JP6912337B2 - Non-aqueous lithium storage element - Google Patents
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Description
本発明は非水系リチウム蓄電素子に関する。 The present invention relates to a non-aqueous lithium storage element.
近年、地球環境の保全及び省資源を目指すエネルギーの有効利用の観点から、風力発電の電力平滑化システム又は深夜電力貯蔵システム、太陽光発電技術に基づく家庭用分散型蓄電システム、電気自動車用の蓄電システム等が注目を集めている。 In recent years, from the viewpoint of effective use of energy aiming at conservation of the global environment and resource saving, power smoothing system or midnight power storage system for wind power generation, distributed power storage system for home use based on solar power generation technology, power storage for electric vehicles Systems and the like are attracting attention.
これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン電池の開発が精力的に進められている。 The first requirement of the batteries used in these power storage systems is high energy density. Lithium-ion batteries are being energetically developed as promising candidates for high-energy density batteries that can meet such demands.
第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)又は燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時に高い出力放電特性を発揮する蓄電システムが要求されている。 The second requirement is high output characteristics. For example, in a combination of a high-efficiency engine and a power storage system (for example, a hybrid electric vehicle) or a combination of a fuel cell and a power storage system (for example, a fuel cell electric vehicle), a power storage system that exhibits high output discharge characteristics during acceleration is required. Has been done.
現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。 Currently, electric double layer capacitors, nickel-metal hydride batteries, and the like are being developed as high-power power storage devices.
電気二重層キャパシタのうち、電極に活性炭を用いたものは、0.5〜1kW/L程度の出力特性を有する。この電気二重層キャパシタは、出力特性が高いだけでなく、耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)もまた高く、上記の高出力が要求される分野で最適のデバイスであると考えられてきた。しかし、そのエネルギー密度は1〜5Wh/L程度に過ぎない。そのため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。 Among the electric double layer capacitors, those using activated carbon for the electrodes have an output characteristic of about 0.5 to 1 kW / L. This electric double layer capacitor has not only high output characteristics but also high durability (cycle characteristics and high temperature storage characteristics), and has been considered to be the most suitable device in the above-mentioned field where high output is required. However, its energy density is only about 1 to 5 Wh / L. Therefore, it is necessary to further improve the energy density.
一方、現在ハイブリッド電気自動車で一般に採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度及び出力特性をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。 On the other hand, the nickel-metal hydride battery generally used in hybrid electric vehicles at present has a high output equivalent to that of an electric double layer capacitor and an energy density of about 160 Wh / L. However, research is being vigorously pursued to further enhance its energy density and output characteristics and to enhance its durability (particularly, stability at high temperatures).
また、リチウムイオン電池においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(すなわち、蓄電素子の放電容量に対する放電量の割合(%))50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオン電池が開発されている。しかし、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計である。また、その耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)は、電気二重層キャパシタに比べ劣る。そのため、そのようなリチウムイオン電池は、実用的な耐久性を持たせるために、放電深度が0〜100%の範囲よりも狭い範囲で使用される。実際に使用できる容量は更に小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。 In addition, research is underway to increase the output of lithium-ion batteries. For example, a lithium ion battery has been developed in which a high output exceeding 3 kW / L can be obtained at a discharge depth (that is, a ratio (%) of the amount of discharge to the discharge capacity of the power storage element) of 50%. However, its energy density is 100 Wh / L or less, and the design intentionally suppresses the high energy density, which is the greatest feature of lithium-ion batteries. Moreover, its durability (cycle characteristics and high temperature storage characteristics) is inferior to that of electric double layer capacitors. Therefore, such lithium-ion batteries are used in a range where the discharge depth is narrower than the range of 0 to 100% in order to have practical durability. Since the capacity that can be actually used becomes smaller, research for further improving durability is being energetically pursued.
上記のように、高エネルギー密度、高出力特性、及び高耐久性を兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。しかし、上述した既存の蓄電素子には、それぞれ一長一短がある。そのため、これらの技術的要求を充足する新たな蓄電素子が求められている。その有力な候補として、リチウムイオンキャパシタと呼ばれる蓄電素子が注目され、開発が盛んに行われている。 As described above, there is a strong demand for practical application of a power storage element having high energy density, high output characteristics, and high durability. However, each of the existing power storage elements described above has advantages and disadvantages. Therefore, there is a demand for a new power storage element that satisfies these technical requirements. As a promising candidate, a power storage element called a lithium ion capacitor has attracted attention and is being actively developed.
リチウムイオンキャパシタは、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子(以下、「非水系リチウム蓄電素子」ともいう。)の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着及び脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン電池と同様のリチウムイオンの吸蔵及び放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。 A lithium ion capacitor is a kind of storage element (hereinafter, also referred to as "non-aqueous lithium storage element") that uses a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt, and is an electric double layer capacitor at about 3 V or more at a positive electrode. It is a power storage element that charges and discharges by a non-Faraday reaction by adsorption and desorption of anions, and a Faraday reaction by storage and release of lithium ions at the negative electrode, which is similar to that of a lithium ion battery.
上述の蓄電素子に一般的に用いられる電極材料とその特徴をまとめると、一般的に、電極に活性炭等の材料を用い、活性炭表面のイオンの吸着及び脱離(非ファラデー反応)により充放電を行う場合は、高出力かつ高耐久性が得られるが、エネルギー密度が低くなる(例えば1倍とする。)。一方、電極に酸化物又は炭素材料を用い、ファラデー反応により充放電を行う場合は、エネルギー密度が高くなる(例えば、活性炭を用いた非ファラデー反応の10倍とする。)が、耐久性及び出力特性に課題がある。 To summarize the electrode materials generally used for the above-mentioned energy storage element and their characteristics, generally, a material such as activated carbon is used for the electrode, and charging / discharging is performed by adsorption and desorption (non-Faraday reaction) of ions on the surface of activated carbon. When this is done, high output and high durability are obtained, but the energy density is low (for example, 1 times). On the other hand, when an oxide or carbon material is used for the electrode and charging / discharging is performed by the Faraday reaction, the energy density becomes high (for example, 10 times that of the non-Faraday reaction using activated carbon), but the durability and output are increased. There is a problem with the characteristics.
これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極及び負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって高出力かつ高耐久性を有するが、エネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。 As a combination of these electrode materials, the electric double layer capacitor is characterized in that activated carbon (energy density 1 times) is used for the positive electrode and the negative electrode, and both the positive electrode and the negative electrode are charged and discharged by a non-Faraday reaction, and therefore high output and high durability. Although it has properties, it is characterized by low energy density (1x positive electrode x 1x negative electrode = 1).
リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)を有するが、出力特性及び耐久性に課題がある。更に、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10〜50%しか使用できない。 The lithium ion secondary battery is characterized by using a lithium transition metal oxide (energy density 10 times) for the positive electrode and a carbon material (energy density 10 times) for the negative electrode, and charging and discharging both the positive electrode and the negative electrode by a Faraday reaction. It has a high energy density (10 times positive electrode x 10 times negative electrode = 100), but has problems in output characteristics and durability. Further, in order to satisfy the high durability required for a hybrid electric vehicle or the like, the discharge depth must be limited, and the lithium ion secondary battery can use only 10 to 50% of its energy.
リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた非対称キャパシタである。そして、リチウムイオンキャパシタは高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。 Lithium-ion capacitors are characterized by using activated carbon (1x energy density) for the positive electrode and carbon material (10x energy density) for the negative electrode, and charging and discharging by a non-Faraday reaction at the positive electrode and a Faraday reaction at the negative electrode. It is an asymmetric capacitor that combines the characteristics of an electric double-layer capacitor and a lithium-ion secondary battery. The lithium-ion capacitor has a high energy density (1x positive electrode x 10x negative electrode = 10) while having high output and high durability, and it is not necessary to limit the discharge depth unlike a lithium ion secondary battery. Is a feature.
上記で説明された蓄電素子(特にリチウムイオン二次電池)の正極については、様々な検討が行われている。
例えば、特許文献1には、正極中に炭酸リチウムを含有させた正極を用い、電池内圧の上昇に応じて作動する電流遮断機構を有するリチウムイオン二次電池が提案されている。特許文献2には、リチウムマンガン酸化物等のリチウム複合酸化物を正極に用い、正極に炭酸リチウムを含有させることでマンガンの溶出を抑制したリチウムイオン二次電池が提案されている。特許文献3には、正極で被酸化物としての各種リチウム化合物を酸化し、劣化した蓄電素子の容量を回復させる方法が提案されている。
Various studies have been conducted on the positive electrode of the power storage element (particularly the lithium ion secondary battery) described above.
For example, Patent Document 1 proposes a lithium ion secondary battery that uses a positive electrode containing lithium carbonate in the positive electrode and has a current cutoff mechanism that operates in response to an increase in battery internal pressure.
しかしながら、特許文献1〜3に記載の正極は、リチウムイオンキャパシタなどの非対称キャパシタへの適用について未だに改良の余地があり、特に非水系リチウム蓄電素子の高負荷充放電サイクルにおいて、正極中のリチウム化合物の分解を抑制し、かつガス発生及び抵抗上昇を抑制することについては全く検討されていない。 However, the positive electrodes described in Patent Documents 1 to 3 still have room for improvement in application to asymmetric capacitors such as lithium ion capacitors, and the lithium compound in the positive electrode is particularly used in a high load charge / discharge cycle of a non-aqueous lithium storage element. No studies have been made on suppressing the decomposition of lithium-ion capacitors and suppressing gas generation and resistance increase.
本発明は、以上の現状に鑑みてなされたものである。
従って、本発明が解決しようとする課題は、正極にリチウム化合物等のアルカリ金属化合物を含む非水系リチウム蓄電素子において、高負荷充放電サイクルにより蓄電素子中央部の温度が上昇した場合に、抵抗変化が小さくし、かつ正極中のアルカリ金属化合物の分解を抑制することによりガス発生を抑制することである。
本発明は、この知見に基づいて為されたものである。
The present invention has been made in view of the above situation.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that in a non-aqueous lithium power storage element containing an alkali metal compound such as a lithium compound in the positive electrode, the resistance changes when the temperature at the center of the power storage element rises due to a high load charge / discharge cycle. Is reduced, and gas generation is suppressed by suppressing the decomposition of the alkali metal compound in the positive electrode.
The present invention has been made based on this finding.
上記課題は以下の技術的手段により解決される。
すなわち、本発明は、以下の通りのものである:
[1]
活物質以外のアルカリ金属化合物を含む正極、
負極、
セパレータ、及び
リチウムイオンを含む非水系電解液、
を含む非水系リチウム蓄電素子であって、
前記正極の正極集電体上に、前記活物質及び前記アルカリ金属化合物から成る正極活物質層が塗布されており、かつ
前記正極活物質層の中央部のアルカリ金属化合物量Cx1(g/m2)と外周部のアルカリ金属化合物量Cy1(g/m2)の比Cx1/Cy1が、0.50以上0.96以下である、
前記非水系リチウム蓄電素子。
[2]
前記正極活物質層の前記中央部の活物質量Cx2(g/m2)と前記外周部の活物質量Cy2(g/m2)の比Cx2/Cy2が、0.85以上1.15以下である、[1]に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[3]
前記正極の表面の走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分析(SEM−EDX)により得られる元素マッピングにおいて、明るさの平均値を基準に二値化した酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率A1が、40%以上99%以下である、[1]又は[2]に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[4]
ブロードイオンビーム(BIB)加工した前記正極の断面のSEM−EDXにより得られる元素マッピングにおいて、明るさの平均値を基準に二値化した酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率A2が、10%以上60%以下である、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[5]
前記アルカリ金属化合物が、炭酸リチウム、酸化リチウム、又は水酸化リチウムである、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[6]
前記正極活物質層は、前記正極集電体の片面上又は両面上に設けられており、
前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、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、
[1]〜[5]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[7]
前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、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2,300m2/g以上4,000m2/g以下を示す活性炭である、[1]〜[5]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[8]
前記負極に含まれる負極活物質に対するリチウムイオンのドープ量が、該負極活物質の単位質量当たり530mAh/g以上2,500mAh/g以下である、[1]〜[7]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[9]
前記負極活物質のBET比表面積が、100m2/g以上1,500m2/g以下である、[8]に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[10]
前記負極に含まれる負極活物質に対するリチウムイオンのドープ量が、該負極活物質の単位質量当たり50mAh/g以上700mAh/g以下である、[1]〜[7]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[11]
前記負極活物質のBET比表面積が、1m2/g以上50m2/g以下である、[10]に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[12]
前記負極活物質の平均粒子径が、1μm以上10μm以下である、[8]〜[11]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。
[13]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む蓄電モジュール。
[14]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む電力回生アシストシステム。
[15]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む電力負荷平準化システム。
[16]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む無停電電源システム。
[17]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む非接触給電システム。
[18]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含むエナジーハーベストシステム。
[19]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む蓄電システム。
[20]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子と、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池又は燃料電池とを直列又は並列に接続した蓄電システム。
[21]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む太陽光発電蓄電システム。
[22]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む電動パワーステアリングシステム。
[23]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む非常用電源システム。
[24]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含むインホイールモーターシステム。
[25]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含むアイドリングストップシステム。
[26]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む乗り物。
[27]
電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、又は電動バイクである、[26]に記載の乗り物。
[28]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含む急速充電システム。
[29]
[1]〜[12]のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子を含むスマートグリッドシステム。
The above problem is solved by the following technical means.
That is, the present invention is as follows:
[1]
Positive electrode containing alkali metal compounds other than active material,
Negative electrode,
Separator, and non-aqueous electrolyte solution containing lithium ions,
It is a non-aqueous lithium storage element containing
A positive electrode active material layer composed of the active material and the alkali metal compound is coated on the positive electrode current collector of the positive electrode, and the amount of the alkali metal compound in the central portion of the positive electrode active material layer is C x 1 (g / m). The ratio C x1 / Cy1 of 2 ) and the amount of alkali metal compound Cy1 (g / m 2 ) on the outer peripheral portion is 0.50 or more and 0.96 or less.
The non-aqueous lithium storage element.
[2]
Wherein the ratio C x2 / C y2 of the active material of the central portion of the positive electrode active material layer C x2 (g / m 2) and the active material amount of the outer peripheral portion C y2 (g / m 2) is 0.85 or more The non-aqueous lithium storage element according to [1], which is 1.15 or less.
[3]
In the element mapping obtained by scanning electron microscope-energy dispersive X-ray analysis (SEM-EDX) on the surface of the positive electrode, the area overlap rate A of fluorine mapping with respect to oxygen mapping binarized based on the average value of brightness. The non-aqueous lithium storage element according to [1] or [2], wherein 1 is 40% or more and 99% or less.
[4]
In the element mapping obtained by SEM-EDX of the cross section of the positive electrode processed by broad ion beam (BIB), the area overlap rate A 2 of fluorine mapping with respect to oxygen mapping binarized based on the average value of brightness is 10%. The non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [3], which is 60% or less.
[5]
The non-aqueous lithium power storage element according to any one of [1] to [4], wherein the alkali metal compound is lithium carbonate, lithium oxide, or lithium hydroxide.
[6]
The positive electrode active material layer is provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The amount of mesopores derived from the pores of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method is V 1 (cc / g), and the diameter is less than 20 Å calculated by the MP method. When the amount of micropores derived from the pores is V 2 (cc / g), 0.3 <V 1 ≤ 0.8 and 0.5 ≤ V 2 ≤ 1.0 are satisfied, and the BET method is used. Activated carbon having a measured specific surface area of 1,500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less.
The non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [5].
[7]
The positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer has a mesopore amount V 1 (cc / g) of 0.8 <V 1 ≤ 2.5 derived from pores having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method. , And the micropore amount V 2 (cc / g) derived from pores with a diameter of less than 20 Å calculated by the MP method satisfies 0.8 <V 2 ≤ 3.0, and the ratio measured by the BET method. The non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [5], which is an activated carbon having a surface area of 2,300 m 2 / g or more and 4,000 m 2 / g or less.
[8]
[9]
The non-aqueous lithium storage element according to [8], wherein the negative electrode active material has a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less.
[10]
The item according to any one of [1] to [7], wherein the doping amount of lithium ion with respect to the negative electrode active material contained in the negative electrode is 50 mAh / g or more and 700 mAh / g or less per unit mass of the negative electrode active material. Non-aqueous lithium storage element.
[11]
The non-aqueous lithium storage element according to [10], wherein the BET specific surface area of the negative electrode active material is 1 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less.
[12]
The non-aqueous lithium storage element according to any one of [8] to [11], wherein the average particle size of the negative electrode active material is 1 μm or more and 10 μm or less.
[13]
A power storage module including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of [1] to [12].
[14]
A power regeneration assist system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[15]
A power load leveling system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[16]
An uninterruptible power supply system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[17]
A non-contact power supply system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[18]
An energy harvesting system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[19]
A power storage system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of [1] to [12].
[20]
A power storage system in which the non-aqueous lithium power storage element according to any one of [1] to [12] and a lead battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion secondary battery or a fuel cell are connected in series or in parallel.
[21]
A photovoltaic power generation power storage system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of [1] to [12].
[22]
An electric power steering system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[23]
An emergency power supply system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[24]
An in-wheel motor system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[25]
An idling stop system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[26]
A vehicle including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[27]
The vehicle according to [26], which is an electric vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, or an electric motorcycle.
[28]
A quick charging system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
[29]
A smart grid system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of [1] to [12].
本発明によれば、高負荷充放電サイクルにより非水系リチウム蓄電素子中央部の温度が上昇した場合において、抵抗変化が小さく、正極中に含まれるアルカリ金属化合物の過剰な分解を抑制し、かつガス発生の少ない非水系リチウム蓄電素子を提供することができる。 According to the present invention, when the temperature of the central portion of the non-aqueous lithium storage element rises due to the high load charge / discharge cycle, the resistance change is small, the excessive decomposition of the alkali metal compound contained in the positive electrode is suppressed, and the gas is suppressed. It is possible to provide a non-aqueous lithium storage element with less generation.
以下、本発明の実施形態(以下、「本実施形態」という。)を詳細に説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。本実施形態の各数値範囲における上限値及び下限値は任意に組み合わせて任意の数値範囲を構成することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, but the present invention is not limited to the present embodiment. The upper limit value and the lower limit value in each numerical range of the present embodiment can be arbitrarily combined to form an arbitrary numerical range.
非水系リチウム蓄電素子は一般に、正極と、負極と、セパレータと、電解液とを主な構成要素とする。電解液としては、リチウムイオンを含む有機溶媒(以下、「非水系電解液」ともいう。)を用いる。 A non-aqueous lithium storage element generally includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution as main components. As the electrolytic solution, an organic solvent containing lithium ions (hereinafter, also referred to as “non-aqueous electrolytic solution”) is used.
<正極>
本実施形態における正極は、正極集電体と、その片面又は両面上に設けられた、正極活物質を含む正極活物質層とを有する。
<Positive electrode>
The positive electrode in the present embodiment has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material provided on one or both sides of the current collector.
本実施形態における正極は、蓄電素子を組み立てる前の正極前駆体として、アルカリ金属化合物を含むことが好ましい。後述のように、本実施形態では蓄電素子を組み立てる工程において、負極にリチウムイオンをプレドープすることが好ましい。本実施形態におけるプレドープ方法としては、リチウム化合物を含む正極前駆体と、負極と、セパレータと、非水系電解液とを用いて蓄電素子を組み立てた後に、正極前駆体と負極との間に電圧を印加することが好ましい。前記アルカリ金属化合物は、正極前駆体の正極集電体上に形成された正極活物質層内に含有されていることが好ましい。 The positive electrode in the present embodiment preferably contains an alkali metal compound as a positive electrode precursor before assembling the power storage element. As will be described later, in the present embodiment, it is preferable to pre-dope the negative electrode with lithium ions in the step of assembling the power storage element. As a predoping method in the present embodiment, after assembling a power storage element using a positive electrode precursor containing a lithium compound, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte solution, a voltage is applied between the positive electrode precursor and the negative electrode. It is preferable to apply. The alkali metal compound is preferably contained in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector of the positive electrode precursor.
本願明細書では、リチウムドープ工程前における正極を「正極前駆体」、リチウムドープ工程後における正極を「正極」と定義する。 In the present specification, the positive electrode before the lithium doping process is defined as a “positive electrode precursor”, and the positive electrode after the lithium doping process is defined as a “positive electrode”.
[正極活物質層]
正極活物質層は正極活物質を含み、これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、及び分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。正極活物質は、炭素材料を含むことが好ましい。
正極前駆体の正極活物質層は、リチウム化合物等のアルカリ金属化合物を含むことが好ましい。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, and may also contain optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer, if necessary. The positive electrode active material preferably contains a carbon material.
The positive electrode active material layer of the positive electrode precursor preferably contains an alkali metal compound such as a lithium compound.
[正極活物質]
正極活物質は、蓄電素子の充放電時にファラデー反応又は非ファラデー反応に関与する物質であり、炭素材料を含むことが好ましい。炭素材料としては、好ましくはカーボンナノチューブ、導電性高分子、及び多孔性の炭素材料が挙げられ、さらに好ましくは活性炭である。正極活物質は、2種類以上の材料を混合して含んでもよく、炭素材料以外の材料、例えばリチウムと遷移金属との複合酸化物等を含んでもよい。
[Positive electrode active material]
The positive electrode active material is a substance involved in a Faraday reaction or a non-Faraday reaction during charging and discharging of the power storage element, and preferably contains a carbon material. Examples of the carbon material include carbon nanotubes, a conductive polymer, and a porous carbon material, and more preferably activated carbon. The positive electrode active material may contain a mixture of two or more kinds of materials, and may contain a material other than the carbon material, for example, a composite oxide of lithium and a transition metal.
正極活物質の合計質量に対する炭素材料の含有率は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は100質量%であってもよいが、他の材料との併用による効果を良好に得る観点から、例えば、好ましくは90質量%以下であり、80質量%以下であってもよい。 The content of the carbon material with respect to the total mass of the positive electrode active material is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material may be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining a good effect when used in combination with other materials, for example, it is preferably 90% by mass or less, even if it is 80% by mass or less. good.
活性炭を正極活物質として用いる場合、活性炭の種類及びその原料は特に制限されない。しかし、高い入出力特性と、高いエネルギー密度とを両立させるために、活性炭の細孔を最適に制御することが好ましい。具体的には、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、
(1)高い入出力特性を得るためには、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以下である活性炭(以下、「活性炭1」ともいう。)が好ましく、また、
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V1≦2.5、及び0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下である活性炭(以下、「活性炭2」ともいう。)が好ましい。
以下、(1)活性炭1及び(2)活性炭2について、個別に順次説明していく。
When activated carbon is used as the positive electrode active material, the type of activated carbon and its raw material are not particularly limited. However, in order to achieve both high input / output characteristics and high energy density, it is preferable to optimally control the pores of the activated carbon. Specifically, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method is V 1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20 Å calculated by the MP method. When is V 2 (cc / g),
(1) In order to obtain high input / output characteristics, 0.3 <V 1 ≤ 0.8 and 0.5 ≤ V 2 ≤ 1.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 1. , 500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less of activated carbon (hereinafter, also referred to as “activated carbon 1”) is preferable.
(2) In order to obtain a high energy density, 0.8 <V 1 ≤ 2.5 and 0.8 <V 2 ≤ 3.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 2, Activated carbon having a thickness of 300 m 2 / g or more and 4,000 m 2 / g or less (hereinafter, also referred to as “activated
Hereinafter, (1) activated carbon 1 and (2) activated
(活性炭1)
活性炭1のメソ孔量V1は、正極材料を蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましい。一方で、正極の嵩密度の低下を抑える点から、活性炭1のV1は0.8cc/g以下であることが好ましい。活性炭1のV1は、より好ましくは0.35cc/g以上0.7cc/g以下、更に好ましくは0.4cc/g以上0.6cc/g以下である。
(Activated carbon 1)
Meso Anaryou V 1 of the activated carbon 1, in terms of increasing the output characteristics when incorporating the positive electrode material in the capacitor is preferably 0.3 cc / g greater than. On the other hand, the V 1 of the activated carbon 1 is preferably 0.8 cc / g or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the bulk density of the positive electrode. The V 1 of the activated carbon 1 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.
活性炭1のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.5cc/g以上であることが好ましい。一方で、活性炭の嵩を抑え、電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させる点から、活性炭1のV2は1.0cc/g以下であることが好ましい。活性炭1のV2は、より好ましくは0.6cc/g以上1.0cc/g以下、更に好ましくは0.8cc/g以上1.0cc/g以下である。 The micropore amount V 2 of the activated carbon 1 is preferably 0.5 cc / g or more in order to increase the specific surface area and the capacity of the activated carbon. On the other hand, the V 2 of the activated carbon 1 is preferably 1.0 cc / g or less from the viewpoint of suppressing the bulk of the activated carbon, increasing the density as an electrode, and increasing the capacity per unit volume. The V 2 of the activated carbon 1 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.
活性炭1のマイクロ孔量V2に対するメソ孔量V1の比(V1/V2)は、0.3≦V1/V2≦0.9の範囲であることが好ましい。すなわち、高容量を維持しながら出力特性の低下を抑えることができる程度に、マイクロ孔量に対するメソ孔量の割合を大きくするという点から、活性炭1のV1/V2が0.3以上であることが好ましい。一方で、高出力特性を維持しながら容量の低下を抑えることができる程度に、メソ孔量に対するマイクロ孔量の割合を大きくするという点から、活性炭1のV1/V2は0.9以下であることが好ましい。活性炭1のV1/V2の範囲は、より好ましくは0.4≦V1/V2≦0.7、更に好ましくは0.55≦V1/V2≦0.7である。 The ratio of meso Anaryou V 1 relative to the micropore volume V 2 of activated carbon 1 (V 1 / V 2) is preferably in the range of 0.3 ≦ V 1 / V 2 ≦ 0.9. That is, from the viewpoint of increasing the ratio of the mesopore amount to the micropore amount to the extent that the decrease in output characteristics can be suppressed while maintaining a high capacity, V 1 / V 2 of the activated carbon 1 is 0.3 or more. It is preferable to have. On the other hand, V 1 / V 2 of activated carbon 1 is 0.9 or less from the viewpoint of increasing the ratio of the amount of micropores to the amount of mesopores to the extent that the decrease in capacity can be suppressed while maintaining high output characteristics. Is preferable. The range of V 1 / V 2 of the activated carbon 1 is more preferably 0.4 ≤ V 1 / V 2 ≤ 0.7, and even more preferably 0.55 ≤ V 1 / V 2 ≤ 0.7.
活性炭1の平均細孔径は、得られる蓄電素子の出力を増大させる点から、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以上であることが更に好ましい。また容量を増大させる点から、活性炭1の平均細孔径は25Å以下であることが好ましい。 The average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 17 Å or more, more preferably 18 Å or more, and even more preferably 20 Å or more, from the viewpoint of increasing the output of the obtained power storage element. Further, from the viewpoint of increasing the capacity, the average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 25 Å or less.
活性炭1のBET比表面積は、1,500m2/g以上3,000m2/g以下であることが好ましく、1,500m2/g以上2,500m2/g以下であることがより好ましい。活性炭1のBET比表面積が1,500m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、活性炭1のBET比表面積が3,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つために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。 BET specific surface area of the activated carbon 1 is preferably from 1,500 m 2 / g or more 3,000 m 2 / g, more preferably not more than 1,500 m 2 / g or more 2,500 m 2 / g. When the BET specific surface area of the activated carbon 1 is 1,500 m 2 / g or more, a good energy density can be easily obtained, while when the BET specific surface area of the activated carbon 1 is 3,000 m 2 / g or less, the electrode Since it is not necessary to add a large amount of binder in order to maintain the strength of the electrode, the performance per electrode volume is improved.
上記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明する原料及び処理方法を用いて得ることができる。 Activated carbon 1 having the above characteristics can be obtained, for example, by using the raw materials and the treatment method 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い。活性炭1の炭素源としては、例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、及びこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応及びコストの観点から、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。 In the present embodiment, the carbon source used as the raw material of the activated carbon 1 is not particularly limited. Examples of the carbon source of the activated charcoal 1 include wood, wood flour, coconut shells, by-products during pulp production, bagas, plant-based raw materials such as waste sugar honey; Fossil raw materials such as pitch, coke, and coal tar; various synthetic resins such as phenol resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, celluloid, epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin, and polyamide resin. ; Synthetic rubbers such as polybutylene, polybutadiene, polychloroprene; other synthetic woods, synthetic pulps, etc., and carbonized products thereof. Among these raw materials, plant-based raw materials such as coconut shells and wood flour and their carbides are preferable, and coconut shell carbides are particularly preferable, from the viewpoint of mass production and cost.
これらの原料から活性炭1を作製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。 As a carbonization and activation method for producing activated carbon 1 from these raw materials, 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 adopted.
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。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より好ましい。 As a method for activating the carbide obtained by the above carbonization method, a gas activation method in which the carbide is fired using an activation gas such as steam, carbon dioxide, or oxygen is preferably used. A method using water vapor or carbon dioxide as the activating gas is more preferable.
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、炭化物を3〜12時間、好ましくは5〜11時間、更に好ましくは6〜10時間かけて800〜1,000℃まで昇温して賦活することが好ましい。 In this activation method, the carbide is supplied for 3 to 12 hours, preferably 5 to 11 hours while supplying the activation gas at a ratio of 0.5 to 3.0 kg / h, preferably 0.7 to 2.0 kg / h. More preferably, the temperature is raised to 800 to 1,000 ° C. over 6 to 10 hours for activation.
更に、炭化物の賦活処理に先立ち、予め炭化物を1次賦活してもよい。この1次賦活では、通常、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて、900℃未満の温度で炭素材料を焼成してガス賦活することが好ましい。 Further, the carbide may be first activated in advance prior to the activation treatment of the carbide. In this primary activation, it is usually preferable to fire a carbon material at a temperature of less than 900 ° C. to activate the gas using an activation gas such as steam, carbon dioxide, or oxygen.
炭化方法における焼成温度及び焼成時間と、賦活方法における賦活ガス供給量、昇温速度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好ましい、上記の特徴を有する活性炭1を製造することができる。 Activated carbon 1 having the above characteristics, which is preferable in the present embodiment, can be produced by appropriately combining the firing temperature and firing time in the carbonization method with the amount of activated gas supplied, the rate of temperature rise, and the maximum activation temperature in the activation method. can.
活性炭1の平均粒子径は、2〜20μmであることが好ましい。活性炭1の平均粒子径が2μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。活性炭1の平均粒子径が小さいと耐久性が低くなる場合があるが、平均粒子径が2μm以上であれば耐久性が低くなり難い。活性炭1の平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電に適合し易くなる傾向がある。活性炭1の平均粒子径は、より好ましくは2〜15μmであり、更に好ましくは3〜10μmである。 The average particle size of the activated carbon 1 is preferably 2 to 20 μm. When the average particle size of the activated carbon 1 is 2 μm or more, the capacity per electrode volume tends to increase due to the high density of the active material layer. If the average particle size of the activated carbon 1 is small, the durability may be low, but if the average particle size is 2 μm or more, the durability is unlikely to be low. When the average particle size of the activated carbon 1 is 20 μm or less, it tends to be easily adapted to high-speed charging / discharging. The average particle size of the activated carbon 1 is more preferably 2 to 15 μm, still more preferably 3 to 10 μm.
(活性炭2)
活性炭2のメソ孔量V1は、正極材料を蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cc/gより大きい値であることが好ましく、一方で、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。活性炭2の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。
(Activated carbon 2)
Meso Anaryou V 1 of the activated
活性炭2のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。活性炭の電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという観点から、活性炭2のV2は3.0cc/g以下であることが好ましい。活性炭2のV2は、より好ましくは1.0cc/gより大きく2.5cc/g以下、更に好ましくは1.5cc/g以上2.5cc/g以下である。
The micropore amount V 2 of the activated
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である。活性炭2のBET比表面積の具体的な値としては、2,300m2/g以上4,000m2/g以下であることが好ましく、3,000m2/g以上4,000m2/g以下であることがより好ましく、3,200m2/g以上3,800m2/g以下であることが更に好ましい。活性炭2のBET比表面積が2,300m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、活性炭2のBET比表面積が4,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つために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。
The activated
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ような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、活性炭原料として通常用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、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。
The carbonaceous material used as a raw material for the activated
これらの原料を炭化する方式、或いは賦活処理時の加熱方法としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の公知の方式が挙げられる。加熱時の雰囲気は窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、又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、炭化時間は0.5〜10時間程度で焼成する方法が一般的である。 Examples of the method of carbonizing these raw materials or the heating method at the time of 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. As the atmosphere at the time of heating, an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, or argon, or a gas containing these inert gases as a main component and mixed with other gases is used. Generally, the carbonization temperature is about 400 to 700 ° C. and the carbonization time is about 0.5 to 10 hours.
炭化処理後の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、及びアルカリ金属化合物と混合した後に加熱処理を行うアルカリ金属賦活方挙げられる。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。 Examples of the method for activating the carbide after the carbonization treatment include a gas activation method in which the carbide is fired using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, and oxygen, and 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.
この賦活方法では、炭化物と、KOH、NaOH等のアルカリ金属水酸化物との質量比が1:1以上(アルカリ金属水酸化物の量が、炭化物の量と同じかこれよりも多い量)となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600〜900℃の範囲において、0.5〜5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸及び水により洗浄除去し、更に乾燥を行うことが好ましい。 In this activation method, the mass ratio of carbides to alkali metal hydroxides such as KOH and NaOH is 1: 1 or more (the amount of alkali metal hydroxide is equal to or greater than the amount of carbides). After mixing so as to be, heating is carried out in the range of 600 to 900 ° C. for 0.5 to 5 hours in an inert gas atmosphere, and then the alkali metal compound is washed and removed with acid and water, and further dried. preferable.
マイクロ孔量を大きくし、メソ孔量を大きくしないためには、賦活する際に炭化物の量を多めにしてKOHと混合するとよい。マイクロ孔量及びメソ孔量の双方を大きくするためには、KOHの量を多めに使用するとよい。また、主としてメソ孔量を大きくするためには、アルカリ賦活処理を行った後に水蒸気賦活を行うことが好ましい。 In order to increase the amount of micropores and not increase the amount of mesopores, it is advisable to increase the amount of carbides at the time of activation and mix with KOH. In order to increase both the amount of micropores and the amount of mesopores, it is advisable to use a large amount of KOH. Further, in order to mainly increase the amount of mesopores, it is preferable to perform steam activation after performing alkali activation treatment.
活性炭2の平均粒子径は、好ましくは2μm以上20μm以下、より好ましくは3μm以上10μm以下である。
The average particle size of the activated
(活性炭の使用態様)
活性炭1及び2は、それぞれ、単一の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって、混合物全体として上記の特徴を示すものであってもよい。
(Usage mode of activated carbon)
活性炭1及び2は、これらのうちのいずれか一方を選択して使用してもよいし、両者を混合して使用してもよい。
As the activated
正極活物質は、活性炭1及び2以外の材料、例えば、上記特定のV1及び/若しくはV2を有さない活性炭、又は活性炭以外の材料、例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等を含んでもよい。例示の態様において、活性炭1の含有量、又は活性炭2の含有量、又は活性炭1及び2の合計含有量が、それぞれ、全正極活物質の50質量%より多いことが好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましく、100質量%であることがより更に好ましい。
The positive electrode active material is a material other than activated
正極活物質層における正極活物質の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、35質量%以上95質量%以下であることが好ましい。正極活物質の含有割合の下限としては、45質量%以上であることがより好ましく、55質量%以上であることがさらに好ましい。一方、正極活物質の含有割合の上限としては、90質量%以下であることがより好ましく、85質量%以下であることが更に好ましい。正極活物質の含有割合をこの範囲にすることにより、好適な充放電特性を発揮する。 The content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 35% by mass or more and 95% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode precursor. The lower limit of the content ratio of the positive electrode active material is more preferably 45% by mass or more, further preferably 55% by mass or more. On the other hand, the upper limit of the content ratio of the positive electrode active material is more preferably 90% by mass or less, and further preferably 85% by mass or less. By setting the content ratio of the positive electrode active material in this range, suitable charge / discharge characteristics are exhibited.
(アルカリ金属化合物)
アルカリ金属化合物は、元素周期表1族の第2周期以降の金属と、他の元素を含む化合物である。アルカリ金属化合物は、例えば、Li、Na、K、Rb、Cs等のアルカリ金属の塩、水酸化物、酸化物、窒化物、炭化物若しくはハロゲン化物であるか、又はアルカリ金属とアルカリ土類金属又は遷移金属との複合酸化物でよい。
しかしながら、本明細書では、用語「アルカリ金属化合物」は、蓄電素子の充放電時に電極中でファラデー反応又は非ファラデー反応に関与する活物質(例えば、正極活物質としてのリチウム−遷移金属複合酸化物、賦活処理により活物質に含まれるアルカリ金属水酸化物)、及び非水系電解液に含まれるリチウム塩(例えば、非水系電解液に含まれるLiPF6又はLiN(SO2F)2)を除くものとする。
アルカリ金属化合物としては、リチウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、セシウム化合物等が挙げられる。
本実施形態におけるリチウム化合物としては、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、シュウ化リチウム、ヨウ化リチウム、窒化リチウム、シュウ酸リチウム、及び酢酸リチウムから選択される1種以上が好適に用いられる。中でも、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムがより好適であり、空気中での取り扱いが可能であり、かつ吸湿性が低いという観点から炭酸リチウムがさらに好適に用いられる。このようなリチウム化合物は、電圧の印加によって分解し、負極へのリチウムドープのドーパント源として機能するとともに、正極活物質層において空孔を形成するから、電解液の保持性に優れ、イオン伝導性に優れる正極を形成することができる。前記リチウム化合物の他に、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、及び炭酸セシウムから選択されるアルカリ金属炭酸塩を1種以上用いることもできる。非水系電解液として、後述するLiPF6等のリチウム塩を予め溶解させた電解液を用いる場合には、前記アルカリ金属炭酸塩を単独で用いることもできる。正極前駆体中に含まれるリチウム化合物は1種でもよく、2種以上のリチウム化合物を含んでいてもよく、リチウム化合物と他のアルカリ金属炭酸塩とを混合して用いてもよい。
また、本実施形態の正極前駆体としては、少なくとも1種のリチウム化合物を含んでいればよく、リチウム化合物の他に、下記式におけるMをNa、K、Rb、Csから選ばれる1種以上として、
M2O等の酸化物、
MOH等の水酸化物、
MFやMCl等のハロゲン化物、
M2(CO2)2等の蓚酸塩、及び
RCOOM(RはH、アルキル基、アリール基)等のカルボン酸塩、
を1種以上含んでいてもよい。
また、正極前駆体は、BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3から選ばれるアルカリ土類金属炭酸塩、並びにアルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属シュウ酸塩、及びアルカリ土類金属カルボン酸塩を1種以上含んでいてもよい。
(Alkali metal compound)
Alkali metal compounds are compounds containing metals from the second period onward in Group 1 of the Periodic Table of the Elemental Period and other elements. The alkali metal compound is, for example, a salt, hydroxide, oxide, nitride, carbide or halide of an alkali metal such as Li, Na, K, Rb, Cs, or an alkali metal and an alkaline earth metal or It may be a composite oxide with a transition metal.
However, in the present specification, the term "alkali metal compound" refers to an active material (for example, a lithium-transition metal composite oxide as a positive electrode active material) involved in a faraday reaction or a non-faraday reaction in an electrode during charging / discharging of a power storage element. , Alkali metal hydroxide contained in the active material by activation treatment), and lithium salt contained in the non-aqueous electrolyte solution (for example, LiPF 6 or LiN (SO 2 F) 2 contained in the non-aqueous electrolyte solution) are excluded. And.
Examples of the alkali metal compound include lithium compounds, sodium compounds, potassium compounds, cesium compounds and the like.
The lithium compound in the present embodiment is one selected from lithium carbonate, lithium oxide, lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium chloride, lithium oxalate, lithium iodide, lithium nitride, lithium oxalate, and lithium acetate. The above is preferably used. Among them, lithium carbonate, lithium oxide, and lithium hydroxide are more preferable, and lithium carbonate is more preferably used from the viewpoint that it can be handled in the air and has low hygroscopicity. Such a lithium compound decomposes when a voltage is applied, functions as a dopant source for lithium doping to the negative electrode, and forms pores in the positive electrode active material layer. Therefore, the electrolyte solution is excellent in retention and ionic conductivity. It is possible to form an excellent positive electrode. In addition to the lithium compound, one or more alkali metal carbonates selected from sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, and cesium carbonate can also be used. When an electrolytic solution in which a lithium salt such as LiPF 6 described later is dissolved in advance is used as the non-aqueous electrolytic solution, the alkali metal carbonate can also be used alone. The lithium compound contained in the positive electrode precursor may be one kind, may contain two or more kinds of lithium compounds, and may be used by mixing the lithium compound with another alkali metal carbonate.
Further, the positive electrode precursor of the present embodiment may contain at least one lithium compound, and in addition to the lithium compound, M in the following formula may be one or more selected from Na, K, Rb and Cs. ,
Oxides such as M 2 O,
Hydroxides such as MOH,
Halides such as MF and MCl,
Oxalates such as M 2 (CO 2 ) 2 and carboxylic acid salts such as RCOM (R is H, alkyl group, aryl group),
May be contained in one or more kinds.
Also, the
本実施形態に係る正極前駆体は、リチウム化合物等のアルカリ金属化合物の微粒子を含むことができる。アルカリ金属化合物の微粒子化には、様々な方法を用いることができる。例えば、ボールミル、ビーズミル、リングミル、ジェットミル、ロッドミル等の粉砕機を使用することができる。 The positive electrode precursor according to the present embodiment can contain fine particles of an alkali metal compound such as a lithium compound. Various methods can be used for atomizing the alkali metal compound. For example, a crusher such as a ball mill, a bead mill, a ring mill, a jet mill, or a rod mill can be used.
本実施形態に係る正極について、正極活物質層の中央部に含まれるアルカリ金属化合物の量をCx1(g/m2)とし、正極活物質層の外周部に含まれるアルカリ金属化合物量をCy1(g/m2)とするとき、Cx1及びCy1はそれぞれ0.1以上20以下であることが好ましく、Cx1/Cy1が0.50以上0.96以下であることが好ましい。Cx1及びCy1がそれぞれ0.1以上である場合、高負荷充放電サイクルにおいて生成するフッ素イオンを捕捉することができるため、抵抗上昇を抑えることができる。Cx1及びCy1がそれぞれ20以下であれば、正極中に含まれる電解液及びイオンの拡散が向上するために出力特性が向上する。 Regarding the positive electrode according to the present embodiment, the amount of the alkali metal compound contained in the central portion of the positive electrode active material layer is C x 1 (g / m 2 ), and the amount of the alkali metal compound contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer is C. When y1 (g / m 2 ), C x1 and Cy1 are preferably 0.1 or more and 20 or less, respectively, and C x1 / Cy1 is preferably 0.50 or more and 0.96 or less. When C x1 and Cy1 are 0.1 or more, respectively, fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle can be captured, so that the resistance increase can be suppressed. When C x1 and Cy1 are 20 or less, the output characteristics are improved because the diffusion of the electrolytic solution and ions contained in the positive electrode is improved.
非水系リチウム蓄電素子に対し高負荷充放電サイクルを行うと、充放電電流値の二乗に比例して発熱(発熱量をJ、電流値をI、蓄電素子の抵抗をRとすると、J=I2R)するが、主に蓄電素子の端子部や外周部から放熱されるため、中央部は温度が上昇してしまう。このとき、正極活物質層の中央部に含まれるアルカリ金属化合物の量を外周部より低くすることで、アルカリ金属化合物の過剰な分解を抑制することができる。Cx1/Cy1が0.50以上であれば、高負荷充放電サイクルにおける抵抗上昇を抑制することができる。Cx1/Cy1が0.96以下であれば、正極活物質層の中央部のアルカリ金属化合物の過剰な分解を抑制することができ、ガス発生を少なくすることができる。 When a high-load charge / discharge cycle is performed on a non-aqueous lithium power storage element, heat is generated in proportion to the square of the charge / discharge current value (assuming that the calorific value is J, the current value is I, and the resistance of the power storage element is R, J = I. 2 R) However, since heat is dissipated mainly from the terminal portion and the outer peripheral portion of the power storage element, the temperature in the central portion rises. At this time, by lowering the amount of the alkali metal compound contained in the central portion of the positive electrode active material layer from that of the outer peripheral portion, excessive decomposition of the alkali metal compound can be suppressed. When C x1 / Cy1 is 0.50 or more, it is possible to suppress an increase in resistance in a high load charge / discharge cycle. When C x1 / Cy1 is 0.96 or less, excessive decomposition of the alkali metal compound in the central portion of the positive electrode active material layer can be suppressed, and gas generation can be reduced.
一方で、本実施形態に係る正極について、正極活物質層の中央部に含まれる活物質の量をCx2(g/m2)とし、正極活物質層の外周部に含まれる活物質の量をCy2(g/m2)とするとき、両者の比Cx2/Cy2が、0.85以上1.15以下であることが好ましい。本実施形態では、比Cx2/Cy2は、比Cx1/Cy1と相反するものである。したがって、比Cx2/Cy2が0.85以上であるとき、正極活物質層の中央部の電位上昇を抑えることでアルカリ金属化合物の過剰な分解を抑制することができ、ガス発生を少なくすることができる。また、比Cx2/Cy2が1.15以下であるとき、正極活物質層の中央部のイオンの拡散が向上するために高負荷充放電サイクルにおける抵抗上昇を抑制することができる。 On the other hand, for the positive electrode according to the present embodiment, the amount of active material contained in the central portion of the positive electrode active material layer is C x 2 (g / m 2 ), and the amount of active material contained in the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer. When C y2 (g / m 2 ), the ratio C x2 / Cy2 of the two is preferably 0.85 or more and 1.15 or less. In this embodiment, the ratio C x2 / Cy2 contradicts the ratio C x1 / Cy1. Therefore, when the ratio C x2 / Cy2 is 0.85 or more, excessive decomposition of the alkali metal compound can be suppressed by suppressing the potential rise in the central portion of the positive electrode active material layer, and gas generation is reduced. be able to. Further, when the ratio C x2 / Cy2 is 1.15 or less, the diffusion of ions in the central portion of the positive electrode active material layer is improved, so that the resistance increase in the high load charge / discharge cycle can be suppressed.
本明細書では、正極活物質層の中央部とは、原則として、正極活物質層が配置された電極を上面視した際、領域を区切る推定線が電極のいずれの端部にも交わることなく閉じられた領域を言うが、領域を区切る推定線が、対向する一対の電極端部と重なる場合には、正極活物質層の中央部は、連続する電極端部の最大3辺と重なる領域も含むものとする。
本明細書では、正極活物質層の外周部とは、正極活物質層の中央部を除く部分を言う。
In the present specification, the central portion of the positive electrode active material layer is, in principle, when the electrode on which the positive electrode active material layer is arranged is viewed from above, the estimated line dividing the region does not intersect with any end of the electrode. Although it refers to a closed region, when the estimation line separating the regions overlaps with a pair of electrode ends facing each other, the central portion of the positive electrode active material layer also overlaps with a maximum of three sides of the continuous electrode ends. It shall include.
In the present specification, the outer peripheral portion of the positive electrode active material layer means a portion excluding the central portion of the positive electrode active material layer.
例えば、電極積層体が枚葉電極の積層体である場合には、上記定義に従えば、図1に示す通り、正極端部の各4辺(長さは、x又はyである)からの長さが5%の位置(0.05x又は0.05yの位置)を、正極活物質層(2)の外周部(4)として画定することができ、それにより、正極活物質層(2)の中央部(3)の周縁も定まる。
また、電極積層体が捲回積層体である場合には、図2に例示したように、捲回中心軸に対して垂直方向から投影視した時の電極の長尺方向の長さがx2の位置で捲回積層体を切断し、開放した(つまり巻き戻した)正極を用いて正極活物質の中央部(3)、及び外周部(4)を画定する。さらに、図3に示されるように、切り出された捲回積層体の長尺方向の長さx2は、切り出された捲回積層体(6)を外装体(7)中に含む非水系リチウム蓄電素子の長尺方向の電極長さと概ね対応する。
For example, when the electrode laminate is a laminate of single-wafer electrodes, according to the above definition, as shown in FIG. 1, from each of the four sides (the length is x or y) of the positive electrode end. A 5% length position (0.05x or 0.05y position) can be defined as the outer peripheral portion (4) of the positive electrode active material layer (2), thereby the positive electrode active material layer (2). The peripheral edge of the central part (3) of the above is also determined.
Further, when the electrode stack is wound laminate, as illustrated in FIG. 2, the longitudinal direction of the length of the electrode when projected view from the direction perpendicular to the winding center axes x 2 The wound laminate is cut at the position of, and the central portion (3) and the outer peripheral portion (4) of the positive electrode active material are defined by using the open (that is, rewound) positive electrode. Further, as shown in FIG. 3, the length x 2 of the cut-out wound laminated body in the long direction includes the cut-out wound laminated body (6) in the exterior body (7), which is non-aqueous lithium. It roughly corresponds to the electrode length in the long direction of the power storage element.
正極活物質層の中央部のアルカリ金属化合物の量を外周部より小さくする方法としては、特に制限されず、例えば、後述するリチウムドープ処理の際に非水系リチウム蓄電素子の中央部を加温することで、より詳細には35℃以上80℃未満で、好ましくは40℃以上60℃以下で中央部を加温することで、正極活物質層の中央部のアルカリ金属化合物の分解を促進させる方法、正極前駆体を作製する際に正極活物質層の中央部のアルカリ金属化合物の濃度を下げる方法等が挙げられる。 The method of making the amount of the alkali metal compound in the central portion of the positive electrode active material layer smaller than that in the outer peripheral portion is not particularly limited, and for example, the central portion of the non-aqueous lithium power storage element is heated during the lithium doping treatment described later. More specifically, a method for accelerating the decomposition of the alkali metal compound in the central portion of the positive electrode active material layer by heating the central portion at 35 ° C. or higher and lower than 80 ° C., preferably 40 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. , A method of lowering the concentration of the alkali metal compound in the central portion of the positive electrode active material layer when producing the positive electrode precursor and the like can be mentioned.
正極における正極活物質層中に含まれるアルカリ金属化合物は、約4.0V以上の高い電位に曝されると徐々に分解してガス化してしまい、発生したガスが電解液中のイオンの拡散を阻害するために抵抗上昇の原因になってしまう。そのため、アルカリ金属化合物の表面にフッ素含有化合物から構成される被膜を形成し、アルカリ金属化合物の反応を抑制することが好ましい。 The alkali metal compound contained in the positive electrode active material layer in the positive electrode gradually decomposes and gasifies when exposed to a high potential of about 4.0 V or more, and the generated gas diffuses ions in the electrolytic solution. It causes an increase in resistance because it inhibits it. Therefore, it is preferable to form a film composed of a fluorine-containing compound on the surface of the alkali metal compound to suppress the reaction of the alkali metal compound.
アルカリ金属化合物の表面にフッ素含有化合物から構成される被膜を形成する方法は特に限定されないが、高電位で分解するフッ素含有化合物を電解液中に含有させ、非水系リチウム蓄電素子にフッ素含有化合物の分解電位以上の高電圧を印加する方法や、分解温度以上の温度をかける方法等が挙げられる。 The method for forming a film composed of a fluorine-containing compound on the surface of the alkali metal compound is not particularly limited, but a fluorine-containing compound that decomposes at a high potential is contained in the electrolytic solution, and the non-aqueous lithium storage element is made of the fluorine-containing compound. Examples thereof include a method of applying a high voltage higher than the decomposition potential and a method of applying a temperature higher than the decomposition temperature.
リチウム化合物の表面に被覆されたフッ素化合物の被覆率は、正極表面のSEM−EDX画像における酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率A1と、正極断面のSEM−EDX画像における酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率A2とにより表すことができる。 Coverage of fluorine compound coated on the surface of the lithium compound, the fluorine mapping for oxygen mapping in SEM-EDX image of the cathode surface and the area overlapping ratio A 1, fluorine mapping for oxygen mapping in SEM-EDX image of the positive electrode section it can be represented by the area overlap rate a 2.
重複率A1は、40%以上99%以下であることが好ましい。重複率A1が40%以上であれば、リチウム化合物等のアルカリ金属化合物の分解を抑制することができる。重複率A1が99%以下であれば正極近傍を塩基性に保つことができるため、高負荷充放電サイクル特性に優れる。 The overlap rate A 1 is preferably 40% or more and 99% or less. When the overlap ratio A 1 is 40% or more, decomposition of an alkali metal compound such as a lithium compound can be suppressed. When the overlap ratio A 1 is 99% or less, the vicinity of the positive electrode can be kept basic, so that the high load charge / discharge cycle characteristics are excellent.
重複率A1は、正極表面のSEM−EDXにより得られる元素マッピングにおいて、明るさの平均値を基準に二値化した酸素マッピングに対してフッ素マッピングの面積重複率を算出することで求められる。 The overlap rate A 1 is obtained by calculating the area overlap rate of the fluorine mapping with respect to the oxygen mapping binarized based on the average value of the brightness in the element mapping obtained by SEM-EDX on the positive electrode surface.
SEM−EDXの元素マッピングの測定条件は特に限定されないが、画素数は128×128ピクセル〜512×512ピクセルの範囲であることが好ましく、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。 The measurement conditions for element mapping of SEM-EDX are not particularly limited, but the number of pixels is preferably in the range of 128 × 128 pixels to 512 × 512 pixels, the brightness does not reach the maximum brightness, and the average brightness is achieved. It is preferable to adjust the brightness and contrast so that the value falls within the range of 40% to 60% brightness.
面積重複率A2は、ブロードイオンビーム(BIB)加工した正極断面のSEM−EDXにより得られる元素マッピングにおいて、明るさの平均値を基準に二値化した酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率を算出することで測定される。BIB加工とは、正極上部からArビームを照射し、試料直上に設置した遮蔽板の端部に沿って平滑な断面を作製する加工である。 The area overlap rate A 2 is the area overlap rate of fluorine mapping with respect to oxygen mapping binarized based on the average value of brightness in the element mapping obtained by SEM-EDX of the positive electrode cross section processed by broad ion beam (BIB). It is measured by calculating. The BIB process is a process of irradiating an Ar beam from the upper part of the positive electrode to produce a smooth cross section along the edge of the shielding plate installed directly above the sample.
重複率A2は10%以上60%以下であることが好ましい。重複率A2が10%以上であれば、リチウム化合物等のアルカリ金属化合物の分解を抑制することができる。重複率A2が60%以下であれば、リチウム化合物等のアルカリ金属化合物の内部までフッ素化されていない状態であるため、正極近傍を塩基性に保つことができ、高負荷充放電サイクル特性に優れる。 The overlap rate A 2 is preferably 10% or more and 60% or less. When the overlap ratio A 2 is 10% or more, decomposition of an alkali metal compound such as a lithium compound can be suppressed. When the overlap ratio A 2 is 60% or less, the inside of the alkali metal compound such as a lithium compound is not fluorinated, so that the vicinity of the positive electrode can be kept basic, resulting in high load charge / discharge cycle characteristics. Excellent.
(正極活物質層のその他の成分)
本実施形態における正極活物質層は、必要に応じて、正極活物質及びアルカリ金属化合物の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
(Other components of the positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer in the present embodiment may contain an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer in addition to the positive electrode active material and the alkali metal compound, if necessary.
導電性フィラーとしては、正極活物質よりも導電性の高い導電性炭素質材料を挙げることができる。導電性フィラーとしては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、気相成長炭素繊維、黒鉛、カーボンナノチューブ、これらの混合物等が好ましい。 Examples of the conductive filler include a conductive carbonaceous material having higher conductivity than the positive electrode active material. As the conductive filler, for example, Ketjen black, acetylene black, vapor-grown carbon fiber, graphite, carbon nanotubes, a mixture thereof and the like are preferable.
正極活物質層における導電性フィラーの混合量は、正極活物質100質量部に対して、0超〜20質量部が好ましく、1〜15質量部の範囲が更に好ましい。高入力の観点から、正極活物質層は導電性フィラーを含むことが好ましい。正極活物質層における導電性フィラーの混合量が20質量部以下であれば、正極活物質層における正極活物質の含有割合が多くなり、正極活物質層の体積当たりのエネルギー密度を確保できる。 The mixing amount of the conductive filler in the positive electrode active material layer is preferably more than 0 to 20 parts by mass, and more preferably 1 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. From the viewpoint of high input, the positive electrode active material layer preferably contains a conductive filler. When the mixing amount of the conductive filler in the positive electrode active material layer is 20 parts by mass or less, the content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is large, and the energy density per volume of the positive electrode active material layer can be secured.
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば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)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着材の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは3質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは5質量部以上25質量部以下である。結着材の量が1質量%以上であれば、十分な電極強度が発現される。一方で結着材の量が30質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The binder is not particularly limited, but for example, PVdF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, fluororubber, acrylic copolymer and the like. Can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 3 parts by mass or more and 27 parts by mass or less, and further preferably 5 parts by mass or more and 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. It is less than a part. When the amount of the binder is 1% by mass or more, sufficient electrode strength is exhibited. On the other hand, when the amount of the binder is 30 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the ingress and egress and diffusion of ions into the positive electrode active material.
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部超10質量部以下である。分散安定剤の量が10質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The dispersion stabilizer is not particularly limited, but for example, PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), a cellulose derivative and the like can be used. The amount of the dispersion stabilizer used is preferably more than 0 parts by mass and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. When the amount of the dispersion stabilizer is 10 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the ingress and egress and diffusion of ions into the positive electrode active material.
[正極集電体]
本実施形態における正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こり難い材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。本実施の形態の非水系リチウム蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。
[Positive current collector]
The material constituting the positive electrode current collector in the present embodiment is not particularly limited as long as it has high electron conductivity and is unlikely to deteriorate due to elution into the electrolytic solution and reaction with the electrolyte or ions. Foil is preferred. Aluminum foil is particularly preferable as the positive electrode current collector in the non-aqueous lithium storage element of the present embodiment.
金属箔は凹凸や貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。 The metal foil may be a normal metal foil having no irregularities or through holes, a metal foil having irregularities subjected to embossing, chemical etching, electrolytic precipitation, blasting, etc., expanded metal, punching metal, etc. A metal foil having through holes such as an etching foil may be used.
正極集電体の厚みは、正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、1〜100μmが好ましい。なお、正極集電体が孔又は凹凸を有する場合には、孔又は凹凸の存在しない部分に基づいて正極集電体の厚みを測定するものとする。 The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the positive electrode can be sufficiently maintained, but is preferably 1 to 100 μm, for example. When the positive electrode current collector has holes or irregularities, the thickness of the positive electrode current collector shall be measured based on the portion where the holes or irregularities do not exist.
[正極前駆体の製造]
本実施形態において、非水系リチウム蓄電素子の正極となる正極前駆体は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質及びアルカリ金属化合物、並びに必要に応じて使用されるその他の任意成分を、水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を正極集電体の片面又は両面上に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより正極前駆体を得ることができる。得られた正極前駆体にプレスを施して、正極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。代替的には、溶剤を使用せずに、正極活物質及びアルカリ金属化合物、並びに必要に応じて使用されるその他の任意成分を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて正極集電体に貼り付ける方法も可能である。
[Manufacturing of positive electrode precursor]
In the present embodiment, the positive electrode precursor serving as the positive electrode of the non-aqueous lithium storage element can be manufactured by a technique for manufacturing electrodes in known lithium ion batteries, electric double layer capacitors and the like. For example, the positive electrode active material, the alkali metal compound, and other optional components used as necessary are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry coating solution, and this coating solution is used. A positive electrode precursor can be obtained by coating on one or both sides of a positive electrode current collector to form a coating film and drying the coating. The obtained positive electrode precursor may be pressed to adjust the film thickness and bulk density of the positive electrode active material layer. Alternatively, without the use of a solvent, the positive electrode active material and the alkali metal compound, and any other optional components used as needed, are dry mixed, the resulting mixture is press molded and then conductive. It is also possible to attach it to the positive electrode current collector using an adhesive.
正極前駆体の塗工液は、正極活物質を含む各種材料粉末の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水若しくは有機溶媒、及び/又はそれらに結着材や分散安定剤が溶解若しくは分散した液状若しくはスラリー状の物質を追加して調製してもよい。水又は有機溶媒に結着材や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、正極活物質を含む各種材料粉末を追加して塗工液を調製してもよい。ドライブレンドする方法として、例えばボールミル等を使用して正極活物質及びアルカリ金属化合物、並びに必要に応じて導電性フィラーを予備混合して、導電性の低いアルカリ金属化合物に導電材をコーティングさせる予備混合をしてもよい。これにより、後述のリチウムドープ工程において正極前駆体でリチウム化合物が分解し易くなる。塗工液の溶媒に水を使用する場合には、アルカリ金属化合物を加えることで塗工液がアルカリ性になることもあるため、必要に応じてpH調整剤を添加してもよい。 The coating liquid of the positive electrode precursor was obtained by dry-blending a part or all of various material powders including the positive electrode active material, and then water or an organic solvent and / or a binder or a dispersion stabilizer was dissolved or dispersed therein. Liquid or slurry substances may be added and prepared. A coating liquid may be prepared by adding various material powders containing a positive electrode active material to a liquid or slurry substance in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent. As a method of dry blending, for example, a positive electrode active material and an alkali metal compound are premixed using a ball mill or the like, and if necessary, a conductive filler is premixed to coat a low conductive alkali metal compound with a conductive material. You may do. As a result, the lithium compound is easily decomposed in the positive electrode precursor in the lithium doping step described later. When water is used as the solvent of the coating liquid, the coating liquid may become alkaline by adding an alkali metal compound, so a pH adjuster may be added if necessary.
溶解又は分散方法は、特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることができる。良好な分散状態の塗工液を得るためには、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速が1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解又は分散するため好ましい。周速が50m/s以下であれば、分散による熱やせん断力により各種材料が破壊され難く、再凝集が低減されるため好ましい。 The dissolution or dispersion method is not particularly limited, but a homodisper, a multi-axis disperser, a planetary mixer, a disperser such as a thin film swirling high-speed mixer, or the like can be preferably used. In order to obtain a coating liquid in a well-dispersed state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s or more and 50 m / s or less. When the peripheral speed is 1 m / s or more, various materials are preferably dissolved or dispersed. When the peripheral speed is 50 m / s or less, various materials are not easily destroyed by heat or shearing force due to dispersion, and reaggregation is reduced, which is preferable.
塗工液の分散度は、粒ゲージで測定した粒度が0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。分散度の上限としては、より好ましくは粒度が80μm以下、さらに好ましくは粒度が50μm以下である。粒度が0.1μm以上であることは、正極活物質を含む各種材料粉末が塗工液作製時に過度に破砕されていないことを意味する。また、粒度が100μm以下であれば、塗工液吐出時の詰まりや塗膜のスジを発生することが少なく安定に塗工ができる。 The dispersity of the coating liquid is preferably such that the particle size measured by the grain gauge is 0.1 μm or more and 100 μm or less. The upper limit of the dispersity is more preferably 80 μm or less in particle size, and further preferably 50 μm or less in particle size. The particle size of 0.1 μm or more means that various material powders containing the positive electrode active material are not excessively crushed during the preparation of the coating liquid. Further, when the particle size is 100 μm or less, clogging at the time of discharging the coating liquid and streaks of the coating film are less likely to occur, and stable coating can be performed.
正極前駆体の塗工液の粘度(ηb)は、好ましくは1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下、より好ましくは1,500mPa・s以上10,000mPa・s以下、さらに好ましくは1,700mPa・s以上5,000mPa・s以下である。正極前駆体の塗工液の粘度(ηb)が1,000mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅及び厚みが良好に制御できる。正極前駆体の塗工液の粘度(ηb)が20,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく安定に塗工でき、また所望の塗膜厚み以下に制御できる。 The viscosity (ηb) of the coating liquid of the positive electrode precursor is preferably 1,000 mPa · s or more and 20,000 mPa · s or less, more preferably 1,500 mPa · s or more and 10,000 mPa · s or less, and further preferably 1, It is 700 mPa · s or more and 5,000 mPa · s or less. When the viscosity (ηb) of the coating liquid of the positive electrode precursor is 1,000 mPa · s or more, liquid dripping during coating film formation is suppressed, and the coating film width and thickness can be satisfactorily controlled. When the viscosity (ηb) of the coating liquid of the positive electrode precursor is 20,000 mPa · s or less, the pressure loss in the flow path of the coating liquid when using the coating machine is small and stable coating can be performed, which is desired. It can be controlled to be less than or equal to the coating film thickness of.
正極前駆体の塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、好ましくは1.1以上、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。正極前駆体の塗工液のTI値が1.1以上であれば、塗膜幅及び厚みが良好に制御できる。 The TI value (thixotropy index value) of the coating liquid of the positive electrode precursor is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and further preferably 1.5 or more. When the TI value of the coating liquid of the positive electrode precursor is 1.1 or more, the coating film width and thickness can be satisfactorily controlled.
正極前駆体の塗膜の形成方法は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。多層塗工の場合には、塗膜各層内のリチウム化合物の含有量が異なるように、塗工液の組成を調整してもよい。塗工速度は、好ましくは0.1m/分以上100m/分以下、より好ましくは0.5m/分以上70m/分以下、さらに好ましくは1m/分以上50m/分以下である。塗工速度が0.1m/分以上であれば、安定に塗工することができ、100m/分以下であれば、塗工精度を十分に確保できる。 The method for forming the coating film of the positive electrode precursor is not particularly limited, but a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be preferably used. The coating film may be formed by a single-layer coating or a multi-layer coating. In the case of multi-layer coating, the composition of the coating liquid may be adjusted so that the content of the lithium compound in each layer of the coating film is different. The coating speed is preferably 0.1 m / min or more and 100 m / min or less, more preferably 0.5 m / min or more and 70 m / min or less, and further preferably 1 m / min or more and 50 m / min or less. When the coating speed is 0.1 m / min or more, stable coating can be performed, and when the coating speed is 100 m / min or less, sufficient coating accuracy can be ensured.
正極前駆体の塗膜の乾燥方法は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。乾燥温度は、好ましくは25℃以上200℃以下、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることができる。乾燥温度が200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れやマイグレーションによる結着材の偏在、正極集電体や正極活物質層の酸化を抑制できる。 The method for drying the coating film of the positive electrode precursor is not particularly limited, but a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying can be preferably used. The coating film may be dried at a single temperature, or may be dried at different temperatures in multiple stages. Moreover, you may dry by combining a plurality of drying methods. The drying temperature is preferably 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. When the drying temperature is 25 ° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. When the drying temperature is 200 ° C. or lower, cracks in the coating film due to rapid volatilization of the solvent, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer can be suppressed.
正極前駆体のプレス方法は特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。正極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は、後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力は、好ましくは0.5kN/cm以上20kN/cm以下、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。プレス圧力が20kN/cm以下であれば、正極前駆体に撓みやシワが生じ難く、正極活物質層膜の所望の膜厚や嵩密度に調整し易い。
プレスロール同士の隙間は、正極活物質層の所望の膜厚や嵩密度となるように乾燥後の正極前駆体膜厚に応じて任意の値を設定できる。
プレス速度は、正極前駆体の撓みやシワを低減するよう任意の速度に設定できる。
プレス部の表面温度は、室温でもよいし、必要によりプレス部の表面を加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、好ましくは使用する結着材の融点マイナス60℃以上、より好ましくは結着材の融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは結着材の融点マイナス30℃以上である。加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、好ましくは使用する結着材の融点プラス50℃以下、より好ましくは結着材の融点プラス30℃以下、さらに好ましくは結着材の融点プラス20℃以下である。例えば、結着材にPVdF(ポリフッ化ビニリデン:融点150℃)を用いた場合、好ましくは90℃以上200℃以下、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下にプレス部の表面を加熱する。結着材にスチレン−ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いた場合、好ましくは40℃以上150℃以下、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下にプレス部の表面を加温する。
The method for pressing the positive electrode precursor is not particularly limited, but a press machine such as a hydraulic press machine or a vacuum press machine can be preferably used. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the positive electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap, and the surface temperature of the press portion, which will be described later. The press pressure is preferably 0.5 kN / cm or more and 20 kN / cm or less, more preferably 1 kN / cm or more and 10 kN / cm or less, and further preferably 2 kN / cm or more and 7 kN / cm or less. When the press pressure is 0.5 kN / cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. When the press pressure is 20 kN / cm or less, the positive electrode precursor is less likely to bend or wrinkle, and the desired thickness and bulk density of the positive electrode active material layer film can be easily adjusted.
The gap between the press rolls can be set to an arbitrary value according to the film thickness of the positive electrode precursor after drying so as to have a desired film thickness and bulk density of the positive electrode active material layer.
The press speed can be set to any speed so as to reduce the deflection and wrinkles of the positive electrode precursor.
The surface temperature of the press portion may be room temperature, or the surface of the press portion may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably the melting point of the binder used at minus 60 ° C. or higher, more preferably the melting point of the binder at minus 45 ° C. or higher, and even more preferably the melting point of the binder at minus 30 ° C. It is above ℃. The upper limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably the melting point of the binder to be used plus 50 ° C. or less, more preferably the melting point of the binder plus 30 ° C. or lower, and even more preferably the melting point of the binder plus 20. It is below ° C. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, it is preferably pressed to 90 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 105 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 120 ° C. or higher and 170 ° C. or lower. Heat the surface of the part. When a styrene-butadiene copolymer (melting point 100 ° C.) is used as the binder, it is preferably pressed to 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 55 ° C. or higher and 130 ° C. or lower, and further preferably 70 ° C. or higher and 120 ° C. or lower. Warm the surface of the part.
結着材の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。 The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry, differential scanning calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter "DSC7" manufactured by PerkinElmer, 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature rises from 30 ° C. to 250 ° C. at a temperature rise 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.
プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。 The press may be performed a plurality of times while changing the conditions of the press pressure, the gap, the speed, and the surface temperature of the press portion.
正極活物質層の厚みは、正極集電体の片面当たり20μm以上200μm以下であることが好ましい。正極活物質層の厚みは、より好ましくは片面当たり25μm以上100μm以下であり、更に好ましくは30μm以上80μm以下である。正極活物質層の厚みが20μm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。正極活物質層の厚みが200μm以下であれば、電極内のイオン拡散抵抗を低く維持することができる。そのため、正極集電体層の厚みが20μm以上200μm以下であれば、十分な出力特性が得られるとともに、セル体積を縮小することができ、従ってエネルギー密度を高めることができる。なお、正極集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における正極活物質層の厚みとは、正極集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分における片面当たりの正極活物質層の厚みの平均値をいう。 The thickness of the positive electrode active material layer is preferably 20 μm or more and 200 μm or less per one side of the positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode active material layer is more preferably 25 μm or more and 100 μm or less, and further preferably 30 μm or more and 80 μm or less per side surface. When the thickness of the positive electrode active material layer is 20 μm or more, sufficient charge / discharge capacity can be exhibited. When the thickness of the positive electrode active material layer is 200 μm or less, the ion diffusion resistance in the electrode can be kept low. Therefore, when the thickness of the positive electrode current collector layer is 20 μm or more and 200 μm or less, sufficient output characteristics can be obtained, the cell volume can be reduced, and therefore the energy density can be increased. The thickness of the positive electrode active material layer when the positive electrode current collector has through holes or irregularities is the thickness of the positive electrode active material layer per side in a portion of the positive electrode current collector that does not have through holes or irregularities. The average value.
後述のリチウムドープ工程後の正極における正極活物質層の嵩密度は、好ましくは0.40g/cm3以上、より好ましくは0.50g/cm3以上1.3g/cm3以下の範囲である。正極活物質層の嵩密度が0.40g/cm3以上であれば、高いエネルギー密度を発現でき、蓄電素子の小型化を達成できる。正極活物質層の嵩密度が1.3g/cm3以下であれば、正極活物質層内の空孔における電解液の拡散が十分となり、高い出力特性が得られる。 The bulk density of the positive electrode active material layer in the positive electrode after the lithium doping step described later is preferably in the range of 0.40 g / cm 3 or more, more preferably 0.50 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less. When the bulk density of the positive electrode active material layer is 0.40 g / cm 3 or more, a high energy density can be exhibited and the miniaturization of the power storage element can be achieved. When the bulk density of the positive electrode active material layer is 1.3 g / cm 3 or less, the electrolytic solution is sufficiently diffused in the pores in the positive electrode active material layer, and high output characteristics can be obtained.
<負極>
本実施形態における負極は、負極集電体と、その片面又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有する。
<Negative electrode>
The negative electrode in the present embodiment has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material provided on one or both sides of the current collector.
[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含み、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散材安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material, and may contain an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersant stabilizer, if necessary.
[負極活物質]
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質を用いることができる。負極活物質としては、具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫、及び錫化合物等が挙げられる。炭素材料の含有率は、負極活物質の合計質量に対して、好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は100質量%であってもよいが、他の材料との併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
[Negative electrode active material]
As the negative electrode active material, a substance capable of occluding and releasing lithium ions can be used. Specific examples of the negative electrode active material include carbon materials, titanium oxides, silicon, silicon oxides, silicon alloys, silicon compounds, tin, and tin compounds. The content of the carbon material is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, based on the total mass of the negative electrode active material. The content of the carbon material may be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining a good effect when used in combination with other materials, for example, it is preferably 90% by mass or less, preferably 80% by mass or less. May be good.
炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素材料;易黒鉛化性炭素材料;カーボンブラック;カーボンナノ粒子;活性炭;人造黒鉛;天然黒鉛;黒鉛化メソフェーズカーボン小球体;黒鉛ウイスカ;ポリアセン系物質等のアモルファス炭素質材料;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等の炭素前駆体を熱処理して得られる炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂又はノボラック樹脂の熱分解物;フラーレン;カーボンナノフォーン;及びこれらの複合炭素材料を挙げることができる。
炭素材料としては、活性炭、カーボンブラック、鋳型多孔質炭素、高比表面積黒鉛、カーボンナノ粒子、ピッチ複合炭素材料等を好適に用いることができる。
Examples of the carbon material include non-graphitizable carbon materials; easily graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; activated carbon; artificial graphite; natural graphite; graphitized mesophase carbon spherules; graphite whiskers; Amorphous carbonaceous material; carbonaceous material obtained by heat-treating carbon precursors such as petroleum-based pitch, coal-based pitch, mesocarbon microbeads, coke, synthetic resin (for example, phenolic resin, etc.); Alternatively, thermal decomposition products of novolak resin; fullerene; carbon nanophones; and composite carbon materials thereof can be mentioned.
As the carbon material, activated carbon, carbon black, template porous carbon, high specific surface area graphite, carbon nanoparticles, pitch composite carbon material and the like can be preferably used.
これらの中でも負極の抵抗を下げる観点から、炭素材料1種以上と、石油系のピッチ又は石炭系のピッチとを共存させた状態で熱処理をして得ることができる、ピッチ複合炭素材料が好ましい。熱処理を行う前に、ピッチの融点より高い温度において、炭素材料とピッチとを混合してもよい。熱処理温度は、使用するピッチが揮発又は熱分解して発生する成分が炭素質材料となる温度であればよい。熱処理を行う雰囲気としては、非酸化性雰囲気が好ましい。 Among these, from the viewpoint of lowering the resistance of the negative electrode, a pitch composite carbon material which can be obtained by heat treatment in a state where one or more carbon materials and a petroleum-based pitch or a coal-based pitch coexist is preferable. The carbon material and pitch may be mixed at a temperature above the melting point of the pitch prior to the heat treatment. The heat treatment temperature may be any temperature as long as the pitch used is a temperature at which the component generated by volatilization or thermal decomposition becomes a carbonaceous material. A non-oxidizing atmosphere is preferable as the atmosphere for performing the heat treatment.
ピッチ複合炭素材の好ましい例は、後述のピッチ複合炭素材料1及び2である。これらの内どちらか一方を使用してもよく、又はこれらの両方を併用してもよい。
Preferred examples of the pitch composite carbon material are the pitch
本願明細書において、ピッチ複合炭素材料1とは、BET比表面積が100m2/g以上3000m2/g以下の炭素材料を1種以上と、石油系のピッチ又は石炭系のピッチとを共存させた状態で熱処理して得ることができる材料である。 In the specification of the present application, the pitch composite carbon material 1 is one or more carbon materials having a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less, and a petroleum-based pitch or a coal-based pitch coexist. It is a material that can be obtained by heat treatment in a state.
一実施形態において、ピッチ複合炭素材料1のBET比表面積は、100m2/g以上1,500m2/g以下であることが好ましい。 In one embodiment, the BET specific surface area of the pitch composite carbon material 1 is preferably 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less.
一実施形態において、ピッチ複合炭素材料1の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量は、好ましくは530mAh/g以上2,500mAh/g以下、より好ましくは620mAh/g以上2,100mAh/g以下、さらに好ましくは760mAh/g以上1,700mAh/g以下、より更に好ましくは840mAh/g以上1,500mAh/g以下である。 In one embodiment, the doping amount of lithium ions per unit mass of the pitch composite carbon material 1 is preferably 530 mAh / g or more and 2,500 mAh / g or less, more preferably 620 mAh / g or more and 2,100 mAh / g or less, and further. It is preferably 760 mAh / g or more and 1,700 mAh / g or less, and even more preferably 840 mAh / g or more and 1,500 mAh / g or less.
リチウムイオンをドープすることにより、負極電位が低くなる。従って、リチウムイオンがドープされた負極活物質を含む負極を正極と組み合わせた場合には、非水系リチウム蓄電素子の電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなる。そのため、得られる非水系リチウム蓄電素子の容量及びエネルギー密度が高くなる。 Doping lithium ions lowers the negative electrode potential. Therefore, when the negative electrode containing the negative electrode active material doped with lithium ions is combined with the positive electrode, the voltage of the non-aqueous lithium storage element becomes high and the utilization capacity of the positive electrode becomes large. Therefore, the capacity and energy density of the obtained non-aqueous lithium storage element are increased.
ピッチ複合炭素材料1の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量が530mAh/g以上であれば、複合炭素材料1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良好にドープされ、更に所望のリチウムイオン量に対する負極活物質の量を低減することができる。そのため、負極膜厚を薄くすることが可能となり、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、及び耐久性は向上する。
一方で、ピッチ複合炭素材料1の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量が2,500mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生し難くなる。
If the doping amount of lithium ions per unit mass of the pitch composite carbon material 1 is 530 mAh / g or more, the lithium ions are well doped even at irreversible sites that cannot be desorbed once the lithium ions in the composite carbon material 1 are inserted. Further, the amount of the negative electrode active material with respect to the desired amount of lithium ions can be reduced. Therefore, the film thickness of the negative electrode can be reduced, and a high energy density can be obtained. The larger the doping amount, the lower the negative electrode potential, and the input / output characteristics, energy density, and durability are improved.
On the other hand, if the doping amount of lithium ions per unit mass of the pitch composite carbon material 1 is 2,500 mAh / g or less, side effects such as precipitation of lithium metal are less likely to occur.
ピッチ複合炭素材料2とは、BET比表面積が1m2/g以上30m2/g以下の炭素材料を1種以上と、石油系のピッチ又は石炭系のピッチとを共存させた状態で熱処理して得ることができる材料である。
The pitch
他の実施形態において、ピッチ複合炭素材料2のBET比表面積は、1m2/g以上50m2/g以下であることもまた好ましい。
In another embodiment, it is also preferable that the BET specific surface area of the pitch
他の実施形態において、負極活物質の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量は、好ましくは50mAh/g以上700mAh/g以下、より好ましくは70mAh/g以上650mAh/g以下、さらに好ましくは90mAh/g以上600mAh/g以下、より更に好ましくは100mAh/g以上550mAh/g以下である。 In another embodiment, the doping amount of lithium ions per unit mass of the negative electrode active material is preferably 50 mAh / g or more and 700 mAh / g or less, more preferably 70 mAh / g or more and 650 mAh / g or less, still more preferably 90 mAh / g. It is 600 mAh / g or more, more preferably 100 mAh / g or more and 550 mAh / g or less.
ピッチ複合炭素材料2の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量が50mAh/g以上であれば、複合炭素材料2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良好にドープされるため、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、及び耐久性は向上する。
一方で、ピッチ複合炭素材料2の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量が700mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生し難くなる。
If the doping amount of lithium ions per unit mass of the pitch
On the other hand, if the doping amount of lithium ions per unit mass of the pitch
本実施形態における出荷時及び使用後の非水系リチウム蓄電素子における負極活物質のリチウムイオンのドープ量(mAh/g)は、例えば、以下のようにして知ることができる。
先ず、本実施形態における負極活物質層をエチルメチルカーボネート又はジメチルカーボネートで洗浄し風乾した後、メタノール及びイソプロパノールから成る混合溶媒により抽出した抽出液と、抽出後の負極活物質層とを得る。この抽出は、典型的にはArボックス内にて、環境温度23℃で行われる。
上記のようにして得られた抽出液と、抽出後の負極活物質層とに含まれるリチウム量を、それぞれ、例えばICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析計)等を用いて定量し、その合計を求めることによって、負極活物質におけるリチウムイオンのドープ量を知ることができる。得られた値を抽出に供した負極活物質量で割り付けて、リチウムイオンのドープ量(mAh/g)を算出すればよい。
The amount of lithium ion doping (mAh / g) of the negative electrode active material in the non-aqueous lithium storage device at the time of shipment and after use in the present embodiment can be known as follows, for example.
First, the negative electrode active material layer in the present embodiment is washed with ethyl methyl carbonate or dimethyl carbonate and air-dried, and then an extract extracted with a mixed solvent consisting of methanol and isopropanol and an extracted negative electrode active material layer are obtained. This extraction is typically performed in an Ar box at an environmental temperature of 23 ° C.
The amount of lithium contained in the extract obtained as described above and the negative electrode active material layer after extraction is quantified using, for example, ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometer), and the total thereof. The amount of lithium ion doped in the negative electrode active material can be known by determining. The obtained value may be allocated by the amount of the negative electrode active material used for extraction to calculate the amount of lithium ion doping (mAh / g).
ピッチ複合炭素材料1及び2の平均粒子径は、好ましくは1μm以上10μm以下である。平均粒子径の下限値は、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。平均粒子径の上限値は、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。負極活物質の平均粒子径が1μm以上10μm以下であれば、良好な耐久性が保たれる。
The average particle size of the pitch
(負極活物質層のその他の成分)
本実施形態における負極活物質層は、負極活物質の他に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散材安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
(Other components of the negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer in the present embodiment may contain an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersant stabilizer, if necessary, in addition to the negative electrode active material.
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、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維等が例示される。導電性フィラーの使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部超30質量部以下、より好ましくは0質量部超20質量部以下、さらに好ましくは0質量部超15質量部以下である。 The type of the conductive filler is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, ketjen black, and vapor-grown carbon fiber. The amount of the conductive filler used is preferably more than 0 parts by mass and 30 parts by mass or less, more preferably more than 0 parts by mass and 20 parts by mass or less, and further preferably more than 0 parts by mass and 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is less than a part.
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば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)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着材の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは2質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは3質量部以上25質量部以下である。結着材の量が1質量%以上であれば、十分な電極強度が発現される。結着材の量が30質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The binder is not particularly limited, but for example, PVdF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, fluororubber, acrylic copolymer and the like. Can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 2 parts by mass or more and 27 parts by mass or less, and further preferably 3 parts by mass or more and 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is less than a part. When the amount of the binder is 1% by mass or more, sufficient electrode strength is exhibited. When the amount of the binder is 30 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without hindering the entry and exit of lithium ions into the negative electrode active material.
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上10質量部以下である。分散安定剤の量が10質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The dispersion stabilizer is not particularly limited, but for example, PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), a cellulose derivative and the like can be used. The amount of the dispersion stabilizer used is preferably 0 parts by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. When the amount of the dispersion stabilizer is 10 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the entry and exit of lithium ions into the negative electrode active material.
[負極集電体]
本実施形態における負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化がおこり難い金属箔であることが好ましい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。本実施の形態の非水系リチウム蓄電素子における負極集電体としては、銅箔が好ましい。
[Negative electrode current collector]
The material constituting the negative electrode current collector in the present embodiment is preferably a metal foil having high electron conductivity and less likely to be deteriorated due to elution into an electrolytic solution and reaction with an electrolyte or ions. Such metal foil is not particularly limited, and examples thereof include aluminum foil, copper foil, nickel foil, and stainless steel foil. Copper foil is preferable as the negative electrode current collector in the non-aqueous lithium storage element of the present embodiment.
金属箔は凹凸や貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
負極集電体の厚みは、負極の形状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、1〜100μmが好ましい。なお、負極集電体が孔又は凹凸を有する場合には、孔又は凹凸の存在しない部分に基づいて負極集電体の厚みを測定するものとする。
The metal foil may be a normal metal foil having no irregularities or through holes, a metal foil having irregularities subjected to embossing, chemical etching, electrolytic precipitation, blasting, etc., expanded metal, punching metal, etc. A metal foil having through holes 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 and strength of the negative electrode can be sufficiently maintained, but is preferably 1 to 100 μm, for example. When the negative electrode current collector has holes or irregularities, the thickness of the negative electrode current collector shall be measured based on the portion where the holes or irregularities do not exist.
[負極の製造]
負極は、負極集電体の片面又は両面上に負極活物質層を有する。典型的には、負極活物質層は負極集電体の片面又は両面上に固着している。
[Manufacturing of negative electrode]
The negative electrode has a negative electrode active material layer on one side or both sides of the negative electrode current collector. Typically, the negative electrode active material layer is fixed on one or both sides of the negative electrode current collector.
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における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、負極活物質を含む各種材料を、水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を負極集電体上の片面又は両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより負極を得ることができる。得られた負極にプレスを施して、負極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。代替的には、溶剤を使用せずに、負極活物質を含む各種材料を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて負極集電体に貼り付ける方法も可能である。 The negative electrode can be manufactured by a technique for manufacturing electrodes in known lithium ion batteries, electric double layer capacitors and the like. For example, various materials including a negative electrode active material are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry coating liquid, and this coating liquid is applied to one or both sides of a negative electrode current collector. A negative electrode can be obtained by forming a coating film and drying the coating film. The obtained negative electrode may be pressed to adjust the film thickness and bulk density of the negative electrode active material layer. Alternatively, a method in which various materials including a negative electrode active material are mixed in a dry manner without using a solvent, the obtained mixture is press-molded, and then attached to a negative electrode current collector using a conductive adhesive. Is also possible.
塗工液は、負極活物質を含む各種材料粉末の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水若しくは有機溶媒、及び/又はそれらに結着材や分散安定剤が溶解若しくは分散した液状若しくはスラリー状の物質を追加して調製してもよい。また、水又は有機溶媒に結着材や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、負極活物質を含む各種材料粉末を追加して塗工液を調製してもよい。 The coating liquid is a liquid or slurry in which a part or all of various material powders including the negative electrode active material is dry-blended, and then water or an organic solvent and / or a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed therein. The substance of the above may be added and prepared. Further, various material powders containing a negative electrode active material may be added to a liquid or slurry substance in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent to prepare a coating liquid. ..
溶解又は分散方法は特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることができる。良好な分散状態の塗工液を得るためには、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速が1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解又は分散するため好ましい。周速が50m/s以下であれば、分散による熱やせん断力により各種材料が破壊され難く、再凝集が低減されるため好ましい。 The dissolution or dispersion method is not particularly limited, but a homodisper, a multi-axis disperser, a planetary mixer, a disperser such as a thin film swirl type high-speed mixer, or the like can be preferably used. In order to obtain a coating liquid in a well-dispersed state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s or more and 50 m / s or less. When the peripheral speed is 1 m / s or more, various materials are preferably dissolved or dispersed. When the peripheral speed is 50 m / s or less, various materials are not easily destroyed by heat or shearing force due to dispersion, and reaggregation is reduced, which is preferable.
負極の塗工液の粘度(ηb)は、好ましくは1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下、より好ましくは1,500mPa・s以上10,000mPa・s以下、さらに好ましくは1,700mPa・s以上5,000mPa・s以下である。負極の塗工液の粘度(ηb)が1,000mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅及び厚みが良好に制御できる。負極の塗工液の粘度(ηb)が20,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく安定に塗工でき、また所望の塗膜厚み以下に制御できる。 The viscosity (ηb) of the coating liquid of the negative electrode is preferably 1,000 mPa · s or more and 20,000 mPa · s or less, more preferably 1,500 mPa · s or more and 10,000 mPa · s or less, and further preferably 1,700 mPa · s. It is s or more and 5,000 mPa · s or less. When the viscosity (ηb) of the coating liquid of the negative electrode is 1,000 mPa · s or more, the liquid dripping at the time of forming the coating film is suppressed, and the width and thickness of the coating film can be satisfactorily controlled. When the viscosity (ηb) of the coating liquid of the negative electrode is 20,000 mPa · s or less, the pressure loss in the flow path of the coating liquid when using the coating machine is small and stable coating can be performed, and the desired coating can be performed. It can be controlled below the film thickness.
負極の塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、好ましくは1.1以上、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。負極の塗工液のTI値が1.1以上であれば、塗膜幅及び厚みが良好に制御できる。 The TI value (thixotropy index value) of the coating liquid of the negative electrode is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and further preferably 1.5 or more. When the TI value of the coating liquid of the negative electrode is 1.1 or more, the coating film width and thickness can be satisfactorily controlled.
負極の塗膜の形成方法は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。塗工速度は、好ましくは0.1m/分以上100m/分以下、より好ましくは0.5m/分以上70m/分以下、さらに好ましくは1m/分以上50m/分以下である。塗工速度が0.1m/分以上であれば、安定に塗工することができ、100m/分以下であれば、塗工精度を十分に確保できる。 The method for forming the coating film on the negative electrode is not particularly limited, but a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be preferably used. The coating film may be formed by a single-layer coating or a multi-layer coating. The coating speed is preferably 0.1 m / min or more and 100 m / min or less, more preferably 0.5 m / min or more and 70 m / min or less, and further preferably 1 m / min or more and 50 m / min or less. When the coating speed is 0.1 m / min or more, stable coating can be performed, and when the coating speed is 100 m / min or less, sufficient coating accuracy can be ensured.
負極の塗膜の乾燥方法は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。乾燥温度は、好ましくは25℃以上200℃以下、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることができる。乾燥温度が200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れやマイグレーションによる結着材の偏在、負極集電体や負極活物質層の酸化を抑制できる。 The method for drying the coating film of the negative electrode is not particularly limited, but a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying can be preferably used. The coating film may be dried at a single temperature, or may be dried at different temperatures in multiple stages. Moreover, you may dry by combining a plurality of drying methods. The drying temperature is preferably 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. When the drying temperature is 25 ° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. When the drying temperature is 200 ° C. or lower, cracks in the coating film due to rapid volatilization of the solvent, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer can be suppressed.
負極のプレス方法は特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。負極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力は、好ましくは0.5kN/cm以上20kN/cm以下、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。プレス圧力が20kN/cm以下であれば、負極に撓みやシワが生じ難く、負極活物質層膜の所望の膜厚や嵩密度に調整し易い。
プレスロール同士の隙間は、負極活物質層の所望の膜厚や嵩密度となるように乾燥後の負極膜厚に応じて任意の値を設定できる。
プレス速度は、負極の撓みやシワを低減するよう任意の速度に設定できる。
プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要によりプレス部の表面を加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、好ましくは使用する結着材の融点マイナス60℃以上、より好ましくは結着材の融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは結着材の融点マイナス30℃以上である。加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、好ましくは使用する結着材の融点プラス50℃以下、より好ましくは結着材の融点プラス30℃以下、さらに好ましくは結着材の融点プラス20℃以下である。例えば、結着材にPVdF(ポリフッ化ビニリデン:融点150℃)を用いた場合、好ましくは90℃以上200℃以下、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下にプレス部の表面を加熱する。結着材にスチレン−ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いた場合、好ましくは40℃以上150℃以下、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下にプレス部の表面を加温する。
The method of pressing the negative electrode is not particularly limited, but a press machine such as a hydraulic press machine or a vacuum press machine can be preferably used. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the negative electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap, and the surface temperature of the press portion, which will be described later. The press pressure is preferably 0.5 kN / cm or more and 20 kN / cm or less, more preferably 1 kN / cm or more and 10 kN / cm or less, and further preferably 2 kN / cm or more and 7 kN / cm or less. When the press pressure is 0.5 kN / cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. When the press pressure is 20 kN / cm or less, the negative electrode is less likely to bend or wrinkle, and it is easy to adjust the film thickness and bulk density of the negative electrode active material layer film.
The gap between the press rolls can be set to an arbitrary value according to the film thickness of the negative electrode after drying so as to have a desired film thickness and bulk density of the negative electrode active material layer.
The press speed can be set to any speed so as to reduce bending and wrinkles of the negative electrode.
The surface temperature of the press portion may be room temperature, or the surface of the press portion may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably the melting point of the binder used at minus 60 ° C. or higher, more preferably the melting point of the binder at minus 45 ° C. or higher, and even more preferably the melting point of the binder at minus 30 ° C. It is above ℃. The upper limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably the melting point of the binder to be used plus 50 ° C. or less, more preferably the melting point of the binder plus 30 ° C. or lower, and even more preferably the melting point of the binder plus 20. It is below ° C. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, it is preferably pressed to 90 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 105 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 120 ° C. or higher and 170 ° C. or lower. Heat the surface of the part. When a styrene-butadiene copolymer (melting point 100 ° C.) is used as the binder, it is preferably pressed to 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 55 ° C. or higher and 130 ° C. or lower, and further preferably 70 ° C. or higher and 120 ° C. or lower. Warm the surface of the part.
結着材の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。 The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry, differential scanning calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter "DSC7" manufactured by PerkinElmer, 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature rises from 30 ° C. to 250 ° C. at a temperature rise 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.
プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。 The press may be performed a plurality of times while changing the conditions of the press pressure, the gap, the speed, and the surface temperature of the press portion.
負極活物質層の厚みは、負極集電体の片面当たり5μm以上100μm以下が好ましい。負極活物質層の厚みの下限は、より好ましくは7μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。負極活物質層の厚みの上限は、より好ましくは80μm以下であり、さらに好ましくは60μm以下である。負極活物質層の厚みが5μm以上であれば、負極活物質層を塗工した際にスジ等が発生し難く、塗工性に優れる。負極活物質層の厚みが100μm以下であれば、セル体積を縮小することによって高いエネルギー密度を発現できる。なお、負極集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における負極活物質層の厚みとは、負極集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分における片面当たりの負極活物質層の厚みの平均値をいう。 The thickness of the negative electrode active material layer is preferably 5 μm or more and 100 μm or less per one side of the negative electrode current collector. The lower limit of the thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 7 μm or more, still more preferably 10 μm or more. The upper limit of the thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 80 μm or less, and further preferably 60 μm or less. When the thickness of the negative electrode active material layer is 5 μm or more, streaks and the like are less likely to occur when the negative electrode active material layer is applied, and the coatability is excellent. When the thickness of the negative electrode active material layer is 100 μm or less, a high energy density can be developed by reducing the cell volume. The thickness of the negative electrode active material layer when the negative electrode current collector has through holes or irregularities is the thickness of the negative electrode active material layer per side in a portion of the negative electrode current collector that does not have through holes or irregularities. The average value.
負極活物質層の嵩密度は、好ましくは0.30g/cm3以上1.8g/cm3以下、より好ましくは0.40g/cm3以上1.5g/cm3以下、さらに好ましくは0.45g/cm3以上1.3g/cm3以下である。負極活物質層の嵩密度が0.30g/cm3以上であれば、十分な強度を保つことができるとともに、負極活物質間の十分な導電性を発現することができる。負極活物質層の嵩密度が1.8g/cm3以下であれば、負極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。 The bulk density of the negative electrode active material layer is preferably 0.30 g / cm 3 or more and 1.8 g / cm 3 or less, more preferably 0.40 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less, and further preferably 0.45 g. / Cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less. When the bulk density of the negative electrode active material layer is 0.30 g / cm 3 or more, sufficient strength can be maintained and sufficient conductivity between the negative electrode active materials can be exhibited. When the bulk density of the negative electrode active material layer is 1.8 g / cm 3 or less, pores in which ions can be sufficiently diffused can be secured in the negative electrode active material layer.
本実施形態におけるBET比表面積、メソ孔量、及びマイクロ孔量は、それぞれ以下の方法によって求められる値である。
試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行なう。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、BET比表面積はBET多点法又はBET1点法により、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法により、それぞれ算出される。
The BET specific surface area, the amount of mesopores, and the amount of micropores in the present embodiment are values obtained by the following methods, respectively.
The sample is vacuum-dried at 200 ° C. for 24 hours, and the isotherms of adsorption and desorption are measured using nitrogen as an adsorbent. Using the isotherms on the adsorption side obtained here, the BET specific surface area is calculated by the BET multipoint method or the BET1 point method, the mesopore amount is calculated by the BJH method, and the micropore amount is calculated by the MP method.
BJH法とは、メソ孔の解析に一般的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.Am.Chem.Soc.,73,373(1951))。 The BJH method is a calculation method generally used for analysis of mesopores, and was proposed by Barrett, Joiner, Hallenda et al. (EP Barrett, LG Joiner and P. Hallenda, J. Am. Chem. Soc., 73,373 (1951)).
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、R.S.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))。 The MP method is a micropore volume, a micropore area, and a micropore using the "t-plot method" (BC Lippens, JH de Boer, J. Catalysis, 4319 (1965)). It means a method for obtaining the distribution of R. S. It is a method devised by Mikhair, Brunauer, Bodor (RS Mikhair, S. Brunauer, EE Bodor, J. Colloid Interface Sci., 26, 45 (1968)).
<セパレータ>
正極前駆体及び負極は、一般に、セパレータを介して積層又は捲回され、正極前駆体と、負極と、セパレータとを有する電極積層体を形成する。
<Separator>
The positive electrode precursor and the negative electrode are generally laminated or wound through a separator to form an electrode laminate having a positive electrode precursor, a negative electrode, and a separator.
セパレータとしては、リチウムイオン二次電池に用いられるポリエチレン製の微多孔膜若しくはポリプロピレン製の微多孔膜、又は電気二重層キャパシタで用いられるセルロース製の不織紙等を用いることができる。これらのセパレータの片面又は両面上に、有機又は無機の微粒子から構成される膜が積層されていてもよい。また、セパレータの内部に有機又は無機の微粒子が含まれていてもよい。 As the separator, a polyethylene microporous membrane or polypropylene microporous membrane used in a lithium ion secondary battery, a cellulose non-woven paper used in an electric double layer capacitor, or the like can be used. A film composed of organic or inorganic fine particles may be laminated on one side or both sides of these separators. Further, organic or inorganic fine particles may be contained inside the separator.
セパレータの厚みは5μm以上35μm以下が好ましい。セパレータの厚みが5μm以上であることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。セパレータの厚みが35μm以下であることにより、蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。 The thickness of the separator is preferably 5 μm or more and 35 μm or less. When the thickness of the separator is 5 μm or more, self-discharge due to internal micro shorts tends to be small, which is preferable. When the thickness of the separator is 35 μm or less, the output characteristics of the power storage element tend to be high, which is preferable.
有機又は無機の微粒子から構成される膜の厚みは、1μm以上10μm以下であることが好ましい。有機又は無機の微粒子から構成される膜の厚みが1μm以上であることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。有機又は無機の微粒子から構成される膜の厚みが10μm以下であることにより、蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。 The thickness of the film composed of organic or inorganic fine particles is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. When the thickness of the film composed of organic or inorganic fine particles is 1 μm or more, self-discharge due to internal microshorts tends to be small, which is preferable. It is preferable that the thickness of the film composed of organic or inorganic fine particles is 10 μm or less because the output characteristics of the power storage element tend to be high.
<外装体>
外装体としては、金属缶、ラミネートフィルム等を使用できる。金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。ラミネートフィルムとしては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、例えば、外層樹脂フィルム/金属箔/内層樹脂フィルムの3層から構成されるラミネートフィルムが例示される。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。金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内層樹脂フィルムは、内部に収納する電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変成ポリオレフィン等が好適に使用できる。
<Exterior body>
As the exterior body, a metal can, a laminated film, or the like can be used. The metal can is preferably made of aluminum. As the laminated film, a film in which a metal foil and a resin film are laminated is preferable, and for example, a laminated film composed of three layers 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 preferably used. The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and foils such as copper, aluminum, and stainless steel can be preferably used. Further, the inner layer resin film is for protecting the metal foil from the electrolytic solution stored inside and for melting and sealing the outer body at the time of heat sealing, and polyolefins, acid-modified polyolefins and the like can be preferably used.
<非水系電解液>
本実施形態における電解液は、リチウムイオンを含む非水系電解液である。非水系電解液は、後述する非水溶媒を含む。非水系電解液は、非水系電解液の合計体積を基準として、0.5mol/L以上のリチウム塩を含有することが好ましい。
<Non-aqueous electrolyte solution>
The electrolytic solution in this embodiment is a non-aqueous electrolytic solution containing lithium ions. The non-aqueous electrolyte solution contains a non-aqueous solvent described later. The non-aqueous electrolyte solution preferably contains 0.5 mol / L or more of a lithium salt based on the total volume of the non-aqueous electrolyte solution.
本実施形態における非水系電解液は、リチウム塩として、例えば、(LiN(SO2F)2)、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)、LiN(SO2CF3)(SO2C2F4H)、LiC(SO2F)3、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3、LiCF3SO3、MC4F9SO3、LiPF6、LiBF4等を単独で用いることができ、2種以上を混合して用いてもよい。高い伝導度を発現できることから、LiPF6及び/又はLiN(SO2F)2を含むことが好ましい。 The non-aqueous electrolyte solution in the present embodiment contains, as lithium salts, for example, (LiN (SO 2 F) 2 ), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2). CF 3 ) (SO 2 C 2 F 5 ), LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 2 F 4 H), LiC (SO 2 F) 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC (SO 2) C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , MC 4 F 9 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4, etc. can be used alone, or two or more of them may be mixed and used. It is preferable to contain LiPF 6 and / or LiN (SO 2 F) 2 because it can exhibit high conductivity.
非水系電解液中のリチウム塩濃度は、0.5mol/L以上であることが好ましく、0.5〜2.0mol/Lの範囲がより好ましい。リチウム塩濃度が0.5mol/L以上であれば、陰イオンが十分に存在するので蓄電素子の容量を十分高くできる。また、リチウム塩濃度が2.0mol/L以下である場合、未溶解のリチウム塩が非水系電解液中に析出すること、及び電解液の粘度が高くなり過ぎることを防止でき、伝導度が低下せず、出力特性も低下しないため好ましい。 The lithium salt concentration in the non-aqueous electrolyte solution is preferably 0.5 mol / L or more, more preferably 0.5 to 2.0 mol / L. When the lithium salt concentration is 0.5 mol / L or more, anions are sufficiently present, so that the capacity of the power storage element can be sufficiently increased. Further, when the lithium salt concentration is 2.0 mol / L or less, it is possible to prevent undissolved lithium salt from precipitating in the non-aqueous electrolytic solution and the viscosity of the electrolytic solution from becoming too high, resulting in a decrease in conductivity. It is preferable because it does not reduce the output characteristics.
本実施形態における非水系電解液は、非水溶媒として、好ましくは、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含有する。非水系電解液が環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含有することは、所望の濃度のリチウム塩を溶解させる点、及び高いリチウムイオン伝導度を発現する点で有利である。環状カーボネートとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等に代表されるアルキレンカーボネート化合物が挙げられる。アルキレンカーボネート化合物は、典型的には非置換である。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等に代表されるジアルキルカーボネート化合物が挙げられる。ジアルキルカーボネート化合物は典型的には非置換である。 The non-aqueous electrolyte solution in the present embodiment preferably contains a cyclic carbonate and a chain carbonate as a non-aqueous solvent. It is advantageous that the non-aqueous electrolyte solution contains a cyclic carbonate and a chain carbonate in that it dissolves a lithium salt having a desired concentration and that it exhibits high lithium ion conductivity. Examples of the cyclic carbonate include alkylene carbonate compounds typified by ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and the like. The alkylene carbonate compound is typically unsubstituted. Examples of the chain carbonate include dialkyl carbonate compounds typified by dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate and the like. Dialkyl carbonate compounds are typically unsubstituted.
環状カーボネート及び鎖状カーボネートの合計含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、好ましくは50質量%以上、より好ましくは65質量%以上であり、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下である。環状カーボネート及び鎖状カーボネートの合計含有量が50質量%以上であれば、所望の濃度のリチウム塩を溶解させることが可能であり、高いリチウムイオン伝導度を発現することができる。環状カーボネート及び鎖状カーボネートの合計濃度が95質量%以下であれば、電解液が、後述する添加剤をさらに含有することができる。 The total content of the cyclic carbonate and the chain carbonate is preferably 50% by mass or more, more preferably 65% by mass or more, preferably 95% by mass or less, more preferably more preferably, based on the total mass of the non-aqueous electrolyte solution. It is 90% by mass or less. When the total content of the cyclic carbonate and the chain carbonate is 50% by mass or more, the lithium salt having a desired concentration can be dissolved, and high lithium ion conductivity can be exhibited. When the total concentration of the cyclic carbonate and the chain carbonate is 95% by mass or less, the electrolytic solution can further contain the additives described later.
本実施形態における非水系電解液は、更に添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、特に制限されないが、例えば、スルトン化合物、環状ホスファゼン、非環状含フッ素エーテル、含フッ素環状カーボネート、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、及び環状酸無水物等が挙げられ、これらは単独で用いることができ、また2種以上を混合して用いてもよい。 The non-aqueous electrolyte solution in the present embodiment may further contain an additive. The additive is not particularly limited, and examples thereof include sultone compounds, cyclic phosphazene, acyclic fluorinated ethers, fluorinated cyclic carbonates, cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters, and cyclic acid anhydrides. It can be used alone, or a mixture of two or more.
<非水系リチウム蓄電素子の製造方法>
[組立工程]
一実施形態の組立工程では、例えば、枚葉の形状にカットした正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層して成る積層体に、正極端子及び負極端子を接続して、電極積層体を作製する。別の実施形態では、正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層及び捲回した捲回体に正極端子及び負極端子を接続して、電極捲回体を作製してもよい。電極捲回体の形状は円筒型であっても、扁平型であってもよい。
<Manufacturing method of non-aqueous lithium storage element>
[Assembly process]
In the assembly process of one embodiment, for example, a positive electrode terminal and a negative electrode terminal are connected to a laminate formed by laminating a positive electrode precursor and a negative electrode cut into a single-wafer shape via a separator to form an electrode laminate. To make. In another embodiment, the positive electrode precursor and the negative electrode may be laminated and wound via a separator, and the positive electrode terminal and the negative electrode terminal may be connected to the wound body to prepare the electrode wound body. The shape of the electrode winding body may be cylindrical or flat.
正極端子及び負極端子の接続の方法は特に限定されないが、抵抗溶接や超音波溶接などの方法を用いることができる。 The method of connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is not particularly limited, but a method such as resistance welding or ultrasonic welding can be used.
端子を接続した電極積層体または電極捲回体を乾燥することで残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法は限定されないが、真空乾燥などにより乾燥することができる。残存溶媒は、正極活物質層または負極活物質層の合計質量あたり、1.5質量%以下であることが好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性を悪化させるため好ましくない。 It is preferable to remove the residual solvent by drying the electrode laminate or the electrode winding body to which the terminals are connected. The drying method is not limited, but it can be dried by vacuum drying or the like. The residual solvent is preferably 1.5% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. If the residual solvent is more than 1.5% by mass, the solvent remains in the system and the self-discharge characteristics are deteriorated, which is not preferable.
乾燥した電極積層体または電極捲回体は、好ましくは露点−40℃以下のドライ環境下にて、金属缶又はラミネートフィルムに代表される外装体の中に収納し、非水系電解液を注液するための開口部を1方だけ残して封止することが好ましい。露点が−40℃より高いと、電極積層体または電極捲回体に水分が付着してしまい、系内に水が残存し、自己放電特性を悪化させるため好ましくない。外装体の封止方法は特に限定されないが、ヒートシール、インパルスシールなどの方法を用いることができる。 The dried electrode laminate or electrode wound body is preferably stored in an exterior body typified by a metal can or a laminate film in a dry environment with a dew point of −40 ° C. or lower, and a non-aqueous electrolyte solution is injected. It is preferable to seal by leaving only one opening for the purpose. If the dew point is higher than −40 ° C., water adheres to the electrode laminate or the electrode wound body, water remains in the system, and the self-discharge characteristics are deteriorated, which is not preferable. The method for sealing the exterior body is not particularly limited, but a method such as heat sealing or impulse sealing can be used.
[注液、含浸、封止工程]
組立工程後に、外装体の中に収納された電極積層体に、非水系電解液を注液する。注液後に、更に含浸を行い、正極、負極、及びセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、及びセパレータのうちの少なくとも一部に電解液が浸っていない状態では、後述するリチウムドープ工程において、リチウムドープが不均一に進むため、得られる非水系リチウム蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極積層体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸後に、外装体が開口した状態の電極積層体を減圧しながら封止することで密閉することができる。
[Liquid injection, impregnation, sealing process]
After the assembly process, the non-aqueous electrolyte solution is injected into the electrode laminate housed in the exterior body. After pouring, it is desirable to further impregnate and sufficiently immerse the positive electrode, negative electrode, and separator with a non-aqueous electrolyte solution. When the electrolytic solution is not immersed in at least a part of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, the lithium doping proceeds non-uniformly in the lithium doping step described later, so that the resistance of the obtained non-aqueous lithium storage element increases. Or the durability is reduced. The method of impregnation is not particularly limited, but for example, the electrode laminate after injection is installed in a decompression chamber with the outer body open, the inside of the chamber is decompressed using a vacuum pump, and the pressure is increased again. A method of returning to atmospheric pressure or the like can be used. After impregnation, the electrode laminate with the outer body open can be sealed by sealing while reducing the pressure.
[リチウムドープ工程]
リチウムドープ工程では、正極前駆体と負極との間に電圧を印加して、正極前駆体中のリチウム化合物を分解してリチウムイオンを放出し、負極でリチウムイオンを還元することにより負極活物質層にリチウムイオンをプレドープすることが好ましい。
[Lithium dope process]
In the lithium doping step, a voltage is applied between the positive electrode precursor and the negative electrode to decompose the lithium compound in the positive electrode precursor to release lithium ions, and the lithium ions are reduced at the negative electrode to reduce the negative electrode active material layer. It is preferable to pre-dope the lithium ion.
リチウムドープ工程において、正極前駆体中のリチウム化合物の酸化分解に伴い、CO2等のガスが発生する。そのため、電圧を印加する際には、発生したガスを外装体の外部に放出する手段を講ずることが好ましい。この手段としては、例えば、外装体の一部を開口させた状態で電圧を印加する方法;外装体の一部に予めガス抜き弁、ガス透過フィルム等の適宜のガス放出手段を設置した状態で電圧を印加する方法;等を挙げることができる。 In the lithium doping step, gas such as CO 2 is generated due to oxidative decomposition of the lithium compound in the positive electrode precursor. Therefore, when applying a voltage, it is preferable to take measures to release the generated gas to the outside of the exterior body. As this means, for example, a method of applying a voltage with a part of the exterior body opened; a state in which an appropriate gas release means such as a gas vent valve or a gas permeable film is installed in advance on a part of the exterior body. A method of applying a voltage; etc. can be mentioned.
[エージング工程]
リチウムドープ工程後に、電極積層体にエージングを行うことが好ましい。エージング工程では、電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にリチウムイオン透過性の固体高分子被膜が形成される。
[Aging process]
After the lithium doping step, it is preferable to age the electrode laminate. In the aging step, the solvent in the electrolytic solution is decomposed at the negative electrode, and a lithium ion permeable solid polymer film is formed on the surface of the negative electrode.
エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば高温環境下で電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。 The aging method is not particularly limited, but for example, a method of reacting the solvent in the electrolytic solution in a high temperature environment or the like can be used.
[ガス抜き工程]
エージング工程後に、更にガス抜きを行い、電解液、正極、及び負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。電解液、正極、及び負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系リチウム蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。
[Degassing process]
After the aging step, it is preferable to further degas to surely remove the gas remaining in the electrolytic solution, the positive electrode, and the negative electrode. In a state where gas remains in at least a part of the electrolytic solution, the positive electrode, and the negative electrode, ion conduction is inhibited, so that the resistance of the obtained non-aqueous lithium storage element increases.
ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、外装体を開口した状態で電極積層体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。ガス抜き後、外装体をシールすることにより外装体を密閉し、非水系リチウム蓄電素子を作製することができる。 The method of degassing is not particularly limited, but for example, a method of installing the electrode laminate in the decompression chamber with the exterior body open and depressurizing the inside of the chamber using a vacuum pump can be used. .. After degassing, the exterior body is sealed to seal the exterior body, and a non-aqueous lithium storage element can be manufactured.
<非水系リチウム蓄電素子の特性評価>
[静電容量]
本明細書では、静電容量Fa(F)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、非水系リチウム蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、2Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行う。その後、2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQ(C)とする。ここで得られたQ及び電圧変化ΔVx(V)を用いて、静電容量Fa=Q/ΔVx=Q/(3.8−2.2)により算出される値を、静電容量Fa(F)という。
ここで電流の放電レート(「Cレート」とも呼ばれる)とは、放電容量に対する放電時の電流の相対的な比率であり、一般に、上限電圧から下限電圧まで定電流放電を行う際、1時間で放電が完了する電流値のことを1Cという。本明細書では、上限電圧3.8Vから下限電圧2.2Vまで定電流放電を行う際に1時間で放電が完了する電流値のことを1Cとする。
<Characteristic evaluation of non-aqueous lithium storage element>
[Capacitance]
In the present specification, the capacitance Fa (F) is a value obtained by the following method.
First, in a constant temperature bath in which the cell corresponding to the non-aqueous lithium storage element is set to 25 ° C, constant current charging is performed until the current value of 2C reaches 3.8V, and then a constant voltage of 3.8V is applied. Perform constant voltage charging for a total of 30 minutes. After that, the capacitance when a constant current discharge is performed with a current value of 2C up to 2.2V is defined as Q (C). Using the Q and the voltage change ΔV x (V) obtained here, the value calculated by the capacitance Fa = Q / ΔV x = Q / (3.8-2.2) is calculated as the capacitance Fa. It is called (F).
Here, the current discharge rate (also referred to as "C rate") is the relative ratio of the current at the time of discharge to the discharge capacity, and generally, when performing constant current discharge from the upper limit voltage to the lower limit voltage, it takes 1 hour. The current value at which the discharge is completed is called 1C. In the present specification, 1C is the current value at which the discharge is completed in 1 hour when the constant current discharge is performed from the upper limit voltage of 3.8 V to the lower limit voltage of 2.2 V.
[内部抵抗]
本明細書では、内部抵抗Ra(Ω)とは、以下の方法によって得られる値である:
先ず、非水系リチウム蓄電素子を25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、サンプリング間隔を0.1秒とし、20Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を行って、放電カーブ(時間−電圧)を得る。この放電カーブにおいて、放電時間2秒及び4秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとしたときに、降下電圧ΔE=3.8−EoからRa=ΔE/(20Cの電流値)として算出される値である。
[Internal resistance]
In the present specification, the internal resistance Ra (Ω) is a value obtained by the following method:
First, the non-aqueous lithium storage element is charged with a constant current in a constant temperature bath set at 25 ° C. until it reaches 3.8 V with a current value of 20 C, and then a constant voltage charge with a constant voltage of 3.8 V is applied. Perform for a total of 30 minutes. Subsequently, the sampling interval is set to 0.1 seconds, and constant current discharge is performed up to 2.2 V at a current value of 20 C to obtain a discharge curve (time-voltage). In this discharge curve, when the voltage at the discharge time = 0 second obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds is Eo, the drop voltage ΔE = 3.8- It is a value calculated from Eo as Ra = ΔE / (current value of 20C).
[高負荷充放電サイクル試験]
本明細書では、高負荷充放電サイクル試験後の抵抗変化率及びガス発生量は、以下の方法によって測定する。
(高負荷充放電サイクル後の抵抗変化率)
先ず、非水系リチウム蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、200Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて200Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う。この高負荷充放電サイクルを60000回繰り返し、上記内部抵抗の測定方法に従い高負荷充放電サイクル後の内部抵抗Rbを測定する。Rb/Raを高負荷充放電サイクル後の抵抗変化率とする。
[High load charge / discharge cycle test]
In the present specification, the resistance change rate and the amount of gas generated after the high load charge / discharge cycle test are measured by the following methods.
(Resistance change rate after high load charge / discharge cycle)
First, the cell corresponding to the non-aqueous lithium storage element is charged at a constant current in a constant temperature bath set at 25 ° C. until it reaches 3.8 V at a current value of 200 C, and then to 2.2 V at a current value of 200 C. Discharge with constant current until it reaches the point. This high load charge / discharge cycle is repeated 60,000 times, and the internal resistance Rb after the high load charge / discharge cycle is measured according to the above method for measuring internal resistance. Let Rb / Ra be the rate of change in resistance after a high load charge / discharge cycle.
(高負荷充放電サイクル後のガス発生量)
本明細書では、非水系リチウム蓄電素子の体積は、アルキメデス方法によって測定する。アルキメデス法による体積測定に用いる溶媒としては特に限定されないが、電気伝導度が10μS/cm以下であり、非水系リチウム蓄電素子を浸漬させた場合に電気分解が起こらない溶媒を用いることが好ましい。例えば、純水、フッ素系不活性液体が好適に用いられる。特に、高い比重を持ち、優れた電気絶縁性を持つという観点から、フッ素系不活性液体、例えばフロリナート(商標登録、スリーエムジャパン株式会社)FC−40、FC−43等が好適に用いられる。高負荷充放電サイクル前の非水系リチウム蓄電素子の体積をVaとし、高負荷充放電サイクル後の非水系リチウム蓄電素子の体積をVbとするとき、Vb−Vaを高負荷充放電サイクル後のガス発生量Vとする。
(Gas generated after high load charge / discharge cycle)
In the present specification, the volume of the non-aqueous lithium storage element is measured by the Archimedes method. The solvent used for the volume measurement by the Archimedes method is not particularly limited, but it is preferable to use a solvent having an electric conductivity of 10 μS / cm or less and which does not cause electrolysis when the non-aqueous lithium storage element is immersed. For example, pure water and a fluorine-based inert liquid are preferably used. In particular, from the viewpoint of having a high specific density and excellent electrical insulation, fluorine-based inert liquids such as Fluorinert (registered trademark, 3M Japan Ltd.) FC-40, FC-43 and the like are preferably used. When the volume of the non-aqueous lithium storage element before the high load charge / discharge cycle is Va and the volume of the non-aqueous lithium storage element after the high load charge / discharge cycle is Vb, Vb-Va is the gas after the high load charge / discharge cycle. Let the generated amount be V.
<電極中のアルカリ金属化合物の同定方法>
正極中に含まれるリチウム化合物等のアルカリ金属化合物の同定方法は特に限定されないが、例えば下記の方法により同定することができる。アルカリ金属化合物の同定には、以下に記載する複数の解析手法を組み合わせて同定することが好ましい。
<Method of identifying alkali metal compounds in electrodes>
The method for identifying the alkali metal compound such as the lithium compound contained in the positive electrode is not particularly limited, but can be identified by, for example, the following method. For the identification of the alkali metal compound, it is preferable to identify by combining a plurality of analysis methods described below.
以下に記載するSEM−EDX、ラマン、又はXPSを測定する際には、アルゴンボックス中で非水系リチウム蓄電素子を解体して正極を取り出し、正極表面に付着した電解質を洗浄した後に測定を行うことが好ましい。正極の洗浄方法については、正極表面に付着した電解質を洗い流せればよいため、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート溶媒が好適に利用できる。洗浄方法としては、例えば、正極重量の50〜100倍のジエチルカーボネート溶媒に正極を10分間以上浸漬させ、その後溶媒を取り替えて再度正極を浸漬させる。その後、正極をジエチルカーボネートから取り出し、真空乾燥させた後に、SEM−EDX、ラマン分光法、及びXPSの解析を実施する。真空乾燥の条件は、温度:0〜200℃、圧力:0〜20kPa、時間:1〜40時間の範囲で正極中のジエチルカーボネートの残存が1質量%以下になる条件とする。ジエチルカーボネートの残存量については、後述する蒸留水洗浄、液量調整後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。 When measuring SEM-EDX, Raman, or XPS described below, disassemble the non-aqueous lithium storage element in an argon box, take out the positive electrode, clean the electrolyte adhering to the surface of the positive electrode, and then perform the measurement. Is preferable. As for the method for cleaning the positive electrode, since the electrolyte adhering to the surface of the positive electrode may be washed away, a carbonate solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, or diethyl carbonate can be preferably used. As a cleaning method, for example, the positive electrode is immersed in a diethyl carbonate solvent 50 to 100 times the weight of the positive electrode for 10 minutes or more, and then the solvent is replaced and the positive electrode is immersed again. Then, the positive electrode is taken out from diethyl carbonate, vacuum dried, and then analyzed by SEM-EDX, Raman spectroscopy, and XPS. The vacuum drying conditions are such that the residual diethyl carbonate in the positive electrode is 1% by mass or less in the range of temperature: 0 to 200 ° C., pressure: 0 to 20 kPa, and time: 1 to 40 hours. The residual amount of diethyl carbonate can be quantified based on a calibration curve prepared in advance by measuring the GC / MS of the water after washing with distilled water and adjusting the liquid amount, which will be described later.
後述するイオンクロマトグラフィーでは、正極を蒸留水で洗浄した後の水を解析することにより陰イオンを同定することができる。 In ion chromatography described later, anions can be identified by analyzing the water after washing the positive electrode with distilled water.
解析手法にてアルカリ金属化合物を同定できなかった場合、その他の解析手法として、7Li−固体NMR、XRD(X線回折)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)、AES(オージェ電子分光)、TPD/MS(加熱発生ガス質量分析)、DSC(示差走査熱量分析)等を用いることにより、アルカリ金属化合物を同定することもできる。 If the alkali metal compound cannot be identified by the analysis method, other analysis methods include 7 Li-solid NMR, XRD (X-ray diffraction), TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), and AES (Auger). Alkali metal compounds can also be identified by using electron spectroscopy), TPD / MS (mass spectrometry of heated generated gas), DSC (differential scanning calorimeter analysis) and the like.
[走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分析(SEM−EDX)]
アルカリ金属化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極表面のSEM−EDX画像による酸素マッピングにより判別できる。SEM−EDX画像の測定例としては、加速電圧を10kV、エミッション電流を1μA、測定画素数を256×256ピクセル、積算回数を50回として測定できる。試料の帯電を防止するために、金、白金、オスミウム等を真空蒸着やスパッタリング等の方法により表面処理することもできる。SEM−EDX画像の測定方法については、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化したとき、明部を面積で50%以上含む粒子をアルカリ金属化合物とする。
[Scanning electron microscope-energy dispersive X-ray analysis (SEM-EDX)]
The alkali metal compound and the positive electrode active material can be identified by oxygen mapping using an SEM-EDX image of the positive electrode surface measured at an observation magnification of 1000 to 4000 times. As a measurement example of the SEM-EDX image, the acceleration voltage is 10 kV, the emission current is 1 μA, the number of measurement pixels is 256 × 256 pixels, and the number of integrations is 50. In order to prevent the sample from being charged, gold, platinum, osmium or the like can be surface-treated by a method such as vacuum deposition or sputtering. Regarding the method for measuring the SEM-EDX image, it is preferable to adjust the brightness and contrast so that the brightness does not reach the maximum brightness and the average value of the brightness is in the range of 40% to 60%. When the obtained oxygen mapping is binarized based on the average value of brightness, the particles containing 50% or more of the bright part in the area are defined as the alkali metal compound.
[顕微ラマン分光法]
アルカリ金属化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極表面のラマンイメージングにより判別できる。測定条件の例として、励起光を532nm、励起光強度を1%、対物レンズの長作動を50倍、回折格子を1800gr/mm、マッピング方式を点走査(スリット65mm、ビニング5pix)、1mmステップ、1点当たりの露光時間を3秒、積算回数を1回、ノイズフィルター有りの条件にて測定することができる。測定したラマンスペクトルについて、1071〜1104cm−1の範囲で直線のベースラインを設定し、ベースラインより正の値を炭酸イオンのピークとして面積を算出し、頻度を積算する。このとき、ノイズ成分をガウス型関数で近似した炭酸イオンピーク面積に対する頻度を炭酸イオンの頻度分布から差し引く。
[Microscopic Raman spectroscopy]
The alkali metal compound and the positive electrode active material can be identified by Raman imaging of the positive electrode surface measured at an observation magnification of 1000 to 4000 times. As an example of measurement conditions, the excitation light is 532 nm, the excitation light intensity is 1%, the long operation of the objective lens is 50 times, the diffraction grating is 1800 gr / mm, the mapping method is point scanning (slit 65 mm, binning 5 pix), 1 mm step, The exposure time per point can be measured for 3 seconds, the number of integrations can be measured once, and the measurement can be performed under the condition of having a noise filter. For the measured Raman spectrum , a straight baseline is set in the range of 1071 to 1104 cm -1 , the area is calculated with a positive value from the baseline as the peak of carbonate ions, and the frequency is integrated. At this time, the frequency with respect to the carbonate ion peak area approximated by the Gaussian function of the noise component is subtracted from the carbonate ion frequency distribution.
[X線光電分光法(XPS)]
XPSにより電子状態を解析することによりアルカリ金属化合物の結合状態を判別することができる。測定条件の例として、X線源を単色化AlKα、X線ビーム径を100μmφ(25W、15kV)、パスエネルギーをナロースキャン:58.70eV、帯電中和を有り、スイープ数をナロースキャン:10回(炭素、酸素)20回(フッ素)30回(リン)40回(リチウム元素)50回(ケイ素)、エネルギーステップをナロースキャン:0.25eVの条件にて測定できる。XPSの測定前に正極の表面をスパッタリングにてクリーニングすることが好ましい。スパッタリングの条件として例えば、加速電圧1.0kV、2mm×2mmの範囲を1分間(SiO2換算で1.25nm/min)の条件にて正極の表面をクリーニングすることができる。
得られたXPSスペクトルについて、
Li1sの結合エネルギー50〜54eVのピークをLiO2またはLi−C結合;
55〜60eVのピークをLiF、Li2CO3、LixPOyFz(式中、x、y、zは1〜6の整数である);
C1sの結合エネルギー285eVのピークをC−C結合、286eVのピークをC−O結合、288eVのピークをCOO、290〜292eVのピークをCO3 2−、C−F結合;
O1sの結合エネルギー527〜530eVのピークをO2−(Li2O)、531〜532eVのピークをCO、CO3、OH、POx(式中、xは1〜4の整数である)、SiOx(式中、xは1〜4の整数である)、533eVのピークをC−O、SiOx(式中、xは1〜4の整数である);
F1sの結合エネルギー685eVのピークをLiF、687eVのピークをC−F結合、LixPOyFz(式中、x、y、zは1〜6の整数である)、PF6 −;
P2pの結合エネルギーについて、133eVのピークをPOx(式中、xは1〜4の整数である)、134〜136eVのピークをPFx(式中、xは1〜6の整数である);
Si2pの結合エネルギー99eVのピークをSi、シリサイド、101〜107eVのピークをSixOy(式中、x、yは任意の整数である)
として帰属することができる。
得られたスペクトルについて、ピークが重なる場合には、ガウス関数又はローレンツ関数を仮定してピーク分離し、スペクトルを帰属することが好ましい。得られた電子状態の測定結果及び存在元素比の結果から、存在するリチウム化合物を同定することができる。
[X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)]
The bonding state of the alkali metal compound can be determined by analyzing the electronic state by XPS. As an example of measurement conditions, the X-ray source is monochromatic AlKα, the X-ray beam diameter is 100 μmφ (25 W, 15 kV), the path energy is narrow scan: 58.70 eV, there is charge neutralization, and the number of sweeps is narrow scan: 10 times. (Carbon, oxygen) 20 times (fluorine) 30 times (phosphorus) 40 times (lithium element) 50 times (silicon), the energy step can be measured under the condition of narrow scan: 0.25 eV. It is preferable to clean the surface of the positive electrode by sputtering before measuring XPS. As the sputtering conditions, for example, the surface of the positive electrode can be cleaned under the condition of an acceleration voltage of 1.0 kV and a range of 2 mm × 2 mm for 1 minute ( 1.25 nm / min in terms of SiO 2).
About the obtained XPS spectrum
The peak of the binding energy of Li1s of 50 to 54 eV is LiO 2 or Li-C bond;
Peaks of 55-60 eV are LiF, Li 2 CO 3 , Li x PO y F z (in the formula, x, y, z are integers 1 to 6);
C1s binding energy 285 eV peak is CC bond, 286 eV peak is CO bond, 288 eV peak is COO, 290-292 eV peak is CO 3 2- , CF bond;
The peaks of the binding energy of O1s of 527 to 530 eV are O 2- (Li 2 O), and the peaks of 513 to 532 eV are CO, CO 3 , OH, PO x (x is an integer of 1 to 4 in the formula), SiO. x (in the formula, x is an integer of 1 to 4), the peak of 533 eV is CO, SiO x (in the formula, x is an integer of 1 to 4);
The peak of the binding energy of F1s of 685 eV is LiF, the peak of 687 eV is the CF bond, Li x PO y F z (in the formula, x, y, z are integers of 1 to 6), PF 6 − ;
Regarding the binding energy of P2p, the peak of 133 eV is PO x (in the formula, x is an integer of 1 to 4), and the peak of 134 to 136 eV is PF x (in the formula, x is an integer of 1 to 6);
The peak of binding energy 99eV of Si2p Si, silicide, a peak of 101~107eV Si x O y (wherein, x, y are arbitrary integers)
Can be attributed as.
When the peaks of the obtained spectrum overlap, it is preferable to separate the peaks assuming a Gaussian function or a Lorentz function and assign the spectra. The existing lithium compound can be identified from the obtained measurement result of the electronic state and the result of the presence element ratio.
[イオンクロマトグラフィー]
正極前駆体を蒸留水で洗浄し、洗浄した後の水をイオンクロマトグラフィーで解析することにより、水中に溶出した炭酸イオンを同定することができる。使用するカラムとしては、イオン交換型、イオン排除型、逆相イオン対型を使用することができる。検出器としては、電気伝導度検出器、紫外可視吸光光度検出器、電気化学検出器等を使用することができ、検出器の前にサプレッサーを設置するサプレッサー方式、またはサプレッサーを配置せずに電気伝導度の低い溶液を溶離液に用いるノンサプレッサー方式を用いることができる。また、質量分析計や荷電化粒子検出器を検出器と組み合わせて測定することもできる。
[Ion chromatography]
By washing the positive electrode precursor with distilled water and analyzing the washed water by ion chromatography, carbonate ions eluted in water can be identified. As the column to be used, an ion exchange type, an ion exclusion type, and a reverse phase ion pair type can be used. As the detector, an electric conductivity detector, an ultraviolet-visible absorptiometric detector, an electrochemical detector, etc. can be used, and a suppressor method in which a suppressor is installed in front of the detector, or electricity without a suppressor. A non-suppressor method using a solution having low conductivity as an eluent can be used. It is also possible to measure by combining a mass spectrometer or a charged particle detector with a detector.
サンプルの保持時間は、使用するカラムや溶離液等の条件が決まれば、イオン種成分毎に一定であり、またピークのレスポンスの大きさはイオン種毎に異なるが、イオン種の濃度に比例する。トレーサビリティーが確保された既知濃度の標準液を予め測定しておくことでイオン種成分の定性と定量が可能となる。 The retention time of the sample is constant for each ion species component if the conditions such as the column to be used and the eluent are determined, and the magnitude of the peak response differs for each ion species, but is proportional to the concentration of the ion species. .. By measuring in advance a standard solution having a known concentration that ensures traceability, it is possible to qualitatively and quantify the ionic species component.
<アルカリ金属元素の定量方法 ICP−MS>
正極前駆体について、濃硝酸、濃塩酸、王水等の強酸を用いて酸分解し、得られた溶液を2%〜3%の酸濃度になるように純水で希釈する。酸分解については、適宜加熱、加圧し分解することもできる。得られた希釈液をICP−MSにより解析するがこの際に内部標準として既知量の元素を加えておくことが好ましい。測定対象のアルカリ金属元素が測定上限濃度以上になる場合には、希釈液の酸濃度を維持したまま更に希釈することが好ましい。得られた測定結果に対し、化学分析用の標準液を用いて予め作成した検量線を基に、各元素を定量することができる。
<Method for quantifying alkali metal elements ICP-MS>
The positive electrode precursor is acid-decomposed with a strong acid such as concentrated nitric acid, concentrated hydrochloric acid, and aqua regia, and the obtained solution is diluted with pure water to an acid concentration of 2% to 3%. As for acid decomposition, it can be decomposed by heating and pressurizing as appropriate. The obtained diluted solution is analyzed by ICP-MS, and it is preferable to add a known amount of elements as an internal standard at this time. When the alkali metal element to be measured exceeds the upper limit concentration for measurement, it is preferable to further dilute the diluted solution while maintaining the acid concentration. With respect to the obtained measurement results, each element can be quantified based on a calibration curve prepared in advance using a standard solution for chemical analysis.
<アルカリ金属化合物及び活物質量の定量方法 Cx1、Cy1及びCx2、Cy2の算出>
正極活物質層中に含まれるアルカリ金属化合物及び活物質量の定量方法を以下に記載する。アルゴンボックス中で非水系リチウム蓄電素子を解体して正極を切り出し、正極を有機溶媒で洗浄する。有機溶媒としては、正極表面に堆積した電解液分解物を除去できればよく、特に限定されないが、リチウム化合物の溶解度が2%以下である有機溶媒を用いることでアルカリ金属化合物の溶出が抑制される。そのような有機溶媒としては、例えばメタノール、エタノール、アセトン、酢酸メチル等の極性溶媒が好適に用いられる。測定する正極の面積は特に制限されないが、測定のばらつきを軽減するという観点から5cm2以上200cm2以下であることが好ましく、更に好ましくは25cm2以上150cm2以下である。面積が5cm2以上あれば測定の再現性が確保される。面積が200cm2以下であればサンプルの取扱い性に優れる。
<Method for quantifying the amount of alkali metal compound and active substance Calculation of C x1 , Cy1 and Cx2 , Cy2>
The method for quantifying the amount of the alkali metal compound and the active material contained in the positive electrode active material layer is described below. The non-aqueous lithium storage element is disassembled in an argon box to cut out a positive electrode, and the positive electrode is washed with an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited as long as it can remove the electrolyte decomposition product deposited on the surface of the positive electrode, but elution of the alkali metal compound is suppressed by using an organic solvent having a solubility of the lithium compound of 2% or less. As such an organic solvent, for example, a polar solvent such as methanol, ethanol, acetone, or methyl acetate is preferably used. Although area measurement is positive is not particularly limited, it is preferably, more preferably 25 cm 2 or more 150 cm 2 or less from the viewpoint of reducing the variation in measurement is 5 cm 2 or more 200 cm 2 or less. If the area is 5 cm 2 or more, the reproducibility of measurement is ensured. If the area is 200 cm 2 or less, the handling of the sample is excellent.
正極の洗浄方法は、正極の重量に対し50〜100倍のエタノール溶液に正極を3日間以上十分に浸漬させる。浸漬の間、エタノールが揮発しないよう、例えば容器に蓋をすることが好ましい。3日間以上浸漬させた後、正極をエタノールから取り出し、真空乾燥する。真空乾燥の条件は、温度:100〜200℃、圧力:0〜10kPa、時間:5〜20時間の範囲で正極中のエタノールの残存が1質量%以下になる条件とする。エタノールの残存量については、後述する蒸留水洗浄後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。得られた正極を上述の定義に従い正極中央部と正極外周部に切り分け、正極中央部及び正極外周部の面積を、それぞれSx(m2)及びSy(m2)とし、正極中央部及び正極外周部の重量を、それぞれM0x(g)及びM0y(g)とする。続いて、正極中央部及び正極外周部をそれぞれの重量の100〜150倍の蒸留水に3日間以上十分に浸漬させる。浸漬の間、蒸留水が揮発しないよう容器に蓋をすることが好ましい。3日間以上浸漬させた後、蒸留水から正極中央部及び正極外周部を取り出し、上記のエタノール洗浄と同様に真空乾燥する。真空乾燥後の正極中央部及び正極外周部の重量をそれぞれM1x(g)及びM1y(g)とする。続いて、得られた正極中央部及び正極外周部の集電体の重量を測定するため、スパチュラ、ブラシ、刷毛等を用いて正極中央部及び正極外周部に残った正極活物質層を取り除く。得られた正極集電体の重量をM2x(g)及びM2y(g)とすると、正極活物質層の中央部のリチウム化合物量Cx1(g/m2)及び正極活物質層の外周部のリチウム化合物量Cy1(g/m2)は、(1)式にて算出できる。
Cx1=(M0x−M1x)/Sx、及び
Cy1=(M0y−M1y)/Sy ・・・(1)
前記正極活物質層の中央部の活物質量Cx2(g/m2)及び前記正極活物質層の外周部の活物質量Cy2(g/m2)は、下式(2)にて算出できる。
Cx2=(M1x−M2x)/Sx、及び
Cy2=(M1y−M2y)/Sy ・・・(2)
The method for cleaning the positive electrode is to sufficiently immerse the positive electrode in an ethanol solution 50 to 100 times the weight of the positive electrode for 3 days or more. For example, it is preferable to cover the container so that ethanol does not volatilize during immersion. After soaking for 3 days or more, the positive electrode is taken out from ethanol and vacuum dried. The vacuum drying conditions are such that the residual ethanol in the positive electrode is 1% by mass or less in the range of temperature: 100 to 200 ° C., pressure: 0 to 10 kPa, and time: 5 to 20 hours. The residual amount of ethanol can be quantified based on the calibration curve prepared in advance by measuring the GC / MS of the water after washing with distilled water, which will be described later. The obtained positive electrode is divided into a positive electrode central portion and a positive electrode outer peripheral portion according to the above definition, and the areas of the positive electrode central portion and the positive electrode outer peripheral portion are defined as S x (m 2 ) and S y (m 2 ), respectively. The weight of the outer peripheral portion of the positive electrode is M 0x (g) and M 0y (g), respectively. Subsequently, the central portion of the positive electrode and the outer peripheral portion of the positive electrode are sufficiently immersed in distilled water having a weight of 100 to 150 times the respective weights for 3 days or more. It is preferable to cover the container so that the distilled water does not volatilize during immersion. After soaking for 3 days or more, the central portion of the positive electrode and the outer peripheral portion of the positive electrode are taken out from the distilled water and vacuum dried in the same manner as the above ethanol washing. The weights of the central portion of the positive electrode and the outer peripheral portion of the positive electrode after vacuum drying are defined as M 1x (g) and M 1y (g), respectively. Subsequently, in order to measure the weight of the obtained current collectors in the central portion of the positive electrode and the outer peripheral portion of the positive electrode, the positive electrode active material layer remaining in the central portion of the positive electrode and the outer peripheral portion of the positive electrode is removed using a spatula, a brush, a brush or the like. Assuming that the weights of the obtained positive electrode current collectors are M 2x (g) and M 2y (g), the amount of lithium compound C x 1 (g / m 2 ) in the central portion of the positive electrode active material layer and the outer periphery of the positive electrode active material layer. The amount of lithium compound Cy1 (g / m 2 ) in the portion can be calculated by the formula (1).
C x1 = (M 0x −M 1x ) / S x , and Cy1 = (M 0y −M 1y ) / S y ... (1)
The positive active amount of active material in the central portion of the material layer C x2 (g / m 2) and the positive electrode active amount of the active material of the outer peripheral portion of the material layer C y2 (g / m 2), at the following equation (2) Can be calculated.
C x2 = (M 1x −M 2x ) / S x , and Cy2 = (M 1y −M 2y ) / S y ... (2)
なお、複数のリチウム化合物が正極活物質層に含まれる場合;正極活物質層が、リチウム化合物の他に、下記式においてMをNa、K、Rb、Csから選ばれる1種以上として、M2O等の酸化物、MOH等の水酸化物、MFやMCl等のハロゲン化物、M2(CO2)2等の蓚酸塩、RCOOM(式中、RはH、アルキル基、アリール基である)等のカルボン酸塩を含む場合;並びに正極活物質層が、BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3から選ばれるアルカリ土類金属炭酸塩、又はアルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属シュウ酸塩、若しくはアルカリ土類金属カルボン酸塩を含む場合には、これらの総量をアルカリ金属化合物量として算出する。
<非水系リチウム蓄電素子の用途>
本実施形態に係る複数個の非水系リチウム蓄電素子を直列又は並列に接続することにより蓄電モジュールを作製することができる。また、本実施形態の非水系リチウム蓄電素子及び蓄電モジュールは、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができるので、電力回生アシストシステム、電力負荷平準化システム、無停電電源システム、非接触給電システム、エナジーハーベストシステム、蓄電システム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、急速充電システム、スマートグリッドシステム等に使用されることができる。
蓄電システムは太陽光発電又は風力発電等の自然発電に、電力負荷平準化システムはマイクログリッド等に、無停電電源システムは工場の生産設備等に、それぞれ好適に利用される。非接触給電システムにおいて、非水系リチウム蓄電素子は、マイクロ波送電又は電界共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電のために、エナジーハーベストシステムにおいて、非水系リチウム蓄電素子は、振動発電等で発電した電力を使用するために、それぞれ好適に利用される。
蓄電システムにおいては、セルスタックとして、複数個の非水系リチウム蓄電素子が直列又は並列に接続されるか、又は非水系リチウム蓄電素子と、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池又は燃料電池とが直列又は並列に接続される。
また、本実施形態に係る非水系リチウム蓄電素子は、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができるので、例えば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク等の乗り物に搭載されることができる。上記で説明された電力回生アシストシステム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、又はこれらの組み合わせが、乗り物に好適に搭載される。
When a plurality of lithium compounds are contained in the positive electrode active material layer; in addition to the lithium compound, M is M 2 as one or more selected from Na, K, Rb, and Cs in the following formula. Oxides such as O, hydroxides such as MOH, halides such as MF and MCl, oxalates such as M 2 (CO 2 ) 2 , RCOM (R is H, alkyl group, aryl group in the formula) when containing carboxylate and the like; as well as the positive electrode
<Applications for non-aqueous lithium storage elements>
A storage module can be manufactured by connecting a plurality of non-aqueous lithium storage elements according to the present embodiment in series or in parallel. Further, since the non-aqueous lithium power storage element and the power storage module of the present embodiment can achieve both high input / output characteristics and safety at high temperature, a power regeneration assist system, a power load leveling system, and a power failure-free power supply system , Contactless power supply system, energy harvest system, power storage system, electric power steering system, emergency power supply system, in-wheel motor system, idling stop system, quick charging system, smart grid system, etc.
The power storage system is preferably used for natural power generation such as solar power generation or wind power generation, the power load leveling system is preferably used for microgrids, and the non-disruptive power supply system is preferably used for factory production equipment. In the non-contact power supply system, the non-aqueous lithium power storage element is used for leveling voltage fluctuations such as microwave power transmission or electric field resonance and for storing energy. Each is preferably used to use the generated power.
In a power storage system, a plurality of non-aqueous lithium storage elements are connected in series or in parallel as a cell stack, or a non-aqueous lithium storage element and a lead battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion secondary battery or a fuel cell. Are connected in series or in parallel.
Further, since the non-aqueous lithium power storage element according to the present embodiment can achieve both high input / output characteristics and safety at high temperature, for example, electric vehicles, plug-in hybrid vehicles, hybrid vehicles, electric motorcycles, etc. It can be mounted on a vehicle. The power regeneration assist system, the electric power steering system, the emergency power supply system, the in-wheel motor system, the idling stop system, or a combination thereof described above are preferably mounted on the vehicle.
以下、実施例及び比較例を示して本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例及び比較例により何ら限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples and Comparative Examples.
<実施例1>
<正極活物質の調製>
[調製例1a]
破砕されたヤシ殻炭化物を小型炭化炉内へ入れ、窒素雰囲気下、500℃で3時間炭化処理して炭化物を得た。得られた炭化物を賦活炉内へ入れ、予熱炉で加温した水蒸気を1kg/hで賦活炉内へ導入し、900℃まで8時間かけて昇温して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、窒素雰囲気下で冷却して、賦活された活性炭を得た。得られた賦活された活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りし、115℃に保持された電気乾燥機内で10時間乾燥した後に、ボールミルで1時間粉砕を行うことにより、活性炭1を得た。
島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて、活性炭1の平均粒子径を測定した結果、4.2μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、活性炭1の細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が2360m2/g、メソ孔量(V1)が0.52cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.88cc/g、V1/V2=0.59であった。
<Example 1>
<Preparation of positive electrode active material>
[Preparation Example 1a]
The crushed coconut shell carbide was placed in a small carbonization furnace and carbonized at 500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to obtain carbonized material. The obtained carbide was put into an activation furnace, steam heated in the preheating furnace was introduced into the activation furnace at 1 kg / h, and the temperature was raised to 900 ° C. over 8 hours for activation. The activated carbon was taken out and cooled in a nitrogen atmosphere to obtain activated activated carbon. The obtained activated carbon was washed with water for 10 hours, drained, dried in an electric dryer maintained at 115 ° C. for 10 hours, and then pulverized with a ball mill for 1 hour to obtain activated carbon 1.
The average particle size of activated carbon 1 was measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (SALD-2000J) manufactured by Shimadzu Corporation and found to be 4.2 μm. In addition, the pore distribution of activated carbon 1 was measured using 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 amount (V 1 ) was 0.52 cc / g, the micro hole amount (V 2 ) was 0.88 cc / g, and V 1 / V 2 = 0.59. there were.
[調製例2a]
フェノール樹脂を、焼成炉内へ入れ、窒素雰囲気下、600℃で2時間炭化処理を行った後、ボールミルで粉砕し、分級して平均粒子径7μmの炭化物を得た。得られた炭化物とKOHとを、質量比1:5で混合し、焼成炉内へ入れ、窒素雰囲下、800℃で1時間加熱して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、濃度2mol/Lに調整した希塩酸中で1時間撹拌洗浄し、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することにより、活性炭2を得た。
島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて、活性炭2の平均粒子径を測定した結果、7.0μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、活性炭2の細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が3627m2/g、メソ孔量(V1)が1.50cc/g、マイクロ孔量(V2)が2.28cc/g、V1/V2=0.66であった。
[Preparation Example 2a]
The phenol resin was placed in a firing furnace and carbonized at 600 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, then pulverized with a ball mill and classified to obtain a carbide having an average particle size of 7 μm. The obtained carbide and KOH were mixed at a mass ratio of 1: 5, placed in a firing furnace, and heated at 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere for activation.
As a result of measuring the average particle size of the activated
<炭酸リチウムの粉砕>
平均粒子径53μmの炭酸リチウム200gをアイメックス社製の粉砕機(液体窒素ビーズミルLNM)を用い、液体窒素で−196℃に冷却した後、φ1.0mmのジルコニアビーズを用い、周速10.0m/sにて20分間粉砕して、炭酸リチウム1を得た。−196℃に冷却することで、炭酸リチウムの熱変性を防止しつつ、脆性破壊することができる。得られた炭酸リチウム1の平均粒子径を測定したところ2.5μmであった。
<Crushing lithium carbonate>
200 g of lithium carbonate having an average particle size of 53 μm is cooled to -196 ° C. with liquid nitrogen using a crusher (liquid nitrogen bead mill LNM) manufactured by IMEX, and then using zirconia beads having a diameter of 1.0 mm, a peripheral speed of 10.0 m / The mixture was pulverized in s for 20 minutes to obtain lithium carbonate 1. By cooling to -196 ° C., brittle fracture can be achieved while preventing thermal denaturation of lithium carbonate. The average particle size of the obtained lithium carbonate 1 was measured and found to be 2.5 μm.
<正極前駆体の製造>
活性炭2を正極活物質として用い、炭酸リチウム1をアルカリ金属化合物として用いて、正極前駆体を製造した。
活性炭2を55.5質量部、炭酸リチウム1を32.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)と純水の99:1の混合溶媒を混合し、その混合物をPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17m/sの条件で分散して塗工液を得た。得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE−35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,750mPa・s、TI値は4.2であった。また、得られた塗工液の分散度をヨシミツ精機社製の粒ゲージを用いて測定した。その結果、粒度は31μmであった。塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて、厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度120℃で乾燥して正極前駆体1(片面)及び正極前駆体1(両面)を得た。得られた正極前駆体1(片面)及び正極前駆体1(両面)を、ロールプレス機で圧力6kN/cm及びプレス部の表面温度25℃の条件下でプレスした。プレスされた正極前駆体1(片面)及び正極前駆体1(両面)の全厚を、小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS−551を用いて、正極前駆体1(片面)及び正極前駆体1(両面)の任意の10か所で測定した。測定された全厚の平均値からアルミニウム箔の厚さを引いて、正極前駆体1(片面)及び正極前駆体1(両面)の正極活物質層の膜厚を求めた。その結果、正極活物質層の膜厚は、片面当たり55μmであった。
<Manufacturing of positive electrode precursor>
A positive electrode precursor was produced by using activated
<負極活物質の調製 調製例1>
市販の人造黒鉛のBET比表面積及び細孔分布を、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、上述した方法によって測定した。その結果、BET比表面積は3.1m2/g、平均粒子径は4.8μmであった。
<Preparation of negative electrode active material Preparation example 1>
The BET specific surface area and pore distribution of commercially available artificial graphite were measured by the method described above using a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 3.1 m 2 / g, and the average particle size was 4.8 μm.
この人造黒鉛300g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℃)30gを入れたステンレス製バットの上に置き、両者を電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置した。人造黒鉛と石炭系ピッチを窒素雰囲気下、1000℃まで12時間で昇温し、同温度で5時間保持することにより熱反応させ、複合多孔質炭素材料2aを得た。得られた複合多孔質炭素材料2aを自然冷却により60℃まで冷却し、電気炉から取り出した。 300 g of this artificial graphite is placed in a basket made of stainless steel mesh, placed on a stainless steel vat containing 30 g of coal-based pitch (softening point: 50 ° C.), and both are placed in an electric furnace (effective dimensions in the furnace 300 mm × 300 mm × 300 mm). ) Was installed. The artificial graphite and the carboniferous pitch were heated to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere in 12 hours and kept at the same temperature for 5 hours to cause a thermal reaction to obtain a composite porous carbon material 2a. The obtained composite porous carbon material 2a was cooled to 60 ° C. by natural cooling and taken out from an electric furnace.
得られた複合多孔質炭素材料2aについて、上記と同様の方法でBET比表面積及び細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積は6.1m2/g、平均粒子径は4.9μmであった。また、複合多孔質炭素材料2aにおける、石炭系ピッチ由来の炭素質材料の活性炭に対する質量比率は2.0%であった。 The BET specific surface area and pore distribution of the obtained composite porous carbon material 2a were measured by the same method as described above. As a result, the BET specific surface area was 6.1 m 2 / g and the average particle size was 4.9 μm. Further, in the composite porous carbon material 2a, the mass ratio of the carbonaceous material derived from the carbon-based pitch to the activated carbon was 2.0%.
<負極の製造>
複合多孔質炭素材料2aを負極活物質として用いて負極を製造した。
複合多孔質炭素材料2aを84質量部、アセチレンブラックを10質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を6質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、その混合物をPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17m/sの条件で分散して塗工液を得た。得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE−35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,310mPa・s、TI値は2.9であった。塗工液を、東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ10μmの電解銅箔の両面に塗工速度2m/sの条件で塗工し、乾燥温度120℃で乾燥して負極1を得た。得られた負極1を、ロールプレス機を用いて圧力5kN/cm及びプレス部の表面温度25℃の条件下でプレスした。プレスされた負極1の全厚を、小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS−551を用いて、負極1の任意の10か所で測定した。測定された全厚の平均値から銅箔の厚さを引いて、負極1の負極活物質層の膜厚を求めた。その結果、負極活物質層の膜厚は、片面あたり31μmであった。
<Manufacturing of negative electrode>
A negative electrode was manufactured using the composite porous carbon material 2a as the negative electrode active material.
84 parts by mass of composite porous carbon material 2a, 10 parts by mass of acetylene black, 6 parts by mass of PVdF (polyvinylidene fluoride), and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed, and the mixture is a thin film manufactured by PRIMIX Corporation. Using a swirl-type high-speed mixer fill mix, a coating liquid was obtained by dispersing under the condition of a peripheral speed of 17 m / s. The viscosity (ηb) and TI value of the obtained coating liquid were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,310 mPa · s, and the TI value was 2.9. The coating liquid was applied to both sides of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. at a coating speed of 2 m / s, and dried at a drying temperature of 120 ° C. to obtain a negative electrode 1. rice field. The obtained negative electrode 1 was pressed using a roll press machine under the conditions of a pressure of 5 kN / cm and a surface temperature of the pressed portion of 25 ° C. The total thickness of the pressed negative electrode 1 was measured at any 10 locations on the negative electrode 1 using a film thickness meter Linear Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. The thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode 1 was obtained by subtracting the thickness of the copper foil from the average value of the measured total thickness. As a result, the film thickness of the negative electrode active material layer was 31 μm per one side.
[負極単位重量当たり容量の測定]
得られた負極1を1.4cm×2.0cm(2.8cm2)の大きさに1枚切り出し、銅箔の両面に塗工された負極活物質層の片方の層をスパチュラ、ブラシ、又は刷毛を用いて除去して作用極とした。対極及び参照極としてそれぞれ金属リチウムを用い、電解液としてエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の体積比1:1混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させた非水系溶液を用いて、アルゴンボックス中で電気化学セルを作製した。
得られた電気化学セルについて、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、以下の手順で初期充電容量を測定した。
電気化学セルに対して、温度25℃において、電流値0.5mA/cm2で電圧値が0.01Vになるまで定電流充電を行った後、更に電流値が0.01mA/cm2になるまで定電圧充電を行った。この定電流充電及び定電圧充電の時の充電容量を初回充電容量として評価したところ、0.74mAhであり、負極1の単位質量当たりの容量(リチウムイオンのドープ量)は545mAh/gであった。
[Measurement of capacity per unit weight of negative electrode]
One of the obtained negative electrode 1 was cut out to a size of 1.4 cm × 2.0 cm (2.8 cm 2 ), and one layer of the negative electrode active material layer coated on both sides of the copper foil was a spatula, a brush, or a brush. It was removed with a brush to form a working electrode. LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.0 mol / L in a 1: 1 volume ratio mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) as an electrolytic solution using metallic lithium as a counter electrode and a reference electrode, respectively. Electrochemical cells were made in an argon box using a non-aqueous solution.
The initial charge capacity of the obtained electrochemical cell was measured by the following procedure using a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd.
Against the electrochemical cell, at a temperature 25 ° C., after the voltage value at a current value 0.5 mA / cm 2 was subjected to constant current charging until 0.01 V, further the current value reached 0.01 mA / cm 2 Constant voltage charging was performed up to. When the charging capacity at the time of constant current charging and constant voltage charging was evaluated as the initial charging capacity, it was 0.74 mAh, and the capacity per unit mass of the negative electrode 1 (lithium ion doping amount) was 545 mAh / g. ..
<電解液の調製>
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=33:67(体積比)の混合溶媒を用い、全電解液に対してLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度比が75:25(モル比)であり、かつLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度の和が1.2mol/Lとなるようにそれぞれの電解質塩を溶解して非水系電解液1を得た。非水系電解液1におけるLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度は、それぞれ、0.9mol/L及び0.3mol/Lであった。
<Preparation of electrolyte>
As an organic solvent, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC): ethylmethyl carbonate (EMC) = 33: 67 (volume ratio) was used, and the concentration ratio of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 to the total electrolytic solution was Each electrolyte salt is dissolved to obtain a non-aqueous electrolyte solution 1 so that the concentration is 75:25 (molar ratio) and the sum of the concentrations of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 is 1.2 mol / L. rice field. The concentrations of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 in the non-aqueous electrolyte solution 1 were 0.9 mol / L and 0.3 mol / L, respectively.
<非水系リチウム蓄電素子の作製>
得られた正極前駆体1を、正極活物質層が10.0cm×10.0cm(100cm2)の大きさになるよう、正極前駆体1(片面)を2枚、正極前駆体1(両面)を19枚切り出した。続いて負極1を、負極活物質層が10.1cm×10.1cm(102cm2)の大きさになるよう20枚切り出した。また、10.3cm×10.3cm(106cm2)のポリエチレン製のセパレータ(旭化成株式会社製、厚み10μm)を40枚用意した。これらを、最外層が正極前駆体1(片面)になるように、正極前駆体1、セパレータ、負極1の順にセパレータを挟んで正極活物質層と負極活物質層とが対向するよう積層し、電極積層体を得た。得られた電極積層体に正極端子及び負極端子を超音波溶接し、アルミラミネート包材で形成された容器に入れ、電極端子部を含む3辺をヒートシールによりシールした。
<Manufacturing of non-aqueous lithium storage element>
The obtained positive electrode precursor 1 has two positive electrode precursors 1 (one side) and one positive electrode precursor 1 (both sides) so that the positive electrode active material layer has a size of 10.0 cm × 10.0 cm (100 cm 2). Was cut out. Subsequently, 20 negative electrodes 1 were cut out so that the negative electrode active material layer had a size of 10.1 cm × 10.1 cm (102 cm 2). Further, 40 sheets of 10.3 cm × 10.3 cm (106 cm 2 ) polyethylene separators (manufactured by Asahi Kasei Corporation, thickness 10 μm) were prepared. These are laminated so that the positive electrode precursor 1, the separator, and the negative electrode 1 are laminated in this order so that the positive electrode precursor 1 (one side) becomes the positive electrode precursor 1 (one side), and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other. An electrode laminate was obtained. The positive electrode terminal and the negative electrode terminal were ultrasonically welded to the obtained electrode laminate, placed in a container made of an aluminum laminate packaging material, and three sides including the electrode terminal portion were sealed by heat sealing.
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、大気圧下、温度25℃、露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、非水系電解液1を約70g注入した。続いて、電極積層体及び非水系電解液を収納しているアルミラミネート包材を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、チャンバー内の包材を大気圧から−87kPaまで減圧した後に大気圧に戻す工程を4回繰り返したのち、15分間静置した。さらに、チャンバー内の包材を大気圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(大気圧から、それぞれ−95,−96,−97,−81,−97,−97,−97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液1を電極積層体に含浸させた。
その後、非水系電解液1を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
About 70 g of the non-aqueous electrolyte solution 1 was injected into the electrode laminate housed in the aluminum laminate packaging material under atmospheric pressure, a temperature of 25 ° C., and a dew point of −40 ° C. or lower in a dry air environment. Subsequently, the aluminum laminate packaging material containing the electrode laminate and the non-aqueous electrolyte solution was placed in a decompression chamber, the pressure was reduced from atmospheric pressure to −87 kPa, the pressure was returned to atmospheric pressure, and the mixture was allowed to stand for 5 minutes. Then, the step of reducing the pressure of the packaging material in the chamber from atmospheric pressure to −87 kPa and then returning it to atmospheric pressure was repeated four times, and then the mixture was allowed to stand for 15 minutes. Further, the packaging material in the chamber was depressurized from atmospheric pressure to −91 kPa, and then returned to atmospheric pressure. Similarly, the steps of reducing the pressure and returning to the atmospheric pressure were repeated 7 times in total (the pressure was reduced from the atmospheric pressure to -95, -96, -97, -81, -97, -97, and -97 kPa, respectively). Through the above steps, the electrode laminate 1 was impregnated with the non-aqueous electrolyte solution 1.
After that, the electrode laminate impregnated with the non-aqueous electrolyte 1 was placed in a decompression sealer, and the aluminum laminate packaging material was sealed at 180 ° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa in a state of being depressurized to −95 kPa. Sealed.
[リチウムドープ工程]
封止後に得られた電極積層体を、温度25℃、露点−60℃、酸素濃度1ppmのアルゴンボックス内に入れた。アルミラミネート包材の余剰部を切断して開封し、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を6cm×6cmのフィルムヒーターを用いて40℃に加温した。その後、松定プレシジョン社製の電源(P4LT18−0.2)を用いて、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を72時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。リチウムドープ終了後、富士インパルス社製のヒートシール機(FA−300)を用いてアルミラミネートを封止した。
[Lithium dope process]
The electrode laminate obtained after sealing was placed in an argon box having a temperature of 25 ° C., a dew point of −60 ° C., and an oxygen concentration of 1 ppm. The excess portion of the aluminum laminate packaging material was cut and opened, and the central portion of the electrode laminate on the aluminum laminate was heated to 40 ° C. using a film heater of 6 cm × 6 cm. After that, using a power supply manufactured by Matsusada Precision Co., Ltd. (P4LT18-0.2), constant current charging was performed at a current value of 100 mA until the voltage reached 4.5 V, and then 4.5 V constant voltage charging was performed 72. Initial charging was performed by a time-continuous method, and the negative electrode was lithium-doped. After the lithium doping was completed, the aluminum laminate was sealed using a heat sealing machine (FA-300) manufactured by Fuji Impulse.
[エージング工程]
リチウムドープ後の電極積層体をアルゴンボックスから取り出し、25℃環境下、100mAで電圧3.8Vに到達するまで定電流放電を行った後、3.8V定電流放電を1時間行うことにより、電圧を3.8Vに調整した。続いて、電極積層体を60℃の恒温槽に48時間保管した。
[Aging process]
The electrode laminate after lithium doping is taken out from the argon box, and a constant current discharge is performed at 100 mA at 100 mA until the voltage reaches 3.8 V in an environment of 25 ° C., and then a 3.8 V constant current discharge is performed for 1 hour to obtain a voltage. Was adjusted to 3.8V. Subsequently, the electrode laminate was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 48 hours.
[ガス抜き工程]
エージング後の電極積層体を、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。続いて、減圧チャンバーの中に電極積層体を入れ、ダイヤフラムポンプ(KNF社製、N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機に電極積層体を入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止し、非水系リチウム蓄電素子を作製した。以上の工程により、非水系リチウム蓄電素子を2個作製した。
[Degassing process]
A part of the aluminum laminate packaging material was opened from the aged electrode laminate in a dry air environment at a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. Subsequently, the electrode laminate was placed in the decompression chamber, and the pressure was reduced from atmospheric pressure to -80 kPa for 3 minutes using a diaphragm pump (KNF, N816.3KT.45.18), and then over 3 minutes. The process of returning to atmospheric pressure was repeated a total of 3 times. After that, the electrode laminate was placed in a decompression sealing machine, the pressure was reduced to -90 kPa, and then the aluminum laminate packaging material was sealed by sealing at 200 ° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa to form a non-aqueous lithium power storage element. Made. By the above steps, two non-aqueous lithium storage elements were manufactured.
<非水系リチウム蓄電素子の評価>
[静電容量Faの測定]
得られた非水系リチウム蓄電素子の内の1個について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス福島株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、2Cの電流値(1.6A)で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行った。その後、2.2Vまで2Cの電流値(1.6A)で定電流放電を施した際の容量をQ[C]とし、F=Q/(3.8−2.2)により算出した静電容量Faは、1765Fであった。
<Evaluation of non-aqueous lithium storage element>
[Measurement of capacitance Fa]
For one of the obtained non-aqueous lithium storage elements, a current value of 2C was used in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Fukushima Limited. Constant current charging was performed at (1.6A) until it reached 3.8V, followed by constant voltage charging at which a constant voltage of 3.8V was applied for a total of 30 minutes. After that, the capacitance when constant current discharge is applied to a current value of 2C (1.6A) up to 2.2V is defined as Q [C], and the capacitance calculated by F = Q / (3.8-2.2). The capacity Fa was 1765F.
[内部抵抗Raの測定]
前記工程で得られた非水系リチウム蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス福島株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、20Cの電流値(16A)で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行った。その後、サンプリング時間を0.1秒とし、20Cの電流値(16A)で2.2Vまで定電流放電を行い、放電カーブ(時間−電圧)を得た。この放電カーブにおいて、放電時間2秒及び4秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとし、降下電圧ΔE=3.8−Eo、及びR=ΔE/(電流値20C)により内部抵抗Raを算出したところ、0.58mΩであった。
[Measurement of internal resistance Ra]
The non-aqueous lithium storage element obtained in the above step has a current value (16A) of 20C in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Fukushima Limited. ) Was charged with a constant current until it reached 3.8 V, and then constant voltage charging with a constant voltage of 3.8 V was performed for a total of 30 minutes. Then, the sampling time was set to 0.1 seconds, and constant current discharge was performed up to 2.2 V at a current value (16 A) of 20 C to obtain a discharge curve (time-voltage). In this discharge curve, the voltage at the discharge time = 0 second obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds is defined as Eo, the voltage drop ΔE = 3.8-Eo, and When the internal resistance Ra was calculated from R = ΔE / (current value 20C), it was 0.58 mΩ.
[高負荷充放電サイクル試験]
前記工程で得られた非水系リチウム蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス福島株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、200Cの電流値(160A)で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて200Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う充放電工程を休止なしの条件で60000回繰り返した。サイクル終了後に内部抵抗Rbを測定したところ0.63mΩであり、Rb/Ra=1.09であった。また、高負荷充放電サイクル前後での非水系リチウム蓄電素子の体積をアルキメデス法で測定したところ、ガス発生量V=1.4ccであった。
[High load charge / discharge cycle test]
The non-aqueous lithium storage element obtained in the above step has a current value (160A) of 200C using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited in a constant temperature bath set at 25 ° C. ), A constant current charge was performed until the current value reached 3.8 V, and then a constant current discharge was performed until the current value reached 2.2 V at 200 C. The charge / discharge process was repeated 60,000 times under the condition of no pause. When the internal resistance Rb was measured after the end of the cycle, it was 0.63 mΩ, and Rb / Ra = 1.09. Further, when the volume of the non-aqueous lithium storage element before and after the high load charge / discharge cycle was measured by the Archimedes method, the amount of gas generated was V = 1.4 cc.
<リチウム化合物及び正極活物質の定量>
[正極試料の調製]
得られた残りの非水系リチウム蓄電素子を露点温度−72℃のアルゴンボックス中で解体し、両面に正極活物質層が塗工された正極を10cm×10cmの大きさに2枚切り出し、得られた正極それぞれを150gのジエチルカーボネート溶媒に浸し、時折ピンセットで正極を動かし、10分間洗浄した。続いて溶媒から正極を取り出し、アルゴンボックス中で5分間風乾させ、新たに用意した150gのジエチルカーボネート溶媒に正極を浸し、上記と同様の方法にて10分間洗浄した。洗浄された正極をアルゴンボックスから取り出し、真空乾燥機(ヤマト科学製、DP33)を用いて、温度25℃、圧力1kPaの条件にて20時間乾燥し、正極試料1を2枚得た。
<Quantification of lithium compounds and positive electrode active materials>
[Preparation of positive electrode sample]
The remaining non-aqueous lithium storage element was disassembled in an argon box with a dew point temperature of −72 ° C., and two positive electrodes coated with a positive electrode active material layer on both sides were cut out to a size of 10 cm × 10 cm to obtain the obtained material. Each of the positive electrodes was immersed in 150 g of diethyl carbonate solvent, and the positive electrodes were occasionally moved with tweezers to wash for 10 minutes. Subsequently, the positive electrode was taken out from the solvent, air-dried in an argon box for 5 minutes, the positive electrode was immersed in 150 g of newly prepared diethyl carbonate solvent, and washed for 10 minutes in the same manner as described above. The washed positive electrode was taken out from the argon box and dried using a vacuum dryer (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., DP33) at a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1 kPa for 20 hours to obtain two positive electrode samples 1.
[Cx1、Cy1、Cx2、Cy2の算出]
正極試料1の1枚について、150gのエタノール溶媒に浸し、容器に蓋をして25℃環境下、3日間静置した。その後正極試料1を取り出し、120℃、5kPaの条件にて10時間真空乾燥した。洗浄後のエタノール溶液について、予め検量線を作成した条件にてGC/MSを測定し、ジエチルカーボネートの存在量が1%未満であることを確認した。その後、正極活物質層の4辺の端部から5mmの位置で正極試料1を切断し、正極中央部(面積Sx=81cm2、重量M0x=0.836g)及び正極外周部(面積Sy=19cm2、重量M0y=0.204g)を得た。正極中央部を83.6gの蒸留水、及び正極外周部を20.4gの蒸留水に含浸させ、容器に蓋をして45℃環境下、3日間静置した。その後正極中央部、及び正極外周部を取り出し、150℃、3kPaの条件にて12時間真空乾燥した。真空乾燥後の正極中央部の重量M1xは0.783gであり、正極外周部の重量M1yは0.184gであった。洗浄後の蒸留水について、予め検量線を作成した条件にてGC/MSを測定し、エタノールの存在量が1%未満であることを確認した。その後、スパチュラ、ブラシ、又は刷毛を用いて正極集電体上の活物質層を取り除き、正極集電体の重量を測定したところM2x=0.321gであり、M2y=0.075gであった。(1)式及び(2)式に従いCx1=6.54、Cy1=10.53、Cx2=57.04、Cy2=57.37と算出した。
[Calculation of C x1 , Cy1 , C x2 , Cy2]
One of the positive electrode samples 1 was immersed in 150 g of an ethanol solvent, the container was covered, and the sample was allowed to stand in an environment of 25 ° C. for 3 days. Then, the positive electrode sample 1 was taken out and vacuum dried at 120 ° C. and 5 kPa for 10 hours. For the washed ethanol solution, GC / MS was measured under the condition that a calibration curve was prepared in advance, and it was confirmed that the abundance of diethyl carbonate was less than 1%. Thereafter, a positive electrode sample 1 was digested with 5mm position from the end of the four sides of the positive electrode active material layer, the positive electrode central portion (area S x = 81cm 2, the weight M 0x = 0.836 g) and the cathode outer periphery (the area S y = 19cm 2, to obtain a weight M 0y = 0.204g). The central portion of the positive electrode was impregnated with 83.6 g of distilled water and the outer peripheral portion of the positive electrode was impregnated with 20.4 g of distilled water, the container was covered, and the mixture was allowed to stand in an environment of 45 ° C. for 3 days. Then, the central portion of the positive electrode and the outer peripheral portion of the positive electrode were taken out and vacuum dried at 150 ° C. and 3 kPa for 12 hours. The weight M 1x of the central portion of the positive electrode after vacuum drying was 0.783 g, and the weight M 1y of the outer peripheral portion of the positive electrode was 0.184 g. For the distilled water after washing, GC / MS was measured under the condition that a calibration curve was prepared in advance, and it was confirmed that the abundance of ethanol was less than 1%. Then, the active material layer on the positive electrode current collector was removed using a spatula, a brush, or a brush, and the weight of the positive electrode current collector was measured. As a result, M 2x = 0.321 g and M 2y = 0.075 g. rice field. According to the equations (1) and (2), C x1 = 6.54, Cy1 = 10.53, C x2 = 57.04, and Cy2 = 57.37 were calculated.
<A1、A2の算出>
[正極表面SEM及びEDX測定]
残りの正極試料1から1cm×1cmの小片を切り出し、10Paの真空中にてスパッタリングにより表面に金をコーティングした。続いて以下に示す条件にて、大気暴露下で正極表面のSEM、及びEDXを測定した。
(SEM−EDX測定条件)
・測定装置:日立ハイテクノロジー製、電解放出型走査型電子顕微鏡 FE−SEM S−4700
・加速電圧:10kV
・エミッション電流:1μA
・測定倍率:2000倍
・電子線入射角度:90°
・X線取出角度:30°
・デッドタイム:15%
・マッピング元素:C,O,F
・測定画素数:256×256ピクセル
・測定時間:60sec.
・積算回数:50回
・明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整した。
<A 1 ,A 2 Nosanshutsu_>
[Measurement of positive electrode surface SEM and EDX]
A small piece of 1 cm × 1 cm was cut out from the remaining positive electrode sample 1, and the surface was coated with gold by sputtering in a vacuum of 10 Pa. Subsequently, under the conditions shown below, SEM and EDX on the surface of the positive electrode were measured under atmospheric exposure.
(SEM-EDX measurement conditions)
-Measuring device: Electron emission scanning electron microscope FE-SEM S-4700 manufactured by Hitachi High-Technology
・ Acceleration voltage: 10kV
・ Emission current: 1μA
・ Measurement magnification: 2000 times ・ Electron beam incident angle: 90 °
・ X-ray extraction angle: 30 °
・ Dead time: 15%
-Mapping elements: C, O, F
-Number of measurement pixels: 256 x 256 pixels-Measurement time: 60 sec.
-Number of integrations: 50 times-The brightness and contrast were adjusted so that there were no pixels that reached the maximum brightness and the average value of the brightness was within the range of 40% to 60%.
(SEM−EDXの解析)
得られた酸素マッピング及びフッ素マッピングに対し、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて明るさの平均値を基準に二値化した。この時の酸素マッピングの面積は全画像に対して14.4%であり、フッ素マッピングの面積は30.2%であった。二値化して得た酸素マッピングとフッ素マッピングの重複する面積は全画像に対して12.9%であり、酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率をA1[%]とすると、A1=100×12.9/14.4より89.6%であった。
(Analysis of SEM-EDX)
The obtained oxygen mapping and fluorine mapping were binarized based on the average value of brightness using image analysis software (ImageJ). The area of oxygen mapping at this time was 14.4% with respect to all images, and the area of fluorine mapping was 30.2%. The overlapping area of oxygen mapping and fluorine mapping obtained by binarization is 12.9% for all images, and if the area overlapping rate of fluorine mapping for oxygen mapping is A 1 [%], A 1 = 100. It was 89.6% from × 12.9 / 14.4.
[正極断面SEM及びEDX測定]
正極試料1から1cm×1cmの小片を切り出し、日本電子製のSM−09020CPを用い、アルゴンガスを使用し、加速電圧4kV、ビーム径500μmの条件にて正極試料1の面方向に垂直な断面を作製した。その後、上述の方法により正極断面SEM及びEDXを測定した。
得られた正極断面のSEM−EDXについて、上記と同様に酸素マッピング及びフッ素マッピングを二値化し、酸素マッピングに対するフッ素マッピングの面積重複率A2を算出したところ42.2%であった。
[Measurement of positive electrode cross section SEM and EDX]
A small piece of 1 cm × 1 cm is cut out from the positive electrode sample 1, and a cross section perpendicular to the plane direction of the positive electrode sample 1 is formed under the conditions of an acceleration voltage of 4 kV and a beam diameter of 500 μm using SM-09020CP manufactured by JEOL Ltd. and argon gas. Made. Then, the positive electrode cross sections SEM and EDX were measured by the above-mentioned method.
For SEM-EDX of the obtained positive electrode section binarizes the oxygen mapping and fluorine mapping in the same manner as described above, was 42.2% when calculating the area overlapping ratio A 2 fluorine mapping for oxygen mapping.
<実施例2>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 2>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例3>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 3>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例4>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.6Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.6V定電圧充電を72時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 4>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.6 V at a current value of 100 mA, and then 4.6 V constant voltage charging is continued for 72 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例5>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.6Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.6V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例4と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 5>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.6 V at a current value of 100 mA, and then 4.6 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 4 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例6>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.6Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.6V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例4と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 6>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.6 V at a current value of 100 mA, and then 4.6 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 4 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例7>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を72時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 7>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.3 V at a current value of 100 mA, and then 4.3 V constant voltage charging is continued for 72 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例8>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例7と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 8>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.3 V at a current value of 100 mA, and then 4.3 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 7 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例9>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例7と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 9>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.3 V at a current value of 100 mA, and then 4.3 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 7 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例10>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を6cm×6cmのフィルムヒーターを用いて50℃に加温したこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 10>
The same method as in Example 1 except that the central portion of the electrode laminate on the aluminum laminate was heated to 50 ° C. using a 6 cm × 6 cm film heater in the initial charging of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step. A non-aqueous lithium storage element was manufactured in the above.
<実施例11>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例10と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 11>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 10 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例12>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例10と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 12>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 10 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例13>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を6cm×6cmのフィルムヒーターを用いて60℃に加温したこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 13>
The same method as in Example 1 except that the central portion of the electrode laminate on the aluminum laminate was heated to 60 ° C. using a 6 cm × 6 cm film heater in the initial charging of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step. A non-aqueous lithium storage element was manufactured in the above.
<実施例14>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例13と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 14>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 13 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例15>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例13と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Example 15>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Example 13 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例1>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を加温せず、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を72時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative example 1>
In the initial charging of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping process, the central part of the electrode laminate on the aluminum laminate is not heated, and constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA. A non-aqueous lithium storage device was produced by the same method as in Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped by continuing 4.5 V constant voltage charging for 72 hours.
<比較例2>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative example 2>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例3>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative example 3>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例4>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を加温せず、電流値100mAで電圧4.6Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.6V定電圧充電を72時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative example 4>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping process, the central part of the electrode laminate on the aluminum laminate is not heated, and constant current charging is performed until the voltage reaches 4.6 V at a current value of 100 mA. By continuing 4.6 V constant voltage charging for 72 hours, a non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode was lithium doped.
<比較例5>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.6Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.6V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例4と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative example 5>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.6 V at a current value of 100 mA, and then 4.6 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 4 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例6>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.6Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.6V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例4と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 6>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.6 V at a current value of 100 mA, and then 4.6 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 4 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例7>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を加温せず、電流値100mAで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を72時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 7>
In the initial charging of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping process, the central part of the electrode laminate on the aluminum laminate is not heated, and constant current charging is performed until the voltage reaches 4.3 V at a current value of 100 mA. A non-aqueous lithium power storage device was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 except that the negative electrode was lithium-doped by continuing 4.3 V constant voltage charging for 72 hours.
<比較例8>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例7と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 8>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.3 V at a current value of 100 mA, and then 4.3 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 7 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例9>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例7と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 9>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.3 V at a current value of 100 mA, and then 4.3 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 7 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例10>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を6cm×6cmのフィルムヒーターを用いて80℃に加温したこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 10>
The same method as in Example 1 except that the central portion of the electrode laminate on the aluminum laminate was heated to 80 ° C. using a 6 cm × 6 cm film heater in the initial charging of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step. A non-aqueous lithium storage element was manufactured in the above.
<比較例11>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例10と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 11>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 10 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例12>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例10と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 12>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 10 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例13>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を6cm×6cmのフィルムヒーターを用いて85℃に加温したこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 13>
The same method as in Example 1 except that the central portion of the electrode laminate on the aluminum laminate was heated to 85 ° C. using a 6 cm × 6 cm film heater in the initial charging of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step. A non-aqueous lithium storage element was manufactured in the above.
<比較例14>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例13と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 14>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 13 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例15>
リチウムドープ工程の非水系リチウム蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例13と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 15>
In the initial charge of the non-aqueous lithium storage element in the lithium doping step, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5 V at a current value of 100 mA, and then 4.5 V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 13 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例16>
炭酸リチウムを、25℃環境下、φ1.0mmのジルコニアビーズを用い、周速10.0m/sにて5分間粉砕し、塗工液の調製をNMP(N−メチルピロリドン)の100%溶媒を用いたこと以外は比較例10と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 16>
Lithium carbonate was crushed in a 25 ° C environment using φ1.0 mm zirconia beads at a peripheral speed of 10.0 m / s for 5 minutes, and the coating liquid was prepared using 100% solvent of NMP (N-methylpyrrolidone). A non-aqueous lithium storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 10 except that it was used.
<比較例17>
炭酸リチウムを、25℃環境下、φ1.0mmのジルコニアビーズを用い、周速10.0m/sにて5分間粉砕し、塗工液の調製をNMP(N−メチルピロリドン)の100%溶媒を用いたこと以外は比較例11と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative example 17>
Lithium carbonate was crushed in a 25 ° C environment using φ1.0 mm zirconia beads at a peripheral speed of 10.0 m / s for 5 minutes, and the coating liquid was prepared using 100% solvent of NMP (N-methylpyrrolidone). A non-aqueous lithium storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 11 except that it was used.
<比較例18>
炭酸リチウムを、25℃環境下、φ1.0mmのジルコニアビーズを用い、周速10.0m/sにて5分間粉砕し、塗工液の調製をNMP(N−メチルピロリドン)の100%溶媒を用いたこと以外は比較例12と同様の方法で非水系リチウム蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 18>
Lithium carbonate was crushed in a 25 ° C environment using φ1.0 mm zirconia beads at a peripheral speed of 10.0 m / s for 5 minutes, and the coating liquid was prepared using 100% solvent of NMP (N-methylpyrrolidone). A non-aqueous lithium storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 12 except that it was used.
実施例1〜15、比較例1〜18の非水系リチウム蓄電素子の評価結果を表1に示す。 Table 1 shows the evaluation results of the non-aqueous lithium storage elements of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 18.
<実施例16>
<正極前駆体の製造>
活性炭1を50.5質量部、炭酸リチウムを40.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を5.0質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)と純水の99:1の混合溶媒を混合したこと以外は実施例1と同様の方法で正極前駆体2(片面)及び正極前駆体2(両面)を作製した。
<Example 16>
<Manufacturing of positive electrode precursor>
5. 0.5 parts by mass of activated carbon 1, 40.0 parts by mass of lithium carbonate, 3.0 parts by mass of Ketjen black, 1.5 parts by mass of PVP (polypolypyrrolidone), and PVDF (polyvinylidene fluoride). Positive electrode precursor 2 (one side) and positive electrode precursor 2 (both sides) in the same manner as in Example 1 except that 0 parts by mass and a mixed solvent of NMP (N-methylpyrrolidone) and pure water of 99: 1 were mixed. ) Was prepared.
<負極活物質の調製 調製例2>
市販のヤシ殻活性炭のBET比表面積及び細孔分布を、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、上述した方法によって測定した。その結果、BET比表面積は1,790m2/g、メソ孔量(V1)は0.199cc/g、マイクロ孔量(V2)は0.698cc/g、V1/V2=0.29、そして平均細孔径は20.1Åであった。
このヤシ殻活性炭300g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℃)540gを入れたステンレス製バットの上に置き、両者を電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置した。ヤシ殻活性炭と石炭系ピッチを窒素雰囲気下、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持することにより熱反応させ、複合多孔質炭素材料1bを得た。得られた複合多孔質炭素材料1bを自然冷却により60℃まで冷却した後、電気炉から取り出した。
得られた複合多孔質炭素材料1bについて、上記と同様の方法でBET比表面積及び細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積は262m2/g、メソ孔量(Vm1)は0.186cc/g、マイクロ孔量(Vm2)は0.082cc/g、Vm1/Vm2=2.27であった。また、複合多孔質炭素材料1bにおいて、石炭系ピッチ由来の炭素質材料の活性炭に対する質量比率は78%であった。
<Preparation of negative electrode active material Preparation example 2>
The BET specific surface area and pore distribution of commercially available coconut shell activated carbon were measured by the method described above using a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 1,790 m 2 / g, the mesopore amount (V 1 ) was 0.199 cc / g, the micropore amount (V 2 ) was 0.698 cc / g, and V 1 / V 2 = 0. 29, and the average pore size was 20.1 Å.
300 g of this coconut shell activated carbon is placed in a basket made of stainless steel mesh, placed on a stainless steel bat containing 540 g of coal-based pitch (softening point: 50 ° C.), and both are placed in an electric furnace (effective dimensions in the furnace: 300 mm × 300 mm ×). It was installed within 300 mm). The temperature of the coconut shell activated carbon and the coal-based pitch was raised to 600 ° C. in 8 hours under a nitrogen atmosphere, and the temperature was maintained at the same temperature for 4 hours to cause a thermal reaction to obtain a composite porous carbon material 1b. The obtained composite porous carbon material 1b was cooled to 60 ° C. by natural cooling, and then taken out from an electric furnace.
The BET specific surface area and pore distribution of the obtained composite porous carbon material 1b were measured by the same method as described above. As a result, the BET specific surface area was 262 m 2 / g, the mesopore amount (V m1 ) was 0.186 cc / g, the micropore amount (V m2 ) was 0.082 cc / g, and V m1 / V m2 = 2.27. there were. Further, in the composite porous carbon material 1b, the mass ratio of the carbonaceous material derived from the coal-based pitch to the activated carbon was 78%.
<負極の製造>
複合多孔質炭素材料1bを負極活物質として用いて負極を製造した。
複合多孔質炭素材料1bを84質量部、アセチレンブラックを10質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を6質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、その混合物をPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17m/sの条件で分散して塗工液を得た。得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE−35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,789mPa・s、TI値は4.3であった。塗工液を、東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて、厚さ10μmの電解銅箔の両面に塗工速度2m/sの条件で塗工し、乾燥温度120℃で乾燥して負極2を得た。得られた負極2を、ロールプレス機を用いて、圧力5kN/cm及びプレス部の表面温度25℃の条件下でプレスした。プレスされた負極2の全厚を、小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS−551を用いて、負極2の任意の10か所で測定した。測定された全厚の平均値から銅箔の厚さを引いて、負極2の負極活物質層の膜厚を求めた。その結果、負極活物質層の膜厚は、片面あたり40μmであった。
<Manufacturing of negative electrode>
A negative electrode was manufactured using the composite porous carbon material 1b as a negative electrode active material.
84 parts by mass of composite porous carbon material 1b, 10 parts by mass of acetylene black, 6 parts by mass of PVdF (polyvinylidene fluoride), and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed, and the mixture is a thin film manufactured by PRIMIX Corporation. Using a swirl-type high-speed mixer fill mix, a coating liquid was obtained by dispersing under the condition of a peripheral speed of 17 m / s. The viscosity (ηb) and TI value of the obtained coating liquid were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,789 mPa · s, and the TI value was 4.3. The coating liquid was applied to both sides of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. at a coating speed of 2 m / s, and dried at a drying temperature of 120 ° C. to obtain a
[負極単位重量当たり容量の測定]
得られた負極2を1.4cm×2.0cm(2.8cm2)の大きさに1枚切り出し、銅箔の両面に塗工された負極活物質層の片方の層をスパチュラ、ブラシ、又は刷毛を用いて除去して作用極とした。対極及び参照極としてそれぞれ金属リチウムを用い、電解液としてエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の体積比1:1混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させた非水系溶液を用いて、アルゴンボックス中で電気化学セルを作製した。
得られた電気化学セルについて、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、以下の手順で初期充電容量を測定した。
電気化学セルに対して、温度25℃において、電流値0.5mA/cm2で電圧値が0.01Vになるまで定電流充電を行った後、更に電流値が0.01mA/cm2になるまで定電圧充電を行った。この定電流充電及び定電圧充電の時の充電容量を初回充電容量として評価したところ、1.6mAhであり、負極2の単位質量当たりの容量(リチウムイオンのドープ量)は1460mAh/gであった。
[Measurement of capacity per unit weight of negative electrode]
One of the obtained
The initial charge capacity of the obtained electrochemical cell was measured by the following procedure using a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd.
Against the electrochemical cell, at a temperature 25 ° C., after the voltage value at a current value 0.5 mA / cm 2 was subjected to constant current charging until 0.01 V, further the current value reached 0.01 mA / cm 2 Constant voltage charging was performed up to. When the charging capacity at the time of constant current charging and constant voltage charging was evaluated as the initial charging capacity, it was 1.6 mAh, and the capacity per unit mass of the negative electrode 2 (lithium ion doping amount) was 1460 mAh / g. ..
<非水系リチウム金属型蓄電素子の作製及び評価>
正極前駆体2(片面)を2枚、正極前駆体2(両面)を19枚、負極2を20枚用いたこと以外は実施例1と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製し、評価した。
<Manufacturing and evaluation of non-aqueous lithium metal storage elements>
A non-aqueous lithium metal storage element was produced in the same manner as in Example 1 except that two positive electrode precursors 2 (single side), 19 positive electrode precursors 2 (both sides), and 20 negative electrode 2s were used. ,evaluated.
<実施例17>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 17>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5V at a current value of 100mA, and then 4.5V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例18>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 18>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5V at a current value of 100mA, and then 4.5V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例19>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、アルミラミネート上の電極積層体の中央部を加温せず、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を72時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 19>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging was performed until the voltage reached 4.5 V at a current value of 100 mA without heating the central portion of the electrode laminate on the aluminum laminate. After that, by continuing 4.5 V constant voltage charging for 72 hours, a non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例20>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 20>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5V at a current value of 100mA, and then 4.5V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例21>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を12時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 21>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5V at a current value of 100mA, and then 4.5V constant voltage charging is continued for 12 hours. A non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that the negative electrode was lithium-doped.
<実施例19>
アルカリ金属化合物として炭酸ナトリウムを用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 19>
A non-aqueous lithium metal storage device was produced in the same manner as in Example 16 except that sodium carbonate was used as the alkali metal compound.
<実施例20>
アルカリ金属化合物として炭酸カリウムを用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 20>
A non-aqueous lithium metal storage device was produced in the same manner as in Example 16 except that potassium carbonate was used as the alkali metal compound.
<実施例21>
アルカリ金属化合物として炭酸セシウムを用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 21>
A non-aqueous lithium metal storage device was produced in the same manner as in Example 16 except that cesium carbonate was used as the alkali metal compound.
<比較例22>
アルカリ金属化合物として炭酸ナトリウムを用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 22>
A non-aqueous lithium metal storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that sodium carbonate was used as the alkali metal compound.
<比較例23>
アルカリ金属化合物として炭酸カリウムを用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 23>
A non-aqueous lithium metal storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that potassium carbonate was used as the alkali metal compound.
<比較例24>
アルカリ金属化合物として炭酸セシウムを用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 24>
A non-aqueous lithium metal storage device was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that cesium carbonate was used as the alkali metal compound.
<実施例22>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの混合物を用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 22>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that a mixture of lithium carbonate and sodium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<実施例23>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと炭酸カリウムの混合物を用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 23>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that a mixture of lithium carbonate and potassium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<実施例24>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸ナトリウムと炭酸カリウムの混合物を用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 24>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that a mixture of sodium carbonate and potassium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<実施例25>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと酸化リチウムの混合物を用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 25>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that a mixture of lithium carbonate and lithium oxide having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<実施例26>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと水酸化リチウムの混合物を用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 26>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that a mixture of lithium carbonate and lithium hydroxide having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<実施例27>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸ナトリウムと炭酸カルシウムの混合物を用いたこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Example 27>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Example 16 except that a mixture of sodium carbonate and calcium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例28>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの混合物を用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 28>
A non-aqueous lithium metal storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that a mixture of lithium carbonate and sodium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例29>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと炭酸カリウムの混合物を用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 29>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that a mixture of lithium carbonate and potassium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例30>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸ナトリウムと炭酸カリウムの混合物を用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 30>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that a mixture of sodium carbonate and potassium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例31>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと酸化リチウムの混合物を用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 31>
A non-aqueous lithium metal storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that a mixture of lithium carbonate and lithium oxide having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例32>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸リチウムと水酸化リチウムの混合物を用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 32>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that a mixture of lithium carbonate and lithium hydroxide having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例33>
アルカリ金属化合物として重量比75:25の炭酸ナトリウムと炭酸カルシウムの混合物を用いたこと以外は比較例19と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 33>
A non-aqueous lithium metal power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 19 except that a mixture of sodium carbonate and calcium carbonate having a weight ratio of 75:25 was used as the alkali metal compound.
<比較例34>
正極前駆体を作製する工程において、ダイと正極集電体のクリアランスが中央部240μm、端部200μmになる凹状のダイを用いて塗工液を塗布したこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 34>
In the step of producing the positive electrode precursor, the coating liquid was applied using a concave die having a clearance between the die and the positive electrode current collector of 240 μm at the center and 200 μm at the end, in the same manner as in Example 16. A non-aqueous lithium metal type current collector was manufactured.
<比較例35>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例34と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 35>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5V at a current value of 100mA, and then 4.5V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 34 except that the negative electrode was lithium-doped.
<比較例36>
正極前駆体を作製する工程において、ダイと正極集電体のクリアランスが中央部260μm、端部180μmになる凹状のダイを用いて塗工液を塗布したこと以外は実施例16と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 36>
In the step of producing the positive electrode precursor, the coating liquid was applied using a concave die having a clearance between the die and the positive electrode current collector of 260 μm at the center and 180 μm at the end, in the same manner as in Example 16. A non-aqueous lithium metal type current collector was manufactured.
<比較例37>
リチウムドープ工程の非水系リチウム金属型蓄電素子の初期充電において、電流値100mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を36時間継続することにより、負極にリチウムドープを行ったこと以外は比較例36と同様の方法で非水系リチウム金属型蓄電素子を作製した。
<Comparative Example 37>
In the initial charging of the non-aqueous lithium metal storage element in the lithium doping process, constant current charging is performed until the voltage reaches 4.5V at a current value of 100mA, and then 4.5V constant voltage charging is continued for 36 hours. A non-aqueous lithium metal-type power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 36 except that the negative electrode was lithium-doped.
実施例16〜27、比較例19〜37の非水系リチウム金属型蓄電素子の評価結果を表2に示す。 Table 2 shows the evaluation results of the non-aqueous lithium metal-type power storage elements of Examples 16 to 27 and Comparative Examples 19 to 37.
表1及び2から以下の事実が明らかである:
正極活物質層の中央部のリチウム化合物量と外周部のリチウム化合物の比Cx1/Cy1が0.50以上0.96以下であることで、高負荷充放電サイクルで非水系リチウム蓄電素子が発熱した際のガス発生を抑制することができ、抵抗上昇を抑制することができた。一方で、Cx1/Cy1を0.50未満にしてしまうと、高負荷充放電サイクル中に生成するフッ素イオンを十分に捕捉できないため、ガスが発生し、抵抗が上昇してしまう。
The following facts are clear from Tables 1 and 2:
When the ratio C x1 / Cy1 of the lithium compound in the central portion of the positive electrode active material layer to the lithium compound in the outer peripheral portion is 0.50 or more and 0.96 or less, the non-aqueous lithium storage element can be used in a high load charge / discharge cycle. It was possible to suppress the generation of gas when heat was generated, and it was possible to suppress the increase in resistance. On the other hand, if C x1 / Cy1 is set to less than 0.50, fluorine ions generated during the high load charge / discharge cycle cannot be sufficiently captured, so that gas is generated and the resistance increases.
また、アルカリ金属化合物を−196℃という極低温の条件で粉砕したことにより、粉砕時の温度上昇の影響を受けず、アルカリ金属化合物粒子表面の欠陥生成を抑制することができたと考えられる。その結果、アルカリ金属化合物の再凝集を抑制できたと考えられる。更に、塗工液を調製する際に微量の水を添加することによりアルカリ金属化合物の表面を活性化し、アルカリ金属化合物粒子の表面で電解質であるLiPF6が効率よく分解することができ、その結果生成するフッ素化合物が万遍なく堆積し、高温保存特性及び高負荷充放電特性が改善したと考えられる。 Further, it is considered that by pulverizing the alkali metal compound under the extremely low temperature condition of -196 ° C., it was possible to suppress the formation of defects on the surface of the alkali metal compound particles without being affected by the temperature rise during pulverization. As a result, it is considered that the reaggregation of the alkali metal compound could be suppressed. Furthermore, by adding a small amount of water when preparing the coating liquid, the surface of the alkali metal compound is activated, and LiPF 6, which is an electrolyte, can be efficiently decomposed on the surface of the alkali metal compound particles, resulting in the result. It is considered that the generated fluorine compounds were evenly deposited, and the high temperature storage characteristics and the high load charge / discharge characteristics were improved.
本発明の非水系リチウム蓄電素子は、例えば、自動車のハイブリット駆動システムの、瞬間電力ピークのアシスト用途等における蓄電素子として好適に利用できる。
本発明の非水系リチウム蓄電素子は、例えば、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池として適用したときに、本発明の効果が最大限に発揮されるため好ましい。
The non-aqueous lithium storage element of the present invention can be suitably used as a power storage element in, for example, an automobile hybrid drive system for assisting an instantaneous power peak.
The non-aqueous lithium storage element of the present invention is preferable because the effect of the present invention is maximized when applied as, for example, a lithium ion capacitor or a lithium ion secondary battery.
1 正極端子
2 正極活物質層
3 正極活物質層の中央部
4 正極活物質層の外周部
5 負極端子
6 電極積層体
7 外装体
1
Claims (29)
負極、
セパレータ、及び
リチウムイオンを含む非水系電解液、
を含む非水系リチウム蓄電素子であって、
前記正極の正極集電体上に、前記活物質及び前記アルカリ金属化合物から成る正極活物質層が塗布されており、かつ
前記正極活物質層の中央部のアルカリ金属化合物量Cx1(g/m2)と外周部のアルカリ金属化合物量Cy1(g/m2)の比Cx1/Cy1が、0.50以上0.96以下である、
非水系リチウム蓄電素子。 Positive electrode containing alkali metal compounds other than active material,
Negative electrode,
Separator, and non-aqueous electrolyte solution containing lithium ions,
It is a non-aqueous lithium storage element containing
A positive electrode active material layer composed of the active material and the alkali metal compound is coated on the positive electrode current collector of the positive electrode, and the amount of the alkali metal compound in the central portion of the positive electrode active material layer is C x 1 (g / m). The ratio C x1 / Cy1 of 2 ) and the amount of alkali metal compound Cy1 (g / m 2 ) on the outer peripheral portion is 0.50 or more and 0.96 or less.
Non-aqueous lithium storage element.
前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、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、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水系リチウム蓄電素子。 The positive electrode active material layer is provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The amount of mesopores derived from the pores of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method is V 1 (cc / g), and the diameter is less than 20 Å calculated by the MP method. When the amount of micropores derived from the pores is V 2 (cc / g), 0.3 <V 1 ≤ 0.8 and 0.5 ≤ V 2 ≤ 1.0 are satisfied, and the BET method is used. Activated carbon having a measured specific surface area of 1,500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less.
The non-aqueous lithium storage element according to any one of claims 1 to 5.
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