JP7548627B1 - Battery reaction auxiliary material, positive electrode or negative electrode containing the same, lithium ion battery including the positive electrode or negative electrode, and method for manufacturing the electrode - Google Patents
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Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
【課題】電池反応を好適に補助することができ、リチウムイオン電池の寿命伸長を可能とし得る、電池反応補助材料、これを含む正極または負極、その正極または負極を備えるリチウムイオン電池、ならびに、電極の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の電池反応補助材料は、炭素質を含み、内部に空間を含む三次元骨格を有する複数の一次粒子を備え、複数の一次粒子の一部は、複数固着されて二次粒子を形成し、二次粒子は、極微小負荷除荷試験において塑性変形し、一部が復元しない。炭素質がグラフェンを含んでもよい。【選択図】図1[Problem] The object is to provide a battery reaction auxiliary material capable of favorably assisting a battery reaction and enabling the lifespan of a lithium ion battery to be extended, a positive electrode or negative electrode containing the same, a lithium ion battery equipped with the positive electrode or negative electrode, and a method for manufacturing the electrode. [Solution] The battery reaction auxiliary material of the present invention includes a plurality of primary particles that contain carbonaceous matter and have a three-dimensional skeleton containing internal spaces, some of the plurality of primary particles being fixed together to form secondary particles, and the secondary particles are plastically deformed in an extremely small load/unload test, with some not being able to restore their original shape. The carbonaceous matter may contain graphene. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、電池反応補助材料、電池反応補助材料を含む正極または負極、その正極または負極を備えるリチウムイオン電池、ならびに、電極の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a battery reaction auxiliary material, a positive electrode or a negative electrode containing the battery reaction auxiliary material, a lithium ion battery including the positive electrode or a negative electrode, and a method for manufacturing the electrode.
リチウムイオン電池はその誕生以来、スマートフォン、電気自動車(EV)など、日常における広範囲にわたってその用途が広がっている。その結果、リチウムイオン電池の製造にあたっては、コスト競争とともに、市場における高性能化の要求が継続している。地球環境の保全にあたり、二酸化炭素(CO2)排出が少ないEVがガソリン車に取って代わるためには、EVの走行距離の伸長が必要条件の一つとなる。EVの走行距離の伸長には、搭載するリチウムイオン電池の長寿命化、高性能化や高効率での電池反応が必要となる。 Since their birth, lithium-ion batteries have been widely used in everyday life, including smartphones and electric vehicles (EVs). As a result, the manufacturing of lithium-ion batteries is subject to cost competition and the demand for higher performance in the market. In order to protect the global environment, one of the necessary conditions for EVs, which emit less carbon dioxide (CO 2 ), to replace gasoline-powered vehicles is to extend the driving range of EVs. To extend the driving range of EVs, the lithium-ion batteries installed in them must have a longer life, higher performance, and a more efficient battery reaction.
使用されたリチウムイオン電池は、その寿命を終えると通常は廃棄されている。これに対し、近年、リチウムイオン電池の製造および安定的な供給を目指し、資源や材料を世界規模で確保する動きが広がっている。このため、再資源化と称して、使用されたリチウムイオン電池をリサイクルすることで材料を都市鉱山的に活用することの必要性が声高に叫ばれている。 Used lithium-ion batteries are usually discarded when they reach the end of their lifespan. However, in recent years, there has been a growing movement to secure resources and materials on a global scale, with the aim of manufacturing and ensuring a stable supply of lithium-ion batteries. For this reason, there has been a loud call for the need to recycle used lithium-ion batteries and utilize the materials like urban mines, a process known as resource recycling.
リチウムイオン電池の再資源化や再製品化にあたっては、新品を原料から製造する場合と同等のエネルギーを必要とする。またCO2も同等に再排出されるため、再資源化や再製品化をするとしても地球環境破壊を止めることは容易でない。このため、リチウムイオン電池をより高性能化することや長寿命化がより強く求められている。 Recycling and remanufacturing lithium-ion batteries requires the same amount of energy as manufacturing new batteries from raw materials. In addition, the same amount of CO2 is also re-emitted, so it is not easy to stop the destruction of the global environment even if recycling and remanufacturing are carried out. For this reason, there is a strong demand for lithium-ion batteries to have higher performance and longer life.
特許文献1には、非水電解質二次電池への適用を可能にする、Ni、MnおよびFeを含有する活物質を含み、より高い電流レートにおいて優れた放電特性を示すことが可能な正極用粉末が開示されている。特許文献2には、3.0V前後の定電圧状態を長期間維持しながら1~5μA程度の微小電流で充電を行った場合においても、電池特性が低下するのを防止することを可能とする、チタン酸リチウムからなる負極活物質を使用した負極を備える非水電解質二次電池が開示されている。 Patent Document 1 discloses a positive electrode powder that contains an active material containing Ni, Mn, and Fe, enabling application to non-aqueous electrolyte secondary batteries, and that is capable of exhibiting excellent discharge characteristics at a higher current rate. Patent Document 2 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery with a negative electrode that uses a negative electrode active material made of lithium titanate, which makes it possible to prevent deterioration of battery characteristics even when charging is performed with a minute current of about 1 to 5 μA while maintaining a constant voltage state of about 3.0 V for a long period of time.
しかしながら、特許文献1に記載の二次電池は、十分な特性を得るために添加された導電助剤の量が多すぎるため、電池エネルギー密度が低下する。また、バインダーも不足しており、電極強度が低下するため寿命が短くなる。特許文献2に記載の二次電池は、定電圧状態での維持時間は長いものの電圧が低く、エネルギー密度が低い。したがって、特許文献1、特許文献2に示されている技術は、EV等の用途には不適当であると言わざるを得ない。より長期間にわたって使用可能であり、かつ性能が高い二次電池の開発は喫緊の課題の一つである。 However, the secondary battery described in Patent Document 1 has a low battery energy density because too much conductive additive is added in order to obtain sufficient characteristics. In addition, the binder is insufficient, which reduces electrode strength and shortens the battery life. The secondary battery described in Patent Document 2 has a long maintenance time in a constant voltage state, but has a low voltage and low energy density. Therefore, it must be said that the technologies shown in Patent Documents 1 and 2 are unsuitable for applications such as EVs. One of the most urgent issues is the development of a secondary battery that can be used for a longer period of time and has high performance.
リチウムイオン電池の高性能化にあたり、真の環境保全を目指すためにはリチウムイオン電池の長寿命化は必須のテーマである。リチウムイオン電池製品の性能劣化のメカニズムは種々研究されてきた。リチウムイオン電池の劣化反応現象は、活物質材料の変質、電極材料の接触不良、劣化時の副反応による電解液成分の変質およびイオンの減量、副反応生成物によるセパレータの空孔閉塞、集電金属部品の腐食など多岐にわたり、いずれも電池反応の抵抗が増加する要因となる。 In order to improve the performance of lithium-ion batteries and to aim for true environmental conservation, extending the lifespan of lithium-ion batteries is an essential theme. Various studies have been conducted into the mechanisms of performance degradation in lithium-ion battery products. The degradation reaction phenomena of lithium-ion batteries are diverse, including changes in the active material, poor contact of electrode materials, changes in electrolyte components and loss of ions due to side reactions during degradation, clogging of separator pores by side reaction products, and corrosion of metal current collector parts, all of which are factors that increase the resistance of the battery reaction.
その中で、劣化原因の根本であり劣化反応現象が集約されたといえる電極抵抗の増大は、電極内でのリチウムイオンの挿入離脱に必要な活物質への電子供給ネットワークの途絶や、電解液減量に伴うリチウムイオン供給の遅延などを生じさせる。これはリチウムイオン電池の寿命伸長を阻む大きな課題である。 Among these, an increase in electrode resistance, which is the root cause of degradation and can be said to be a concentration of degradation reaction phenomena, causes a disruption of the electron supply network to the active material necessary for the insertion and removal of lithium ions in the electrode, and a delay in the supply of lithium ions due to a decrease in the amount of electrolyte. This is a major issue that prevents the extension of the lifespan of lithium-ion batteries.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電池反応を好適に補助することができ、リチウムイオン電池の寿命伸長を可能とし得る電池反応補助材料、電池反応補助材料を含む正極または負極、その正極または負極を備えるリチウムイオン電池、および、電池反応補助材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these circumstances, and aims to provide a battery reaction auxiliary material that can favorably assist battery reactions and enable the life extension of lithium-ion batteries, a positive electrode or negative electrode that includes the battery reaction auxiliary material, a lithium-ion battery that includes the positive electrode or negative electrode, and a method for manufacturing the battery reaction auxiliary material.
上記課題を解決するために、本発明の電池反応補助材料は以下の手段を採用する。 To solve the above problems, the battery reaction auxiliary material of the present invention employs the following measures.
本発明の第1の態様は、炭素質を含み、内部に空間を有する三次元骨格を有する複数の一次粒子を備え、複数の前記一次粒子の一部は、複数固着されて二次粒子を形成し、該二次粒子は、極微小負荷除荷試験において塑性変形し、一部が復元しない、電池反応補助材料を提供する。 The first aspect of the present invention provides a battery reaction auxiliary material that includes a plurality of primary particles having a three-dimensional skeleton containing carbonaceous matter and having an internal space, and a portion of the plurality of primary particles are adhered to each other to form secondary particles, which undergo plastic deformation in an extremely small load/unload test, and some of the secondary particles do not recover.
上記第1の態様においては、炭素質がグラフェンを含んでもよい。 In the first aspect, the carbonaceous material may include graphene.
上記第1の態様においては、塑性変形仕事率が5%以上92%以下であってもよい。 In the first aspect, the plastic deformation power may be 5% or more and 92% or less.
上記第1の態様においては、電池反応補助機能が電子伝達機能と電解質保持機能とを有してもよい。 In the first aspect, the battery reaction assisting function may have an electron transfer function and an electrolyte retention function.
上記第1の態様においては、気体吸着法により測定した細孔容積が1cc/g以上4cc/g以下であってもよい。 In the first aspect, the pore volume measured by gas adsorption may be 1 cc/g or more and 4 cc/g or less.
上記第1の態様においては、炭素層積層指数が0.4以上5以下であってもよい。 In the first aspect, the carbon layer stacking index may be 0.4 or more and 5 or less.
上記第1の態様においては、複数の一次粒子の間に中実粒子を含んでもよい。 In the first embodiment, solid particles may be included between the primary particles.
上記態様においては、中実粒子が、カーボンブラック、アセチレンブラック、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブの少なくとも一つであってもよい。 In the above embodiment, the solid particles may be at least one of carbon black, acetylene black, single-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes.
上記態様においては、中実粒子が、セラミックス粒子に炭素質を被覆したものであってもよい。 In the above embodiment, the solid particles may be ceramic particles coated with carbonaceous material.
上記第1の態様においては、二次粒子の平均粒径が0.1μm以上6μm以下であってもよい。 In the first aspect, the average particle size of the secondary particles may be 0.1 μm or more and 6 μm or less.
本発明の第2の態様は、上記第1の態様の電池反応補助材料の含有量が0.1wt%以上5wt%以下である、リチウムイオン電池用の正極または負極を提供する。 The second aspect of the present invention provides a positive electrode or a negative electrode for a lithium ion battery, in which the content of the battery reaction auxiliary material of the first aspect is 0.1 wt % or more and 5 wt % or less.
上記第2の態様においては、リチウムイオン電池用の正極または負極の構造の一部に、二次粒子が永久に変形した永久変形部分を有してもよい。 In the second aspect, the structure of the positive or negative electrode for the lithium ion battery may include a permanently deformed portion in which the secondary particles are permanently deformed.
上記態様においては、永久変形部分に多層グラフェンを含んでいてもよい。 In the above embodiment, the permanent deformation portion may contain multi-layer graphene.
本発明の第3の態様は、電池反応補助材料として中実粒子のみを含む、リチウムイオン電池用の正極または負極を提供する。 A third aspect of the present invention provides a positive or negative electrode for a lithium ion battery, comprising only solid particles as a battery reaction auxiliary material.
本発明の第4の態様は、上記第2の態様または第3の態様のリチウムイオン電池用の正極および負極の少なくとも一方を備えるリチウムイオン電池を提供する。 The fourth aspect of the present invention provides a lithium-ion battery comprising at least one of the positive electrode and the negative electrode for the lithium-ion battery of the second or third aspect.
本発明の第5の態様は、リチウムイオン電池用の正極または負極の製造方法であって、炭素質を含み、内部に空間を含む三次元骨格を有する一次粒子と複数の前記一次粒子を固着させた二次粒子とを含有する電池反応補助材料と、バインダー樹脂と、溶媒と、を混合してスラリーを調製する工程と、前記スラリーを集電体上に塗布して乾燥させてプレス加工を施して正極または負極を得る工程と、を含み、前記プレス加工においては、前記一次粒子および前記二次粒子のうちの一部の形状が変形されたままとし、前記一次粒子および前記二次粒子のうちの別の一部の形状は復元される、製造方法を提供する。 The fifth aspect of the present invention provides a method for manufacturing a positive electrode or a negative electrode for a lithium ion battery, comprising the steps of: mixing a battery reaction auxiliary material containing carbonaceous material and containing primary particles having a three-dimensional skeleton containing internal spaces and secondary particles formed by bonding a plurality of the primary particles together with a binder resin and a solvent to prepare a slurry; and applying the slurry onto a current collector, drying the current collector, and pressing the current collector to obtain a positive electrode or a negative electrode, in which the shapes of some of the primary particles and the secondary particles remain deformed during the pressing process, while the shapes of another part of the primary particles and the secondary particles are restored.
本発明に係る電池反応補助材料によれば、電池反応を好適に補助することができる。本発明に係る電池反応補助材料を含有する正極または負極を備えるリチウムイオン電池は、寿命伸長および高性能化が可能となる。 The battery reaction auxiliary material according to the present invention can effectively assist the battery reaction. A lithium-ion battery equipped with a positive electrode or a negative electrode containing the battery reaction auxiliary material according to the present invention can extend the life and improve the performance.
以下に、本発明に係る電池反応補助材料、電池反応補助材料を含有するリチウムイオン電池用の正極または負極、その正極または負極を備えるリチウムイオン電池の一実施形態について、図面を参照して説明する。
はじめに、本実施形態に係る電池反応補助材料について説明する。
Hereinafter, an embodiment of the battery reaction auxiliary material according to the present invention, a positive electrode or negative electrode for a lithium ion battery containing the battery reaction auxiliary material, and a lithium ion battery including the positive electrode or negative electrode will be described with reference to the drawings.
First, the battery reaction auxiliary material according to this embodiment will be described.
図1に、本実施形態の電池反応補助材料(以下、「補助材料」ともいう。)を含有する電極の構造の一部を拡大した模式図を示す。本実施形態の電池反応補助材料は、例えばリチウムイオン電池の負極または正極に含有される。図1は本実施形態の電池反応補助材料を正極に適用した例を示している。 Figure 1 shows a schematic diagram of an enlarged portion of the structure of an electrode containing the battery reaction auxiliary material of this embodiment (hereinafter also referred to as "auxiliary material"). The battery reaction auxiliary material of this embodiment is contained in, for example, the negative electrode or positive electrode of a lithium ion battery. Figure 1 shows an example in which the battery reaction auxiliary material of this embodiment is applied to a positive electrode.
図1に見られるように、本実施形態の補助材料は、一次粒子1と、一次粒子が複数固着して形成された二次粒子2とを含んでいる。一次粒子1は炭素質を含有し、その炭素質は後述する薄層グラフェン質を含む。一次粒子1は、三次元骨格を有し、内部に空間を有する中空粒子である。図1における符号3は正極材料を示している。 As shown in FIG. 1, the auxiliary material of this embodiment includes primary particles 1 and secondary particles 2 formed by bonding multiple primary particles together. The primary particles 1 contain carbonaceous matter, and the carbonaceous matter includes thin-layer graphene, which will be described later. The primary particles 1 are hollow particles that have a three-dimensional skeleton and have space inside. The reference numeral 3 in FIG. 1 indicates the positive electrode material.
本実施形態の補助材料は薄層グラフェン質を含む。グラフェンは、ベンゼン環が結合した炭素六角網面が平面的に成長してシート状となった構造を有する。グラフェンが多数積層したものが黒鉛である。一方、炭素六角網面が平面的に成長しているものの積層数が少なく、そのために弾性変形性を有する構造を、本明細書では薄層グラフェン質と定義する。薄層グラフェン質は、本実施形態の補助材料の主要構造である。 The auxiliary material of this embodiment includes a thin-layer graphene material. Graphene has a structure in which hexagonal carbon mesh planes bonded to benzene rings grow planarly into a sheet shape. Graphite is a multi-layer of graphene. On the other hand, a structure in which hexagonal carbon mesh planes grow planarly but have a small number of layers, and therefore have elastic deformation, is defined in this specification as a thin-layer graphene material. The thin-layer graphene material is the main structure of the auxiliary material of this embodiment.
本実施形態の一次粒子および二次粒子に応力を負荷した場合には、粒子において、主に薄層グラフェン質部分の三次元形状が変形圧縮される。一方、負荷した応力を除荷すると、その弾性変形性によって、ある割合で変形部分が復元する。除荷で復元しない部分は弾性が低い部分である。薄層グラフェン質からなる部分が構造的に欠陥を多く含む場合または非晶質な結合を多く含む場合には、形状が復元しない、すなわち、応力に対して塑性変形性を有する。応力に対して塑性変形性を有するこのような構造部は、応力に対して高い強度を示すか、または容易に変形し、後に復元できない性質である。 When stress is applied to the primary particles and secondary particles of this embodiment, the three-dimensional shape of the particles is mainly deformed and compressed in the thin graphene part. On the other hand, when the applied stress is released, the deformed part is restored to a certain extent due to its elastic deformability. The part that does not restore when the stress is released is a part with low elasticity. If the part made of thin graphene contains many structural defects or many amorphous bonds, the shape does not restore, that is, it has plastic deformability against stress. Such structural parts that have plastic deformability against stress have the property of exhibiting high strength against stress or being easily deformed and not being able to restore afterwards.
上記のように、本実施形態の補助材料において、薄層グラフェン質部分は弾性変形性を有し、薄層グラフェン質以外の部分は非晶質炭素であって塑性変形性を有する。本実施形態の補助材料の一次粒子は、応力を負荷した際に変形する。負荷された応力の大きさによっては、除荷したときに複数の一次粒子の一部は形状が復元する一方で、複数の一次粒子の別の一部は永久変形状態が維持される。この力学的特性は、炭素質の微細構造の影響により生じるものである。補助材料の弾性変形の程度、塑性変形の程度は、後述する極微小負荷除荷試験で測定することができる。 As described above, in the auxiliary material of this embodiment, the thin graphene portion has elastic deformation properties, and the portion other than the thin graphene portion is amorphous carbon and has plastic deformation properties. The primary particles of the auxiliary material of this embodiment deform when stress is applied. Depending on the magnitude of the applied stress, some of the multiple primary particles will restore their shape when the load is removed, while another portion of the multiple primary particles will maintain a permanent deformation state. This mechanical property is caused by the influence of the carbonaceous microstructure. The degree of elastic deformation and the degree of plastic deformation of the auxiliary material can be measured by the ultra-small load-unload test described later.
薄層グラフェン質が比較的厚い場合、薄層グラフェン質の部分はある応力範囲では弾性変形性を保つが、所定の閾値を越えると一気に塑性変形する。一般の炭素材料では、ある程度大きな応力により変形し、粒子が破壊されるケースはある。すなわち本実施形態の補助材料は、本実施形態で行われる極微小負荷除荷試験のように弱い応力ではほとんど変形せずに戻る性質、即ち弾性変形仕事量が大きい性質を有するといえる。 When the thin graphene layer is relatively thick, the thin graphene layer maintains elastic deformation within a certain stress range, but undergoes sudden plastic deformation when a certain threshold is exceeded. In general carbon materials, they may deform under a relatively large stress, resulting in the destruction of particles. In other words, the auxiliary material of this embodiment has the property of returning to its original shape with almost no deformation under weak stress, such as the extremely small load and unload test performed in this embodiment, i.e., the property of a large amount of work required for elastic deformation.
グラフェンは、規則性が高い六角平面構造に起因して、電子伝導率が高い炭素質であるといえる。 Graphene is a carbonaceous material with high electronic conductivity due to its highly regular hexagonal planar structure.
ここで、薄層グラフェン質の微細結晶構造中における状態は、ラマンスペクトル測定において分析することが可能である。 Here, the state of the thin graphene microcrystalline structure can be analyzed by Raman spectroscopy.
後述する実施例1の補助材料について測定したラマンスペクトルの例を図2に示した。このスペクトルには、グラファイトシートの骨格振動に由来するGバンド(芳香環C=C伸縮運動、1593cm-1)、エッジサイトを含む非六角形部位等の欠陥に由来するDバンド(C-H伸縮運動、1356cm-1)、および二次のフォノン散乱による2Dバンド(C-H伸縮運動、2680cm-1)が存在する。これらのことから、実施例1の補助材料はグラフェンを含む構造を有することが示唆された。Gバンドの強度(IG)と2Dバンドの強度(I2D)の比であるIG /I2D は、グラフェン層の積層状態を示す指数といわれている。(D. Graf, et al.,NANO LETTERS,7,238-242;(2007))。本実施形態では、IG /I2D で表される指数を「炭素積層指数」と呼ぶ。上記論文から、1層あたりの値は0.4とした。 FIG. 2 shows an example of the Raman spectrum measured for the auxiliary material of Example 1 described later. In this spectrum, there are a G band (aromatic ring C═C stretching motion, 1593 cm −1 ) derived from the skeletal vibration of the graphite sheet, a D band (C—H stretching motion, 1356 cm −1 ) derived from defects such as non-hexagonal sites including edge sites, and a 2D band (C—H stretching motion, 2680 cm −1 ) due to secondary phonon scattering. These results suggest that the auxiliary material of Example 1 has a structure containing graphene. I G /I 2D, which is the ratio of the intensity of the G band (I G ) to the intensity of the 2D band (I 2D ), is said to be an index indicating the stacking state of the graphene layers. (D. Graf, et al., NANO LETTERS, 7, 238-242; (2007)). In this embodiment, the index expressed by I G /I 2D is called the "carbon stacking index". Based on the above paper, the value per layer was set to 0.4.
IG /I2D の値が小さい、すなわち炭素積層指数が小さいほど、積層数が少なく、単層グラフェンに近くなる。すなわち、弾性変形性を発現する構造を有することが示唆される。本明細書における「薄層グラフェン質が比較的厚い場合」とは、補助材料中の粒子の炭素積層指数が6より大きい値を示す場合をいう。 The smaller the value of I G /I 2D , i.e., the smaller the carbon stacking index, the fewer the number of layers, and the closer it is to single-layer graphene. In other words, it is suggested that the graphene has a structure that exhibits elastic deformation. In this specification, the term "when the thin-layer graphene is relatively thick" refers to a case where the carbon stacking index of the particles in the auxiliary material is greater than 6.
本実施形態の補助材料は、グラフェンを含むため電子伝達に優れている。このため、本実施形態の補助材料は、リチウムイオン電池の電極に含有されることで、リチウムイオン電池における電池反応を補助する機能を発揮することができる。また、本実施形態の補助材料は、一次粒子および二次粒子の三次元骨格中に設けられた空間に、リチウムイオンが溶存した電解液が浸透し保持されるため、反応時のイオン供給に優れる。 The auxiliary material of this embodiment is excellent in electron transfer because it contains graphene. Therefore, when the auxiliary material of this embodiment is contained in an electrode of a lithium ion battery, it can function to assist the battery reaction in the lithium ion battery. In addition, the auxiliary material of this embodiment is excellent in supplying ions during the reaction because an electrolyte solution containing dissolved lithium ions penetrates and is retained in the spaces provided in the three-dimensional skeleton of the primary particles and secondary particles.
したがって、本実施形態の補助材料は、リチウムイオン電池の使用条件下において、弾性変形と塑性変形をバランスよく活用することが可能である。すなわち、補助材料中の一次粒子および/または二次粒子が塑性変形した場合にも高い電子伝導性は担保され、一方で塑性変形しない場合にはイオンの貯蔵元である電解液を粒子内の空間に蓄えられる。このため、本実施形態の補助材料は電池反応を好適に補助し得る。 Therefore, the auxiliary material of this embodiment is capable of utilizing elastic deformation and plastic deformation in a well-balanced manner under the operating conditions of a lithium-ion battery. In other words, high electronic conductivity is guaranteed even when the primary particles and/or secondary particles in the auxiliary material undergo plastic deformation, while when they do not undergo plastic deformation, the electrolyte, which is the storage source of ions, is stored in the space within the particles. For this reason, the auxiliary material of this embodiment can favorably assist the battery reaction.
本実施形態の補助材料の製造方法について説明する。本実施形態の補助材料は、テンプレート化学的気相成長法:Template Chemical vapor deposition法(以降、T-CVD法)で作製することができる。これは、CVD活性を有し、不活性ガス雰囲気内で加熱されたセラミックスに対して、有機ガスを流通させ、主にガス中の有機物の炭素原子を縮合して炭素質の膜を形成させる手法である。 A method for producing the auxiliary material of this embodiment will be described. The auxiliary material of this embodiment can be produced by template chemical vapor deposition (hereinafter, T-CVD). This is a technique in which an organic gas is passed through ceramics that have CVD activity and are heated in an inert gas atmosphere, and carbon atoms of the organic matter in the gas are condensed to form a carbonaceous film.
次に、一次粒子中に空間を設けるため、炭素質の膜で被膜されたセラミックス粒子を、セラミックスを溶解可能な試薬(例えば酸性溶液)で処理する。当該処理により、炭素質の膜で被膜されたセラミックス粒子のセラミックス部分が溶出されて取り除かれる。溶出後は、空間に残存物が無くなるよう炭素質から形成された一次粒子の内部を洗浄する。セラミックス粒子が溶解され除去されたことで、炭素質から形成された一次粒子の内部に空間が形成される。 Next, in order to create spaces within the primary particles, the ceramic particles coated with the carbonaceous film are treated with a reagent capable of dissolving ceramics (e.g., an acidic solution). This treatment dissolves and removes the ceramic portion of the ceramic particles coated with the carbonaceous film. After dissolution, the inside of the primary particles formed from carbonaceous material is washed so that no material remains in the spaces. By dissolving and removing the ceramic particles, spaces are created within the primary particles formed from carbonaceous material.
次に、その一次粒子を3000℃以下で熱処理することで、当該粒子を構成している薄層グラフェン質部分や薄層グラフェン質部分以外の部分の構造欠陥を調整する。この構造欠陥には、テンプレートの溶出により粒子内に生じた空間と、炭素質から形成された三次元骨格に生じた侵入孔とが含まれる。熱処理温度や熱処理時間といった反応条件を調整することで、これらの構造欠陥の程度を調整することができる、すなわち、粒子の内部に存在する空間の大きさや、粒子内に電解液を侵入させるための侵入孔の大きさを調整することができる。 Next, the primary particles are heat-treated at 3000°C or less to adjust structural defects in the thin graphene portion constituting the particle and in the portion other than the thin graphene portion. These structural defects include spaces created within the particle due to dissolution of the template and intrusion holes created in the three-dimensional framework formed from the carbonaceous material. By adjusting reaction conditions such as the heat treatment temperature and heat treatment time, it is possible to adjust the degree of these structural defects, i.e., the size of the space present inside the particle and the size of the intrusion holes for allowing the electrolyte to infiltrate into the particle can be adjusted.
炭素に結合する官能基(主には含酸素官能基)や六員環を作らない炭素鎖は、約1000℃前後を越えると脱離し、未結合手が形成される。形成された未結合手が近くの別の炭素と結合すると、炭素材の表面は官能基が結合しにくい状態となる。1500℃以上、好ましくは1600℃以上で熱処理することによって、本実施形態の補助材料は電子伝導性、内部の空間維持といった好適な機能を発揮することができる。 When the temperature exceeds approximately 1000°C, functional groups (mainly oxygen-containing functional groups) that are bonded to carbon and carbon chains that do not form six-membered rings are detached, forming dangling bonds. When the dangling bonds that are formed bond with other nearby carbons, the surface of the carbon material becomes in a state where functional groups are less likely to bond. By subjecting the auxiliary material of this embodiment to heat treatment at 1500°C or higher, preferably 1600°C or higher, it is possible for the material to exhibit favorable functions such as electronic conductivity and maintaining internal space.
本実施形態の補助材料は、気体吸着法、具体的には窒素吸脱着測定により測定した細孔容積が1cc/g以上4cc/g以下である。細孔容積とは、粒子の内部に存在する空間の体積である。細孔容積の値が大きいと、粒子内に保持される電解液が多くなり、反応効率が高くなる。その一方で、細孔容積の値が大きいということは空間が大きいことを意味するため、骨格強度が弱まって負荷時の圧力により粒子の形状を維持することが難しくなる。本実施形態の補助材料においては、細孔容積は、1cc/gより大きく4cc/g以下がより好ましく、1.5cc/gより大きく4cc/gより小さいとさらに好ましい。このように適度な細孔容積を有することで粒子が適度な強度を有し、粒子の形状の安定性に寄与するともに形状が維持される。これらにより、電子伝導性と細孔内に保持されるイオンの供給性とをバランスよく保つことができる。 The auxiliary material of this embodiment has a pore volume of 1 cc/g or more and 4 cc/g or less, measured by a gas adsorption method, specifically, nitrogen adsorption/desorption measurement. The pore volume is the volume of the space present inside the particle. If the pore volume value is large, more electrolyte is held in the particle, and the reaction efficiency is high. On the other hand, a large pore volume value means a large space, so that the skeleton strength is weakened and it becomes difficult to maintain the shape of the particle due to the pressure under load. In the auxiliary material of this embodiment, the pore volume is more preferably greater than 1 cc/g and less than 4 cc/g, and more preferably greater than 1.5 cc/g and less than 4 cc/g. By having such an appropriate pore volume, the particle has an appropriate strength, which contributes to the stability of the particle shape and maintains the shape. As a result, it is possible to maintain a good balance between electronic conductivity and the supply of ions held in the pores.
リチウムイオン電池の正極材料は、電子伝導性の低いリチウム含有遷移金属酸化物で粒径分布を持つ粉体である。従来法では、電池反応のために電子伝導を助ける炭素材料からなる導電助剤とバインダー樹脂とを混合して集電体に加圧固定されることで、電子伝導ルートが確立される。バインダー樹脂以外の材料は粉体粒子であるため、粒子間に存在する空間に電解液は偶発的に存在するのみである。このため、正極材料近傍に積極的に電解液、言い換えればリチウムイオンを配置することは、従来技術では難しかった。 The positive electrode material of a lithium-ion battery is a powder with a particle size distribution made of lithium-containing transition metal oxide with low electronic conductivity. In conventional methods, an electronic conduction route is established by mixing a conductive assistant made of a carbon material that assists in electronic conduction for the battery reaction with a binder resin and pressing it into a current collector. Since the materials other than the binder resin are powder particles, the electrolyte is only accidentally present in the space between the particles. For this reason, it was difficult with conventional technology to actively place the electrolyte, in other words, lithium ions, near the positive electrode material.
これに対し、従来用いられてきた導電助剤の代わりに、本実施形態では電池反応補助材料を用いる。本実施形態の電池反応補助材料は、主に薄層グラフェン質からなる粒子から形成され、電解液を保持可能な空間を粒子の内部に有する。補助材料は、正極電極内における正極材料などの粒子間で、加圧されれば永久変形するもののグラフェン質に由来する高い電子伝導性を発揮する一方で、変形しなければリチウムイオンを保持する空間を維持できるものである。したがって、本実施形態の電池反応補助材料は、電池反応に必要な電子とイオンの供給を同時に補助し、速やかな電池反応をより良く実現可能な材料であるといえる。 In contrast, in this embodiment, a battery reaction auxiliary material is used instead of the conductive auxiliary agent that has been used conventionally. The battery reaction auxiliary material of this embodiment is formed mainly from particles made of thin graphene, and has a space inside the particle that can hold an electrolyte. The auxiliary material exhibits high electronic conductivity derived from graphene, although it is permanently deformed when pressurized between particles such as the positive electrode material in the positive electrode, while it can maintain the space that holds lithium ions if it does not deform. Therefore, the battery reaction auxiliary material of this embodiment can be said to be a material that simultaneously assists in the supply of electrons and ions necessary for the battery reaction and can better realize a rapid battery reaction.
本実施形態の補助材料は、圧力により三次元骨格が変形する。柔らかなグラフェン質部分が押しつぶされた場合には、単層グラフェンが多層化された状態へと変化する。これにより、電子伝導が良好となる。 In the auxiliary material of this embodiment, the three-dimensional skeleton is deformed by pressure. When the soft graphene part is crushed, the single-layer graphene changes to a multi-layered state. This improves electronic conduction.
実際の電極では、例えば、集電体上に正極合剤スラリーを塗布して乾燥させた後にプレス加工を施すと、合剤層は押しつぶされる。電極が本実施形態の補助材料を含む場合には、正極材粒子の間に挟まれた粒子は、直接応力を受けて塑性変形し、電子伝導性を発揮する。それとともに、正極材の隙間に存在して応力を受けなかった粒子は、内部に空間を維持したままの粒子として存在し、電解液の保持機能を発揮する。例として、本実施形態のプレス加工前の電極表面のSEM写真を図3Aおよび図3Bに、プレス加工後の電極表面のSEM写真を図3Cおよび図3Dに、それぞれ示す。図3Aと図3Cとの比較、および図3Bと図3Dとの比較から、プレスによって一部の一次粒子および二次粒子が押しつぶされた構造が生じたことを確認できる。押しつぶされている部分は、上述した永久変形部分に相当する。 In an actual electrode, for example, when a positive electrode mixture slurry is applied to a current collector and dried, and then pressed, the mixture layer is crushed. When the electrode contains the auxiliary material of this embodiment, the particles sandwiched between the positive electrode material particles are directly subjected to stress and plastically deformed, thereby exhibiting electronic conductivity. At the same time, the particles that are present in the gaps between the positive electrode materials and are not subjected to stress exist as particles that maintain space inside, and exhibit the function of retaining the electrolyte. As an example, SEM photographs of the electrode surface before pressing in this embodiment are shown in Figures 3A and 3B, and SEM photographs of the electrode surface after pressing are shown in Figures 3C and 3D, respectively. From a comparison between Figures 3A and 3C, and a comparison between Figures 3B and 3D, it can be confirmed that a structure in which some primary particles and secondary particles are crushed by pressing has been created. The crushed parts correspond to the permanently deformed parts described above.
本実施形態の補助材料は、内部に空間を有する中空粒子である一次粒子を含む。その一方で、電極中の組成物等の選択や電極密度を高くせずに電極空隙率を調整する場合などに、中空粒子に対して中実粒子を混合して使用することができる。中実粒子は、上述したT-CVD法において、テンプレートを溶出させずに残したものである。 The auxiliary material of this embodiment includes primary particles that are hollow particles with spaces inside. On the other hand, solid particles can be mixed with the hollow particles when selecting the composition in the electrode or adjusting the electrode porosity without increasing the electrode density. The solid particles are the template that is not dissolved and remains in the above-mentioned T-CVD method.
中実粒子は、電子伝導性の観点から炭素質が好ましく、カーボンブラック、アセチレンブラック、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブが好適に用いられる。 The solid particles are preferably carbonaceous from the viewpoint of electronic conductivity, and carbon black, acetylene black, single-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes are preferably used.
本実施形態に係る補助材料においては、中実粒子が、セラミックス粒子に炭素質を被覆したものであると好ましい。高密度電極の作製にあたっては、セラミックス粒子はカーボン系粒子よりも強度が高い。これにより、補助材料を含有する電極の構造を補強するとともに、炭素質が有する導電性が加わって電子伝導性を向上させることができる。 In the auxiliary material according to this embodiment, the solid particles are preferably ceramic particles coated with carbonaceous matter. When producing a high-density electrode, ceramic particles have higher strength than carbon-based particles. This not only reinforces the structure of the electrode containing the auxiliary material, but also improves electronic conductivity by adding the electrical conductivity of the carbonaceous matter.
中実粒子にセラミックス粒子を選択する場合には、上述した試薬による溶出はせず、そのまま用いることができる。 If ceramic particles are selected as the solid particles, they can be used as is without dissolving with the above-mentioned reagents.
セラミックス粒子としては、電池反応に不活性な化合物を適宜選択可能である。例示すれば、Al2O3、MgO、SiO2、ZrO2などである。他に、CVD活性を有し、T-CVD法のテンプレートとして使用できるものでもよい。 As the ceramic particles, a compound inactive to the battery reaction can be appropriately selected. Examples include Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , ZrO 2 , etc. In addition, a compound having CVD activity and usable as a template in the T-CVD method may also be used.
また、強度以外にもセラミックス粒子が持つ諸特性を活用することができる。特性の例としては、化学反応性、触媒特性、物理特性などが挙げられる。 In addition to strength, the various properties of ceramic particles can be utilized. Examples of properties include chemical reactivity, catalytic properties, and physical properties.
中実粒子を補助材料に混合する割合は、利用目的にもよるが、10重量%以上が好ましく、30重量%以上がさらに好ましく、効能を明瞭に発揮するには50重量%以上が最も好ましい。 The ratio of solid particles mixed into the auxiliary material depends on the purpose of use, but is preferably 10% by weight or more, more preferably 30% by weight or more, and most preferably 50% by weight or more to clearly exert its effect.
中実粒子を補助材料に混合する場合には、電極仕様の微調整のために、カーボン系の中実粒子を適宜混合して使用することができる。カーボン系の中実粒子を添加することにより、電子伝導性を調整することができる。 When solid particles are mixed into the auxiliary material, carbon-based solid particles can be mixed in appropriately to fine-tune the electrode specifications. By adding carbon-based solid particles, the electronic conductivity can be adjusted.
場合によっては、上述した中空粒子のすべてを、セラミックス粒子に炭素質を被覆した中実粒子に置き換えた電極を備えたリチウムイオン電池とすることができる。電池反応の観点からは、セラミックス粒子に炭素質を被覆した中実粒子に置き換えた補助材料を含む電極を備えたリチウムイオン電池を用いても、中空粒子を用いた補助材料を含むリチウムイオン電池の電池反応とには大きな相違は見られない。中空粒子をセラミックス粒子に炭素質を被覆した中実粒子に置き換えることは、別の新たな機能特性を発現させるために好適である。 In some cases, a lithium ion battery can be provided with an electrode in which all of the hollow particles described above are replaced with solid particles in which ceramic particles are coated with carbonaceous material. From the viewpoint of battery reaction, even if a lithium ion battery is used with an electrode containing an auxiliary material in which ceramic particles are replaced with solid particles in which carbonaceous material is coated, there is no significant difference in the battery reaction from a lithium ion battery containing an auxiliary material using hollow particles. Replacing hollow particles with solid particles in which ceramic particles are coated with carbonaceous material is suitable for expressing other new functional properties.
電極活物質材料としては、正極においてはリチウム含有酸化物やリチウム遷移金属リン酸塩など、負極において黒鉛やカーボン類、SiやSnなどを含む合金や金属間化合物を用いることができる。 As electrode active materials, lithium-containing oxides and lithium transition metal phosphates can be used for the positive electrode, and graphite, carbons, alloys containing Si, Sn, and other intermetallic compounds can be used for the negative electrode.
本実施形態の補助材料は一次粒子または少なくとも一次粒子が複数固着した二次粒子である。電極活物質材料の種類にもよるが、一次粒子、二次粒子の長さが電極活物質の粒子径に対して2倍以下であることが好ましい。 The auxiliary material in this embodiment is a primary particle or at least a secondary particle formed by adhering multiple primary particles. Although it depends on the type of electrode active material, it is preferable that the length of the primary particle and secondary particle is not more than twice the particle diameter of the electrode active material.
補助材料に一次粒子と二次粒子のどちらの機能性を優位に求めるかにもよるが、二次粒子としては平均粒径0.05μm以上6μm以下の粒子が好適に使用可能である。二次粒子の平均粒径は、0.1μm以上5μm以下であるとより好ましい。 Although it depends on whether the functionality of the primary particles or the secondary particles is desired to be predominant in the auxiliary material, secondary particles with an average particle size of 0.05 μm or more and 6 μm or less are preferably used. The average particle size of the secondary particles is more preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less.
また、本実施形態の補助材料は、電池容量のもとであるリチウムイオンを外部から新たに供給することができない。このため、補助材料の電極への添加率は必要最小限に収めるべきである。良好な特性を得るためには、補助材料は、電極合剤に対して0.1wt%以上5wt%以下が好ましい。 In addition, the auxiliary material of this embodiment cannot supply lithium ions, which are the source of battery capacity, from the outside. For this reason, the addition rate of the auxiliary material to the electrode should be kept to the minimum necessary. To obtain good characteristics, the auxiliary material is preferably 0.1 wt % or more and 5 wt % or less of the electrode mixture.
この範囲より小さければその機能性を活かすことができず、大き過ぎると電極合剤の嵩密度が大きくなりすぎて電極強度が低下するため好ましくない。 If it is smaller than this range, its functionality cannot be utilized, and if it is too large, the bulk density of the electrode mixture becomes too large, which is undesirable as it reduces the electrode strength.
次に、本実施形態に係る電池反応補助材料の物性を確認するための極微小負荷除荷試験の測定に関して説明する。 Next, we will explain the measurement of the ultra-small load/unload test to confirm the physical properties of the battery reaction auxiliary material according to this embodiment.
極微小負荷除荷試験の一例として、後述する実施例1で作製した電池反応補助材料に対して行って得られた荷重変位曲線を図4に示す。本実施形態で用いられる極微小負荷除荷試験においては、試料粒子に圧子を当てて押し込んでいくことで、試験粒子に対して負荷をかける。圧子が粒子に接触し、センサーが圧力を感知した時点から計測を開始する。そして押し込みの深さが大きくなるにつれて、粒子に対する負荷が大きくなる。本実施形態における極微小負荷除荷試験では、負荷が0.1mNに達した時点で除荷する。 As an example of an ultra-small load-unloading test, FIG. 4 shows a load-displacement curve obtained by performing the test on the battery reaction auxiliary material prepared in Example 1 described below. In the ultra-small load-unloading test used in this embodiment, a load is applied to the test particle by pressing an indenter against the sample particle and pressing it in. Measurement begins when the indenter comes into contact with the particle and the sensor detects the pressure. As the pressing depth increases, the load on the particle increases. In the ultra-small load-unloading test in this embodiment, the load is removed when the load reaches 0.1 mN.
仮に粒子が全く変形せずに完全に形状が復活した場合には、押し込み深さが0に戻る、すなわち図3のグラフで横軸の原点付近に戻る。逆に、負荷によって粒子が完全に変形、すなわち粒子が負荷をかけた方向に潰れてしまった場合には、押し込み深さは300nmのままとなる。これは、粒子内に存在していた空間が消滅し、骨格を形成していた層が2つ重なった状態となったことを意味する。 If the particle does not deform at all and completely restores its shape, the indentation depth returns to 0, i.e., returns to the origin of the horizontal axis in the graph of Figure 3. Conversely, if the particle is completely deformed by the load, i.e., if the particle is crushed in the direction of the load, the indentation depth remains at 300 nm. This means that the space that existed within the particle has disappeared, and the layers that formed the skeleton have become two overlapping layers.
本実施形態の電池反応補助材料においては、除荷しても押し込み深さは0には戻らず、例えば図4においては、負荷を与えた粒子には230nm前後の押し込み深さが残っていた。これは、粒子が負荷によって一部変形した一方で、粒子内の空間が残った状態となっていることを示している。図3において、与えられた負荷に対して形状が復活した仕事量に相当する部分が弾性変形仕事量WE(図3の斜線の部分)を、与えられた負荷に対して変形した仕事量に相当する部分が塑性変形仕事量WP(図3の縦線の部分)を、それぞれ示している。 In the battery reaction auxiliary material of this embodiment, the indentation depth does not return to 0 even when the load is removed. For example, in FIG. 4, the particle to which the load was applied had an indentation depth of about 230 nm. This indicates that the particle was partially deformed by the load, while a space remained within the particle. In FIG. 3, the part corresponding to the work of restoring the shape to the applied load indicates the elastic deformation work W E (the hatched part in FIG. 3), and the part corresponding to the work of deformation to the applied load indicates the plastic deformation work W P (the vertical line part in FIG. 3).
本実施形態の補助材料における炭素層積層指数は5以下であると好ましい。炭素層積層指数がこれよりも大きいと粒子の骨格はより硬くなり、これにより粒子の構造の弾性変形性が小さくなる。電極作製時の圧力によって破壊されやすくなり電解液の保持量が少なくなって特性は低下する。炭素層積層指数が小さ過ぎると、負荷されたときにつぶれやすくなる。これは粒子内の空間が小さくなったことを意味し、これにより粒子内に電解液が保持されにくくなる。 The carbon layer stacking index in the auxiliary material of this embodiment is preferably 5 or less. If the carbon layer stacking index is greater than this, the particle skeleton becomes harder, which reduces the elastic deformability of the particle structure. It becomes more susceptible to destruction by the pressure applied during electrode fabrication, which reduces the amount of electrolyte retained and reduces the properties. If the carbon layer stacking index is too small, it becomes more susceptible to crushing when loaded. This means that the space within the particle becomes smaller, which makes it difficult to retain electrolyte within the particle.
次に、本実施形態の補助材料を含有する電極を備えるリチウムイオン二次電池について説明する。 Next, we will explain a lithium-ion secondary battery equipped with an electrode containing the auxiliary material of this embodiment.
図5は本発明の一実施形態に係る、コイン型のリチウムイオン電池200の断面構造の一例を示すものである。このリチウムイオン電池200は、金属製の外装部品211内に収容された円板状の正極212と金属製の外装部品113内に収容された円板状の負極214とがセパレータ215を介して積層されたものである。なお、外装部品213と負極214の間には金属製のバネ218とスペーサ219が配置されている。外装部品211および外装部品213の内部は液状電解質により満たされており、外装部品211および外装部品213の周縁部はシールガスケット217を介してかしめられることにより密閉されている。 Figure 5 shows an example of the cross-sectional structure of a coin-type lithium-ion battery 200 according to one embodiment of the present invention. This lithium-ion battery 200 is formed by stacking a disk-shaped positive electrode 212 housed in a metallic exterior part 211 and a disk-shaped negative electrode 214 housed in a metallic exterior part 113 with a separator 215 between them. A metallic spring 218 and a spacer 219 are disposed between the exterior part 213 and the negative electrode 214. The interiors of the exterior parts 211 and 213 are filled with a liquid electrolyte, and the peripheries of the exterior parts 211 and 213 are sealed by crimping them with a seal gasket 217.
正極について説明する。
正極212は、一般的に、金属酸化物系材料と電子伝導性を補助する導電助剤と結着材と溶媒とを混合したスラリーを、圧延アルミ箔などの集電用金属箔体の上に塗布して塗膜を形成し、加熱乾燥して溶媒を除去した後、所定の寸法と密度に形成させて得られる。本実施形態では、アセチレンブラックのように汎用されている導電助剤を用いずに、上述した電池反応補助材料を用いる。
The positive electrode will now be described.
The positive electrode 212 is generally obtained by applying a slurry of a metal oxide material, a conductive assistant that assists electronic conductivity, a binder, and a solvent onto a current collecting metal foil such as rolled aluminum foil to form a coating film, heating and drying to remove the solvent, and then forming the coating into a predetermined size and density. In this embodiment, the above-mentioned battery reaction auxiliary material is used instead of a commonly used conductive assistant such as acetylene black.
正極活物質に使用可能な金属化合物系材料とは、電池の外部回路へ電子を放出すると同時にLiイオンを電解質に放出することができる材料のことである。含有するLiイオンの量は、その化学組成、結晶構造などにより異なるが、多くのLiイオンを可逆的に出し入れできる材料が好ましい。 Metal compound materials that can be used as positive electrode active materials are materials that can release electrons to the battery's external circuit and simultaneously release Li ions to the electrolyte. The amount of Li ions contained varies depending on the chemical composition, crystal structure, etc., but materials that can reversibly release and absorb many Li ions are preferred.
その材料としては遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属硫化物などが挙げられる。遷移金属としては、Fe、Co、Ni、Mn等が使用される。具体例としては、MnO、V2O5、V6O13、TiO2等の遷移金属酸化物、LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4等、TiS2、FeS、MoS2等の無機化合物が挙げられるが、これらは、その特性を向上させるため、部分的に特定元素をある元素で置換したものを用いても良い。 Examples of the material include transition metal oxides, composite oxides of lithium and transition metals, transition metal sulfides, etc. Examples of transition metals include Fe, Co, Ni, Mn, etc. Specific examples include transition metal oxides such as MnO, V2O5 , V6O13 , and TiO2, and inorganic compounds such as LiNiO2, LiCoO2, and LiMn2O4 , TiS2 , FeS , and MoS2 , but these may be used in which a specific element is partially substituted with another element in order to improve the characteristics.
上記の無機化合物のほかに、有機化合物から成る正極材料もある。例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物、N-フルオロピリジニウム塩などが挙げられる。正極材料は、上記の無機化合物と有機化合物の混合物であってもよい。 In addition to the above inorganic compounds, there are also positive electrode materials made of organic compounds. Examples include polyaniline, polypyrrole, polyacene, disulfide-based compounds, polysulfide-based compounds, and N-fluoropyridinium salts. The positive electrode material may be a mixture of the above inorganic compounds and organic compounds.
正極材料の物性はリチウムイオン電池の利用形態などの制約条件に起因する電池設計および製造プロセスにおける要求項目から決められるものである。正極材料の製造においては、その物性を実現できるようにプロセス設計等がなされている。物性値としては、粉末粒子径および分布、比表面積、密度等が挙げられる。 The physical properties of the positive electrode material are determined by the requirements in the battery design and manufacturing process, which stem from constraints such as the way the lithium-ion battery is used. In manufacturing the positive electrode material, the process is designed so that the physical properties can be realized. Physical property values include powder particle size and distribution, specific surface area, density, etc.
一例として、粉末粒子径は、リチウムイオン電池の他の構成要件との兼ね合いで適宜選択されるが、レ-ト特性、サイクル特性などの電池特性の向上の観点から、通常、平均値として1~30μmが好ましく、1~10μmがさらに好ましい。 As an example, the powder particle size is appropriately selected taking into account other constituent elements of the lithium ion battery, but from the viewpoint of improving battery characteristics such as rate characteristics and cycle characteristics, an average value of 1 to 30 μm is usually preferred, and 1 to 10 μm is even more preferred.
上記の正極材料は概ね電子伝導性が低いため、正極内には電子伝導性を補助する電池反応補助材料を共存させることが好ましい。汎用される導電助剤の材質としてはカーボン系材料、金属系材料があり、その他の電子伝導性の高い材料も利用可能であり、その中でもカーボン系材料が好適である。 The above positive electrode materials generally have low electronic conductivity, so it is preferable to have a battery reaction auxiliary material that assists in electronic conductivity coexist in the positive electrode. Commonly used conductive auxiliary materials include carbon-based materials and metal-based materials, and other materials with high electronic conductivity can also be used, with carbon-based materials being the most suitable.
共存させる電池反応補助材料の量は必要最低限にとどめ、リチウムイオン電池の容量を規定する正極材料の含有率を最大限に引き上げるべきである。 The amount of battery reaction auxiliary materials that are used should be kept to a minimum, and the content of the positive electrode material that determines the capacity of the lithium-ion battery should be maximized.
従来からあるカーボン系材料としては、すす、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ランプブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、グラファイトファイバー、ナノファイバー、ナノチューブ、コークス、ハードカーボン、アモルファスカーボンなどが挙げられる。 Conventional carbon-based materials include soot, acetylene black, ketjen black, lamp black, furnace black, carbon black, graphite, carbon fiber, graphite fiber, nanofiber, nanotubes, coke, hard carbon, and amorphous carbon.
これらに比べ、本実施形態の補助材料は、従来材料には無い大きな特徴がある。即ち、本実施形態の補助材料は、比較的大きな面積のグラフェン部分を構造に含むため、炭素-炭素結合以外の欠陥、例えば六員環炭素結合末端に含酸素官能基などが少ない。このため、電池内で晒される電気化学的酸化環境で劣化分解しにくい。 In comparison, the auxiliary material of this embodiment has a significant feature not found in conventional materials. That is, since the auxiliary material of this embodiment contains a graphene portion with a relatively large area in its structure, there are few defects other than carbon-carbon bonds, such as oxygen-containing functional groups at the ends of six-membered ring carbon bonds. For this reason, it is less susceptible to degradation and decomposition in the electrochemical oxidation environment to which it is exposed inside the battery.
また、必要に応じて、前記従来材料と複合利用することで、更なる効能を得ることができる。例えば、薄片状のグラファイトや直線性の高いカーボンナノチューブ等は、電子伝導性は高いものの、イオンの貯蔵性は低い。このような性質に対し、本実施形態の補助材料と組み合わせることで、電子伝導性にイオン貯蔵性を付加した良好な電池反応補助システムが構築可能となる。 If necessary, further benefits can be obtained by combining it with the conventional materials. For example, flake graphite and highly linear carbon nanotubes have high electronic conductivity but low ion storage. By combining these properties with the auxiliary material of this embodiment, it is possible to construct an excellent battery reaction auxiliary system that adds ion storage to electronic conductivity.
また、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類は、直径数十ナノメートルの構造粒子の連結によって構成される。その一方で、炭素の結晶性はそう高くなく、構造長も短く、且つ崩れやすいため長距離の電子伝達が苦手である。本実施形態の補助材料と組み合わせることで、立体構造を保持した状態や、立体構造が押しつぶされ鱗片状黒鉛のように扁平になった状態においても、電子伝導性を保持し、かつイオン供給能も併せ持つシステムを実現することができる。 Carbon blacks such as acetylene black are composed of linked structural particles with diameters of several tens of nanometers. On the other hand, carbon does not have a high degree of crystallinity, has a short structural length, and is prone to collapse, making it difficult to transmit electrons over long distances. By combining it with the auxiliary material of this embodiment, it is possible to realize a system that retains electronic conductivity and also has ion supply capabilities, even when the three-dimensional structure is maintained or when the three-dimensional structure is crushed and flattened like flake graphite.
本実施形態の炭素材料からなる電池反応補助材料を正極に含有させる好適な比率は、正極材料種類やバインダー種と量、電池容量設計などの違いにより変化する。本実施形態では、上述したように、電池反応補助材料の正極への添加率は電極合剤当たり0.1wt%以上5wt%以下が好ましい。このような範囲で添加することで、良好な特性を得ることができる。 The suitable ratio of the battery reaction auxiliary material made of the carbon material of this embodiment to be contained in the positive electrode varies depending on the type of positive electrode material, the type and amount of binder, the battery capacity design, etc. In this embodiment, as described above, the addition rate of the battery reaction auxiliary material to the positive electrode is preferably 0.1 wt % or more and 5 wt % or less per electrode mixture. By adding it in such a range, good characteristics can be obtained.
上記の正極材料および電池反応補助材料は粉末状であることが多く、それら同士、およびそれらを集電用金属箔体の上に固定化するためには、少量の結着材を混合して用いるのが好適である。結着材については、化学的、電気化学的に不活性であり、多少の弾性変形性と親和性を有することが要求され、プラスチック樹脂材料が好適に用いられる。 The above-mentioned positive electrode material and battery reaction auxiliary material are often in powder form, and in order to fix them together and on the current collecting metal foil, it is preferable to mix them with a small amount of a binder. The binder must be chemically and electrochemically inactive and have some degree of elastic deformability and affinity, and a plastic resin material is preferably used.
電池反応補助材料の別の使用様態としては、粉末をある一定比率で液体溶媒に分散させた塗料の状態で用いることもできる。その場合には、溶媒はリチウムイオン電池の製造に適用可能な有機または無機化合物を用いることができる。溶媒中での粉末の分散状態を良好に保つために、有機または無機の分散剤(例として、単分子またはプラスチック樹脂材料)を好適に使用できる。 As another mode of use of the battery reaction auxiliary material, the powder can be dispersed in a liquid solvent at a certain ratio to form a paint. In this case, the solvent can be an organic or inorganic compound applicable to the manufacture of lithium-ion batteries. In order to keep the powder well dispersed in the solvent, an organic or inorganic dispersant (e.g., a monomolecular or plastic resin material) can be suitably used.
上記のプラスチック樹脂材料としては、例えば、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニド等のCN基含有ポリマー、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等のポリビニルアルコール系ポリマー、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のハロゲン含有ポリマー、ポリアニリン等の導電性ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-1,1-ジメチルエチレン等のアルカン系ポリマー、ポリブタジエン、ポリイソプレン等の不飽和系ポリマー、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ-N-ビニルピロリドン等の環を有するポリマー、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド等のアクリル系ポリマー等が挙げられる。また、上記の樹脂材料の混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などであってもよい。これらの樹脂の重量平均分子量は、通常10,000~3,000,000、好ましくは100,000~1,000,000である。分子量が小さ過ぎる場合は塗膜の強度が低下し、大き過ぎる場合は、粘度が高くなり電極の形成が困難になる。 Examples of the plastic resin materials include fluorine-based resins such as polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene, CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide, polyvinyl alcohol-based polymers such as polyvinyl acetate and polyvinyl alcohol, halogen-containing polymers such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride, conductive polymers such as polyaniline, alkane-based polymers such as polyethylene, polypropylene, and poly-1,1-dimethylethylene, unsaturated polymers such as polybutadiene and polyisoprene, polymers having rings such as polystyrene, polymethylstyrene, polyvinylpyridine, and poly-N-vinylpyrrolidone, acrylic polymers such as polymethylmethacrylate, polyethylmethacrylate, polybutylmethacrylate, polymethylacrylate, polyethylacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and polyacrylamide, etc. The resin materials may also be mixtures, modified products, derivatives, random copolymers, alternating copolymers, graft copolymers, block copolymers, etc. The weight average molecular weight of these resins is usually 10,000 to 3,000,000, and preferably 100,000 to 1,000,000. If the molecular weight is too small, the strength of the coating film decreases, and if it is too large, the viscosity increases, making it difficult to form the electrode.
結着材を十分均一に分布させ、またスラリーを所定の寸法に塗膜形成させるために、結着材樹脂のみを溶解し、その他の材料を溶解させない、適切なスラリー溶媒を用いることができる。例示すれば、ポリフッ化ビニリデンを用いる場合には、溶媒にジメチルホルムアミドが好適に用いられる。あるいは、溶媒にN-メチルピロリドンを用いてもよく、製造プロセスの条件によって適宜選択して用いることができる。 In order to distribute the binder sufficiently uniformly and to form a coating of the slurry to the required dimensions, a suitable slurry solvent can be used that dissolves only the binder resin and does not dissolve other materials. For example, when polyvinylidene fluoride is used, dimethylformamide is preferably used as the solvent. Alternatively, N-methylpyrrolidone can be used as the solvent, and can be selected appropriately depending on the conditions of the manufacturing process.
集電用金属箔体は、安価に入手でき、かつ工業的使用に耐えうる材質が好ましく、正極の発現する電位に対して電気化学的耐性を有する材料が好適に用いられる。集電用金属箔体の例としては、アルミ箔、ニッケル箔、チタン箔、ステンレス箔が好ましく、一般に入手しやすい圧延アルミ箔がより好ましい。 The metal foil for current collection is preferably made of a material that is inexpensive and can withstand industrial use, and is preferably made of a material that has electrochemical resistance to the potential generated by the positive electrode. Examples of metal foil for current collection are aluminum foil, nickel foil, titanium foil, and stainless steel foil, and rolled aluminum foil, which is generally readily available, is more preferable.
集電用金属箔体へのスラリーの塗膜形成方法としては、一般に用いられる印刷技術が利用可能である。塗膜の厚さ寸法が小さい場合にはグラビア印刷などが、大きい場合にはドクターブレード印刷やダイ印刷などの印刷手法が好適に用いられる。 Commonly used printing techniques can be used to form a coating of the slurry on the metal foil for current collection. When the coating thickness is small, gravure printing is suitable, and when it is large, printing techniques such as doctor blade printing and die printing are suitable.
その後、塗膜は加熱乾燥されるが、いずれの乾燥方法も利用可能であり、所望の結着材による結着強度が実現できる方法が好適に用いられる。 The coating is then dried by heating. Any drying method can be used, and the method that can achieve the desired binding strength with the binder is preferably used.
そして、その後、正極の所定寸法に形成される際には、工業的に利用可能な切断刃等およびその方式が好適に用いられる。また、所定の密度を実現するために、必要に応じて工業的に利用可能な加圧装置等および方式が好適に用いられる。 Then, when forming the positive electrode to the specified dimensions, an industrially available cutting blade and the like and the method are preferably used. In addition, to achieve the specified density, an industrially available pressure device and the like and the method are preferably used as necessary.
次に、負極について説明する。
負極214は、例えばカーボン系材料とバインダーと溶媒とを混合したスラリーを圧延銅箔などの集電用金属箔体の上にコートし、加熱乾燥して溶媒を除去した後、所定の寸法と密度に形成させて得られる。
Next, the negative electrode will be described.
The negative electrode 214 is obtained by, for example, coating a slurry made of a mixture of a carbon-based material, a binder, and a solvent onto a current-collecting metal foil such as rolled copper foil, heating and drying to remove the solvent, and then forming the resulting product into a predetermined size and density.
負極に使用可能なカーボン系材料としては、Liイオンと外部回路から流れてくる電子とを結合安定化させることができ、安定化サイトをその内部に多数持つものが好ましい。 Carbon-based materials that can be used for the negative electrode are preferably those that can bond and stabilize Li ions with electrons flowing from an external circuit and have many stabilization sites inside.
例示するならば、有機物を起源とし、結晶性が高くても、低くても、いずれも利用可能であり、グラファイト、コークス、アモルファスカーボン、ハードカーボン、ポリマーカーボン等が好適に使用できる。この場合、原理としてはグラフェン層間などでLiイオンが挟まれた状態で電子と結合し安定化するというものである。 For example, any material of organic origin can be used regardless of whether it has high or low crystallinity, and graphite, coke, amorphous carbon, hard carbon, polymer carbon, etc. can be suitably used. In this case, the principle is that Li ions are sandwiched between graphene layers, etc., and are stabilized by bonding with electrons.
また、他に安定化機構として、電気化学的に金属間化合物を形成する手法も利用可能であり、ケイ素、スズ、亜鉛、ビスマス、アンチモン、カドミウム、鉛、ゲルマニュウム等が好適に使用できる。 Another stabilization mechanism is the electrochemical formation of intermetallic compounds, and suitable elements include silicon, tin, zinc, bismuth, antimony, cadmium, lead, and germanium.
加えて、リチウムイオン電池の負極側を司る、低い電気化学反応電位を示すその他の材料も利用可能である。好適には金属と酸素、イオウ、ハロゲン、窒素、りん等の化合物が挙げられる。 In addition, other materials that exhibit low electrochemical reaction potentials that serve as the negative electrode of lithium-ion batteries can also be used. Suitable examples include compounds of metals with oxygen, sulfur, halogens, nitrogen, phosphorus, etc.
そして、リチウムイオン電池の用途によっては任意の放電プロファイルを得るために上記の負極材料を複数所定比率で混合し、使用することができる。 Depending on the application of the lithium-ion battery, multiple negative electrode materials listed above can be mixed in a given ratio and used to obtain the desired discharge profile.
負極材料の物性はリチウムイオン電池の利用形態などの制約条件に起因するデバイス(例として畜電池)設計および製造プロセスにおける要求項目から決められるものである。材料の製造においてはその物性を実現できるようにプロセス設計等がなされている。物性値としては、粉末粒子径および分布、比表面積、密度等が挙げられる。 The physical properties of negative electrode materials are determined by the requirements in the device (e.g. storage battery) design and manufacturing process, which stem from constraints such as the usage pattern of lithium-ion batteries. In the manufacture of materials, processes are designed to realize the physical properties. Physical property values include powder particle size and distribution, specific surface area, density, etc.
一例として、粉末粒子径は、リチウムイオン電池の他の構成要件との兼ね合いで適宜選択されるが、レ-ト特性、サイクル特性などの電池特性の向上の観点から、通常、平均値として1~70μmが好ましく、3~30μmがより好ましい。 As an example, the powder particle size is appropriately selected taking into account other constituent elements of the lithium ion battery, but from the perspective of improving battery characteristics such as rate characteristics and cycle characteristics, an average value of 1 to 70 μm is usually preferred, and 3 to 30 μm is more preferred.
上記の負極材料は概ね電子伝導性は高いが、材料によっては平滑な表面を有し、粒子同士の接触が不十分の場合には、電子伝導性を補助する導電助剤を共存させることも好適である。材質としてはカーボン系材料、金属系材料、その他の電子伝導性の高い材料も利用可能であり、その中でもカーボン系材料が好適である。上述した本実施形態の電池反応補助材料を導電助剤として用いてもよい。 The above negative electrode materials generally have high electronic conductivity, but some materials have smooth surfaces and in cases where the contact between particles is insufficient, it is also preferable to use a conductive assistant to assist in electronic conductivity. Carbon-based materials, metal-based materials, and other materials with high electronic conductivity can also be used as materials, and among these, carbon-based materials are preferable. The battery reaction assistant material of this embodiment described above may be used as a conductive assistant.
共存させる導電助剤の量は必要最低限にとどめ、リチウムイオン電池の容量を規定する負極材料の含有率を最大限に引き上げるべきである。 The amount of conductive additive used should be kept to a minimum, and the content of the negative electrode material, which determines the capacity of the lithium-ion battery, should be maximized.
従来からあるカーボン系材料としては、すす、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ランプブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、グラファイトファイバー、ナノファイバー、ナノチューブ、コークス、ハードカーボン、アモルファスカーボンなどが挙げられる。 Conventional carbon-based materials include soot, acetylene black, ketjen black, lamp black, furnace black, carbon black, graphite, carbon fiber, graphite fiber, nanofiber, nanotubes, coke, hard carbon, and amorphous carbon.
これらに比べ、本実施形態の電池反応補助材料は、従来材料には無い大きな特徴があり、さらに必要に応じて、従来材料と複合利用することで、更なる効能を得ることができる。例えば、薄片状のグラファイトや直線性の高いカーボンナノチューブ等は、電子伝導性は高いものの、イオンの貯蔵性は低い。このため、本発明の補助材料と組み合わせることで、電子伝導性にイオン貯蔵性を付加した良好な電池反応補助システムが構築可能とある。 In comparison, the battery reaction auxiliary material of this embodiment has significant features not found in conventional materials, and can be used in combination with conventional materials as necessary to obtain even greater effectiveness. For example, flaky graphite and highly linear carbon nanotubes have high electronic conductivity but low ion storage. For this reason, by combining them with the auxiliary material of the present invention, it is possible to construct an excellent battery reaction auxiliary system that combines electronic conductivity with ion storage.
また、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類は、直径数十ナノメートルの構造粒子の連結によって構成される。その一方で、炭素の結晶性はそう高くなく、構造長も短く、且つ崩れやすいため長距離の電子伝達が苦手である。このような性質を有しているものの、本発明の補助材料と組み合わせることで、立体構造を保持した状態や、立体構造が押しつぶされ鱗片状黒鉛のように扁平になった状態などにおいても、電子伝導性を保持し、かつイオン供給能も併せ持つシステムを実現することができる。 Carbon blacks such as acetylene black are composed of linked structural particles with diameters of several tens of nanometers. However, the crystallinity of carbon is not very high, the structural length is short, and it is prone to collapse, making it difficult to transmit electrons over long distances. Despite these properties, by combining it with the auxiliary material of the present invention, it is possible to realize a system that retains electronic conductivity and also has ion supply capabilities, even when the three-dimensional structure is maintained or when the three-dimensional structure is crushed and flattened like flake graphite.
本実施形態の電池反応補助材料を負極に含有させる好適な比率は、正極材料の種類やバインダー種と量、電池容量設計などの違いにより変化する。本実施形態では、上述したように、電池反応補助材料の正極への添加率は電極合剤当たり0.1wt%以上5wt%以下が好ましい。このような範囲で添加することで、良好な特性を得ることができる。 The suitable ratio of the battery reaction auxiliary material of this embodiment to be contained in the negative electrode varies depending on the type of positive electrode material, the type and amount of binder, the battery capacity design, etc. In this embodiment, as described above, the addition rate of the battery reaction auxiliary material to the positive electrode is preferably 0.1 wt % or more and 5 wt % or less per electrode mixture. By adding it in such a range, good characteristics can be obtained.
集電用金属箔体は、安価に入手でき、かつ工業的使用に耐えうる材質が好ましく、負極の発現する電位に対して電気化学的反応性を有さない材料が好適に用いられる。例示すれば、集電用金属箔体としては、銅箔、ニッケル箔、チタン箔、ステンレス箔が好ましく、一般に入手しやすい電解銅箔や圧延銅箔がより好ましい。 The metal foil for current collection is preferably made of a material that is inexpensive and can withstand industrial use, and is preferably a material that does not have electrochemical reactivity to the potential generated by the negative electrode. For example, copper foil, nickel foil, titanium foil, and stainless steel foil are preferred as the metal foil for current collection, and electrolytic copper foil and rolled copper foil, which are generally readily available, are more preferred.
上記のスラリーの塗膜形成方法としては、一般に用いられる印刷技術が利用可能である。厚さ寸法が小さい場合にはグラビア印刷などが、大きい場合にはドクターブレード印刷やダイ印刷などの印刷手法が好適に用いられる。 The above-mentioned slurry can be applied to a coating of a commonly used printing technique. When the thickness is small, gravure printing is suitable, and when the thickness is large, doctor blade printing, die printing, or other printing techniques are suitable.
その後、塗膜は加熱乾燥されるが、いずれの乾燥方法も利用可能であり、所望の結着材による結着強度が実現できる方法が好適に用いられる。 The coating is then dried by heating. Any drying method can be used, and the method that can achieve the desired binding strength with the binder is preferably used.
そして、その後、負極の所定寸法に形成される際には、工業的に利用可能な切断刃等およびその方式が好適に用いられる。また、所定の密度を実現するために、必要に応じて工業的に利用可能な加圧装置等および方式が好適に用いられる。 Then, when forming the negative electrode to the specified dimensions, an industrially available cutting blade and the like and the method are preferably used. In addition, to achieve the specified density, an industrially available pressure device and the like and the method are preferably used as necessary.
上記の負極材料および導電助剤は粉末状であることが多く、それら同士、およびそれらを集電用金属箔体の上に固定化するためには、少量の結着材を混合して用いるのが好適である。結着材については、化学的、電気化学的に不活性であり、多少の弾性変形性と親和性を有することが要求され、プラスチック樹脂材料が好適に用いられる。 The above-mentioned negative electrode material and conductive assistant are often in powder form, and in order to fix them together and on the current collecting metal foil, it is preferable to mix them with a small amount of a binder. The binder must be chemically and electrochemically inactive and have some degree of elastic deformability and affinity, and a plastic resin material is preferably used.
電池反応補助材料の別の使用様態としては、粉末をある一定比率で液体溶媒に分散させた塗料の状態で用いることもできる。その場合には、溶媒はリチウムイオン電池の製造に適用可能な有機または無機化合物を用いることができる。溶媒中での粉末の分散状態を良好に保つために、有機または無機の分散剤(例として、単分子またはプラスチック樹脂材料)を好適に使用できる。 As another mode of use of the battery reaction auxiliary material, the powder can be dispersed in a liquid solvent at a certain ratio to form a paint. In this case, the solvent can be an organic or inorganic compound applicable to the manufacture of lithium-ion batteries. In order to keep the powder well dispersed in the solvent, an organic or inorganic dispersant (e.g., a monomolecular or plastic resin material) can be suitably used.
上記のプラスチック樹脂材料としては、例えば、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニド等のCN基含有ポリマー、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等のポリビニルアルコール系ポリマー、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のハロゲン含有ポリマー、ポリアニリン等の導電性ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-1,1-ジメチルエチレン等のアルカン系ポリマー、ポリブタジエン、ポリイソプレン等の不飽和系ポリマー、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ-N-ビニルピロリドン等の環を有するポリマー、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド等のアクリル系ポリマー、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンラバー等が挙げられる。また、前記樹脂材料の混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などであってもよい。これらの樹脂の重量平均分子量は、通常10,000~3,000,000、好ましくは100,000~1,000,000である。分子量が小さ過ぎる場合は塗膜の強度が低下し、大き過ぎる場合は、粘度が高くなり電極の形成が困難になる。 Examples of the plastic resin materials include fluorine-based resins such as polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene, CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide, polyvinyl alcohol-based polymers such as polyvinyl acetate and polyvinyl alcohol, halogen-containing polymers such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride, conductive polymers such as polyaniline, alkane-based polymers such as polyethylene, polypropylene, and poly-1,1-dimethylethylene, unsaturated polymers such as polybutadiene and polyisoprene, polymers having rings such as polystyrene, polymethylstyrene, polyvinylpyridine, and poly-N-vinylpyrrolidone, acrylic polymers such as polymethylmethacrylate, polyethylmethacrylate, polybutylmethacrylate, polymethylacrylate, polyethylacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and polyacrylamide, carboxymethylcellulose, and styrene butadiene rubber. The resin materials may also be mixtures, modified products, derivatives, random copolymers, alternating copolymers, graft copolymers, block copolymers, and the like. The weight average molecular weight of these resins is usually 10,000 to 3,000,000, and preferably 100,000 to 1,000,000. If the molecular weight is too small, the strength of the coating film decreases, and if it is too large, the viscosity increases, making it difficult to form the electrode.
結着材を十分均一に分布させ、またスラリーを所定の寸法に塗膜形成させるために、結着材樹脂のみを溶解し、その他の材料を溶解させない、適切なスラリー溶媒を用いることができる。例示すれば、ポリフッ化ビニリデンを用いる場合には、溶媒にジメチルホルムアミドが好適に用いられる。あるいは、溶媒にN-メチルピロリドンを用いてもよく、製造プロセスの条件によって適宜選択して用いることができる。 In order to distribute the binder sufficiently uniformly and to form a coating of the slurry to the required dimensions, a suitable slurry solvent can be used that dissolves only the binder resin and does not dissolve other materials. For example, when polyvinylidene fluoride is used, dimethylformamide is preferably used as the solvent. Alternatively, N-methylpyrrolidone can be used as the solvent, and can be selected appropriately depending on the conditions of the manufacturing process.
本実施形態のでリチウムイオン電池に適用される電池用電解質について説明する。 In this embodiment, we will explain the battery electrolyte that is applied to lithium-ion batteries.
電解質は、溶質を有機溶媒に溶解させたものであり、通常これらが主成分である。 Electrolytes are solutes dissolved in organic solvents, and these are usually the main components.
電解質の組成物の一つとして、まずイオンの元となる溶質、即ちLi塩がある。 One of the components of an electrolyte is a solute that is the source of ions, i.e. Li salt.
溶質の種類は、特に制限されないが、このリチウムイオン電池の用途に用いることが知られているものであれば特に制限がなく、任意のものを用いることができる。具体的には以下のものが挙げられる。 There are no particular limitations on the type of solute, but any solute known to be used in this lithium-ion battery can be used. Specific examples include the following:
溶質の例としては、LiPF6やLiBF4等の無機塩、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、Li環状1,2-パーフルオロエタンジスルホニルイミド、Li環状1,3-パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等の含フッ素有機Li塩およびLiビス(オキサレート)ボレート等が挙げられる。 Examples of solutes include inorganic salts such as LiPF6 and LiBF4 , LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiN( C2F5SO2 ) 2 , Li cyclic 1,2- perfluoroethane disulfonylimide, Li cyclic 1,3-perfluoropropane disulfonylimide, LiN ( CF3SO2 )(C4F9SO2), LiC( CF3SO2 ) 3 , LiPF4 ( CF3 ) 2 , LiPF4 ( C2F5 ) 2 , LiPF4 ( CF3SO2 ) 2 , LiPF4 ( C2F5SO2 ) 2 , LiBF2 Fluorine-containing organic Li salts such as ( CF3 ) 2 , LiBF2 ( C2F5 ) 2 , LiBF2 ( CF3SO2 ) 2 , and LiBF2 ( C2F5SO2 ) 2 , and Li bis( oxalate ) borate are exemplified.
これらのうち、LiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2およびLiN(C2F5SO2)2が電池性能を発揮する点で好ましく、特にLiPF6およびLiBF4が好ましい。 Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 and LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 are preferred in terms of exerting battery performance, with LiPF 6 and LiBF 4 being particularly preferred.
なお、これらのLi塩は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 These Li salts may be used alone or in combination of two or more.
電解質中におけるLi塩の含有割合は、Li塩を溶解させる溶媒の種類や混合組成によってその割合は異なるが、電解質中におけるLi塩の含有割合は、7~190重量%が好ましく、10~180重量%がより好ましく、13~150重量%がさらに好ましい。 The content of the Li salt in the electrolyte varies depending on the type of solvent in which the Li salt is dissolved and the mixture composition, but the content of the Li salt in the electrolyte is preferably 7 to 190% by weight, more preferably 10 to 180% by weight, and even more preferably 13 to 150% by weight.
次に、電解質に用いる有機溶媒について説明する。 Next, we will explain the organic solvent used in the electrolyte.
その種類は、特に制限されないが、従来から溶媒として公知のものの中から適宜選択して用いることができる。例えば、不飽和結合をもたない環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、環状カルボン酸エステル類、鎖状カルボン酸エステル類、含燐有機溶媒等が挙げられる。 The type of solvent is not particularly limited, but may be appropriately selected from those conventionally known as solvents. Examples include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic ethers, chain ethers, cyclic carboxylate esters, chain carboxylate esters, phosphorus-containing organic solvents, etc. that do not have unsaturated bonds.
Liイオンの移動に影響を与える因子としては、粘度の他に、有機溶媒の粘度と溶媒和能がある。溶媒和能は溶解したイオンを解離させる力であり、強すぎるとイオンの移動を阻害するため最適値が存在する。 In addition to viscosity, factors that affect the movement of Li ions include the viscosity and solvation power of the organic solvent. Solvation power is the force that dissociates dissolved ions, and if it is too strong, it will hinder the movement of ions, so there is an optimal value.
また、実用的なリチウムイオン電池は使用環境条件が幅広く、特に有機溶媒の融点や沸点などの物理特性も一定範囲内に収める必要がある。 In addition, practical lithium-ion batteries can be used in a wide range of environmental conditions, and physical properties such as the melting and boiling points of organic solvents must also fall within certain ranges.
上記の要件に対して、現実的な解決案は、複数の有機溶媒を混合して用いることである。融点の高い有機溶媒と低い有機溶媒、溶媒和能の高いものと低いもの、などといった各物性における組み合わせから、実用特性を考慮して混合組成が決定される。 A realistic solution to the above requirements is to use a mixture of multiple organic solvents. The mixture composition is determined by taking into account practical properties and combining organic solvents with high and low melting points, high and low solvation abilities, etc.
本実施形態の電解質においては、ともに炭素-炭素不飽和結合を持たない環状カーボネートと鎖状カーボネートとを混合して使用することが好ましい。 In the electrolyte of this embodiment, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate, neither of which has a carbon-carbon unsaturated bond.
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の炭素数2~4のアルキレン基を有するアルキレンカーボネート類が挙げられる。これらの中では、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが電池特性向上の点から好ましく、特にエチレンカーボネートが好ましい。 Examples of cyclic carbonates include alkylene carbonates having an alkylene group with 2 to 4 carbon atoms, such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate. Among these, ethylene carbonate and propylene carbonate are preferred from the viewpoint of improving battery characteristics, and ethylene carbonate is particularly preferred.
鎖状カーボネート類としては、ジアルキルカーボネートが好ましく、構成するアルキル基の炭素数は、それぞれ1~5が好ましく、特に好ましくは1~4である。具体的には例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ-n-プロピルカーボネート等の対称鎖状アルキルカーボネート類;エチルメチルカーボネート、メチル-n-プロピルカーボネート、エチル-n-プロピルカーボネート等の非対称鎖状アルキルカーボネート類等のジアルキルカーボネートが挙げられる。中でも、粘度の点ではジメチルカーボネートが最も低く好ましい。 As the chain carbonates, dialkyl carbonates are preferred, and the number of carbon atoms in the constituent alkyl groups is preferably 1 to 5, and particularly preferably 1 to 4. Specific examples include dialkyl carbonates such as symmetric chain alkyl carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and di-n-propyl carbonate; and asymmetric chain alkyl carbonates such as ethyl methyl carbonate, methyl-n-propyl carbonate, and ethyl-n-propyl carbonate. Among these, dimethyl carbonate is the most preferred in terms of viscosity because it has the lowest viscosity.
しかしながら、ジメチルカーボネートは沸点がやや低いため、より高い沸点を示す鎖状カーボネート類をさらに混合して用いることで、より好適な特性が得られる。混合する鎖状カーボネートとしてはジエチルカーボネートが好適であるが、他の鎖状カーボネートでも問題無く使用できる。 However, since dimethyl carbonate has a rather low boiling point, more suitable properties can be obtained by further mixing it with a chain carbonate with a higher boiling point. Diethyl carbonate is the preferred chain carbonate to be mixed with, but other chain carbonates can also be used without problems.
混合割合は所望の実用特性によっても変わってくる。環状カーボネートに対する鎖状カーボネートの割合は、Li塩の割合も含めた形で最適な組成が存在する。 The mixing ratio also varies depending on the desired practical properties. There is an optimal composition for the ratio of chain carbonate to cyclic carbonate, including the ratio of Li salt.
電解質中の環状カーボネートの含有割合は1~35重量%が好ましく、3~30重量%がより好ましく、4~25重量%がさらに好ましい。環状カーボネートは複数混合して用いることができる。 The content of the cyclic carbonate in the electrolyte is preferably 1 to 35% by weight, more preferably 3 to 30% by weight, and even more preferably 4 to 25% by weight. Multiple cyclic carbonates can be mixed and used.
一方、電解質中の鎖状カーボネートの含有割合は40~70重量%が好ましく、43~68重量%がさらに好ましい。鎖状カーボネートは複数混合して用いることができる。 On the other hand, the content of the chain carbonate in the electrolyte is preferably 40 to 70% by weight, and more preferably 43 to 68% by weight. Multiple chain carbonates can be mixed and used.
総合的な組成として以下の組み合わせが好適である。
エチレンカーボネートとジアルキルカーボネート類との組み合わせの中で、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートが好ましく、さらに対称鎖状ジアルキルカーボネートおよび/または非対称鎖状ジアルキルカーボネート類を含有してもよい。例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートといったエチレンカーボネートと対称鎖状ジアルキルカーボネート類と非対称鎖状ジアルキルカーボネート類を含有するものが、サイクル特性と高出力放電特性のバランスが良いので好ましい。中でも、非対称鎖状ジアルキルカーボネート類がエチルメチルカーボネートであるのが好ましく、また、アルキルカーボネートのアルキル基は炭素数1~2が好ましい。
As a comprehensive composition, the following combination is preferable.
Among the combinations of ethylene carbonate and dialkyl carbonates, ethylene carbonate and dimethyl carbonate are preferred, and may further contain symmetric chain dialkyl carbonate and/or asymmetric chain dialkyl carbonate. For example, those containing ethylene carbonate, symmetric chain dialkyl carbonate and asymmetric chain dialkyl carbonate, such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, and ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, are preferred because they have a good balance between cycle characteristics and high-output discharge characteristics. Among them, it is preferred that the asymmetric chain dialkyl carbonate is ethyl methyl carbonate, and the alkyl group of the alkyl carbonate has 1 to 2 carbon atoms.
さらに、イオンの解離や移動等を助ける溶媒として、環状エーテル類、鎖状エーテル類、環状カルボン酸エステル類や鎖状カルボン酸エステル類などを、上記した主要の有機溶媒に付随して追加することもできる。 Furthermore, as a solvent that aids in the dissociation and movement of ions, cyclic ethers, chain ethers, cyclic carboxylate esters, chain carboxylate esters, etc. can be added in addition to the main organic solvents mentioned above.
環状エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン等、鎖状エーテル類としては、ジメトキシエタン、ジメトキシメタン等が挙げられる。 Examples of cyclic ethers include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, and examples of chain ethers include dimethoxyethane and dimethoxymethane.
環状カルボン酸エステル類としては、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン等、鎖状カルボン酸エステル類としては、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル等が挙げられる。 Examples of cyclic carboxylates include γ-butyrolactone and γ-valerolactone, and examples of chain carboxylates include methyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, and methyl butyrate.
これらの中でも特に、鎖状カルボン酸エステルが好適である。 Among these, chain carboxylic acid esters are particularly suitable.
さらに、本実施形態の電解質に、2つ以上のフッ素原子を有する含フッ素環状カーボネートを含有させることも好適に行われる。 Furthermore, it is also preferable to incorporate a fluorine-containing cyclic carbonate having two or more fluorine atoms into the electrolyte of this embodiment.
2つ以上のフッ素原子を有する含フッ素環状カーボネートのフッ素原子の数は特に制限されないが、フッ素化エチレンカーボネートの場合は、下限としては通常2つ以上であり、上限としては通常4つ以下であり、3つ以下が好ましい。 The number of fluorine atoms in a fluorine-containing cyclic carbonate having two or more fluorine atoms is not particularly limited, but in the case of fluorinated ethylene carbonate, the lower limit is usually two or more, and the upper limit is usually four or less, preferably three or less.
フッ素化プロピレンカーボネートの場合は、下限としては通常2つ以上であり、上限としては、通常6つ以下であり、5つ以下が好ましい。特に、環構造を形成する炭素に2つ以上のフッ素原子が結合しているものが、サイクル特性および保存特性向上の点から好ましい。 In the case of fluorinated propylene carbonate, the lower limit is usually 2 or more, and the upper limit is usually 6 or less, preferably 5 or less. In particular, those in which two or more fluorine atoms are bonded to carbons forming a ring structure are preferred from the viewpoint of improving cycle characteristics and storage characteristics.
中でも2つ以上のフッ素原子を有するフッ素化エチレンカーボネートが、電池特性向上の点から好ましく、さらにその中でも、シス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、トランス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オンが特に好ましい。 Among these, fluorinated ethylene carbonates having two or more fluorine atoms are preferred from the viewpoint of improving battery characteristics, and among these, cis-4,5-difluoro-1,3-dioxolane-2-one, trans-4,5-difluoro-1,3-dioxolane-2-one, and 4,4-difluoro-1,3-dioxolane-2-one are particularly preferred.
2つ以上のフッ素原子を有する含フッ素環状カーボネートは、単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。非水系電解液中の2つ以上のフッ素原子を有する含フッ素環状カーボネート化合物の割合は、本実施形態の効果を発現するためには、特に制限はないが、通常0.001重量%以上、好ましくは0.01重量%以上、より好ましくは0.1重量%以上、特に好ましくは0.2重量%以上、最も好ましくは0.25重量%以上である。これより低濃度では本実施形態の効果が発現しにくい場合がある。逆に濃度が高すぎると、高温保存時に電池内圧が増大する場合があるので、上限は、通常10重量%以下、好ましくは4重量%以下、より好ましくは2重量%以下、特に好ましくは1重量%以下、最も好ましくは0.5重量%以下である。 The fluorine-containing cyclic carbonate having two or more fluorine atoms may be used alone or in combination of two or more kinds. The ratio of the fluorine-containing cyclic carbonate compound having two or more fluorine atoms in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited in order to exhibit the effects of this embodiment, but is usually 0.001 wt% or more, preferably 0.01 wt% or more, more preferably 0.1 wt% or more, particularly preferably 0.2 wt% or more, and most preferably 0.25 wt% or more. At a concentration lower than this, the effects of this embodiment may be difficult to exhibit. Conversely, if the concentration is too high, the internal pressure of the battery may increase during high-temperature storage, so the upper limit is usually 10 wt% or less, preferably 4 wt% or less, more preferably 2 wt% or less, particularly preferably 1 wt% or less, and most preferably 0.5 wt% or less.
またさらに、不飽和結合を有する環状カーボネート類や、総炭素数が7以上18以下の芳香族化合物を電解質中に混合して用いても良い。 Furthermore, cyclic carbonates having unsaturated bonds and aromatic compounds having a total carbon number of 7 to 18 may be mixed into the electrolyte.
不飽和結合を有する環状カーボネート類のうち、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、4-メチル-4-ビニルエチレンカーボネートまたは4,5-ジビニルエチレンカーボネートがサイクル特性向上の点から好ましく、なかでもビニレンカーボネートまたはビニルエチレンカーボネートがより好ましい。これらは単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。 Of the cyclic carbonates having unsaturated bonds, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, 4-methyl-4-vinyl ethylene carbonate, and 4,5-divinyl ethylene carbonate are preferred from the viewpoint of improving cycle characteristics, and among these, vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are more preferred. These may be used alone or in combination of two or more kinds.
総炭素数が7以上18以下の芳香族化合物としては、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物が好ましい。 Preferred aromatic compounds having a total carbon number of 7 to 18 are biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, dibenzofuran, and other aromatic compounds.
このように総炭素数が7以上18以下の芳香族化合物と、負極および正極との副反応を抑制することにより、高温保存後の放電特性の著しい低下を抑制すると考えられる。 In this way, it is believed that by suppressing the side reactions between the aromatic compounds with a total carbon number of 7 to 18 and the negative and positive electrodes, a significant decrease in discharge characteristics after high-temperature storage can be suppressed.
電解質中における総炭素数が7以上18以下の芳香族化合物の割合は、本実施形態の効果を発現するためには、通常0.001重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、特に好ましくは0.3重量%以上、最も好ましくは0.5重量%以上であり、上限は、通常5重量%以下、好ましくは3重量%以下、特に好ましくは2重量%以下である。この下限より低濃度では過充電時の安全性を向上する効果が発現しがたい場合がある。逆に濃度が高すぎると高温保存特性などの電池の特性が低下する場合がある。 In order to achieve the effects of this embodiment, the proportion of aromatic compounds having a total carbon number of 7 to 18 in the electrolyte is usually 0.001% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, particularly preferably 0.3% by weight or more, and most preferably 0.5% by weight or more, with the upper limit usually being 5% by weight or less, preferably 3% by weight or less, and particularly preferably 2% by weight or less. At a concentration lower than this lower limit, it may be difficult to achieve the effect of improving safety during overcharging. Conversely, if the concentration is too high, battery characteristics such as high-temperature storage characteristics may be reduced.
セパレータ215は、正極212と負極214とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものであり、樹脂製の多孔膜が好適に用いられる。 The separator 215 separates the positive electrode 212 and the negative electrode 214, prevents short-circuiting of the current due to contact between the two electrodes, and allows lithium ions to pass through. A porous resin film is preferably used for the separator 215.
膜の形態としては、バルク樹脂を延伸することにより開孔させる延伸膜や、繊維状の樹脂ファイバーを多数積層させ、多孔膜のような空孔構造を作ることができる不織布などが好適に用いられる。 As for the form of the membrane, a stretched membrane in which pores are created by stretching the bulk resin, or a nonwoven fabric in which a large number of fibrous resin fibers are layered to create a porous structure like a porous membrane, are preferably used.
樹脂の材質としては、ポリオレフィン類が挙げられ、特にポリエチレンが好適である。ポリエチレンは、融解温度が比較的低く、何らかの理由(例として、短絡などの不安全な状態等)で電池の温度が上昇したときに、熱融解により膜中の孔が閉塞し、駆動用イオンの移動を阻害することで、反応停止、安全確保できる。 Polyolefins are suitable as resin materials, with polyethylene being particularly suitable. Polyethylene has a relatively low melting temperature, and when the temperature of the battery rises for some reason (for example, an unsafe condition such as a short circuit), the thermal melting causes the pores in the membrane to close, inhibiting the movement of the driving ions, thereby stopping the reaction and ensuring safety.
延伸方式で形成される多孔膜は、通常、ポリオレフィンに可塑剤などを加え、延伸されるる前後で可塑剤が除去され、可塑剤が存在した部分などが基点となり、比較的均一な微多孔構造を有する。 Porous membranes formed by the stretching method are usually made by adding a plasticizer to polyolefin, and the plasticizer is removed before and after stretching, resulting in a relatively uniform microporous structure with the areas where the plasticizer was present as the starting points.
延伸膜の製造にあたり、延伸は、通常、長手方向、幅方向の両方向に行われる。上記の可塑剤等の除去と併せて、任意の雰囲気媒体、温度、速度、応力、プロセス繰り返し数などが適宜組み合わされることで、好適な延伸膜を得ることができる。 When producing a stretched film, stretching is usually performed in both the longitudinal and transverse directions. In addition to removing the above-mentioned plasticizers, a suitable stretched film can be obtained by appropriately combining any atmospheric medium, temperature, speed, stress, number of process repetitions, etc.
上記の製造工程によって、高品質の延伸膜が得られるものの、多段階の工程となる。このため、工程費など製造原価の低減が難しく、リチウムイオン電池の普及には負の要因となる場合がある。 Although the above manufacturing process produces high-quality stretched membranes, it is a multi-step process. This makes it difficult to reduce manufacturing costs, such as process costs, and can be a negative factor in the widespread use of lithium-ion batteries.
一方で、可塑剤などを使用せず、延伸を長手方向のみに行うように工程を簡略化することで、工業レベルで製造可能であり、且つ製造原価を低減可能な多孔膜を得ることができる。この場合に適用可能な樹脂はポリオレフィンであり、ポリプロピレンが好適に用いられる。 On the other hand, by simplifying the process so that the stretching is done only in the longitudinal direction without using plasticizers, it is possible to obtain a porous membrane that can be manufactured on an industrial level and at low manufacturing costs. In this case, the applicable resin is polyolefin, and polypropylene is preferably used.
正極と負極との間に介在するセパレータは、電気絶縁性の多孔体から形成されていればよい。セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどのポリマー製の膜または繊維不織布が適用可能である。セパレータの材質は、1種を単独で用いてもよく、複数種を用いてもよい。また、セパレータは単層でもよく、多層(複合化膜)であっても良い。また、セパレータはセラミックなどの無機材料ナノ粒子を含有してもよい。また、セパレータの両面にポリフッ化ビニリデン等の高分子化合物を塗布して用いてもよい。 The separator interposed between the positive electrode and the negative electrode may be formed from an electrically insulating porous body. For example, a polymer film or a fiber nonwoven fabric made of polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyester, polyethylene terephthalate, polyimide, etc. may be used as the separator. The separator may be made of one type alone or multiple types. The separator may be a single layer or a multilayer (composite film). The separator may contain inorganic material nanoparticles such as ceramic. The separator may be used by coating both sides with a polymer compound such as polyvinylidene fluoride.
本実施形態に係る非水電解質電池では、有機溶媒により膨潤して非水電解質を保持する保持体となる高分子化合物を含むことによりゲル状となった電解質を用いてもよい。有機溶媒により膨潤する高分子化合物を含むことにより高いイオン伝導率を得ることができ、優れた充放電効率が得られると共に、電池の漏液を防止することができるからである。非水電解質に高分子化合物が含有されている場合、高分子化合物の含有量は、非水電解質の0.1質量%以上10質量%以下の範囲内とすることが好ましい。 In the nonaqueous electrolyte battery according to this embodiment, an electrolyte that is gelled by containing a polymer compound that swells with an organic solvent and serves as a support for holding the nonaqueous electrolyte may be used. By containing a polymer compound that swells with an organic solvent, high ionic conductivity can be obtained, excellent charge/discharge efficiency can be obtained, and leakage of the battery can be prevented. When the nonaqueous electrolyte contains a polymer compound, the content of the polymer compound is preferably within a range of 0.1% by mass to 10% by mass of the nonaqueous electrolyte.
また、セパレータの両面にポリフッ化ビニリデン等の高分子化合物を塗布して用いる場合は、非水電解質と高分子化合物の質量比を50:1~10:1の範囲内とすることが好ましい。この範囲内とすることにより、より高い充放電効率が得られる。 When a polymeric compound such as polyvinylidene fluoride is applied to both sides of the separator, it is preferable to set the mass ratio of the non-aqueous electrolyte to the polymeric compound within the range of 50:1 to 10:1. By setting the ratio within this range, higher charge/discharge efficiency can be obtained.
上記の高分子化合物としては、例えば、ポリビニルホルマール、ポリエチレンオキサイド並びにポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物、およびポリフッ化ビニリデン、並びにフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ化ビニリデンの重合体が挙げられる。高分子化合物は1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。特に、高温保存時の膨潤防止効果の観点から、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系高分子化合物を用いることが望ましい。 The above-mentioned polymer compounds include, for example, ether-based polymer compounds such as polyvinyl formal, polyethylene oxide, and crosslinked products containing polyethylene oxide, ester-based polymer compounds such as polymethacrylate, acrylate-based polymer compounds, and vinylidene fluoride polymers such as polyvinylidene fluoride and copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene. The polymer compounds may be used alone or in combination. In particular, from the viewpoint of the effect of preventing swelling during high-temperature storage, it is desirable to use fluorine-based polymer compounds such as polyvinylidene fluoride.
以上のような構成を有するリチウムイオン電池は次のように作用する。
リチウムイオン電池の充電を行うと、正極212に含まれるLiイオンがセパレータ215を通過して負極214に含まれるグラファイトの層状構造の層間に挿入される。その後、放電を行うと、負極214に含まれる層状構造の層間からLiイオンが脱離し、セパレータ215を通過して正極212に戻る。これら一連の作用により、電池反応が進行する。
The lithium ion battery having the above configuration operates as follows.
When the lithium ion battery is charged, Li ions contained in the positive electrode 212 pass through the separator 215 and are inserted between the layers of the layered structure of graphite contained in the negative electrode 214. When the battery is subsequently discharged, Li ions are released from between the layers of the layered structure contained in the negative electrode 214 and pass through the separator 215 to return to the positive electrode 212. The battery reaction proceeds through this series of actions.
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the present invention as described in the claims.
上記の実施形態においては、リチウムイオン電池としてコイン型のリチウムイオン電池を例に挙げて説明したが、本実施形態のリチウムイオン電池は、ボタン型、ペーパー型、角型、あるいはスパイラル構造を有する筒型などの他の形状を有するものについても同様に適用することができる。また、本実施形態のリチウムイオン電池は、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。 In the above embodiment, a coin-type lithium ion battery has been described as an example of a lithium ion battery, but the lithium ion battery of this embodiment can be similarly applied to other shapes such as a button type, a paper type, a square type, or a cylindrical type with a spiral structure. In addition, the lithium ion battery of this embodiment can be made in various sizes such as a thin type or a large type.
さらに、上記の説明においては、本実施形態に係るリチウムイオン電池に用いる電解質として、液状電解質を有するリチウムイオン電池の場合を想定した実施形態を描写しているが、他のあらゆる電解質を適用可能である。例示するならば、ゲル状電解質、固体状電解質も好適に使用可能である。 In addition, in the above description, the electrolyte used in the lithium ion battery according to this embodiment is a liquid electrolyte, but any other electrolyte can be used. For example, a gel electrolyte or a solid electrolyte can be used.
実験1:電池反応補助材料の基本性能の確認
<実施例1>
(電池反応補助材料の製造)
炭素質膜のテンプレートとして酸化マグネシウムナノパウダー(一次粒径0.4μm、SSA130m2/g;広州宏武材料技術有限公司製)を熱処理容器に充填し、チューブ炉に装填した。内部をArガス置換し、その後920℃まで昇温した。必要に応じ、脱水などの目的で事前の熱処理を加える。その後、ArガスとCH4ガス(濃度20vol%)の混合ガスを2.3時間流し、T-CVD法にてグラフェン構造を含む炭素質膜をテンプレート上に形成させた。冷却後取り出し、粉砕分級処理を行った。
Experiment 1: Confirmation of basic performance of battery reaction auxiliary material <Example 1>
(Production of battery reaction auxiliary materials)
Magnesium oxide nanopowder (primary particle size 0.4 μm, SSA 130 m 2 /g; manufactured by Guangzhou Hongwu Material Technology Co., Ltd.) was filled into a heat treatment container as a carbonaceous film template, and then loaded into a tube furnace. The inside was replaced with Ar gas, and then the temperature was raised to 920°C. If necessary, a preliminary heat treatment was added for the purpose of dehydration, etc. Then, a mixed gas of Ar gas and CH 4 gas (concentration 20 vol%) was flowed for 2.3 hours, and a carbonaceous film containing a graphene structure was formed on the template by the T-CVD method. After cooling, it was taken out and crushed and classified.
次に、この処理物からテンプレートを塩酸により溶出させ、粒子内空間を保持しながら洗浄乾燥し、補助材料前駆体を得た。これを、不活性雰囲気中、1700℃にて熱処理することで炭素構造最適化を行い実施例1の電池反応補助材料を得た。 Next, the template was dissolved from this processed material using hydrochloric acid, and the material was washed and dried while maintaining the intraparticle space, to obtain a precursor of the auxiliary material. This was then heat-treated at 1700°C in an inert atmosphere to optimize the carbon structure, yielding the battery reaction auxiliary material of Example 1.
得られた補助材料に対して、透過電子顕微鏡(JEM-2010型、日本電子)を用いてTEMによりその形状を観察した。透過電子顕微鏡を用いた多孔質炭素材料の観察は、加速電圧200kVで行った。得られた補助材料の二次粒子の平均粒径は3.2μmであり、透過電子顕微鏡(TEM)画像(図6)から、主に層状グラフェンの骨格構造が形成されていることを確認した。 The shape of the obtained auxiliary material was observed by TEM using a transmission electron microscope (JEM-2010, JEOL). Observation of the porous carbon material using a transmission electron microscope was performed at an acceleration voltage of 200 kV. The average particle size of the secondary particles of the obtained auxiliary material was 3.2 μm, and it was confirmed from the transmission electron microscope (TEM) image (Figure 6) that a skeletal structure mainly consisting of layered graphene had been formed.
(極微小負荷除荷試験)
エタノールに分散した補助材料を試料台に少量展開し、乾燥した。その後SEM内に導入し、測定粒子を観察して、高さ1~5μm、幅1~5μmの粒子を測定対象として圧子の直下に配置した。その後、SEMに組込まれたナノインデンター:ナノフリップ(東陽テクニカ)を用いて、押込みヘッド:InForce50、圧子径:10μm、最大荷重0.1mN、最大荷重までの時間:5sec、最大荷重保持時間:5secの条件で負荷除荷試験を行った。試料形状は試料台に安定に固定されたものを選び、加圧初期に容易に体勢が変動した場合には再測定を行った。図3に示されている塑性変形仕事率は、以下の式から求めることができる。
A small amount of the auxiliary material dispersed in ethanol was spread on the sample stage and dried. Then, it was introduced into the SEM, and the measurement particles were observed, and particles with a height of 1 to 5 μm and a width of 1 to 5 μm were placed directly under the indenter as the measurement target. Then, using a nanoindenter: Nanoflip (Toyo Technica) incorporated in the SEM, a load-unloading test was performed under the conditions of an indentation head: InForce50, an indenter diameter: 10 μm, a maximum load of 0.1 mN, a time to maximum load: 5 sec, and a maximum load holding time: 5 sec. The sample shape was selected to be stably fixed on the sample stage, and if the position easily changed during the initial pressure application, remeasurement was performed. The plastic deformation power shown in FIG. 3 can be calculated from the following formula.
(正極電極の作製)
平均粒径8μmの三元系正極材NCM(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)粉末96重量%、導電助剤として実施例1の電池反応補助材料を1重量%、PVdF 3重量%を、溶媒であるN-メチル-ピロリドン(NMP)に添加した。得られた混合液が均一になるように撹拌混合し、正極剤ペーストを作製した。これを厚さ15μmのAl集電体上に塗布後110℃にて乾燥し、その後φ15mmに打抜き、45kNにて加圧し正極電極とした。
(Preparation of Positive Electrode)
96% by weight of ternary positive electrode material NCM ( LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 ) powder with an average particle size of 8 μm , 1% by weight of the battery reaction auxiliary material of Example 1 as a conductive assistant, and 3% by weight of PVdF were added to the solvent N-methyl-pyrrolidone (NMP). The resulting mixture was stirred and mixed to be uniform, and a positive electrode paste was prepared. This was applied to an Al current collector with a thickness of 15 μm and dried at 110° C., and then punched to φ15 mm and pressed at 45 kN to form a positive electrode.
(正極用試験電池の作製)
得られた正極電極を120℃真空乾燥後、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内にて、1M LiPF6溶液(エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)の1:1混合溶媒)を電解液とし、ポリプロピレンセパレーターを用い、金属Li対極の2032サイズコイン型試験電池を作製した。
(Preparation of Positive Electrode Test Battery)
The obtained positive electrode was vacuum dried at 120°C, and then in a glove box in an argon gas atmosphere, a 1M LiPF46 solution (a 1:1 mixed solvent of ethylene carbonate (EC):diethyl carbonate (DEC)) was used as an electrolyte, and a polypropylene separator was used to prepare a 2032 size coin type test battery with a metallic Li counter electrode.
(正極用評価方法)
試験電池当たり1.25mA(0.2C相当)の定電流で4.2Vまで通電し、4.2V到達後定電圧充電し、0.31mA(0.05C)になるまで継続した。その後、1.25mAの定電流で3Vまで放電した。この時の放電容量と平均電圧を求めた。次に、同じ試験電池を用いて1.25mA(0.2C相当)の定電流で4.2Vまで通電し、4.2V到達後、定電圧充電し0.31mA(0.05C)になるまで継続した。その後、高レートである12.5mA(2C相当)の定電流で3Vまで放電した。得られた試験電池の放電容量から、各試験電池の2C維持率(2C容量÷0.2C容量)を求めた。
(Positive electrode evaluation method)
A constant current of 1.25 mA (equivalent to 0.2 C) was applied to each test battery up to 4.2 V, and constant voltage charging was continued until 0.31 mA (0.05 C) was reached after reaching 4.2 V. Thereafter, the battery was discharged to 3 V at a constant current of 1.25 mA. The discharge capacity and average voltage at this time were determined. Next, the same test battery was used to apply a constant current of 1.25 mA (equivalent to 0.2 C) to 4.2 V, and constant voltage charging was continued until 0.31 mA (0.05 C) was reached after reaching 4.2 V. Thereafter, the battery was discharged to 3 V at a constant current of 12.5 mA (equivalent to 2 C), which is a high rate. From the discharge capacity of the obtained test battery, the 2C maintenance rate (2C capacity ÷ 0.2C capacity) of each test battery was determined.
<実施例2>
炭素質膜のテンプレートとして、酸化アルミナノパウダー(一次粒径0.015μm、SSA157m2/g;TECNAN社製)を使用し、熱処理温度を890℃、T-CVD法の時間を2.1時間、テンプレートの溶出にフッ酸を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、実施例2の電池反応補助材料を得た。
Example 2
A battery reaction auxiliary material of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that aluminum oxide nanopowder (primary particle size 0.015 μm, SSA 157 m2/g; manufactured by TECNAN Corporation) was used as a carbonaceous film template, the heat treatment temperature was 890° C., the T-CVD method time was 2.1 hours, and hydrofluoric acid was used to dissolve the template.
得られた実施例2の補助材料は透過電子顕微鏡(TEM)にて、主に層状グラフェンの骨格構造の形成が確認され(図7)、二次粒子平均粒径2.1μmであった。 The auxiliary material of Example 2 obtained was confirmed to have a skeletal structure mainly composed of layered graphene using a transmission electron microscope (TEM) (Figure 7), and the average secondary particle size was 2.1 μm.
実施例1と同様の条件下で、実施例2の試験電池を製造した。 The test battery of Example 2 was manufactured under the same conditions as Example 1.
<比較例1>
補助材料の代わりに、アセチレンブラック(電気化学工業製、商品名:デンカブラック)を用いる以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造した。
<Comparative Example 1>
A test battery was produced under the same conditions as in Example 1, except that acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., trade name: Denka Black) was used instead of the auxiliary material.
<比較例2>
補助材料の代わりに、ケッチェンブラック(ライオンスペシャリティケミカルズ製、商品名:EC300)を用いる以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造した。
<Comparative Example 2>
A test battery was produced under the same conditions as in Example 1, except that Ketjen Black (manufactured by Lion Specialty Chemicals, product name: EC300) was used instead of the auxiliary material.
<比較例3>
補助材料の代わりに、シングルウォールカーボンナノチューブ(SSA:600m2/g、外径:2nm、長さ:2~5μm;広州宏武材料技術有限公司製)を用い、電池作製における正極の添加量を97.95重量%、シングルウォールカーボンナノチューブの添加量を0.05重量%とする以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造した。
<Comparative Example 3>
A test battery was manufactured under the same conditions as in Example 1, except that single-walled carbon nanotubes (SSA: 600 m 2 /g, outer diameter: 2 nm, length: 2-5 μm; manufactured by Guangzhou Hongwu Material Technology Co., Ltd.) were used instead of the auxiliary material, and the amount of the positive electrode added in the battery preparation was 97.95 wt %, and the amount of the single-walled carbon nanotubes added was 0.05 wt %.
実施例1および2で製造した電池反応補助材料と、比較例1で用いたアセチレンブラック、比較例2で用いたケッチェンブラック、比較例3で用いたシングルウォールカーボンナノチューブについて、上述した極微小負荷除荷試験の他に、窒素吸脱着測定およびラマン分光測定を行い、塑性変形仕事率、細孔容積、炭素層積層指数をそれぞれ求めた。 For the battery reaction auxiliary materials produced in Examples 1 and 2, the acetylene black used in Comparative Example 1, the ketjen black used in Comparative Example 2, and the single-walled carbon nanotubes used in Comparative Example 3, in addition to the ultra-small load/unload test described above, nitrogen adsorption/desorption measurements and Raman spectroscopy measurements were performed to determine the plastic deformation power, pore volume, and carbon layer stacking index.
実施例の補助材料についての窒素吸脱着による細孔容積の測定は、比表面積・細孔分布測定装置(BELSORP MAX,BEL japan製)を用いて-196℃の条件下で行った。測定前に、150℃で6時間真空乾燥する脱気処理を行った。サンプル管内の圧力を測定する際の平衡判断条件は300秒とした。 The pore volume of the auxiliary material in the example was measured by nitrogen adsorption and desorption at -196°C using a specific surface area/pore distribution measuring device (BELSORP MAX, manufactured by BEL Japan). Before the measurement, the material was degassed by vacuum drying at 150°C for 6 hours. The equilibrium judgment condition for measuring the pressure inside the sample tube was 300 seconds.
得られた窒素吸脱着等温線データをソフトウェアAutosorb 1(アントンパールジャパン社製)を用いて解析した。I型の吸着等温線の場合には、スリット型孔を仮定して密度汎関数理論(DFT法)により計算したカーネルを参照に、電解液導通孔の径の分布を解析した。また、IV型の吸着等温線を示す試料に関しては、それぞれの吸着等温線に対して、Barrett-Joyner-Halenda法(BJH法)を適用することで、細孔径分布を解析して細孔容積を求めた。実施例1の補助材料の細孔径分布曲線を図8に示した。 The obtained nitrogen adsorption/desorption isotherm data was analyzed using the software Autosorb 1 (manufactured by Anton Paar Japan). In the case of type I adsorption isotherms, the distribution of electrolyte conduction pore diameters was analyzed with reference to the kernel calculated by density functional theory (DFT method) assuming slit-type pores. In addition, for samples showing type IV adsorption isotherms, the pore size distribution was analyzed and the pore volume was determined by applying the Barrett-Joyner-Halenda method (BJH method) to each adsorption isotherm. The pore size distribution curve of the auxiliary material of Example 1 is shown in Figure 8.
実施例の補助材料に対して、レーザー回折粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、MT3300EXII-SDC)を用いて、粒度分布測定を行った。具体的には、それぞれの補助材料を水に添加し、測定前にエタノールをさらに混合し、3周波超音波洗浄器(アズワン株式会社製、VS-100III)を用いて5分間超音波処理を行った上で、上記装置を用いて粒度分布測定を行った。実施例1の補助材料の粒度分布を図9に示した。 Particle size distribution measurements were performed on the auxiliary materials of the examples using a laser diffraction particle size distribution measurement device (MT3300EXII-SDC, manufactured by Microtrac-Bell Co., Ltd.). Specifically, each auxiliary material was added to water, and ethanol was further mixed before measurement. Ultrasonic treatment was performed for 5 minutes using a triple frequency ultrasonic cleaner (VS-100III, manufactured by AS ONE Co., Ltd.), and then particle size distribution measurements were performed using the above device. The particle size distribution of the auxiliary materials of Example 1 is shown in Figure 9.
実施例の補助材料に対して、顕微ラマン分光装置(DXR3 顕微レーザーラマン|Thermo Fisher Scientific製)でラマンスペクトルを測定した。測定には、532nm(2mW)のレーザーを用い、グレーティング: 900lines/mm、分光器アパーチャ:50μmφ、露光時間: 0.500sec(2Hz)、積算回数:10 (5min)に設定して測定を行った。測定範囲は、300~3500cm-1とした。実施例1の補助材料について測定したラマンスペクトルを図2に示した。 The Raman spectrum of the auxiliary material of the example was measured using a micro-Raman spectrometer (DXR3 Micro Laser Raman | Thermo Fisher Scientific). For the measurement, a 532 nm (2 mW) laser was used, and the following settings were set: grating: 900 lines/mm, spectrometer aperture: 50 μmφ, exposure time: 0.500 sec (2 Hz), and number of accumulations: 10 (5 min). The measurement range was 300 to 3500 cm −1 . The Raman spectrum measured for the auxiliary material of Example 1 is shown in FIG. 2.
次に、測定により得られたGバンドと2Dバンドの値から、IG /I2D で表される炭素層積層指数を求めた。 Next, from the values of the G band and the 2D band obtained by the measurement, a carbon layer stacking index expressed as I G /I 2D was calculated.
実施例1、2、比較例1から3の試験電池を、上述した正極用評価方法にて電池放電レート特性として2C維持率を求めた。これらの結果を表1に示した。また実施例1の試験電池を用いた放電時の電流違いの放電曲線を図10に示した。 The 2C retention rate was determined as the battery discharge rate characteristics for the test batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 using the above-mentioned positive electrode evaluation method. These results are shown in Table 1. Figure 10 shows the discharge curves for different currents during discharge using the test battery of Example 1.
<考察>
本実施例の補助材料は、比較例の導電助剤に比べ、高レート放電の維持率が高いことを確認できた。またIG /I2D で表される炭素層積層指数の値から、実施例の補助材料は、その構造の少なくとも一部にグラフェン構造を有することが示唆された。
<Considerations>
It was confirmed that the auxiliary material of this example had a higher high-rate discharge retention rate than the conductive assistant of the comparative example. In addition, the carbon layer stacking index value expressed as I G /I 2D suggested that the auxiliary material of the example had a graphene structure in at least a part of its structure.
本実施例の補助材料は、適度な機械特性、すなわちある一定以上の力では塑性変形し、ある一定以下の力では弾性変形するという塑性変形性を有している。本実施例の補助材料は、積層数の少ないグラフェン質からなる三次元骨格から形成されている。このため、電極内正極材の粒子間で、弾性により補助材料中の細孔容積を残し電解液を保持しつつ、塑性により永久変形したとしても高品質なグラフェン質が電子伝導を維持できるという性質を有する。本性質は、本実施例の補助材料の特長の一つといえる。 The auxiliary material of this embodiment has moderate mechanical properties, that is, it has the plasticity to deform plastically when subjected to a force above a certain level, and elastically deforms when subjected to a force below a certain level. The auxiliary material of this embodiment is formed from a three-dimensional framework made of graphene with a small number of layers. Therefore, it has the property that, even if it is permanently deformed by plasticity, the high-quality graphene can maintain electronic conductivity between the particles of the positive electrode material in the electrode, while the pore volume in the auxiliary material remains due to elasticity to hold the electrolyte. This property can be said to be one of the features of the auxiliary material of this embodiment.
実験2:電池反応補助材料と既存導電助剤比較
<実施例3>
正極への実施例1の補助材料の添加量を0.5重量%、アセチレンブラック(SSA:65m2/g、電気化学工業製、商品名:デンカブラック)の添加量を0.5重量%とする以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造し、電池評価を実施した。
Experiment 2: Comparison of battery reaction auxiliary material and existing conductive assistant <Example 3>
Test batteries were manufactured under the same conditions as in Example 1, except that the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 0.5 wt %, and the amount of acetylene black (SSA: 65 m2 /g, manufactured by Denki Kagaku Kogyo, product name: Denka Black) added to the positive electrode was 0.5 wt %, and battery evaluation was performed.
<実施例4>
正極への実施例1の補助材料の添加量を0.5重量%、ケッチェンブラック(SSA:800m2/g、ライオンスペシャリティケミカルズ製、商品名:EC300)の添加量を0.5重量%とする以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造し、電池評価を実施した。
Example 4
Test batteries were manufactured under the same conditions as in Example 1, except that the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 0.5 wt %, and the amount of Ketjen Black (SSA: 800 m 2 /g, manufactured by Lion Specialty Chemicals, product name: EC300) added to the positive electrode was 0.5 wt %, and battery evaluation was performed.
<実施例5>
正極材の添加量を96.45重量%、正極への実施例1の補助材料の添加量を0.5重量%、シングルウォールカーボンナノチューブ(SSA:700m2/g、外径:2nm、長さ:2~5μm;広州宏武材料技術有限公司製)の添加量を0.05重量%とする以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造し、電池評価を実施した。
Example 5
Test batteries were manufactured under the same conditions as in Example 1, except that the amount of the positive electrode material added was 96.45% by weight, the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 0.5% by weight, and the amount of single-walled carbon nanotubes (SSA: 700 m 2 /g, outer diameter: 2 nm, length: 2-5 μm; manufactured by Guangzhou Hongwu Material Technology Co., Ltd.) added was 0.05% by weight, and battery evaluation was performed.
<実施例6>
テンプレートを溶出させない(=セラミック粒子が残っている)こと以外は実施例2と同様に操作して、実施例6の電池反応補助材料を得た。
Example 6
The same procedure as in Example 2 was carried out except that the template was not eluted (i.e., the ceramic particles remained), to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 6.
得られた実施例6の補助材料は、透過電子顕微鏡(TEM)にて、主に層状のグラフェン構造がテンプレート粒子上に形成されたことと、テンプレートが内部に存在している様子が確認された(図11)。 A transmission electron microscope (TEM) confirmed that the auxiliary material of Example 6 obtained had a layered graphene structure formed on the template particles and that the template was present inside (Figure 11).
正極への実施例1の補助材料の添加量を0.5重量%、実施例6の補助材料の添加量を0.5重量%とする以外は、実施例1と同様の条件下で試験電池を製造し、電池評価を実施した。 Test batteries were manufactured under the same conditions as in Example 1, except that the amount of the auxiliary material in Example 1 added to the positive electrode was 0.5 wt %, and the amount of the auxiliary material in Example 6 added was 0.5 wt %, and battery evaluation was performed.
実施例3から6の試験電池についての電池評価の結果を表2に示した。 The results of the battery evaluation for the test batteries of Examples 3 to 6 are shown in Table 2.
<考察>
本実施例の補助材料を比較例で用いた導電助剤に混合し電極に用いると、比較例の導電助剤を単独使用した場合(比較例1から3)に比べ、高レート放電の維持率が高くなった。導電助剤の種類によっては寸法や形状が異なるが、一次粒子であるナノ粒子が凝集したカーボンブラックでは、デンカブラックよりも内部に微細孔を持ち、比表面積が大きいケッチェンブラックが効果が高かった。ケッチェンブラックは酸素官能基が多く、本発明の補助材料と凝集しにくいことが理由と考えられる。
<Considerations>
When the auxiliary material of this example was mixed with the conductive assistant used in the comparative examples and used in the electrodes, the high-rate discharge retention rate was higher than when the conductive assistant of the comparative examples was used alone (Comparative Examples 1 to 3). Although the size and shape differ depending on the type of conductive assistant, Ketjen Black, which has fine holes inside and a larger specific surface area than Denka Black, was more effective in carbon black, which is agglomerated nanoparticles that are primary particles. This is thought to be because Ketjen Black has many oxygen functional groups and is less likely to aggregate with the auxiliary material of the present invention.
一方で、セラミックスの中実粒子を用いた実施例6では、実施例4と同程度の2C維持率が得られた。これは、電極内の比較的大きな空隙がつぶれにくく電解液が比較的多く存在したため、良好な結果が得られたと考えられる。 On the other hand, in Example 6, which used solid ceramic particles, a 2C retention rate similar to that of Example 4 was obtained. This is thought to be because the relatively large voids in the electrode were less likely to collapse and there was a relatively large amount of electrolyte, resulting in good results.
実験3:実施例1の電池反応補助材料の合成条件検討
本実施例の補助材料はT-CVD法にてセラミックスに炭素質膜を形成させるが、実施例1,7から10および比較例4のように混合ガス中の有機ガス濃度は一定にして、ガスの流通時間を可変することで、炭素質膜の厚みや性質が異なる補助材料を作製した。
<実施例7>
T-CVD法にて、混合ガスを0.5時間流す以外は、実施例1と同様に操作して、実施例7の電池反応補助材料を得た。
Experiment 3: Study on synthesis conditions for battery reaction auxiliary material of Example 1 For the auxiliary material of this example, a carbonaceous film was formed on ceramics by the T-CVD method, but as in Examples 1, 7 to 10 and Comparative Example 4, auxiliary materials with carbonaceous film having different thicknesses and properties were produced by varying the gas flow time while keeping the organic gas concentration in the mixed gas constant.
Example 7
The same procedure as in Example 1 was carried out by T-CVD except that the mixed gas was flowed for 0.5 hours, to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 7.
<実施例8>
T-CVD法にて、混合ガスを1.0時間流す以外は、実施例1と同様に操作して、実施例8の電池反応補助材料を得た。
Example 8
The same procedure as in Example 1 was carried out by T-CVD except that the mixed gas was flowed for 1.0 hour, to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 8.
<実施例9>
T-CVD法にて、混合ガスを1.6時間流す以外は、実施例1と同様に操作して、実施例9の電池反応補助材料を得た。
<Example 9>
The same procedure as in Example 1 was carried out by T-CVD except that the mixed gas was flowed for 1.6 hours, to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 9.
<実施例10>
T-CVD法にて、混合ガスを3.0時間流す以外は、実施例1と同様に操作して、実施例10の電池反応補助材料を得た。
Example 10
A battery reaction auxiliary material of Example 10 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixed gas was flowed for 3.0 hours by T-CVD.
<比較例4>
T-CVD法にて、混合ガスを5.0時間流す以外は、実施例1と同様に操作して、比較例4の電池反応補助材料を得た。
<Comparative Example 4>
A battery reaction auxiliary material of Comparative Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixed gas was flowed for 5.0 hours by T-CVD.
実施例1と同様に、実施例7から10および比較例4の電池反応補助材料を用いて試験電池を製造した。それらについて、各種試験および電池評価を実施し、その結果を表3および図12、図13、図14に示した。比較例1から3の評価についても表3に合わせて記載した。図12は実施例1,2,7から10に係る試験電池および比較例1から4に係る試験電池の塑性変形仕事率と2Cレート放電維持率との関係を示した図である。図12の縦軸は2Cレート放電維持率、横軸は塑性変形仕事率を示している。図13は、実施例1,2,7から10に係る試験電池および比較例1,2,4に係る試験電池の炭素積層指数と2Cレート放電維持率との関係を示した図である。図13の縦軸は2Cレート放電維持率、横軸は炭素積層指数を示している。図14は、実施例に係る試験電池および比較例に係る試験電池の細孔容積と2Cレート放電維持率との関係を示した図である。図14の縦軸は2Cレート放電維持率、横軸は細孔容積を示している。 As in Example 1, test batteries were manufactured using the battery reaction auxiliary materials of Examples 7 to 10 and Comparative Example 4. Various tests and battery evaluations were performed on them, and the results are shown in Table 3 and Figures 12, 13, and 14. The evaluations of Comparative Examples 1 to 3 are also shown in Table 3. Figure 12 is a diagram showing the relationship between the plastic deformation power and the 2C rate discharge retention rate of the test batteries according to Examples 1, 2, and 7 to 10 and the test batteries according to Comparative Examples 1 to 4. The vertical axis of Figure 12 indicates the 2C rate discharge retention rate, and the horizontal axis indicates the plastic deformation power. Figure 13 is a diagram showing the relationship between the carbon layering index and the 2C rate discharge retention rate of the test batteries according to Examples 1, 2, 7 to 10 and the test batteries according to Comparative Examples 1, 2, and 4. The vertical axis of Figure 13 indicates the 2C rate discharge retention rate, and the horizontal axis indicates the carbon layering index. Figure 14 is a diagram showing the relationship between the pore volume and the 2C rate discharge retention rate of the test batteries according to the examples and the test batteries according to the comparative examples. In Figure 14, the vertical axis shows the 2C rate discharge maintenance rate, and the horizontal axis shows the pore volume.
<考察>
表3、図12から14の結果から分かる通り、実施例の評価試験の範囲では、高レート特性は良好に推移している。これは弾性変形と塑性変形のバランスが良好な範囲である、言い換えれば電子伝導性とイオン伝導性のバランスが良好であることがその理由と考えられる。
<Considerations>
12 to 14, the high rate characteristics are good within the range of the evaluation test of the examples. This is thought to be because the range is well balanced between elastic deformation and plastic deformation, in other words, the balance between electronic conductivity and ionic conductivity is good.
炭素積層指数と2Cレート放電維持率との関係については、実施例の試験電池における炭素積層指数は0.3から4.2の範囲であり、いずれも比較例1,2,4の試験電池と比較して高レート特性を示すものであることを確認できた。これは実施例に係る試験電池の電極はグラフェンを含むため、電子伝達に優れていることに起因していると考えられる。 Regarding the relationship between the carbon layering index and the 2C rate discharge retention rate, it was confirmed that the carbon layering index in the test batteries of the examples was in the range of 0.3 to 4.2, and that all of them exhibited high rate characteristics compared to the test batteries of Comparative Examples 1, 2, and 4. This is believed to be due to the fact that the electrodes of the test batteries of the examples contain graphene, which provides excellent electron transport.
また細孔容積と2Cレート放電維持率との関係については、実施例に係る試験電池はいずれも、比較例1,2,4の試験電池と比較して高レート特性を示すものであることを確認できた。これは細孔容積が大きいほどリチウムイオンが溶存した電解液が浸透し保持量が大きくなるため、電池反応時のイオン供給に優れることに起因していると考えられる。 In addition, regarding the relationship between pore volume and 2C rate discharge retention rate, it was confirmed that all of the test batteries according to the embodiment exhibited high rate characteristics compared to the test batteries of Comparative Examples 1, 2, and 4. This is thought to be due to the fact that the larger the pore volume, the more the electrolyte containing dissolved lithium ions penetrates and the greater the amount retained, resulting in excellent ion supply during the battery reaction.
実験4:電池反応補助材料の二次粒径検討
<実施例11>
粉砕分級処理条件を変更する以外は、実施例1と同様に操作して、実施例11の電池反応補助材料を得た。得られた補助材料の二次粒子の平均粒径は0.4μmであった。
Experiment 4: Investigation of secondary particle size of battery reaction auxiliary material <Example 11>
Except for changing the pulverization and classification treatment conditions, the same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 11. The average particle size of the secondary particles of the obtained auxiliary material was 0.4 μm.
<実施例12>
粉砕分級処理条件を変更する以外は、実施例1と同様に操作して、実施例12の電池反応補助材料を得た。得られた補助材料の二次粒子の平均粒径は1.3μmであった。
Example 12
Except for changing the pulverization and classification treatment conditions, the same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 12. The average particle size of the secondary particles of the obtained auxiliary material was 1.3 μm.
<実施例13>
粉砕分級処理条件を変更する以外は、実施例1と同様に操作して、実施例13の電池反応補助材料を得た。得られた補助材料の二次粒子の平均粒径は4.9μmであった。
Example 13
Except for changing the pulverization and classification treatment conditions, the same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a battery reaction auxiliary material of Example 13. The average particle size of the secondary particles of the obtained auxiliary material was 4.9 μm.
<実施例14>
粉砕分級処理条件を変更する以外は、実施例1と同様に操作して、比較例5の電池反応補助材料を得た。得られた補助材料の二次粒子の平均粒径は0.1μmであった。
<Example 14>
Except for changing the pulverization and classification treatment conditions, the same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a battery reaction auxiliary material of Comparative Example 5. The average particle size of the secondary particles of the obtained auxiliary material was 0.1 μm.
<比較例5>
粉砕分級処理条件を変更する以外は、実施例1と同様に操作して、比較例6の電池反応補助材料を得た。得られた補助材料の二次粒子の平均粒径は6.8μmであった。
<Comparative Example 5>
Except for changing the pulverization and classification treatment conditions, the same procedure as in Example 1 was carried out to obtain a battery reaction auxiliary material of Comparative Example 6. The average particle size of the secondary particles of the obtained auxiliary material was 6.8 μm.
実施例1と同様に、実施例11から14および比較例5の電池反応補助材料を用いて試験電池を製造した。それらについて各種試験および電池評価を実施し、その結果を表4、図15に示した。図15は、実施例1,11から14に係る試験電池および比較例5に係る試験電池についての、補助材料内の二次粒子径と2Cレート放電維持率との関係を示した図である。 As in Example 1, test batteries were manufactured using the battery reaction auxiliary materials of Examples 11 to 14 and Comparative Example 5. Various tests and battery evaluations were carried out on the batteries, and the results are shown in Table 4 and Figure 15. Figure 15 is a diagram showing the relationship between the secondary particle size in the auxiliary material and the 2C rate discharge retention rate for the test batteries of Examples 1 and 11 to 14 and the test battery of Comparative Example 5.
<考察>
表4および図15の結果から、本実施例1,11から13の補助材料の粒径の範囲では高レート特性は良好に推移しているが、粒径が小さ過ぎても、大き過ぎても特性は低下することを確認できた。小さ過ぎる場合には、補助材料が粉砕により破壊され、電子伝導を担うグラフェン面が小さくなり、且つイオン保持を担う粒子内空間が小さくなるため、特性に悪影響が出る。逆に、大き過ぎる場合には、電極内での補助材料の分散が悪くなり、電子伝導経路が十分に発達せず、性能が十分発揮できない。
<Considerations>
From the results of Table 4 and Figure 15, it was confirmed that the high rate characteristics were good within the particle size range of the auxiliary material in Examples 1, 11 to 13, but the characteristics deteriorated if the particle size was too small or too large. If the particle size was too small, the auxiliary material was destroyed by pulverization, the graphene surface responsible for electronic conduction became smaller, and the intraparticle space responsible for ion retention became smaller, which adversely affected the characteristics. Conversely, if the particle size was too large, the dispersion of the auxiliary material in the electrode became poor, the electron conduction path did not develop sufficiently, and the performance could not be fully demonstrated.
実験5:実施例1の電池反応補助材料の添加量検討
<実施例15>
正極材の添加量を96.9重量%、正極への実施例1の補助材料の添加量を0.1重量%とする以外は、実施例1と同様に前記試験電池を作製した。
Experiment 5: Study on the amount of the battery reaction auxiliary material added in Example 1 <Example 15>
The test battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the amount of the positive electrode material added was 96.9% by weight, and the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 0.1% by weight.
<実施例16>
正極材の添加量を96.5重量%、正極への実施例1の補助材料の添加量を0.5重量%とする以外は、実施例1と同様に前記試験電池を作製した。
<Example 16>
The test battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the amount of the positive electrode material added was 96.5% by weight, and the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 0.5% by weight.
<実施例17>
前記試験電池の作製に際して、正極材の添加量を95.0重量%、正極への実施例1の補助材料の添加量を2.0重量%とする以外は、実施例1と同様に前記試験電池を作製した。
<Example 17>
The test battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the amount of the positive electrode material added was 95.0% by weight, and the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 2.0% by weight.
<比較例6>
前記試験電池の作製に際して、正極材の添加量を96.95重量%、正極への実施例1の補助材料の添加量を0.05重量%とする以外は、実施例1と同様に前記試験電池を作製した。
<Comparative Example 6>
The test battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of the positive electrode material added was 96.95% by weight, and the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 0.05% by weight.
<比較例7>
前記試験電池の作製に際して、正極材の添加量を90.0重量%、正極への実施例1の補助材料の添加量を7.0重量%とする以外は、実施例1と同様に前記試験電池を作製した。
<Comparative Example 7>
The test battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of the positive electrode material added was 90.0% by weight, and the amount of the auxiliary material of Example 1 added to the positive electrode was 7.0% by weight.
実施例15から17、比較例6および比較例7の試験電池に対し、充放電試験を行った。試験電池当たり1.25mA(0.2C相当)の定電流で4.2Vまで通電し、4.2V到達後定電圧充電し、0.31mA(0.05C)になるまで継続した。その後、1.25mAの定電流で3Vまで放電した。この時の充電容量と放電容量を求めた。その結果を表5および図16に示した。図16は、実施例に係る試験電池および比較例に係る試験電池についての、補助材料の添加量と充放電容量との関係を示した図である。 Charge and discharge tests were conducted on the test batteries of Examples 15 to 17 and Comparative Examples 6 and 7. A constant current of 1.25 mA (equivalent to 0.2 C) was applied to each test battery up to 4.2 V, and constant voltage charging was continued after reaching 4.2 V until the current reached 0.31 mA (0.05 C). The battery was then discharged to 3 V at a constant current of 1.25 mA. The charge and discharge capacities at this time were determined. The results are shown in Table 5 and Figure 16. Figure 16 is a diagram showing the relationship between the amount of auxiliary material added and the charge and discharge capacity for the test batteries of the Examples and Comparative Examples.
<考察>
表5および図16の結果から、実施例1,15,16、17の補助材料の添加量の範囲では、試験電池の高レート特性は良好に推移したことを確認できた。補助材料の添加量は、多過ぎると活物質材料の含有量が低下して電極の充放電容量が低下し、少な過ぎると補助材料の機能が発揮しにくくなることが示された。
<Considerations>
From the results of Table 5 and Fig. 16, it was confirmed that the high rate characteristics of the test batteries remained good within the range of the amount of the auxiliary material added in Examples 1, 15, 16, and 17. It was shown that if the amount of the auxiliary material added is too large, the content of the active material decreases, and the charge/discharge capacity of the electrode decreases, and if the amount is too small, the auxiliary material does not easily exhibit its function.
実験6:実施例1の電池反応補助材料を含有する負極の検討
<実施例18>
実施例1の補助材料の負極への添加量を1.0重量%とし、負極試験電池を製造した。人造黒鉛97重量%、実施例1の補助材料1重量%、カルボキシメチルセルロース1重量%、スチレンブタジエンラバー(SBR)1重量%を、蒸留水を溶媒として均一になるように撹拌混合し、負極剤ペーストを作製した。得られたペーストを厚さ20μmの銅箔上に塗布後110℃にて乾燥し、その後φ15mmに打抜き、30kNにて加圧し負極電極とした。
Experiment 6: Study of negative electrode containing the battery reaction auxiliary material of Example 1 <Example 18>
The amount of the auxiliary material of Example 1 added to the negative electrode was 1.0 wt %, and a negative electrode test battery was manufactured. 97 wt % of artificial graphite, 1 wt % of the auxiliary material of Example 1, 1 wt % of carboxymethyl cellulose, and 1 wt % of styrene butadiene rubber (SBR) were stirred and mixed uniformly using distilled water as a solvent to prepare a negative electrode paste. The obtained paste was applied to a copper foil having a thickness of 20 μm, dried at 110 ° C, and then punched to φ 15 mm and pressed at 30 kN to form a negative electrode.
得られた負極電極を、120℃真空乾燥後、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内にて、1M LiPF6溶液(エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)の1:1混合溶媒)を電解液として、ポリプロピレンセパレーターを用い、金属Li対極の2032サイズコイン型試験電池を作製した。 The obtained negative electrode was vacuum dried at 120°C, and then in a glove box in an argon gas atmosphere, a 1M LiPF46 solution (a 1:1 mixed solvent of ethylene carbonate (EC):diethyl carbonate (DEC)) was used as an electrolyte, and a polypropylene separator was used to prepare a 2032 size coin type test battery with a metallic Li counter electrode.
試験電池当たり1.23mA(0.2C相当)の定電流で0Vまで通電し、0V到達後定電圧充電し、0.31mA(0.05C)になるまで継続した。その後、1.23mAの定電流で1.5Vまで放電した。この時の放電容量を求めた。次に、同じ試験電池を用いて1.23mA(0.2C相当)の定電流で0Vまで通電し、0V到達後、定電圧充電し0.31mA(0.05C)になるまで継続した。その後、高レートである12.3mA(2C相当)の定電流で1.5Vまで放電した。上記の評価試験において求めた試験電池の放電容量から2C維持率(2C容量÷0.2C容量)を求めた。得られた負極電池の評価を実施した結果、2C放電時の維持率は0.45であった。 A constant current of 1.23 mA (equivalent to 0.2 C) was applied to each test battery until it reached 0 V, and constant voltage charging was continued until it reached 0.31 mA (0.05 C). After that, the battery was discharged to 1.5 V at a constant current of 1.23 mA. The discharge capacity at this time was calculated. Next, the same test battery was used to apply a constant current of 1.23 mA (equivalent to 0.2 C) until it reached 0 V, and constant voltage charging was continued until it reached 0.31 mA (0.05 C). After that, the battery was discharged to 1.5 V at a high rate of 12.3 mA (equivalent to 2 C). The 2C retention rate (2C capacity ÷ 0.2C capacity) was calculated from the discharge capacity of the test battery calculated in the above evaluation test. As a result of evaluation of the obtained negative electrode battery, the retention rate at 2C discharge was 0.45.
<比較例8>
実施例1の補助材料の代わりに、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業製、商品名:デンカブラック)を用い、この導電助剤の負極への添加量を1.0重量%とする以外は、実施例18と同様に負極試験電池を製造した。得られた負極電池の評価を実施した結果、2C放電時の維持率は0.23であった。
<Comparative Example 8>
A negative electrode test battery was produced in the same manner as in Example 18, except that acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo, product name: Denka Black) was used as a conductive assistant instead of the auxiliary material of Example 1, and the amount of this conductive assistant added to the negative electrode was 1.0 wt %. As a result of evaluation of the obtained negative electrode battery, the retention rate during 2C discharge was 0.23.
<考察>
上記の結果から、負極において本発明の補助材料は有効に作用することを確認できた。
<Considerations>
From the above results, it was confirmed that the auxiliary material of the present invention effectively acts in the negative electrode.
上述した実施例から明らかなように、本実施形態の補助材料を用いた電池における高レート放電の維持率は、比較例の電池における維持率と比較して高い。その理由は、本実施形態の補助材料の電子伝導性が高いことに由来する。すなわち、本実施形態の補助材料は、比較例で用いた導電助剤に比べ、グラフェン質を含む高導電性炭素質を骨格とし、かつ粒子内部に電解液を保持可能な空間を有するためである。放電反応は、充電で脱離したリチウムイオンが正極材に戻る反応であり、放電が始まると外部回路から正極に電子が流れ、その電子とリチウムイオンが結合する形で正極の結晶構造サイトに戻り、充電前の結合状態を復元する。すなわちリチウムイオンと電子の結合と正極の結晶構造の相変化が同時に起こる。相変化は電圧の変化から観測できる。高レート放電の維持率の高さに関しては、この相変化の「同時」性が重要であり、本実施例の補助材料はこの「同時」性を実現可能であることを確認できた。 As is clear from the above examples, the high-rate discharge retention rate of the battery using the auxiliary material of this embodiment is higher than that of the battery of the comparative example. The reason for this is that the electronic conductivity of the auxiliary material of this embodiment is high. That is, compared to the conductive assistant used in the comparative example, the auxiliary material of this embodiment has a highly conductive carbonaceous material including graphene as a skeleton, and has a space capable of holding an electrolyte inside the particles. The discharge reaction is a reaction in which lithium ions that have been desorbed during charging return to the positive electrode material, and when discharge begins, electrons flow from the external circuit to the positive electrode, and the electrons and lithium ions return to the crystal structure site of the positive electrode in a form that combines with them, restoring the bonded state before charging. That is, the bond between the lithium ions and electrons and the phase change of the crystal structure of the positive electrode occur simultaneously. The phase change can be observed from the change in voltage. With regard to the high retention rate of high-rate discharge, the "simultaneity" of this phase change is important, and it was confirmed that the auxiliary material of this example can achieve this "simultaneity".
本発明は上述した実施形態や実施例に限定されるものではない。本発明の範囲を逸脱しない範囲内で種々設計変更した形態が本発明に含まれる。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments and examples. Various design modifications that do not deviate from the scope of the present invention are included in the present invention.
1 一次粒子
2 二次粒子
3 正極材料
200 リチウムイオン電池
211 外装部品
212 正極
213 外装部品
214 負極
215 セパレータ
217 シールガスケット
218 バネ
219 スペーサ
1 Primary particle 2 Secondary particle 3 Positive electrode material 200 Lithium ion battery 211 Exterior part 212 Positive electrode 213 Exterior part 214 Negative electrode 215 Separator 217 Seal gasket 218 Spring 219 Spacer
Claims (13)
複数の前記一次粒子の一部は、複数固着されて二次粒子を形成し、
該二次粒子は、極微小負荷除荷試験において塑性変形し、一部が復元せず、
塑性変形仕事率が5%以上92%以下であり、
気体吸着法により測定した細孔容積が1cc/g以上4cc/g以下であり、
前記二次粒子の平均粒径が0.05μm以上6μm以下である、電池反応補助材料。 The porous material includes a plurality of primary particles having a three-dimensional skeleton including a space therein,
a part of the plurality of primary particles is adhered to each other to form a plurality of secondary particles;
The secondary particles are plastically deformed in a very small load-unload test, and some of them do not recover.
The plastic deformation power is 5% or more and 92% or less,
The pore volume measured by a gas adsorption method is 1 cc/g or more and 4 cc/g or less,
The secondary particles have an average particle size of 0.05 μm or more and 6 μm or less.
前記スラリーを集電体上に塗布して乾燥させてプレス加工を施して正極または負極を得る工程と、
を含む、リチウムイオン電池用の正極または負極の製造方法であって、
前記プレス加工においては、前記一次粒子および前記二次粒子のうちの一部の形状が変形されたままとし、前記一次粒子および前記二次粒子のうちの別の一部の形状は復元される、
リチウムイオン電池用の正極または負極の製造方法。 A step of preparing a slurry by mixing the battery reaction auxiliary material according to claim 1 , a binder resin, and a solvent;
a step of applying the slurry onto a current collector, drying the same, and pressing the same to obtain a positive electrode or a negative electrode;
A method for producing a positive electrode or a negative electrode for a lithium ion battery, comprising:
In the press working, the shapes of a part of the primary particles and the secondary particles are kept deformed, and the shapes of another part of the primary particles and the secondary particles are restored.
A method for producing positive or negative electrodes for lithium-ion batteries.
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