature of about 200 to 500 ° C., the deposition of pitch volatile components or pyrolysis components into the activated carbon pores proceeds, and at 400 ° C. or higher, the reaction in which the deposited components become pitch charcoal proceeds. . The peak temperature during the heat treatment is appropriately determined depending on the characteristics of the composite porous material to be obtained, the thermal reaction pattern, the thermal reaction atmosphere, etc., but is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 450 ° C. to 1000 ° C. ° C, more preferably about 500 to 800 ° C. Moreover, the time which maintains the peak temperature at the time of heat processing should just be 30 minutes-10 hours, Preferably they are 1 hour-7 hours, More preferably, they are 2 hours-5 hours. When heat treatment is performed at a peak temperature of about 500 to 800 ° C. for 2 to 5 hours, the pitch charcoal deposited on the activated carbon surface is considered to be a polycyclic aromatic hydrocarbon.
Examples of the method for producing the composite porous material include a method in which activated carbon is heat-treated in an inert atmosphere containing hydrocarbon gas volatilized from pitch, and pitch charcoal is deposited in the gas phase. Moreover, the method of heat-mixing activated carbon and pitch previously, or the method of heat-processing after apply | coating and drying the pitch melt | dissolved in the solvent on activated carbon can also be utilized.
複合多孔性材料は、活性炭の表面にピッチ炭を被着させたものであるが、活性炭の細孔内部にピッチを被着させた後の細孔分布が重要であり、メソ孔量及びマイクロ孔量により規定できる。すなわち、複合多孔性材料は、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Vm1(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Vm2(cc/g)とするとき、下記(I)〜(III):
(I)0.010≦Vm1≦0.300、かつ、0.010≦Vm2≦0.200;
(II)0.010≦Vm1≦0.200、かつ、0.200≦Vm2≦0.400;及び
(III)0.010≦Vm1≦0.100、かつ、0.400≦Vm2≦0.650;
の少なくとも1つを満たすことが好ましい。
メソ孔量Vm1が上限値以下(Vm1≦0.300)であれば、複合多孔性材料の比表面積を大きくすることができ、リチウムイオンのプリドープ量を高めることができることに加え、負極の嵩密度を高めることができるため、その結果、負極を薄膜化することができる。また、マイクロ孔量Vm2が上限値以下(Vm2≦0.650)であれば、リチウムイオンに対する高い充放電効率が維持できる。一方、メソ孔量Vm1及びマイクロ孔量Vm2が下限値以上(0.010≦Vm1、0.010≦Vm2)であれば、高出力特性が得られる。
複合多孔性材料は、上記(I)〜(III)中でも、上記(I)又は(II)を満たすことが好ましい。また、上記(I)において、メソ孔量Vm1は、0.050≦Vm1≦0.300であることが好ましい。
The composite porous material is obtained by depositing pitch charcoal on the surface of activated carbon, but the pore distribution after the pitch is deposited inside the pores of the activated carbon is important. Can be defined by quantity. That is, the composite porous material has a mesopore amount derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method as Vm1 (cc / g), and a micropore derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method. When the pore volume is Vm2 (cc / g), the following (I) to (III):
(I) 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.300 and 0.010 ≦ Vm2 ≦ 0.200;
(II) 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.200 and 0.200 ≦ Vm2 ≦ 0.400; and (III) 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.100 and 0.400 ≦ Vm2 ≦ 0.650 ;
It is preferable to satisfy at least one of the following.
If the mesopore amount Vm1 is less than or equal to the upper limit (Vm1 ≦ 0.300), the specific surface area of the composite porous material can be increased, the pre-doping amount of lithium ions can be increased, and the bulk density of the negative electrode As a result, the negative electrode can be thinned. Moreover, if the micropore amount Vm2 is not more than the upper limit value (Vm2 ≦ 0.650), high charge / discharge efficiency for lithium ions can be maintained. On the other hand, if the mesopore volume Vm1 and the micropore volume Vm2 are not less than the lower limit values (0.010 ≦ Vm1, 0.010 ≦ Vm2), high output characteristics can be obtained.
The composite porous material preferably satisfies the above (I) or (II) among the above (I) to (III). In the above (I), the mesopore amount Vm1 is preferably 0.050 ≦ Vm1 ≦ 0.300.
本発明においては、上述のように、活性炭の表面にピッチ炭を被着した後のメソ孔量及びマイクロ孔量が重要であるが、本発明で規定した細孔分布範囲の複合多孔性材料を得る為には、原料に用いる活性炭の細孔分布が重要である。
上記の活性炭は、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、0.050≦V1≦0.500、0.005≦V2≦1.000、そして0.2≦V1/V2≦20.0であることが好ましい。
メソ孔量については、0.050≦V1≦0.350がより好ましく、0.100≦V1≦0.300が更に好ましい。マイクロ孔量については、0.005≦V2≦0.850がより好ましく、0.100≦V2≦0.800が更に好ましい。メソ孔量/マイクロ孔量の比率については、0.22≦V1/V2≦10.0がより好ましく、0.25≦V1/V2≦10.0が更に好ましい。上限を超える場合、すなわち活性炭のメソ孔量V1が0.5より多い場合及びマイクロ孔量V2が1.0より多い場合、上記本発明の複合多孔性材料の細孔構造を得る為には多くのピッチ炭を被着させる必要があり、細孔構造を制御し難くなる。
In the present invention, as described above, the amount of mesopores and the amount of micropores after depositing pitch charcoal on the surface of activated carbon is important, but composite porous materials having a pore distribution range defined in the present invention are used. In order to obtain, the pore distribution of the activated carbon used as a raw material is important.
The activated carbon has a mesopore amount derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method as V1 (cc / g) and a micropore amount derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method. When V2 (cc / g), it is preferable that 0.050 ≦ V1 ≦ 0.500, 0.005 ≦ V2 ≦ 1.000, and 0.2 ≦ V1 / V2 ≦ 20.0.
The amount of mesopores is more preferably 0.050 ≦ V1 ≦ 0.350, and further preferably 0.100 ≦ V1 ≦ 0.300. The amount of micropores is more preferably 0.005 ≦ V2 ≦ 0.850, and further preferably 0.100 ≦ V2 ≦ 0.800. The ratio of mesopore amount / micropore amount is more preferably 0.22 ≦ V1 / V2 ≦ 10.0, and further preferably 0.25 ≦ V1 / V2 ≦ 10.0. When the upper limit is exceeded, that is, when the mesopore volume V1 of the activated carbon is greater than 0.5 and when the micropore volume V2 is greater than 1.0, it is often necessary to obtain the pore structure of the composite porous material of the present invention. Therefore, it is difficult to control the pore structure.
また、上記の複合多孔性材料を製造する工程は、一般の表面コーティングとは異なり、活性炭の表面にピッチ炭を被着させた後にも凝集の発生が少なく、被着前後の平均粒子径にはほとんど変化がないことを特徴とする。このような上記の複合多孔性材料を製造する工程の特徴と、後述される実施例から明らかなように、被着後にマイクロ孔量及びメソ孔量が減少していることから、本発明においては、ピッチの揮発成分、又は熱分解成分の大部分は、活性炭の細孔内に被着し、この被着成分がピッチ炭となる反応が、進行したものと推測できる。
本実施形態における複合多孔性材料の平均粒子径は、上述のように、被着前の活性炭とほとんど変わらないが、1μm以上10μm以下であることが好ましい。下限については、より好ましくは2μm以上であり、更に好ましくは2.5μm以上である。上限については、より好ましくは6μm以下であり、更に好ましくは4μm以下である。平均粒子径が2μm以上10μm以下であれば十分な耐久性が保たれる。ここで言う複合多孔性材料の平均粒子径の測定方法は、上述の原料に用いる活性炭と同様の方法である。
In addition, unlike the general surface coating, the process for producing the composite porous material described above is less likely to occur after the pitch charcoal is deposited on the surface of the activated carbon, and the average particle diameter before and after the deposition is Characterized by almost no change. In the present invention, the amount of micropores and the amount of mesopores are reduced after deposition, as is clear from the characteristics of the above-mentioned process for producing the composite porous material and the examples described later. It can be presumed that most of the volatile component or pyrolysis component of the pitch is deposited in the pores of the activated carbon, and the reaction in which the deposited component becomes pitch charcoal has progressed.
As described above, the average particle diameter of the composite porous material in the present embodiment is almost the same as that of the activated carbon before deposition, but is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. About a lower limit, More preferably, it is 2 micrometers or more, More preferably, it is 2.5 micrometers or more. About an upper limit, More preferably, it is 6 micrometers or less, More preferably, it is 4 micrometers or less. If the average particle diameter is 2 μm or more and 10 μm or less, sufficient durability is maintained. The measuring method of the average particle diameter of the composite porous material said here is the same method as the activated carbon used for the above-mentioned raw material.
上記の複合多孔性材料において、平均細孔径は、高出力特性にする点から、28Å以上であることが好ましく、30Å以上であることがより好ましい。他方、高エネルギー密度にする点から、65Å以下であることが好ましく、60Å以下であることがより好ましい。本明細書では、平均細孔径とは、液体窒素温度における各相対圧力下での窒素ガスの各平衡吸着量を測定して得られる重量当たりの全細孔容積をBET比表面積で除して求めたものを意味する。
上記の複合多孔性材料において、水素原子/炭素原子の原子数比(以下、H/Cともいう。)は、0.05以上0.35以下であることが好ましく、0.05以上0.15以下であることがより好ましい。H/Cが上限値を上回る場合には、活性炭表面に被着している炭素質材料多環芳香族系共役構造が十分に発達していないので、容量(エネルギー密度)及び充放電効率が低くなる。他方、H/Cが下限値を下回る場合には、炭素化が過度に進行して、十分なエネルギー密度が得られない場合がある。尚、H/Cは元素分析装置により測定される。
In the above composite porous material, the average pore diameter is preferably 28 mm or more, more preferably 30 mm or more from the viewpoint of achieving high output characteristics. On the other hand, from the point of obtaining a high energy density, it is preferably 65 mm or less, more preferably 60 mm or less. In this specification, the average pore diameter is obtained by dividing the total pore volume per weight obtained by measuring each equilibrium adsorption amount of nitrogen gas at each relative pressure at the liquid nitrogen temperature by the BET specific surface area. Means something.
In the above composite porous material, the atomic ratio of hydrogen atoms / carbon atoms (hereinafter also referred to as H / C) is preferably 0.05 or more and 0.35 or less, and 0.05 or more and 0.15. The following is more preferable. When H / C exceeds the upper limit, the carbonaceous material polycyclic aromatic conjugated structure deposited on the activated carbon surface is not sufficiently developed, so the capacity (energy density) and charge / discharge efficiency are low. Become. On the other hand, when H / C is lower than the lower limit value, carbonization proceeds excessively, and a sufficient energy density may not be obtained. H / C is measured by an elemental analyzer.
また、上記の複合多孔性材料は、原料の活性炭に由来するアモルファス構造を有するが、同時に、主に被着した炭素質材料に由来する結晶構造を有する。X線広角回折法によると、該複合多孔性材料は、(002)面の面間隔d002が3.60Å以上4.00Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが8.0Å以上20.0Å以下であるものが好ましく、d002が3.60Å以上3.75Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが11.0Å以上16.0Å以下であるものがより好ましい。
負極活物質層には、必要に応じて、負極活物質の他に導電性フィラー、結着剤を添加することができる。導電性フィラーの種類としては、特に制限されるものではないが、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維が例示される。導電性フィラーの添加量は、例えば、負極活物質に対して0〜30質量%が好ましい。また、結着剤としては、特に、制限されるものではないが、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、スチレン−ブタジエン共重合体などを用いることができる。結着剤の添加量は、例えば、負極活物質に対して3〜20質量%の範囲が好ましい。
The composite porous material has an amorphous structure derived from the activated carbon as a raw material, but at the same time has a crystal structure mainly derived from the deposited carbonaceous material. According to the X-ray wide-angle diffraction method, the composite porous material has a (002) plane spacing d 002 of 3.60 to 4.00 and a c-axis direction crystal obtained from the half width of this peak. preferably has child size Lc is less 20.0Å than 8.0 Å, d 002 is less 3.75Å than 3.60A, the crystallite size Lc in the c-axis direction obtained from the half-value width of this peak What is 11.0 to 16.0 is more preferable.
In addition to the negative electrode active material, a conductive filler and a binder can be added to the negative electrode active material layer as necessary. The type of the conductive filler is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, ketjen black, and vapor grown carbon fiber. For example, the addition amount of the conductive filler is preferably 0 to 30% by mass with respect to the negative electrode active material. The binder is not particularly limited, and PVDF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), styrene-butadiene copolymer, and the like can be used. The amount of the binder added is preferably, for example, in the range of 3 to 20% by mass with respect to the negative electrode active material.
非水系リチウム型蓄電素子用負極は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等の電極成型手法により製造することが可能であり、例えば、負極活物質、導電性フィラー、結着剤を溶媒に分散させ、スラリー状にし、活物質層を集電体上に塗布して乾燥し、必要に応じてプレスすることにより得られる。また、溶媒を使用せずに、乾式で混合し、活物質をプレス成型した後、導電性接着剤等を用いて集電体に貼り付けることも可能である。
非水系リチウム型蓄電素子用負極は、負極活物質層を集電体の片面のみに形成したものでもよいし、両面に形成したものでもよい。該負極活物質層の厚さは、片面当たり15μm以上45μm以下であり、好ましくは20μm以上40μm以下である。この厚さが15μm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、この厚さが45μm以下であれば、セル体積を縮小することによりエネルギー密度を高めることができる。
尚、集電体に孔があるときには、負極活物質層の厚さとは、集電体の孔を有していない部分の片面当たりの厚さの平均値をいう。この場合、孔としては、例えば、パンチングメタルの貫通孔部分、エキスパンドメタルの開孔部分などが挙げられる。
A negative electrode for a non-aqueous lithium-type storage element can be manufactured by an electrode molding method such as a known lithium ion battery or an electric double layer capacitor. For example, a negative electrode active material, a conductive filler, and a binder are used as a solvent. It is obtained by dispersing, forming a slurry, applying an active material layer on a current collector, drying, and pressing as necessary. In addition, it is possible to dry-mix without using a solvent and press-mold the active material, and then affix it to the current collector using a conductive adhesive or the like.
The negative electrode for a non-aqueous lithium storage element may have a negative electrode active material layer formed on only one side of the current collector or may be formed on both sides. The thickness of the negative electrode active material layer is 15 μm or more and 45 μm or less per side, preferably 20 μm or more and 40 μm or less. When the thickness is 15 μm or more, sufficient charge / discharge capacity can be exhibited. On the other hand, if the thickness is 45 μm or less, the energy density can be increased by reducing the cell volume.
When the current collector has holes, the thickness of the negative electrode active material layer means an average value of the thickness per one side of the portion of the current collector that does not have holes. In this case, examples of the hole include a punching metal through-hole portion and an expanded metal opening portion.
また、負極活物質層の嵩密度は、好ましくは0.60g/cm3以上1.2g/cm3以下であり、更に好ましくは0.70g/cm3以上1.0g/cm3以下である。嵩密度が0.60g/cm3以上であれば十分な強度を保つことができると共に、活物質間の十分な導電性を発現することができる。また、1.2g/cm3以下であれば活物質層内でイオンが十分に拡散できる空孔が確保できる。
負極集電体の材料は、蓄電素子を形成した際、溶出、反応などの劣化が起こらない材料であれば特に制限はなく、例えば、銅、鉄、ステンレス等が挙げられる。本発明の非水系リチウム型蓄電素子用負極においては、銅を負極集電体とすることが好ましい。負極集電体の形状は、金属箔又は金属の隙間に電極が形成可能である構造体を用いることができ、金属箔は貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、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。また、負極集電体の厚みは、負極の形状又は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。
The bulk density of the negative electrode active material layer is preferably 0.60 g / cm 3 or more and 1.2 g / cm 3 or less, more preferably 0.70 g / cm 3 or more and 1.0 g / cm 3 or less. When the bulk density is 0.60 g / cm 3 or more, sufficient strength can be maintained and sufficient conductivity between the active materials can be expressed. Moreover, if it is 1.2 g / cm < 3 > or less, the void | hole which ion can fully diffuse in an active material layer is securable.
The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it does not cause degradation such as elution and reaction when the storage element is formed, and examples thereof include copper, iron, and stainless steel. In the negative electrode for a non-aqueous lithium storage element of the present invention, copper is preferably used as the negative electrode current collector. As the shape of the negative electrode current collector, a metal foil or a structure in which an electrode can be formed in the gap between the metals can be used. Alternatively, a metal foil having a through hole such as an etching foil may be used. The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as the shape or strength of the negative electrode can be sufficiently maintained, but is preferably 1 to 100 μm, for example.
非水系リチウム型蓄電素子用負極にリチウムイオンをプリドープする方法は、既知の方法を用いることができる。例えば、負極活物質を電極に成型した後、該負極電極を作用極、金属リチウムを対極に使用し、非水系電解液を組み合わせた電気化学セルを作製し、電気化学的にリチウムイオンをプリドープする方法が挙げられる。また、該負極電極に金属リチウム箔を圧着し、非水系電解液に入れることで負極にリチウムイオンをプリドープすることも可能である。 A known method can be used as a method of pre-doping lithium ions into the negative electrode for a non-aqueous lithium storage element. For example, after forming a negative electrode active material into an electrode, using the negative electrode as a working electrode and metallic lithium as a counter electrode, an electrochemical cell combining non-aqueous electrolyte is prepared, and lithium ions are electrochemically pre-doped. A method is mentioned. It is also possible to pre-dope lithium ions into the negative electrode by pressing a metal lithium foil on the negative electrode and placing it in a non-aqueous electrolyte.
エネルギー密度、出力特性及び耐久性の全てに優れた負極を提供するという観点から、活性炭の表面にピッチ炭を被着させた負極活物質に複合多孔性材料を含み、その負極活物質が、下記(i)及び(ii):
(i)該ピッチ炭の該活性炭に対する重量比率が、10%以上60%以下であり、かつ、該ピッチ炭の原料であるピッチの軟化点が100℃以下である;及び
(ii)該負極活物質はBET比表面積が350m2/g〜1500m2/gであり、かつ、リチウムイオンが、単位重量当たり1100mAh/g〜2000mAh/gドープされている;
を満たすことが好ましい。
より詳細には、エネルギー密度[蓄電素子の容量(mAh)/負極の体積(cm3)]を向上させるために、負極活物質層の厚さを15μm以上45μm以下に調整するとともに、ピッチ炭/活性炭(重量比)と、ピッチの軟化点を、負極の耐久性を損なわず、かつ、リチウムイオンのプリドープ量を高めることができる範囲に調整することが好ましい。
From the viewpoint of providing a negative electrode that is excellent in energy density, output characteristics, and durability, a negative electrode active material obtained by depositing pitch charcoal on the surface of activated carbon includes a composite porous material. (I) and (ii):
(I) The weight ratio of the pitch charcoal to the activated carbon is 10% or more and 60% or less, and the softening point of the pitch as a raw material of the pitch charcoal is 100 ° C. or less; and (ii) the negative electrode active material is the BET specific surface area of 350m 2 / g~1500m 2 / g, and lithium ions, have been 1100mAh / g~2000mAh / g doped per unit weight;
It is preferable to satisfy.
More specifically, in order to improve energy density [capacitance of storage element (mAh) / negative electrode volume (cm 3 )], the thickness of the negative electrode active material layer is adjusted to 15 μm or more and 45 μm or less, and pitch charcoal / It is preferable to adjust the activated carbon (weight ratio) and the softening point of the pitch within a range that does not impair the durability of the negative electrode and can increase the pre-doping amount of lithium ions.
<正極>
本実施形態における非水系リチウム型蓄電素子用正極は、正極集電体上に正極活物質層を設けたものである。
<正極活物質>
正極活物質層は正極活物質と結着剤を含有し、必要に応じて導電性フィラーを含有する。正極活物質としては、以下の活性炭1又は活性炭2が好ましく使用される。
<Positive electrode>
The positive electrode for a non-aqueous lithium storage element in this embodiment is obtained by providing a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector.
<Positive electrode active material>
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material and a binder, and optionally contains a conductive filler. As the positive electrode active material, the following activated carbon 1 or activated carbon 2 is preferably used.
(活性炭1)
活性炭1の種類及びその原料には特に制限はないが、高容量(すなわち、高エネルギー密度)と高出力特性(すなわち、高出力密度)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)としたとき、0.3<V1≦0.8、及び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1500m2/g以上3000m2/g以下である活性炭が好ましい。
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点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましく、また、蓄電素子の容量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。また、上記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。
他方、マイクロ孔量V2は、活性炭1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く、また、活性炭1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。また、上記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。
(Activated carbon 1)
There are no particular restrictions on the type of activated carbon 1 and its raw materials, but in order to achieve both high capacity (ie high energy density) and high output characteristics (ie high output density), the pores of the activated carbon are optimally controlled. It is preferable to do. Specifically, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method is V1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method is calculated. When V2 (cc / g) is satisfied, 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 1500 m 2 / g or more and 3000 m 2. Activated carbon that is less than / g is preferred.
The mesopore amount V1 is preferably a value larger than 0.3 cc / g from the viewpoint of increasing the output characteristics when the positive electrode material is incorporated in the power storage element, and also from the viewpoint of suppressing a decrease in the capacity of the power storage element. , Preferably 0.8 cc / g or less. The V1 is more preferably 0.35 cc / g or more and 0.7 cc / g or less, and further preferably 0.4 cc / g or more and 0.6 cc / g or less.
On the other hand, the micropore amount V2 is preferably 0.5 cc / g or more in order to increase the specific surface area of the activated carbon 1 and increase the capacity, and also suppresses the bulk of the activated carbon 1 to reduce the density as an electrode. From the viewpoint of increasing the capacity per unit volume, it is preferably 1.0 cc / g or less. The V2 is more preferably 0.6 cc / g or more and 1.0 cc / g or less, and further preferably 0.8 cc / g or more and 1.0 cc / g or less.
また、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、高容量を得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く、また、高出力特性を得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。また、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。
ここで、活性炭1のマイクロ孔量及びメソ孔量は、上述の複合多孔性材料と同様な方法により求められる値である。
Further, the ratio (V1 / V2) of the mesopore amount V1 to the micropore amount V2 is preferably in the range of 0.3 ≦ V1 / V2 ≦ 0.9. That is, V1 / V2 is preferably 0.3 or more from the viewpoint of increasing the ratio of the mesopore amount to the micropore amount to such an extent that the decrease in output characteristics can be suppressed while obtaining a high capacity. V1 / V2 is preferably 0.9 or less from the viewpoint of increasing the ratio of the micropore amount to the mesopore amount so that the decrease in capacity can be suppressed while obtaining high output characteristics. A more preferable range of V1 / V2 is 0.4 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7, and a more preferable range of V1 / V2 is 0.55 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7.
Here, the amount of micropores and the amount of mesopores of activated carbon 1 are values obtained by the same method as for the composite porous material described above.
活性炭1の平均細孔径は、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以上であることがさらに好ましい。また、容量を最大にする点から、25Å以下であることが好ましい。本明細書で記載する平均細孔径とは、液体窒素温度における各相対圧力下での窒素ガスの各平衡吸着量を測定して得られる重量当たりの全細孔容積をBET比表面積で除して求めたものを指す。
活性炭1のBET比表面積は、1500m2/g以上3000m2/g以下であることが好ましく、1500m2/g以上2500m2/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が1500m2/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3000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つためにバインダー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傾向がある。
上記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明するような原料及び処理方法を用いて得ることができる。
The average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 17 mm or more, more preferably 18 mm or more, and further preferably 20 mm or more from the viewpoint of maximizing the output. Further, from the point of maximizing the capacity, it is preferably 25 mm or less. The average pore diameter described in the present specification is obtained by dividing the total pore volume per weight obtained by measuring each equilibrium adsorption amount of nitrogen gas at each relative pressure at the liquid nitrogen temperature by the BET specific surface area. Point to what you asked for.
BET specific surface area of the activated carbon 1 is preferably from 1500 m 2 / g or more 3000 m 2 / g, more preferably not more than 1500 m 2 / g or more 2500 m 2 / g. When the BET specific surface area is 1500 m 2 / g or more, good energy density is easily obtained. On the other hand, when the BET specific surface area is 3000 m 2 / g or less, a large amount of binder is used to maintain the strength of the electrode. Since it is not necessary to put in, there exists a tendency for the performance per electrode volume to become high.
The activated carbon 1 having the above-described characteristics can be obtained using, for example, the raw materials and processing methods described below.
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く、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;その他合成木材、合成パルプ等、及びそれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、及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。
これらの原料を上記活性炭1とするための炭化及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、又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℃)程度で30分〜10時間程度に亘って焼成する方法が挙げられる。
In this embodiment, the carbon source used as a raw material of the activated carbon 1 is not particularly limited, and for example, plant-based raw materials such as wood, wood flour, coconut shell, by-products during pulp production, bagasse, and molasses; Peat, lignite, lignite, bituminous coal, anthracite, petroleum distillation residue components, petroleum pitch, coke, coal tar and other fossil raw materials; phenol resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, celluloid, Various synthetic resins such as epoxy resins, polyurethane resins, polyester resins, polyamide resins; synthetic rubbers such as polybutylene, polybutadiene, and polychloroprene; other synthetic woods, synthetic pulps, and carbides thereof. Among these raw materials, plant-based raw materials such as coconut shells and wood flour, and carbides thereof are preferable, and coconut shell carbides are particularly preferable.
As a carbonization and activation method for making these raw materials into the activated carbon 1, known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method can be employed.
As a carbonization method of these raw materials, nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, xenon, neon, carbon monoxide, an exhaust gas such as combustion exhaust gas, or other gases mainly composed of these inert gases. The method of baking for about 30 minutes-about 10 hours at about 400-700 degreeC (preferably 450-600 degreeC) using mixed gas is mentioned.
上記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。このうち、賦活ガスとして、水蒸気又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、上記炭化物を3〜12時間(好ましくは5〜11時間、より好ましくは6〜10時間)かけて800〜1000℃まで昇温して賦活するのが好ましい。
さらに、上記炭化物の賦活処理に先立ち、予め上記炭化物を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ことができる。
上記炭化方法における焼成温度及び焼成時間と、上記賦活方法における賦活ガス供給量及び昇温速度及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上記の特徴を有する活性炭1を製造することができる。
As a method for activating the carbide obtained by the carbonization method, a gas activation method in which firing is performed using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, or oxygen is preferably used. Among these, a method using water vapor or carbon dioxide as the activation gas is preferable.
In this activation method, the carbide is supplied for 3 to 12 hours (preferably 5 to 11) while supplying the activation gas at a rate of 0.5 to 3.0 kg / h (preferably 0.7 to 2.0 kg / h). It is preferable to activate by heating to 800 to 1000 ° C. over a period of time, more preferably 6 to 10 hours.
Furthermore, prior to the activation treatment of the carbide, the carbide may be activated in advance. In this primary activation, it is usually possible to activate the gas by firing the carbon material at a temperature below 900 ° C. using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide or oxygen.
By appropriately combining the calcination temperature and calcination time in the carbonization method, the activation gas supply amount, the temperature increase rate, and the maximum activation temperature in the activation method, the activated carbon 1 having the above characteristics that can be used in the present embodiment is manufactured. be able to.
活性炭1の平均粒径は1〜20μmであることが好ましい。本明細書で記載する平均粒径とは、粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定した際、全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが50%となる点の粒子径(すなわち50%径(Median径))を指す。
上記平均粒径が1μm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。他方、平均粒径が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。さらに、上記平均粒径は、より好ましくは2〜15μmであり、更に好ましくは3〜10μmである。
The average particle diameter of the activated carbon 1 is preferably 1 to 20 μm. The average particle size described in the present specification is the particle at which the cumulative curve becomes 50% when the cumulative curve is determined with the total volume being 100% when the particle size distribution is measured using a particle size distribution measuring device. Diameter (ie 50% diameter (Median diameter)).
When the average particle size is 1 μm or more, the capacity per electrode volume tends to increase because the density of the active material layer is high. On the other hand, when the average particle size is 20 μm or less, it tends to be suitable for high-speed charge / discharge. Furthermore, the average particle diameter is more preferably 2 to 15 μm, and further preferably 3 to 10 μm.
(活性炭2)
正極活物質は、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)とする時、0.8<V1≦2.5かつ0.92<V2≦3.0を満たす活性炭2を含むことが好ましい。
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く、また、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。また、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。
他方、マイクロ孔量V2は、活性炭2の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.92cc/gより大きい値であることが好ましく、また、活性炭2の電極としての密度を増加させ、単位体積あ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。また、V2は、より好ましくは、1.0cc/gより大きく、2.5cc/g以下であり、さらに好ましくは1.5cc/g以上2.5cc/g以下である。
(Activated carbon 2)
The positive electrode active material has a mesopore amount derived from pores having a diameter of 20 to 500 mm calculated by the BJH method as V1 (cc / g) and a micropore amount derived from pores having a diameter of less than 20 mm calculated by the MP method. When V2 (cc / g) is set, it is preferable to include activated carbon 2 that satisfies 0.8 <V1 ≦ 2.5 and 0.92 <V2 ≦ 3.0.
The mesopore amount V1 is preferably a value larger than 0.8 cc / g from the viewpoint of increasing the output characteristics when the positive electrode material is incorporated in the power storage element, and from the viewpoint of suppressing a decrease in the capacity of the power storage element. It is preferable that it is 2.5 cc / g or less. V1 is more preferably 1.00 cc / g or more and 2.0 cc / g or less, and further preferably 1.2 cc / g or more and 1.8 cc / g or less.
On the other hand, the micropore volume V2 is preferably larger than 0.92 cc / g in order to increase the specific surface area of the activated carbon 2 and increase the capacity, and to increase the density of the activated carbon 2 as an electrode. From the viewpoint of increasing the capacity per unit volume, it is preferably 3.0 cc / g or less. V2 is more preferably greater than 1.0 cc / g and not greater than 2.5 cc / g, and still more preferably not less than 1.5 cc / g and not greater than 2.5 cc / g.
上述したメソ孔量、及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又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となる。具体的なBET比表面積の値としては、2600m2/g以上4500m2/g以下であり、3000m2/g以上4000m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積が2600m2/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4500m2/g以下の場合には、電極の強度を保つためにバインダー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傾向がある。 The activated carbon 2 having the mesopore amount and the micropore amount described above has a higher BET specific surface area than the activated carbon used for conventional electric double layer capacitors or lithium ion capacitors. Specific values of the BET specific surface area are 2600 m 2 / g or more and 4500 m 2 / g or less, and preferably 3000 m 2 / g or more and 4000 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 2600 m 2 / g or more, good energy density is easily obtained. On the other hand, when the BET specific surface area is 4500 m 2 / g or less, a large amount of binder is used to maintain the strength of the electrode. Since it is not necessary to put in, the performance per electrode volume tends to be high.
上記のような特徴を有する活性炭2は、例えば、以下に説明する原料及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、ヤシ殻などの植物系原料;石油ピッチ、コークスなどの化石系原料;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などの各種合成樹脂などが挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、及びフラン樹脂は、高比表面積の活性炭2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、又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など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、アルゴンなどの不活性ガス、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。
The activated carbon 2 having the characteristics as described above can be obtained using, for example, the raw materials and processing methods described below.
The carbonaceous material used as a raw material for the activated carbon 2 is not particularly limited as long as it is a carbon source that is usually used as a raw material for activated carbon. For example, plant-based raw materials such as wood, wood flour, and coconut shells; Examples include fossil raw materials such as coke; various synthetic resins such as phenol resin, furan resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, and resorcinol resin. Among these raw materials, phenol resin and furan resin are particularly preferable because they are suitable for producing activated carbon 2 having a high specific surface area.
Examples of a method for carbonizing these raw materials or a heating method at the activation treatment include known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method. The atmosphere at the time of heating is an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, or argon, or a gas mixed with other gases containing these inert gases as a main component. The carbonization temperature is generally about 400 to 700 ° C., and the method of firing for about 0.5 to 10 hours is common.
[粉砕・分級工程]
本実施形態では、上記炭素質材料(炭化物)を賦活する前に予め粉砕・分級しておくことが重要である。効率的に賦活化できるとともに、賦活化後の粉砕をした場合の新生界面による特性低下を防止することが可能となるからである。
炭素質材料を予め粉砕する方法を以下に述べる。
粉砕する方法には、乾式粉砕、湿式粉砕いずれの方法でも構わないが、粉砕速度、連続操作性や動力消費量の点から、湿式粉砕が好ましい。湿式粉砕の場合、具体的には以下の条件を採用することができる。まず、金属、メノウやセラミック等の硬質な容器に、粉砕を施す試料と金属、ジルコニアやセラミック等の硬質なビーズ、溶媒を入れて粉砕を行う。容器は密閉できるものが好ましく、粉砕時には窒素、アルゴン等の不活性ガスで容器内部を置換することが好ましい。溶媒は水、有機溶媒を用いることができるが、沸点の低い有機溶媒は引火の危険性があるため適さない。粉砕時間は得られる試料の粒径により調整するが、長時間の粉砕は不純物が混入するおそれがある。粉砕によって、粒度分布が広がるので、篩によって分級することが好ましい。分級の結果、本発明では、1μmから30μmの間で分級することができる。上記の粉砕・分級工程で得られた炭素質材料を以下の方法で炭化し炭化物とする。
[Crushing and classification process]
In the present embodiment, it is important to pulverize and classify the carbonaceous material (carbide) in advance before activating it. This is because it can be efficiently activated, and it is possible to prevent deterioration of characteristics due to the nascent interface when pulverized after activation.
A method for previously pulverizing the carbonaceous material will be described below.
The pulverization method may be either dry pulverization or wet pulverization, but wet pulverization is preferable from the viewpoint of pulverization speed, continuous operability and power consumption. In the case of wet grinding, specifically, the following conditions can be employed. First, a sample to be crushed, hard beads such as metal, zirconia and ceramic, and a solvent are put into a hard container such as metal, agate or ceramic, and pulverized. It is preferable that the container can be sealed, and it is preferable to replace the inside of the container with an inert gas such as nitrogen or argon during pulverization. As the solvent, water or an organic solvent can be used, but an organic solvent having a low boiling point is not suitable because there is a risk of ignition. Although the pulverization time is adjusted according to the particle size of the obtained sample, the pulverization for a long time may cause impurities to be mixed. Since the particle size distribution is broadened by pulverization, classification with a sieve is preferable. As a result of classification, in the present invention, classification can be performed between 1 μm and 30 μm. The carbonaceous material obtained in the above pulverization / classification step is carbonized into a carbide by the following method.
粉砕・分級後の炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素などの賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法、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方があるが、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などのアルカリ金属化合物との重量比が1:1以上となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600〜900℃の範囲で、0.5〜5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸及び水により洗浄除去し、更に乾燥を行う。
本発明では、炭化物とアルカリ金属化合物の質量比(=炭化物:アルカリ金属化合物)が1:1以上でアルカリ金属化合物の量が増えるほど、メソ孔量が増えるが、質量比1:3.5付近を境に急激に孔量が増える傾向があるので、質量比は1:3よりアルカリ金属化合物が増えることが好ましく、1:5.5以下であることが好ましい。質量比はアルカリ金属化合物が増えるほど孔量が大きくなるが、その後の洗浄等の処理効率を考慮すると上記範囲であることが好ましい。
尚、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を多めにしてKOHと混合する。いずれの孔量も大きくするためには、炭化物とKOHの比についてKOHを多めにする。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。
As a method for activating the carbide after pulverization / classification, there is a gas activation method in which firing is performed using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, oxygen, or an alkali metal activation method in which heat treatment is performed after mixing with an alkali metal compound. An alkali metal activation method is preferable for producing activated carbon having a high specific surface area. In this activation method, after mixing so that the weight ratio of carbide and an alkali metal compound such as KOH and NaOH is 1: 1 or more, in the range of 600 to 900 ° C. in an inert gas atmosphere, 0.5 to Heating is performed for 5 hours, and then the alkali metal compound is removed by washing with an acid and water, followed by drying.
In the present invention, the mass ratio of carbide to alkali metal compound (= carbide: alkali metal compound) is 1: 1 or more, and the amount of mesopore increases as the amount of alkali metal compound increases. Since there is a tendency for the amount of pores to increase sharply at the boundary, the mass ratio of the alkali metal compound is preferably increased from 1: 3, and is preferably 1: 5.5 or less. As the mass ratio increases, the amount of pores increases as the number of alkali metal compounds increases.
In order to increase the amount of micropores and not increase the amount of mesopores, a larger amount of carbide is mixed with KOH when activated. In order to increase the amount of both pores, KOH is increased with respect to the ratio of carbide to KOH. In order to mainly increase the amount of mesopores, water vapor activation is performed after alkali activation treatment.
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子に使用する活性炭2の平均粒径は1μm以上30μm以下であり、好ましくは、2μm以上20μm以下である。より好ましくは2μm以上7μ以下である。平均粒径が異なる2種の活性炭の混合物を使用してもよい。ここで、平均粒径とは、粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定した際、全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが50%となる点の粒子径を50%径とし、その50%径(Median径)のことを指すものである。
正極活物質中に、前記特定のV1及びV2を有する活性炭以外の材料(例えば、前記特定のV1及びV2を有さない活性炭、リチウムと遷移金属の複合酸化物など)を含む場合は、前記特定のV1及びV2を有する活性炭の含有量は、全正極活物質の50重量%より多いものとする。前記特定のV1及びV2を有する活性炭の全正極活物質における含有量は、70重量%以上がより好ましく、90重量%以上がさらに好ましく、100重量%であることが最も好ましい。
The average particle diameter of the activated carbon 2 used in the non-aqueous lithium storage element of this embodiment is 1 μm or more and 30 μm or less, and preferably 2 μm or more and 20 μm or less. More preferably, it is 2 μm or more and 7 μm or less. A mixture of two kinds of activated carbons having different average particle sizes may be used. Here, the average particle size is 50 when the particle size distribution is measured using a particle size distribution measuring device and the cumulative curve is determined with the total volume being 100%. % Diameter, and refers to the 50% diameter (Median diameter).
When the positive electrode active material contains a material other than activated carbon having the specific V1 and V2 (for example, activated carbon not having the specific V1 and V2, a composite oxide of lithium and a transition metal), the specific The content of the activated carbon having V1 and V2 is more than 50% by weight of the total positive electrode active material. The content of the activated carbon having the specific V1 and V2 in the total positive electrode active material is more preferably 70% by weight or more, further preferably 90% by weight or more, and most preferably 100% by weight.
<正極活物質層のその他の成分及び正極の成型>
正極は、正極活物質層を正極集電体の片面のみに形成したものでもよいし、両面に形成したものでもよい。該正極活物質層の厚みは、例えば、片面あたり30μm以上200μm以下が好ましい。
正極集電体の材質は、蓄電素子にした際、電解液への溶出又は反応などの劣化が起こらない導電性材質であれば特に制限はない。好適な材料としては、アルミニウムが挙げられる。正極集電体の形状は、金属箔又は金属の隙間に電極が形成可能である構造体(発泡体など)を用いることができる。金属箔は貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル等の貫通孔を有する金属箔でもよい。また、正極集電体の厚みは、電極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、強度、導電抵抗、体積あたりの容量の観点から、1〜100μmが好ましい。
正極活物質層に用いるバインダーは、特に制限されるものではないが、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、スチレン−ブタジエン共重合体などを用いることができる。正極活物質層におけるバインダーの含有量は、例えば、正極活物質100質量部に対して3〜20質量部の範囲が好ましい。また、必要に応じて、正極活物質層には導電性フィラーを添加することができる。導電性フィラーの種類は特に制限されるものではないが、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維が例示される。導電性フィラーの添加量は、例えば、活物質100質量部に対して0〜30質量部が好ましい。
<Other components of positive electrode active material layer and molding of positive electrode>
The positive electrode may have a positive electrode active material layer formed on only one side of the positive electrode current collector or may be formed on both sides. The thickness of the positive electrode active material layer is preferably, for example, 30 μm to 200 μm per side.
The material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is a conductive material that does not cause degradation such as elution into the electrolytic solution or reaction when the power storage element is formed. A suitable material is aluminum. As the shape of the positive electrode current collector, a metal foil or a structure (such as a foam) in which an electrode can be formed in a gap between metals can be used. The metal foil may be a normal metal foil having no through hole, or a metal foil having a through hole such as an expanded metal or a punching metal. Further, the thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the electrode can be sufficiently maintained, but for example, from the viewpoint of strength, conductive resistance, and capacity per volume, 1 to 100 μm is preferable.
The binder used for the positive electrode active material layer is not particularly limited, and PVDF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), a styrene-butadiene copolymer, or the like can be used. The binder content in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 3 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material, for example. Moreover, an electroconductive filler can be added to a positive electrode active material layer as needed. The type of the conductive filler is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, ketjen black, and vapor grown carbon fiber. As for the addition amount of an electroconductive filler, 0-30 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of active materials, for example.
正極は、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等の公知の電極成形手法を利用して製造することが可能であり、例えば、正極活物質、導電性フィラー、バインダーを溶媒に分散させたスラリーを、正極活物質層として正極集電体上に塗布する塗布工程、溶媒を乾燥させる乾燥工程、そして加圧によって正極活物質層のかさ密度を向上させる加圧工程を行うことにより得られる。
正極活物質層のかさ密度は、0.40g/cm3以上であり、好ましくは0.45g/cm3以上、かつ、0.70g/cm3以下の範囲である。かさ密度が0.40g/cm3以上であれば、体積当たりの電極の容量を大きくすることができ、蓄電素子の小型化を達成できる。また、かさ密度が0.70g/cm3以下であれば、正極活物質層内の空隙における電解液の拡散が十分となり大電流での充放電特性が高いと考えられる。
本実施態様で用いられる正極活物質層のかさ密度は、特定のミクロ孔量及びメソ孔量を有することに起因して、同じ方法で作製した通常の活性炭の活物質層のかさ密度に比べて小さい。その場合、正極活物質層として成形した状態において上記のかさ密度を達成するために、例えば、表面温度が前記バインダーの融点マイナス40℃以上、かつ、融点以下の温度に設定されたロールによって加熱しながら加圧する方法(以下「加熱プレス」ともいう。)を用いることができる。
The positive electrode can be manufactured using a known electrode forming technique such as a lithium ion battery or an electric double layer capacitor. For example, a slurry in which a positive electrode active material, a conductive filler, and a binder are dispersed in a solvent, The positive electrode active material layer can be obtained by performing a coating process on the positive electrode current collector, a drying process for drying the solvent, and a pressurizing process for improving the bulk density of the positive electrode active material layer by pressurization.
The bulk density of the positive electrode active material layer is 0.40 g / cm 3 or more, preferably 0.45 g / cm 3 or more, and, 0.70 g / cm 3 or less. When the bulk density is 0.40 g / cm 3 or more, the capacity of the electrode per volume can be increased, and the storage element can be reduced in size. Further, if the bulk density is 0.70 g / cm 3 or less, it is considered that the electrolyte solution is sufficiently diffused in the voids in the positive electrode active material layer and the charge / discharge characteristics at a large current are high.
The bulk density of the positive electrode active material layer used in the present embodiment is compared with the bulk density of the active material layer of ordinary activated carbon produced by the same method due to having a specific amount of micropores and mesopores. small. In that case, in order to achieve the above-mentioned bulk density in a state of being formed as the positive electrode active material layer, for example, the surface temperature is heated by a roll set to a temperature not lower than the melting point of the binder minus 40 ° C. and lower than the melting point. A method of applying pressure (hereinafter also referred to as “heat press”) can be used.
また、溶媒を使用せずに、活性炭とバインダーとを乾式で混合して、前記バインダーの融点マイナス40℃以上、かつ、融点以下の温度に加熱した状態で加圧して板状に成形する成形工程と、該成形された正極活物質層を導電性接着剤で正極集電体に貼り付ける接着工程とで行ってもよい。なお、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、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。 In addition, a molding process in which activated carbon and a binder are mixed by a dry method without using a solvent, and the mixture is pressed into a plate shape while being heated to a temperature not lower than the melting point of the binder minus 40 ° C. and not higher than the melting point. And an adhering step of attaching the formed positive electrode active material layer to the positive electrode current collector with a conductive adhesive. In addition, melting | fusing point can be calculated | required in the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter “DSC7” manufactured by PerkinElmer Co., Ltd., 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature is increased from 30 ° C. to 250 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. The temperature is raised, and the endothermic peak temperature in the temperature raising process becomes the melting point.
<電解液、包材その他>
本実施形態のキャパシタに用いられる非水系電解液は、リチウムイオン含有電解質を含む非水系液体であればよい。そのような非水系液体は、溶媒を含んでよく、そのような溶媒としては、例えば、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)に代表される環状炭酸エステル、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(MEC)に代表される鎖状炭酸エステル、γ−ブチロラクトン(γBL)などのラクトン類、並びにこれらの混合溶媒を用いることができる。
これら溶媒に溶解する塩としては、LiBF4、LiPF6などのリチウム塩を用いることができる。電解液の塩濃度は、0.5〜2.0mol/Lの範囲が好ましい。0.5mol/L以上ではアニオンが十分に存在し、キャパシタの容量が維持される。他方、2.0mol/L以下では、塩が電解液中で十分に溶解し、電解液の適切な粘度及び伝導度が保たれる。
<Electrolyte, packaging materials, etc.>
The non-aqueous electrolyte solution used for the capacitor of this embodiment should just be a non-aqueous liquid containing a lithium ion containing electrolyte. Such a non-aqueous liquid may contain a solvent. Examples of such a solvent include cyclic carbonates represented by ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), and dimethyl carbonate. (DMC), chain carbonates typified by ethyl methyl carbonate (MEC), lactones such as γ-butyrolactone (γBL), and mixed solvents thereof can be used.
As a salt dissolved in these solvents, lithium salts such as LiBF 4 and LiPF 6 can be used. The salt concentration of the electrolytic solution is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mol / L. If it is 0.5 mol / L or more, anions are sufficiently present, and the capacitance of the capacitor is maintained. On the other hand, at 2.0 mol / L or less, the salt is sufficiently dissolved in the electrolytic solution, and appropriate viscosity and conductivity of the electrolytic solution are maintained.
電極積層体において、正極電極体に正極端子の一端を電気的に接続し、負極電極体に負極端子の一端を電気的に接続する。具体的には、正極集電体の正極活物質層未塗布領域に正極端子、負極集電体の負極活物質層未塗布領域に負極端子を電気的に接続する。正極端子の材質はアルミニウムであり、負極端子の材質がニッケルメッキされた銅であることが好ましい。
電極端子は、一般的には略矩形をしており、その一端は電極積層体の集電体と電気的に接続され、他端は使用時に外部の負荷(放電の場合)又は電源(充電の場合)と電気的に接続される。ラミネートフィルム外装体の封止部となる、電極端子の中央部には、電極端子とラミネートフィルムを構成する金属箔との短絡を防ぎ、かつ、封止密閉性を向上させるためにポリプロピレン等の樹脂製のフィルムが貼りつけられていることが好ましい態様である。
前述した電極積層体と電極端子との電気的な接続方法は、例えば、超音波溶接法が一般的であるが、抵抗溶接、レーザー溶接等でもよく、限定するものではない。
In the electrode laminate, one end of the positive electrode terminal is electrically connected to the positive electrode body, and one end of the negative electrode terminal is electrically connected to the negative electrode body. Specifically, the positive electrode terminal is electrically connected to the positive electrode active material layer uncoated region of the positive electrode current collector, and the negative electrode terminal is electrically connected to the negative electrode active material layer uncoated region of the negative electrode current collector. The material of the positive electrode terminal is aluminum, and the material of the negative electrode terminal is preferably nickel-plated copper.
The electrode terminal generally has a substantially rectangular shape, one end of which is electrically connected to the current collector of the electrode laminate, and the other end is connected to an external load (in the case of discharging) or a power source (charging). Electrically connected). Resin such as polypropylene is used to prevent short circuit between the electrode terminal and the metal foil constituting the laminate film and to improve the sealing hermeticity at the center part of the electrode terminal, which becomes the sealing part of the laminate film outer package. It is a preferable aspect that the film made from is affixed.
For example, an ultrasonic welding method is generally used as an electrical connection method between the electrode laminate and the electrode terminal. However, resistance welding, laser welding, or the like may be used, and the method is not limited.
また、外装体に使用されるラミネートフィルムは、金属箔と樹脂フィルム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/内層樹脂フィルムから成る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、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分又は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、内層樹脂フィルムは、内部に収納する電解液から金属箔を保護するとともに、ヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、例えば、ポリオレフィン、酸変性ポリオレフィンなどが好適に使用できる。 Moreover, the laminate film used for the exterior body is preferably a film in which a metal foil and a resin film are laminated, and an example of a three-layer structure composed of an outer layer resin film / metal foil / inner layer resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact or the like, and a resin such as nylon or polyester can be suitably used. The metal foil is for preventing the permeation of moisture or gas, and a foil of copper, aluminum, stainless steel or the like can be suitably used. The inner layer resin film protects the metal foil from the electrolyte contained therein and is used for melting and sealing at the time of heat sealing. For example, polyolefin, acid-modified polyolefin and the like can be suitably used.
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
構造パラメータ及び物性の評価は以下のとおりに行った。
(1)セパレータを構成する繊維の最大繊維径の評価
蓄電デバイス用のセパレータについて、SEM画像の測定を行い、最大繊維径が3000nm以下であるか否かの判断を行った。SEM観察は、金蒸着を行ったセパレータサンプルについて日立製作所(株)製のFE−SEM,S−800を用い、加速電圧を5−10KVの範囲とし、10000倍の倍率で画像の取り込みを行い、確認した。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
The structural parameters and physical properties were evaluated as follows.
(1) Evaluation of the maximum fiber diameter of the fiber which comprises a separator About the separator for electrical storage devices, the SEM image was measured and it was judged whether the maximum fiber diameter was 3000 nm or less. The SEM observation uses a FE-SEM, S-800 manufactured by Hitachi, Ltd. for the separator sample on which gold deposition was performed, and the image was captured at a magnification of 10,000 times with an acceleration voltage in the range of 5-10 KV. confirmed.
(2)サンプル厚みの測定
Mitutoyo製の膜厚計(Model ID−C112XB)を用い、セパレータから10cm×10cmの正方形片を切り取り種々な位置について5点の測定値の平均値を膜厚d(μm)とした。
(3)微細セルロースシートの目付測定
上記(2)で切り取った10.0cm×10.0cmの正方形片の重さW(g)から1m2あたりの重量を5点算出しその平均値から計算した。
(4)成形体の空孔率の算出
上記(2)で切り取った10.0cm×10.0cmの正方形片の膜厚d(μm)とその重さW(g)から、膜の空孔率Pr(%)を5点評価しその平均値から算出した。
(2) Measurement of sample thickness Using a Mitutoyo film thickness meter (Model ID-C112XB), a 10 cm × 10 cm square piece was cut out from the separator, and the average value of five measured values at various positions was measured as the film thickness d (μm ).
(3) Measurement of basis weight of fine cellulose sheet Five weights per 1 m 2 were calculated from the weight W (g) of the 10.0 cm × 10.0 cm square piece cut out in the above (2) and calculated from the average value. .
(4) Calculation of porosity of molded body From the film thickness d (μm) and weight W (g) of the 10.0 cm × 10.0 cm square piece cut out in (2) above, the porosity of the film Pr (%) was evaluated at 5 points and calculated from the average value.
(5)比表面積相当繊維径測定
比表面積・細孔分布測定装置(ベックマン・コールター社製)にて、試料約0.2gに対する液体窒素の沸点における窒素ガスの吸着量を測定した後、同装置プログラムにより比表面積(m2/g)を算出、繊維間の融着が全く起こっていない理想状態、かつ、セルロース密度1.50g/mlと仮定した際の円柱モデル(繊維を断面が円形の円柱に見立て、長さが∝)での表面積/体積比から導入した式(繊維径=2.67/比表面積)に基づき、比表面積の3回評価による平均値から比表面積相当繊維径を計算した。
(5) Specific surface area equivalent fiber diameter measurement After measuring the adsorption amount of nitrogen gas at the boiling point of liquid nitrogen to about 0.2 g of sample with a specific surface area / pore distribution measuring device (manufactured by Beckman Coulter), the same device A specific surface area (m 2 / g) is calculated by a program, a cylinder model assuming that the fiber density is not fused at all and a cellulose density is 1.50 g / ml (a cylinder having a circular cross section of the fiber) Based on the formula (fiber diameter = 2.67 / specific surface area) introduced from the surface area / volume ratio with a length of ∝), the fiber diameter corresponding to the specific surface area was calculated from the average value by three evaluations of the specific surface area. .
(6)膜の透気抵抗度測定
ガーレー式デンソメータ((株)東洋精機製、型式G−B2C)を用いて100mlの空気の透過時間(単位;s/100ml)の測定を室温で行った。膜の均一性の指標として、測定は、膜の種々な位置について5点の測定を行った。
(7)塩素イオン含有濃度の評価
塩素イオン含有濃度の測定は、東ソー(株)のイオンクロマトグラフィー装置(型式:IC−2001)を用いて行った。
(6) Measurement of air permeability resistance of membrane Using a Gurley-type densometer (Model G-B2C, manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.), the permeation time (unit: s / 100 ml) of 100 ml of air was measured at room temperature. As an index of film uniformity, the measurement was performed at five points for various positions of the film.
(7) Evaluation of chloride ion-containing concentration Chlorine ion-containing concentration was measured using an ion chromatography apparatus (model: IC-2001) manufactured by Tosoh Corporation.
[実施例1]
双日(株)により入手した再生セルロース繊維であるテンセルカット糸(3mm長)を洗浄用ネットに入れて界面活性剤を加え、洗濯機で何度も水洗することにより、繊維表面の油剤を除去した。得られた精製テンセル繊維(カット糸)を固形分1.5重量%となるように水中に分散させて(400L)、ディスクレファイナー装置として相川鉄工(株)製SDR14型ラボリファイナー(加圧型DISK式)を用い、ディスク間のクリアランスを1mmで400Lの該水分散体を20分間叩解処理した。それに引き続き、クリアランスをほとんどゼロに近いレベルにまで低減させた条件下で叩解処理を続けた。経時的にサンプリングを行い、サンプリングスラリーに対して、JIS P 8121で定義されるCSF値を評価したところ、CSF値は経時的に減少していき、一旦、ゼロ近くとなった後、さらに叩解処理を続けると、増大していく傾向が確認された。クリアランスをゼロ近くとしてから約14時間、上記条件で叩解処理を続け、CSF値で15ml↑の叩解水分散体(固形分濃度:1.5重量%)を得た。得られた叩解水分散体を、そのまま高圧ホモジナイザー(ニロ・ソアビ社(伊)製NS015H)を用いて操作圧力100MPa下で1回および5回の微細化処理を実施し、それぞれ微細セルロース繊維の水分散体M1およびM2(固形分濃度:共に1.5重量%)を得た。
[Example 1]
Put the tencel cut yarn (3mm length), a regenerated cellulose fiber obtained by Sojitz Corporation, into the washing net, add a surfactant, and rinse the water many times with a washing machine to remove the oil on the fiber surface. did. The obtained refined tencel fiber (cut yarn) was dispersed in water to a solid content of 1.5% by weight (400 L), and SDR14 type laboratory refiner (pressure type DISK) manufactured by Aikawa Tekko Co., Ltd. was used as a disc refiner device. Using a formula, 400 L of the aqueous dispersion was beaten for 20 minutes with a disc clearance of 1 mm. Subsequently, the beating process was continued under conditions where the clearance was reduced to a level almost close to zero. Sampling was performed over time, and the CSF value defined in JIS P 8121 was evaluated for the sampling slurry. The CSF value decreased over time, and once it became close to zero, further beating processing was performed. As we continued, the trend of increasing was confirmed. The beating treatment was continued under the above conditions for about 14 hours after the clearance was nearly zero, and a beating water dispersion (solid content concentration: 1.5% by weight) having a CSF value of 15 ml ↑ was obtained. The obtained beating water dispersion was directly subjected to micronization treatment once and five times under an operating pressure of 100 MPa using a high-pressure homogenizer (NS015H manufactured by Niro Soabi (Italy)). Dispersions M1 and M2 (solid concentration: both 1.5% by weight) were obtained.
続いて、前記水分散体M2を固形分濃度0.1重量%まで希釈し、ブレンダーで分散した後、PET/ナイロン混紡製の平織物(敷島カンバス社製、NT20,大気下25℃での水透過量:0.03ml/cm2・s、微細セルロース繊維を大気圧下25℃における濾過で99%以上濾別する能力あり)をセットしたバッチ式抄紙機(熊谷理機工業社製、自動角型シートマシーン 25cm×25cm、80メッシュ)に目付10g/m2の微細セルロースシートを目安に、上記調整した抄紙スラリーを投入し、その後大気圧に対する減圧度を4KPaとして抄紙(脱水)を実施した。
得られた濾布上に乗った湿潤状態の濃縮組成物からなる湿紙を、ワイヤー上から剥がし、1kg/cm2の圧力で1分間プレスした後、湿紙面をドラム面に接触させるようにして、湿紙/濾布の2層の状態で表面温度が130℃に設定されたドラムドライヤーにやはり湿紙がドラム面に接触するようにして約120秒間乾燥させ、得られた乾燥した2層体からセルロースのシート状構造物から濾布を剥離させて、白色の均一なセルロース微細繊維から構成されるシート(25cm×25cm)を得た。
さらに、得られた微細セルロースシートをカレンダー機(由利ロール社製)により、150℃×1.55t/20cmの熱プレス処理を実施することで、膜厚17μm、空孔率62%、塩素イオン含有濃度19ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータS1を得た。
セパレータS1の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
Subsequently, the aqueous dispersion M2 was diluted to a solid content concentration of 0.1% by weight and dispersed with a blender. Then, a plain fabric made of PET / nylon blend (NT20, manufactured by Shikishima Canvas Co., Ltd.) Permeation amount: 0.03ml / cm 2 · s, batch type paper machine (made by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd., automatic angle) set with fine cellulose fibers and capable of filtering 99% or more by filtration at 25 ° C under atmospheric pressure Using the fine cellulose sheet having a basis weight of 10 g / m 2 on a mold sheet machine (25 cm × 25 cm, 80 mesh) as a guide, the adjusted papermaking slurry was added, and then papermaking (dehydration) was performed at a reduced pressure of 4 KPa with respect to atmospheric pressure.
The wet paper made of the concentrated composition in a wet state on the obtained filter cloth is peeled off from the wire and pressed at a pressure of 1 kg / cm 2 for 1 minute, and then the wet paper surface is brought into contact with the drum surface. In the two layers of wet paper / filter cloth, the wet paper is dried for about 120 seconds with the drum dryer having a surface temperature set to 130 ° C. so that the wet paper is in contact with the drum surface. Then, the filter cloth was peeled off from the cellulose sheet-like structure to obtain a sheet (25 cm × 25 cm) composed of white uniform cellulose fine fibers.
Furthermore, the obtained fine cellulose sheet is subjected to a hot press treatment at 150 ° C. × 1.55 t / 20 cm by a calender machine (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.), so that the film thickness is 17 μm, the porosity is 62%, and the chlorine ion is contained. Separator S1 which is a white fine cellulose sheet with a concentration of 19 ppm was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator S1 are shown in Table 1 below.
[リチウムイオンキャパシタ性能評価]
セパレータS1を用いたリチウムイオンキャパシタの性能を評価した。
(負極の作製)
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、窒素を吸着質として細孔分布を測定した。比表面積はBET1点法により求めた。また、上述したように、脱着側の等温線を用いて、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法によりそれぞれ求めた。その結果、BET比表面積が1,780m2/g、メソ孔量(V1)が0.198cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.695cc/g、V1/V2=0.29、平均細孔径が21.2Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)270gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉 (炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料1を得た。
[Evaluation of lithium ion capacitor performance]
The performance of the lithium ion capacitor using the separator S1 was evaluated.
(Preparation of negative electrode)
The pore distribution was measured using a commercially available coconut shell activated carbon with a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. using nitrogen as an adsorbate. The specific surface area was determined by the BET single point method. Further, as described above, using the isotherm on the desorption side, the mesopore amount was determined by the BJH method, and the micropore amount was determined by the MP method. As a result, the BET specific surface area was 1,780 m 2 / g, the mesopore volume (V1) was 0.198 cc / g, the micropore volume (V2) was 0.695 cc / g, V1 / V2 = 0.29, the average fineness. The pore diameter was 21.2 mm. 150g of this activated carbon is placed in a stainless steel mesh basket and placed on a stainless steel bat containing 270g of coal-based pitch (softening point: 50 ° C). It was installed and a thermal reaction was performed. The heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere for 8 hours up to 600 ° C., held at the same temperature for 4 hours, subsequently cooled to 60 ° C. by natural cooling, and then taken out from the furnace to be a composite porous material 1 serving as a negative electrode material. Got.
複合多孔性材料1は、被着させた炭素質材料の活性炭に対する重量比率は73%、BET比表面積が262m2/g、メソ孔量(Vm1)が0.180cc/g、マイクロ孔量(Vm2)が0.0843cc/gであった。さらに、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて平均粒子径を測定した結果、2.88μmであった。
次いで、上記で得た複合多孔性材料4を83.4重量部、アセチレンブラックを8.3重量部及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.3重量部とNMP(N−メチルピロリドン)を混合して、スラリーを得た。次いで、得られたスラリーを厚さ15μmの銅箔の片面に塗布し、乾燥し、プレスして、負極活物質層の厚さが60μmの負極を得た。
上記で得られた負極を3cm2になるように切り取り、作用極が負極、対極がリチウム、参照極がリチウム、電解液がエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを体積比1:4で混合した溶媒に1mol/LとなるLiPF6を溶解したものにおける3極式セルにおいて、複合多孔性材料1の重量に対して800mAh/gのリチウムイオンをプリドープすることで、実施例1の負極を作製した。
(正極の作製)
破砕されたヤシ殻炭化品を小型炭化炉において窒素雰囲気中、500℃で炭化した。その後、窒素の代わりに1kg/hの水蒸気を予熱炉で加温した状態で炉内へ投入し、900℃まで8時間をかけて昇温した後に取り出し、窒素雰囲気下で冷却して賦活化された活性炭を得た。得られた活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りした。その後、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時間粉砕を行い、正極材料となる活性炭1を得た。
The composite porous material 1 has a weight ratio of the deposited carbonaceous material to activated carbon of 73%, a BET specific surface area of 262 m 2 / g, a mesopore volume (Vm1) of 0.180 cc / g, and a micropore volume (Vm2). ) Was 0.0843 cc / g. Furthermore, it was 2.88 micrometers as a result of measuring an average particle diameter using the Shimadzu Corporation laser diffraction type particle size distribution analyzer (SALD-2000J).
Next, 83.4 parts by weight of the composite porous material 4 obtained above, 8.3 parts by weight of acetylene black, 8.3 parts by weight of PVDF (polyvinylidene fluoride) and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed. To obtain a slurry. Next, the obtained slurry was applied to one side of a 15 μm thick copper foil, dried and pressed to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer thickness of 60 μm.
The negative electrode obtained above was cut out to 3 cm 2 , and the working electrode was a negative electrode, the counter electrode was lithium, the reference electrode was lithium, the electrolyte was 1 mol in a solvent in which ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 4. A negative electrode of Example 1 was prepared by pre-doping 800 mAh / g of lithium ions with respect to the weight of the composite porous material 1 in a tripolar cell in which LiPF 6 to be / L was dissolved.
(Preparation of positive electrode)
The crushed palm shell carbonized product was carbonized at 500 ° C. in a nitrogen atmosphere in a small carbonization furnace. Then, instead of nitrogen, 1 kg / h of steam was heated into the preheated furnace and taken out after heating up to 900 ° C. over 8 hours, and cooled and activated in a nitrogen atmosphere. Activated carbon was obtained. The obtained activated carbon was washed with water for 10 hours and then drained. Then, after drying for 10 hours in an electric dryer maintained at 115 ° C., pulverization was performed for 1 hour by a ball mill to obtain activated carbon 1 as a positive electrode material.
活性炭1をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、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、平均細孔径が22.9Åであった。この活性炭を正極活物質に用い、活性炭83.4重量部、アセチレンブラック8.3重量部およびPVDF(ポリフッ化ビニリデン)8.3重量部とNMP(N−メチルピロリドン)を混合して、スラリーを得た。次いで、得られたスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥し、プレスして、正極活物質層の厚さ60μmの正極を得た。 The pore distribution of activated carbon 1 was measured with a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 2360 m 2 / g, the mesopore volume (V1) was 0.52 cc / g, the micropore volume (V2) was 0.88 cc / g, V1 / V2 = 0.59, and the average pore diameter was It was 22.9 kg. Using this activated carbon as a positive electrode active material, 83.4 parts by weight of activated carbon, 8.3 parts by weight of acetylene black, 8.3 parts by weight of PVDF (polyvinylidene fluoride) and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed, Obtained. Next, the obtained slurry was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried and pressed to obtain a positive electrode having a positive electrode active material layer thickness of 60 μm.
(蓄電素子の組立と性能評価)
上記で得られた正極を2.5cm2になるように切り取り、この正極と、上記のリチウムイオンをプリドープした負極を、厚み30μmのセルロース紙セパレータを挟んで対向させ、ポリプロピレンとアルミニウムを使用したラミネートフィルムから成る外装体に封入し、非水系リチウム型蓄電素子を組立てた。この時、電解液としてエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを1:4体積比で混合した溶媒に1mol/lの濃度になるようにLiPF6を溶解させた溶液を使用した。
上記にて作製したリチウムイオンキャパシタセルを用いて、下記の評価を行った。結果を以下の表2に示す。
充電容量 :1mA/2.0Vの定電流−定電圧による放電(2時間)後、1mA/4.0Vの定電流にて充電。
放電容量 :1mA/4.0Vの定電流−定電圧による充電(2時間)後、1mA/2.0Vの定電流にて放電。
効率 :効率(%)=(放電容量/充電容量)×100で計算。
出力特性 :出力特性(%)=(250mAでの放電容量/1mAでの放電容量)×100 。(250mAでの放電容量は、1mA/4.0Vの定電流−定電圧による充電(2時間)後、250mA/2.0Vの定電流にて放電した際の容量。)
耐久テスト :作製したセルを50℃下、3.8Vで1000hrのフロート試験を行ったのち、セルを分解し、セパレータ膜を取り出して洗浄し、その外観と透気抵抗度をサンプル5点について測定した。その結果を基に平均値を計算した。
ショート有無:作製したセルを25℃下、1mA/4.0Vの定電流充電と1mA/2.0Vの定電流放電を1サイクルとしたサイクル試験を200サイクル行った。本サイクル試験前に、サンプル5点で1mA/4.0Vの定電流−定電圧による充電を2時間行い、その際の充電電流推移差を評価しその平均値から初期ショート有無を判定した。同様に200サイクル後に同様の作業を行うことで長期安定性でのショート有無を判定した。
(Assembly and performance evaluation of storage element)
The positive electrode obtained above was cut out to 2.5 cm 2 , and this positive electrode and the negative electrode pre-doped with the above lithium ions were opposed to each other with a cellulose paper separator having a thickness of 30 μm interposed therebetween, and a laminate using polypropylene and aluminum. A non-aqueous lithium storage element was assembled by enclosing it in a film exterior. At this time, a solution in which LiPF 6 was dissolved to a concentration of 1 mol / l in a solvent in which ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 4 was used as an electrolytic solution.
The following evaluation was performed using the lithium ion capacitor cell produced above. The results are shown in Table 2 below.
Charging capacity: 1 mA / 2.0 V constant current-discharging with constant voltage (2 hours), then charging with 1 mA / 4.0 V constant current.
Discharge capacity: Discharge at a constant current of 1 mA / 2.0 V after charging (2 hours) with a constant current of 1 mA / 4.0 V-constant voltage.
Efficiency: Calculated as efficiency (%) = (discharge capacity / charge capacity) × 100.
Output characteristics: Output characteristics (%) = (discharge capacity at 250 mA / 1 discharge capacity at 1 mA) × 100. (The discharge capacity at 250 mA is the capacity when discharged at a constant current of 250 mA / 2.0 V after charging with a constant current of 1 mA / 4.0 V-constant voltage (2 hours).)
Durability test: After the cell was subjected to a float test at 3.8 V and 1000 hr at 50 ° C., the cell was disassembled, the separator film was taken out and washed, and its appearance and air resistance were measured for 5 samples. did. The average value was calculated based on the result.
Presence / absence of short circuit: A cycle test was performed 200 cycles at 25 ° C. with 1 mA / 4.0 V constant current charging and 1 mA / 2.0 V constant current discharging as one cycle. Before this cycle test, charging at a constant current-constant voltage of 1 mA / 4.0 V was performed for 5 hours at five samples, the charging current transition difference at that time was evaluated, and the presence or absence of an initial short circuit was determined from the average value. Similarly, the same work was performed after 200 cycles to determine the presence or absence of short-circuit in long-term stability.
[実施例2]
バッチ式抄紙機に目付7g/m2の微細セルロースシートを目安に、実施例1と同じ要領で、M2を水で希釈して調整した抄紙スラリーを投入して抄紙(脱水)を実施し、カレンダー機(由利ロール社製)により、150℃×3.1t/20cmの熱プレス処理を実施すること以外は実施例1と同様に処理し、膜厚11μm、空孔率58%、塩素イオン含有濃度16ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータS2を得た。
セパレータS2の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータS2を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Example 2]
In a batch paper machine, using a fine cellulose sheet with a basis weight of 7 g / m 2 as a guide, in the same manner as in Example 1, a paper slurry prepared by diluting M2 with water was added and papermaking (dehydration) was carried out. Machine (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.), processed in the same manner as in Example 1 except that a heat press treatment at 150 ° C. × 3.1 t / 20 cm was performed, and the film thickness was 11 μm, the porosity was 58%, and the chloride ion-containing concentration Separator S2 which is a white fine cellulose sheet of 16 ppm was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator S2 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator S2 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[実施例3、実施例4]
原料としてリンターパルプを4重量%となるように水に浸液させてオートクレーブ内で130℃、4時間の熱処理を行い、得られた膨潤パルプを何度も水洗し、水を含浸した状態の膨潤パルプを得、実施例1と同じ要領でCSF値200ml↑となるまで叩解処理を続け、引き続いて高圧ホモジナイザーによる操作圧力100MPaで5回の微細化処理を行い、固形分濃度が1.5wt%の水分散体M3を得た。続いて、前記水分散体M2と前記水分散体M3から固形分重量組成としてM2固形分:M3固形分=95:5、固形分濃度0.1重量%となるように混合、水で希釈後、ブレンダーで分散し、実施例1と同じ要領で目付10g/m2、目付13g/m2の微細セルロースシートを目安に抄紙をそれぞれ行い、膜厚15μm、空孔率58%(目付10g/m2、S3)、膜厚21μm、空孔率61%(目付13g/m2、S4)の2種類の白色の微細セルロースシートであるセパレータS3とS4をそれぞれ得た(それぞれ、実施例3と実施例4)。S3とS4の塩素イオン含有濃度は共に16ppmであった。
セパレータS3とS4の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータS3とS4を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Example 3, Example 4]
The linter pulp as a raw material is immersed in water so as to be 4% by weight, heat-treated in an autoclave at 130 ° C. for 4 hours, and the resulting swollen pulp is washed with water many times and swollen in a state impregnated with water. Pulp was obtained and the beating process was continued until the CSF value reached 200 ml ↑ in the same manner as in Example 1, followed by 5 times of refining at an operating pressure of 100 MPa using a high-pressure homogenizer, and the solid content concentration was 1.5 wt%. An aqueous dispersion M3 was obtained. Subsequently, the aqueous dispersion M2 and the aqueous dispersion M3 are mixed so that the solid content weight composition is M2 solid content: M3 solid content = 95: 5, and the solid content concentration is 0.1% by weight, and diluted with water. , Dispersed in a blender, and made in the same manner as in Example 1, using a fine cellulose sheet with a basis weight of 10 g / m 2 and a basis weight of 13 g / m 2 as a guide, and a film thickness of 15 μm and a porosity of 58% (a basis weight of 10 g / m 2 and S3), separators S3 and S4, which are two types of white fine cellulose sheets having a film thickness of 21 μm and a porosity of 61% (weight per unit area 13 g / m 2 , S4), were obtained (respectively, Example 3 and implementation) Example 4). The chlorine ion-containing concentrations of S3 and S4 were both 16 ppm.
Table 1 below shows the results of the structural factors and various physical properties of the separators S3 and S4.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separators S3 and S4 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[実施例5]
原料としてアバカパルプを4重量%となるように水に浸液させてオートクレーブ内で130℃、4時間の熱処理を行い、得られた膨潤パルプを何度も水洗し、水を含浸した状態の膨潤パルプを得、実施例1と同じ要領でCSF値で500ml↑となるまで叩解処理を続け、引き続いて高圧ホモジナイザーによる操作圧力100MPaで5回の微細化処理を行い、固形分濃度が1.5wt%の水分散体M4を得た。続いて、前記水分散体M2と前記水分散体M4から固形分重量組成としてM2固形分:M4固形分=95:5、固形分濃度0.1重量%となるように混合、水で希釈後、ブレンダーで分散し、実施例1と同じ要領で目付10g/m2の微細セルロースシートを目安に抄紙を行い、膜厚16μm、空孔率60%、塩素イオン含有濃度18ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータS5を得た。
セパレータS5の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータS5を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Example 5]
Abaca pulp as a raw material is immersed in water so as to be 4% by weight, heat treated in an autoclave at 130 ° C. for 4 hours, and the resulting swollen pulp is washed with water many times and the swollen pulp impregnated with water In the same manner as in Example 1, the beating process is continued until the CSF value becomes 500 ml ↑, and then the micronization process is performed five times at an operating pressure of 100 MPa using a high-pressure homogenizer, and the solid content concentration is 1.5 wt%. An aqueous dispersion M4 was obtained. Subsequently, the aqueous dispersion M2 and the aqueous dispersion M4 are mixed so that the solid content weight composition is M2 solid content: M4 solid content = 95: 5, and the solid content concentration is 0.1% by weight, and diluted with water. , Dispersed in a blender, and made in the same manner as in Example 1, using a fine cellulose sheet with a basis weight of 10 g / m 2 as a guide, and a white fine cellulose sheet with a film thickness of 16 μm, a porosity of 60%, and a chlorine ion-containing concentration of 18 ppm A separator S5 was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator S5 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator S5 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[実施例6]
前記微細セルロース繊維の水分散体M2(固形分濃度:1.5重量%)を固形分濃度0.1重量%まで希釈した後、希釈水系分散液をスリーワンモーターで撹拌させ、カチオン性ブロック型多官能性イソシアネートの水分散液(商品名「メイカネートWEB」(明成化学工業株式会社製)を固形分濃度1.0重量%まで希釈)を微細セルロース繊維固形分重量に対し、3重量%添加後、さらに2分間分散を続けた後、実施例1と同じ要領で目付10g/m2の微細セルロースシートを目安に抄紙(脱水)、乾燥を実施した。さらに、その乾燥シートを2枚のSUS製金枠(25cm×25cm)で挟み、クリップで固定し、恒温器で160℃、2分間の熱処理を行い、多官能性イソシアネートに由来する反応体で架橋したこと以外は実施例1と同様に処理し、膜厚17μm、空孔率63%、塩素イオン含有濃度17ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータS6を得た。
セパレータS6の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータS6を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Example 6]
After diluting the aqueous dispersion M2 of fine cellulose fibers (solid content concentration: 1.5% by weight) to a solid content concentration of 0.1% by weight, the diluted aqueous dispersion is stirred with a three-one motor to obtain a cationic block type After adding 3% by weight of an aqueous dispersion of functional isocyanate (trade name “Meikanate WEB” (manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) to a solid content concentration of 1.0% by weight) with respect to the solid cellulose fiber solids weight, After further dispersion for 2 minutes, paper making (dehydration) and drying were carried out in the same manner as in Example 1, using a fine cellulose sheet having a basis weight of 10 g / m 2 as a guide. Furthermore, the dried sheet is sandwiched between two SUS metal frames (25 cm × 25 cm), fixed with clips, heat-treated at 160 ° C. for 2 minutes with a thermostat, and cross-linked with a reactant derived from polyfunctional isocyanate. A separator S6, which is a white fine cellulose sheet having a film thickness of 17 μm, a porosity of 63%, and a chlorine ion-containing concentration of 17 ppm, was obtained in the same manner as in Example 1.
The structure factor and various physical property values of the separator S6 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator S6 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[実施例7]
市販のエポキシ系熱硬化性樹脂の水分散体(固形分濃度20重量%)、α−アルミナ粉末(平均粒径:0.9μm)、蒸留水において、組成を、エポキシ系熱硬化性樹脂/α−アルミナ/水=1/20/79となるように塗工液を調整した。その後、実施例1で作製したセパレータS1へ、グラビアロール法により、上記塗工液をエポキシ系熱硬化性樹脂/α−アルミナ目付が4g/m2となるように片面へ塗工した。これを恒温器で160℃、10分間の熱処理をし、エポキシ系熱硬化性樹脂を硬化させることで、膜厚20μm、空孔率56%、塩素イオン含有濃度45ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータS7を得た。
セパレータS7の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータS7を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Example 7]
In a commercially available aqueous dispersion of epoxy thermosetting resin (solid content concentration 20% by weight), α-alumina powder (average particle size: 0.9 μm), and distilled water, the composition was changed to epoxy thermosetting resin / α. -The coating solution was adjusted so that alumina / water = 1/20/79. Then, the said coating liquid was apply | coated to single side | surface so that epoxy-type thermosetting resin / alpha-alumina basis weight might be 4 g / m < 2 > by the gravure roll method to separator S1 produced in Example 1. FIG. This is a white fine cellulose sheet having a film thickness of 20 μm, a porosity of 56%, and a chlorine ion-containing concentration of 45 ppm by subjecting this to heat treatment at 160 ° C. for 10 minutes with a thermostat to cure the epoxy thermosetting resin. Separator S7 was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator S7 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator S7 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[実施例8]
実施例1で作製したセパレータS1へ、グラビアロール法により、上記塗工液をエポキシ系熱硬化性樹脂/α−アルミナ目付が3g/m2となること以外は実施例6と同様に処理した後、さらに裏側へグラビアロール法により、上記塗工液をエポキシ系熱硬化性樹脂/α−アルミナ目付が3g/m2となること以外は実施例6と同様に処理し、セパレータS1の表裏面にそれぞれエポキシ系熱硬化性樹脂/α−アルミナ目付が3g/m2ずつ積層された、膜厚22μm、空孔率54%、塩素イオン含有濃度56ppmの白色シート成形体であるセパレータS8を得た。
セパレータS8の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータS8を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Example 8]
After treating the separator S1 produced in Example 1 by the gravure roll method in the same manner as in Example 6 except that the epoxy thermosetting resin / α-alumina basis weight is 3 g / m 2. Further, to the back side, the above coating liquid was treated in the same manner as in Example 6 except that the epoxy-based thermosetting resin / α-alumina basis weight was 3 g / m 2 by the gravure roll method. Separator S8, which is a white sheet molded body having a film thickness of 22 μm, a porosity of 54%, and a chlorine ion-containing concentration of 56 ppm, each of which was laminated with epoxy thermosetting resin / α-alumina basis weight of 3 g / m 2 , was obtained.
Table 1 below shows the results of the structure factor and various physical properties of the separator S8.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator S8 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[比較例1]
バッチ式抄紙機に目付15g/m2の微細セルロースシートを目安に、実施例1と同じ要領で、M2から水で希釈して調整した抄紙スラリーを投入して抄紙(脱水)を実施し、カレンダー機(由利ロール社製)により、150℃×3.1t/20cmの熱プレス処理を実施すること以外は実施例1と同様に処理し、膜厚23μm、空孔率59%、塩素イオン含有濃度22ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータR1を得た。
セパレータR1の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータR1を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Comparative Example 1]
In a batch paper machine, using a fine cellulose sheet with a basis weight of 15 g / m 2 as a guide, in the same manner as in Example 1, the paper slurry was prepared by diluting from M2 with water, and papermaking (dehydration) was carried out. Machine (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.), except that a hot press treatment at 150 ° C. × 3.1 t / 20 cm was carried out in the same manner as in Example 1, with a film thickness of 23 μm, a porosity of 59%, and a chloride ion-containing concentration Separator R1 which is a white fine cellulose sheet of 22 ppm was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator R1 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator R1 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[比較例2]
バッチ式抄紙機に目付4g/m2の微細セルロースシートを目安に、実施例1と同じ要領で、M2から水で希釈して調整した抄紙スラリーを投入して抄紙(脱水)を実施し、カレンダー機(由利ロール社製)により、150℃×3.1t/20cmの熱プレス処理を実施すること以外は実施例1と同様に処理、膜厚6μm、空孔率58%、塩素イオン含有濃度21ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータR2を得た。
セパレータR2の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータR2を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Comparative Example 2]
In a batch paper machine, using a fine cellulose sheet with a basis weight of 4 g / m 2 as a guide, in the same manner as in Example 1, the paper slurry was prepared by diluting from M2 with water and adjusted to make paper (dehydration). Treatment (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.), treatment as in Example 1 except that a heat press treatment at 150 ° C. × 3.1 t / 20 cm was performed, film thickness 6 μm, porosity 58%, chloride ion concentration 21 ppm Separator R2 which is a white fine cellulose sheet was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator R2 are shown in Table 1 below.
Lithium ion capacitor performance evaluation using the separator R2 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[比較例3]
実施例3で調製した水分散体M3を原料として、抄紙用分散液として固形分濃度0.2重量%まで水で希釈する際、1−ヘキサノール及びヒドロキシプロピルメチルセルロース(信越化学工業製、商品名:60SH−4000)をそれぞれ1.2重量%(3.9g)、0.012重量%(0.039g)添加し、得られた組成物をブレンダーで4分間乳化、分散させた後、抄紙(脱水)を行い、以降の工程は実施例1と同様の処理を実施して、膜厚14μm、空孔率55%、塩素イオン含有濃度16ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータR3を得た。
セパレータR3の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータR3を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。の結果を以下の表2に示す。
[Comparative Example 3]
When the aqueous dispersion M3 prepared in Example 3 was used as a raw material and diluted with water to a solid concentration of 0.2% by weight as a papermaking dispersion, 1-hexanol and hydroxypropylmethylcellulose (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., trade name: 60SH-4000) was added in an amount of 1.2% by weight (3.9 g) and 0.012% by weight (0.039 g), respectively, and the resulting composition was emulsified and dispersed in a blender for 4 minutes. In the subsequent steps, the same treatment as in Example 1 was performed to obtain a separator R3, which is a white fine cellulose sheet having a film thickness of 14 μm, a porosity of 55%, and a chlorine ion-containing concentration of 16 ppm.
The structure factor and various physical property values of the separator R3 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator R3 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[比較例4]
バッチ式抄紙機に目付10g/m2の微細セルロースシートを目安に、実施例1と同じ要領で、M1から水で希釈して調整した抄紙スラリーを投入して抄紙(脱水)を実施し、カレンダー機(由利ロール社製)により、150℃×3.6t/20cmの熱プレス処理を実施すること以外は実施例1と同様に処理し、膜厚16μm、空孔率59%、塩素イオン含有濃度17ppmの白色の微細セルロースシートであるセパレータR4を得た。
セパレータR4の構造因子、各種物性値の結果を以下の表1に示す。
セパレータR4を用いたリチウムイオンキャパシタ性能評価を、実施例1と全く同じ条件で実施した。結果を以下の表2に示す。
[Comparative Example 4]
In a batch paper machine, using a fine cellulose sheet with a basis weight of 10 g / m 2 as a guide, in the same manner as in Example 1, a paper slurry prepared by diluting with M1 from water was added and papermaking (dehydration) was carried out. Machine (manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.), except that a hot press treatment at 150 ° C. × 3.6 t / 20 cm is carried out in the same manner as in Example 1, with a film thickness of 16 μm, a porosity of 59%, and a chloride ion-containing concentration Separator R4 which is a white fine cellulose sheet of 17 ppm was obtained.
The structural factor and various physical property values of the separator R4 are shown in Table 1 below.
The lithium ion capacitor performance evaluation using the separator R4 was performed under exactly the same conditions as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
[実施例9〜16、比較例5〜8]
(負極の作製)
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、窒素を吸着質として細孔分布を測定した。比表面積はBET1点法により求めた。また、上述したように、脱着側の等温線を用いて、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法によりそれぞれ求めた。その結果、BET比表面積が1,780m2/g、メソ孔量(V1)が0.198cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.695cc/g、V1/V2=0.29、平均細孔径が21.2Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:90℃)150gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、630℃まで2時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料2を得た。
[Examples 9 to 16, Comparative Examples 5 to 8]
(Preparation of negative electrode)
The pore distribution was measured using a commercially available coconut shell activated carbon with a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. using nitrogen as an adsorbate. The specific surface area was determined by the BET single point method. Further, as described above, using the isotherm on the desorption side, the mesopore amount was determined by the BJH method, and the micropore amount was determined by the MP method. As a result, the BET specific surface area was 1,780 m 2 / g, the mesopore volume (V1) was 0.198 cc / g, the micropore volume (V2) was 0.695 cc / g, V1 / V2 = 0.29, the average fineness. The pore diameter was 21.2 mm. 150 g of this activated carbon is placed in a stainless steel mesh basket, placed on a stainless steel bat containing 150 g of coal-based pitch (softening point: 90 ° C.), and placed in an electric furnace (effective size in the furnace 300 mm × 300 mm × 300 mm). It was installed and a thermal reaction was performed. The heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere by raising the temperature to 630 ° C. in 2 hours, holding the same temperature for 4 hours, subsequently cooling to 60 ° C. by natural cooling, and then removing from the furnace to form a composite porous material 2 that becomes a negative electrode material Got.
複合多孔性材料2は、被着させた炭素質材料の活性炭に対する重量比率は38%、BET比表面積が434m2/g、メソ孔量(Vm1)が0.220cc/g、マイクロ孔量(Vm2)が0.149cc/gであった。さらに、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて平均粒子径を測定した結果、2.88μmであった。
次いで、上記で得た複合多孔性材料2を83.4重量部、アセチレンブラックを8.3重量部およびPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.3重量部とNMP(N−メチルピロリドン)を混合して、スラリーを得た。次いで、得られたスラリーを厚さ15μmの銅箔の片面に塗布し、乾燥し、プレスして、負極活物質層の厚さが32μmの負極を得た。
上記で得られた負極を3cm2になるように切り取り、複合多孔性材料2の重量に対して合計1460mAh/gのリチウムイオンをプリドープすることで、実施例9〜16、比較例5〜8の負極を作製した。
The composite porous material 2 has a weight ratio of the deposited carbonaceous material to activated carbon of 38%, a BET specific surface area of 434 m 2 / g, a mesopore volume (Vm1) of 0.220 cc / g, and a micropore volume (Vm2). ) Was 0.149 cc / g. Furthermore, it was 2.88 micrometers as a result of measuring an average particle diameter using the Shimadzu Corporation laser diffraction type particle size distribution analyzer (SALD-2000J).
Next, 83.4 parts by weight of the composite porous material 2 obtained above, 8.3 parts by weight of acetylene black, 8.3 parts by weight of PVDF (polyvinylidene fluoride) and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed. To obtain a slurry. Next, the obtained slurry was applied to one side of a 15 μm thick copper foil, dried and pressed to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer thickness of 32 μm.
The negative electrode obtained above was cut out to 3 cm 2, and a total of 1460 mAh / g of lithium ions was pre-doped with respect to the weight of the composite porous material 2, so that Examples 9 to 16 and Comparative Examples 5 to 8 A negative electrode was produced.
(正極の作製)
フェノール樹脂を焼成炉にて窒素雰囲気下、600℃で2時間炭化処理を行った。その後、焼成物をボールミルにて粉砕し、分級を行い平均粒径が7μmの炭化物を得た。
この炭化物とKOHを重量比1:5で混合し、焼成炉にて混合物を窒素雰囲下、800℃で1時間、加熱して賦活化を行った。その後2mol/Lに調整した希塩酸で1時間撹拌洗浄を行った後、蒸留水でPH5〜6の間で安定するまで煮沸洗浄した後に乾燥を行い、活性炭2を作製した。
活性炭2をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、細孔分布を前述の方法により、BET比表面積をBET1点法により、求めた。その結果、メソ孔量V1は1.50cc/g、マイクロ孔量V2は2.28cc/g、BET比表面積は3627m2/gであった。
この活性炭2を正極活物質に用い、活性炭83.4質量部、導電性カーボンブラック(ライオン株式会社ケッチェンブラックECP600JD)8.3質量部及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン、クレハ社製KFポリマー W#9300、融点163℃)8.3質量部をNMP(N−メチルピロリドン)と混合して、スラリー状の活物質層を得た。次いで、得られた活物質層を厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥した。電極活物質層のかさ密度は0.28g/cm3であった。なお、電極活物質層のかさ密度は、十分に乾燥させた電極を露点が−60℃以下に管理されたドライルームにて、集電体を除いた電極の重量と集電体の厚さを除いた電極活物質層の厚さを求めて、計算をして求めた。厚みの測定は小野測器DG−4120を用いた。
(Preparation of positive electrode)
The phenol resin was carbonized in a firing furnace at 600 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the fired product was pulverized with a ball mill and classified to obtain a carbide having an average particle size of 7 μm.
This carbide and KOH were mixed at a weight ratio of 1: 5, and the mixture was activated in a firing furnace by heating at 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the mixture was stirred and washed with dilute hydrochloric acid adjusted to 2 mol / L for 1 hour, then boiled and washed with distilled water until it became stable between pH 5 and 6, and dried to produce activated carbon 2.
The activated carbon 2 was obtained by a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd., and the pore distribution was determined by the above-described method, and the BET specific surface area was determined by the BET one-point method. As a result, the mesopore volume V1 was 1.50 cc / g, the micropore volume V2 was 2.28 cc / g, and the BET specific surface area was 3627 m 2 / g.
Using this activated carbon 2 as a positive electrode active material, 83.4 parts by mass of activated carbon, 8.3 parts by mass of conductive carbon black (Lion Corporation Ketjen Black ECP600JD) and PVDF (polyvinylidene fluoride, Kureha KF Polymer W # 9300) 8.3 parts by mass of mp 163 ° C.) was mixed with NMP (N-methylpyrrolidone) to obtain a slurry-like active material layer. Next, the obtained active material layer was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 15 μm and dried. The bulk density of the electrode active material layer was 0.28 g / cm 3 . The bulk density of the electrode active material layer is determined by the weight of the electrode excluding the current collector and the thickness of the current collector in a dry room where the dew point was controlled at -60 ° C. or lower. The thickness of the removed electrode active material layer was determined and calculated. Ono Sokki DG-4120 was used for the measurement of thickness.
活物質層を塗布した電極を図1の巻出しロール位置に設置し、140℃に加熱した加熱プレスロール装置(由利ロール社製MSC−31)にて110kgf/cmの線圧で、1回目にロール間距離60μm、2回目に30μmで加圧して、電極活物質層のかさ密度0.46g/cm3、正極活物質層の厚さ67μmの正極を得た。プレス速度は5m/分で行った。加熱ロールの温度の測定方法はKEYENCE社製、赤外放射温度計IT2−60にてロール表面温度を非接触で検出し、PID制御にて設定温度に調節した。また、線圧は加圧ロールに掛かる圧力と上下のロールが接触する長さで計算をした。
上記活性炭2から作製した正極を2.5cm2になるように切り取り、この正極と、上記複合多孔性材料2にリチウムイオンをプリドープした負極を用い、セパレータS1〜S8を、それぞれ、実施例9〜16で用い、セパレータR1〜R4を、それぞれ、比較例5〜8で用いて、実施例1と同様にリチウムイオンキャパシタの作製及び性能評価を実施した。結果を以下の表2に示す。
The electrode coated with the active material layer is placed at the unwinding roll position in FIG. 1 and heated for the first time at a linear pressure of 110 kgf / cm in a heated press roll apparatus (MSC-31 manufactured by Yuri Roll Co., Ltd.) heated to 140 ° C. The distance between the rolls was 60 μm, and the pressure was applied at 30 μm for the second time to obtain a positive electrode having a bulk density of 0.46 g / cm 3 of the electrode active material layer and a thickness of 67 μm of the positive electrode active material layer. The pressing speed was 5 m / min. The temperature of the heating roll was measured by detecting the roll surface temperature in a non-contact manner with an infrared radiation thermometer IT2-60 manufactured by KEYENCE, and adjusting the temperature to the set temperature by PID control. The linear pressure was calculated from the pressure applied to the pressure roll and the length of contact between the upper and lower rolls.
The positive electrode produced from the activated carbon 2 was cut out to 2.5 cm 2 , and this positive electrode and the negative electrode obtained by pre-doping lithium ions into the composite porous material 2 were used to form separators S1 to S8, respectively, in Examples 9 to 16 and the separators R1 to R4 were used in Comparative Examples 5 to 8, respectively, and the production and performance evaluation of lithium ion capacitors were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2 below.
本発明に係るリチウムイオンキャパシタは、例えば、自動車のハイブリット駆動システムの分野において、内燃機関、燃料電池、又はモーターと組み合わせて使用することができる他、例えば、瞬間電力ピーク時のアシスト用途等に好適に利用可能である。 The lithium ion capacitor according to the present invention can be used in combination with an internal combustion engine, a fuel cell, or a motor, for example, in the field of a hybrid drive system of an automobile, and is suitable for, for example, an assist application at an instantaneous power peak. Is available.
Claims (14)
セパレータ;及び
炭素材料又は炭素化合物材料のいずれかから成る正極活物質を含む正極活物質層が正極集電体に設置されている正極電極体;
を積層して成る電極積層体;並びに
リチウムイオン含有電解質を含む非水系電解液;
を、外装体に収納して含むリチウムイオンキャパシタであって、
該セパレータが、再生セルロース微細繊維を70重量%以上で含むセルロース微細繊維層を少なくとも一層含む単層又は3層以下の複数層から構成され、以下の要件:
(1)セルロース微細繊維層を構成する繊維の比表面積相当繊維径が0.20μm以上0.45μm以下である;
(2)透気抵抗度が5s/100ml以上40s/100ml以下である;及び
(3)膜厚が8μm以上22μm以下である;
を満足するセパレータであることを特徴とする前記リチウムイオンキャパシタ。 A negative electrode body in which a negative electrode active material layer containing a carbon material as a negative electrode active material is disposed on a negative electrode current collector;
A positive electrode body in which a positive electrode active material layer including a positive electrode active material made of either a carbon material or a carbon compound material is disposed on a positive electrode current collector;
A non-aqueous electrolyte containing a lithium ion-containing electrolyte;
A lithium ion capacitor that is housed in an exterior body,
The separator is composed of a single layer containing at least one cellulose fine fiber layer containing regenerated cellulose fine fibers at 70% by weight or more, or a plurality of layers of 3 layers or less, and the following requirements:
(1) The specific surface area equivalent fiber diameter of the fibers constituting the cellulose fine fiber layer is 0.20 μm or more and 0.45 μm or less;
(2) Air permeability resistance is 5 s / 100 ml or more and 40 s / 100 ml or less; and (3) Film thickness is 8 μm or more and 22 μm or less;
The lithium ion capacitor characterized by being a separator satisfying the following.
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