JP2012015377A - Power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス放電特性が向上した蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to an electricity storage device having improved pulse discharge characteristics.
近年、携帯オーディオデバイス、携帯電話、ラップトップコンピュータといった携帯型電子機器が広く普及している。また、省エネルギーの観点、あるいは、二酸化炭素の排出量を低減する観点から、内燃機関と電気による機動力とを併用するハイブリッド自動車が普及し始めている。これらの普及に伴い、電源として用いられる蓄電デバイスの高性能化に対する要求が高まっている。このような中、出力特性および繰り返し特性に優れた蓄電デバイスとしてのキャパシタに対する期待が高まっている。 In recent years, portable electronic devices such as portable audio devices, cellular phones, and laptop computers have become widespread. From the viewpoint of energy saving or the reduction of carbon dioxide emissions, hybrid vehicles using both an internal combustion engine and electric mobility are beginning to spread. With these spreads, there is an increasing demand for higher performance of power storage devices used as power sources. Under such circumstances, there is an increasing expectation for a capacitor as an electricity storage device having excellent output characteristics and repetition characteristics.
特許文献1には、正極および負極の両方に電極活物質として活性炭を用いた電気二重層キャパシタが開示されている。特許文献2には、正極に活性炭、負極にリチウムイオンを吸蔵および放出することができるカーボン電極を用いたリチウムイオンキャパシタが開示されている。 Patent Document 1 discloses an electric double layer capacitor using activated carbon as an electrode active material for both a positive electrode and a negative electrode. Patent Literature 2 discloses a lithium ion capacitor using activated carbon as a positive electrode and a carbon electrode capable of inserting and extracting lithium ions into a negative electrode.
しかし、活性炭において蓄電容量に寄与する部分は、活性炭の表面のみである。このため、正負極ともに活性炭を用いた電気二重層キャパシタは容量が低い。リチウムイオンキャパシタについても同様であり、正極に活性炭が用いられているため容量が低い。 However, only the surface of the activated carbon contributes to the storage capacity in the activated carbon. For this reason, the electric double layer capacitor using activated carbon for both positive and negative electrodes has a low capacity. The same applies to the lithium ion capacitor, and the capacity is low because activated carbon is used for the positive electrode.
特許文献3および4には、テトラチアフルバレン(以下、TTFと記す)に代表されるπ電子共役雲を有する有機化合物を活性炭の代わりに用いた高容量のキャパシタが記載されている。その中でも、π電子共役雲を有する部位を複数導入した高分子化合物が耐久性に優れることが開示されている。例えば、ポリアセチレン、ポリメチルメタクリレート鎖を主鎖として有する高分子化合物、および、ポリビニルアルコール主鎖に、カルボキシテトラチアフルバレンを有する側鎖を脱水縮合させて得られる高分子化合物が開示されている。 Patent Documents 3 and 4 describe a high-capacity capacitor using an organic compound having a π-electron conjugated cloud represented by tetrathiafulvalene (hereinafter referred to as TTF) instead of activated carbon. Among them, it is disclosed that a polymer compound into which a plurality of sites having a π-electron conjugated cloud are introduced is excellent in durability. For example, polyacetylene, a polymer compound having a polymethyl methacrylate chain as a main chain, and a polymer compound obtained by dehydrating condensation of a side chain having carboxytetrathiafulvalene to a polyvinyl alcohol main chain are disclosed.
このような有機化合物を活性炭の代替電極活物質として用いることにより、高容量化に寄与することはできるが、電気二重層キャパシタに比べてパルス放電特性が低くなる。 By using such an organic compound as an alternative electrode active material for activated carbon, it is possible to contribute to higher capacity, but the pulse discharge characteristics are lower than that of an electric double layer capacitor.
また、特許文献4には、電極の導電性基材として活性炭を用い、この活性炭上に電極活物質である有機化合物を担持することにより、充放電サイクルに伴う容量劣化を抑制することが開示されている。特許文献5には、容量が大きく出力特性が向上したキャパシタとして、電気二重層型キャパシタ材と、擬似容量型の有機系キャパシタ材で表面が被覆された活性炭とを含むキャパシタ用電極が開示されている。具体的には、活性炭の表面をN型またはP型の導電性高分子で被覆した構造を有する電極が開示されている。 Patent Document 4 discloses that activated carbon is used as a conductive base material of an electrode, and an organic compound that is an electrode active material is supported on the activated carbon, thereby suppressing capacity deterioration associated with a charge / discharge cycle. ing. Patent Document 5 discloses a capacitor electrode including an electric double layer capacitor material and activated carbon whose surface is coated with a pseudo-capacitance type organic capacitor material as a capacitor having a large capacity and improved output characteristics. Yes. Specifically, an electrode having a structure in which the surface of activated carbon is coated with an N-type or P-type conductive polymer is disclosed.
しかし、活性炭上に有機化合物を担持した構造を有する電極や、活性炭の表面を導電性高分子で被覆した構造を有する電極を用いた場合、高容量化に寄与することはできるが、パルス放電特性は依然として電気二重層キャパシタよりも低い。 However, if an electrode having a structure in which an organic compound is supported on activated carbon or an electrode having a structure in which the surface of activated carbon is coated with a conductive polymer can be used, it can contribute to higher capacity, but pulse discharge characteristics Is still lower than electric double layer capacitors.
以上のように、電気二重層キャパシタの利点である優れたパルス放電特性を維持しながら、電気二重層の容量を増やすことは難しい。 As described above, it is difficult to increase the capacity of the electric double layer while maintaining the excellent pulse discharge characteristic which is an advantage of the electric double layer capacitor.
本発明は、こういった実情に鑑みてなされたものであり、高い容量とともに優れたパルス放電特性を有する蓄電デバイスを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the electrical storage device which has the outstanding pulse discharge characteristic with high capacity | capacitance.
上記課題を解決するため、本発明者らは、テトラカルゴケノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体と、活性炭と、の両方を電極活物質として含む電極を用いる蓄電デバイスに関して鋭意検討を行った。検討の結果、このような電極を用いる蓄電デバイスの性能は電極構造に大きく依存することが明らかとなった。さらに、特定の電極構造によっては、両方の電極活物質の利点を併せ持つ、すなわち、高容量と良好なパルス放電特性とを併せ持つ蓄電デバイスが得られることが明らかとなった。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive studies on an electricity storage device using an electrode containing both a polymer containing a tetracargokenofulvalene skeleton in a repeating unit and activated carbon as an electrode active material. went. As a result of studies, it has been clarified that the performance of an electricity storage device using such an electrode greatly depends on the electrode structure. Furthermore, it has been clarified that depending on the specific electrode structure, an electricity storage device having the advantages of both electrode active materials, that is, having both high capacity and good pulse discharge characteristics can be obtained.
すなわち、本発明は、
正極と、負極と、非水電解質とを備え、
前記正極は、電極活物質として、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体と、活性炭と、を含み、
前記活性炭および前記重合体のそれぞれに対して、前記非水電解質が直接に接触できるように、前記活性炭および前記重合体がそれぞれ粒子の形状を有する蓄電デバイスを提供する。
That is, the present invention
A positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte;
The positive electrode includes, as an electrode active material, a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit, and activated carbon,
Provided is an electricity storage device in which the activated carbon and the polymer each have a particle shape so that the non-aqueous electrolyte can directly contact the activated carbon and the polymer, respectively.
他の側面において、本発明は、
テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体が溶媒に溶解した溶液と、導電助剤とを含むペーストを調製する工程と、
前記ペーストから前記溶媒を除去して、前記重合体と前記導電助剤とを含む複合粒子を形成する工程と、
前記複合粒子と活性炭とを混練して得た合剤を用いて、前記複合粒子と前記活性炭とを含む合剤層を正極集電体上に形成する工程と、を含む、蓄電デバイスの製造方法を提供する。
In another aspect, the present invention provides:
A step of preparing a paste containing a solution in which a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit is dissolved in a solvent, and a conductive additive;
Removing the solvent from the paste to form composite particles containing the polymer and the conductive additive;
Using a mixture obtained by kneading the composite particles and activated carbon, and forming a mixture layer containing the composite particles and the activated carbon on a positive electrode current collector. I will provide a.
本発明の蓄電デバイスは、正極において、活性炭と重合体とを電極活物質として含む。重合体は、酸化還元部位としてテトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体である。そのため、本発明の蓄電デバイスによれば、安定して繰り返し充放電を行うことができる。また、活性炭および重合体はそれぞれ粒子の形状を有する。好ましくは、重合体は活性炭の表面を被覆していない。したがって、活性炭の表面積を低下させることなく、活性炭の電気二重層容量に由来する充放電を行うことができる。すなわち、優れたパルス放電特性を得ることができる。さらに、重合体は活性炭よりも高容量な電極活物質であるため、正極における電極活物質として活性炭のみを用いた場合よりも、高容量な蓄電デバイスが得られる。このように、本発明によれば、パルス放電特性に優れ、かつ、高容量な蓄電デバイスが実現できる。 The electricity storage device of the present invention includes activated carbon and a polymer as electrode active materials in the positive electrode. The polymer is a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton as a redox site in a repeating unit. Therefore, according to the electricity storage device of the present invention, charging and discharging can be performed stably and repeatedly. The activated carbon and the polymer each have a particle shape. Preferably, the polymer does not coat the surface of the activated carbon. Therefore, charging / discharging derived from the electric double layer capacity of the activated carbon can be performed without reducing the surface area of the activated carbon. That is, excellent pulse discharge characteristics can be obtained. Furthermore, since the polymer is an electrode active material having a capacity higher than that of activated carbon, an electricity storage device having a capacity higher than that obtained when only activated carbon is used as the electrode active material in the positive electrode can be obtained. Thus, according to the present invention, an electric storage device having excellent pulse discharge characteristics and a high capacity can be realized.
以下、本発明の蓄電デバイスの実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the electricity storage device of the present invention will be described.
(実施の形態1)
図1は、本発明の蓄電デバイスの一実施形態における正極10の断面構造を模式的に示す。正極10は、正極集電体11と正極集電体11上に設けられた正極活物質層12とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a
正極集電体11は、電気伝導性を有する低抵抗の物質、例えば、二次電池や電気二重層キャパシタの正極や負極における集電体として用いることのできる材料であれば、特に限定されない。正極集電体11は、金属箔、金属メッシュ、金属多孔体、または、金属からなる導電性フィラーを含む樹脂フィルムで構成されている。正極集電体11に使用できる金属として、アルミニウム、金、銀、ステンレス、アルミニウム合金などが挙げられる。これらの中でも、正極集電体11としては、厚み5〜30μm程度のアルミニウム箔が好適に用いられる。これは、アルミニウム箔が、正極10の動作範囲における電気化学的な安定性に優れており、かつ、厚み5〜30μm程度の薄膜であっても十分な強度を保つことができるからである。また、金属箔の表面は、電解エッチング処理やブラスト処理などによって粗面化されていてもよい。
The positive electrode
正極活物質層12は、少なくとも2種類の電極活物質、すなわち、活性炭13と重合体14とを含む。重合体14は、以下において詳細に説明するテトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含み、かつ、正極活物質層12において重合体14が活性炭13の表面を被覆していない。重合体14が活性炭13の表面を被覆していないとは、重合体14が活性炭13の表面を覆うように存在せず、活性炭13および重合体14がそれぞれ異なる粒子を形成して存在している状態をいう。言い換えれば、活性炭および重合体のそれぞれに対して、非水電解質が直接に接触できるように、活性炭および重合体がそれぞれ粒子の形状を有する。活性炭13と重合体14とがそれぞれ粒子を形成していれば、正極活物質層12において、粒子が存在する領域は限定されず、互いに接していてもよい。また、正極活物質層12は、非水電解質を含む基質17を有する。基質17に活性炭13および重合体14が分散している。活性炭13および重合体14の体積に比べて基質17の体積が十分に小さい場合、基質17は、活性炭13および重合体14の周囲の隙間を埋めている。基質17は非水電解質だけで構成されていてもよいし、必要に応じて、結着剤および導電助剤から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。
The positive electrode
以下、正極の反応メカニズムに関して説明する。なお、以下、「テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体」を、「テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体」と記載することがある。 Hereinafter, the reaction mechanism of the positive electrode will be described. Hereinafter, a “polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit” may be referred to as a “polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton”.
特許文献5では、電気二重層型キャパシタ材である活性炭の表面に有機系キャパシタ材である導電性高分子化合物を被覆させる電極構造が開示されている。本発明者らは、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体を用いて、特許文献5で開示されている電極構造と同様の構造、すなわち活性炭の表面に重合体を被覆させた構造の電極を用いた蓄電デバイスを検討した。その結果、期待される複合効果、すなわち、高容量と優れたパルス放電特性との両方の効果は、活性炭を電極活物質として用いた蓄電デバイスと比較して、十分に得られないことが判明した。 Patent Document 5 discloses an electrode structure in which a surface of activated carbon that is an electric double layer capacitor material is coated with a conductive polymer compound that is an organic capacitor material. The present inventors used a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton to form an electrode having the same structure as the electrode structure disclosed in Patent Document 5, that is, a structure in which a polymer is coated on the surface of activated carbon. The electricity storage device used was examined. As a result, it was found that the expected combined effect, that is, the effect of both high capacity and excellent pulse discharge characteristics, could not be obtained sufficiently compared with the electricity storage device using activated carbon as the electrode active material. .
この原因に関して解析を行なった結果、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が活性炭の表面を被覆し、活性炭の充放電容量に寄与する表面細孔を埋めてしまったことが原因であることが明らかになった。また、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が電子伝導性を有していないため、活性炭と正極集電体との間の導電パスの形成が困難になり、充放電特性が低下したことも明らかになった。以上のことから、電極活物質として活性炭とテトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体とを用いた複合電極では、重合体が活性炭の表面を被覆していないことが、重要であることが明らかになった。 As a result of analyzing this cause, the polymer containing the tetrachalcogenofulvalene skeleton coated the surface of the activated carbon, which may be caused by filling the surface pores contributing to the charge / discharge capacity of the activated carbon. It was revealed. In addition, since the polymer containing the tetrachalcogenofulvalene skeleton does not have electronic conductivity, it is difficult to form a conductive path between the activated carbon and the positive electrode current collector, and the charge / discharge characteristics are also deteriorated. It was revealed. From the above, in a composite electrode using activated carbon and a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the repeating unit as an electrode active material, it is important that the polymer does not cover the surface of the activated carbon. It became clear that there was.
テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体は、導電性高分子と比較して、導電性を有しないか、有していても金属と絶縁体との間である半導体レベルである。しかし、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体は、導電性高分子と比較して、より高容量な蓄電材料である。テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体と活性炭とを用いる場合には、従来の導電性高分子を用いる場合とは異なる電極構造が必要であると考えられる。 A polymer including a tetrachalcogenofulvalene skeleton has no conductivity compared to a conductive polymer, or a semiconductor level between a metal and an insulator even if it has a polymer. However, a polymer including a tetrachalcogenofulvalene skeleton is a higher-capacity electricity storage material than a conductive polymer. In the case of using a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton and activated carbon, it is considered that an electrode structure different from that in the case of using a conventional conductive polymer is necessary.
図1に示すように、正極活物質層12において、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体14は、活性炭13の表面を被覆していない。つまり、活性炭13と重合体14はそれぞれ異なる粒子を形成して存在している。非水電解質は、活物質層12における活性炭13および重合体14のそれぞれに対して直接に接触できる。したがって、活性炭13と重合体14との両方の充放電容量を用いることができ、高容量化に寄与することができる。活性炭13の優れたパルス特性も損なわれない。
As shown in FIG. 1, in the positive electrode
以下で詳しく説明するように、重合体14は、非水電解質中のアニオンの移動を伴って酸化還元反応を行う。本実施形態における電極構造によれば、活性炭13の表面は非水電解質に接しており、活性炭13が有する細孔には非水電解質が含まれている。活性炭13の表面細孔に多くの電解質が存在することにより、活物質層12は十分な電解質を含むことができる。このため、酸化還元反応時、活物質層12内の重合体14はアニオンと均一に反応しやすくなる。さらに、重合体14の周辺に多くのアニオンが存在するため、活物質層12内におけるアニオンの移動抵抗が減少する。すなわち、充放電時の抵抗が低減される。また、重合体14が活性炭13を被覆していないため、活性炭13から正極集電体11までの導電パスが確保され、活性炭13に由来する充放電が阻害されない。したがって、電極活物質として重合体14のみを有する正極を用いた場合と比較して、優れたパルス放電特性を得ることができる。
As will be described in detail below, the
以上のように、本実施形態によれば、活性炭のパルス放電特性を有したまま、活性炭13および重合体14の両方の充放電容量を用いることができ、優れたパルス放電特性と高容量とを両立した正極を実現できる。
As described above, according to this embodiment, the charge / discharge capacities of both the activated
重合体14について、以下詳細に説明する。重合体14において、テトラカルコゲノフルバレン骨格を有する部分は、π共役電子雲を有し、酸化還元部位として機能する。当該部分の構造は、好ましくは、下記式(1)で表される。
The
式(1)中、X1、X2、X3、およびX4は、互いに独立して、硫黄原子、酸素原子、セレン原子、またはテルル原子である。Ra、Rb、Rc、およびRdから選ばれる1つまたは2つは、重合体の主鎖または側鎖の他の部分と結合するための結合手である。Ra、Rb、Rc、およびRdから選ばれる、残りの3つまたは2つは、互いに独立して、鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、ニトロソ基、またはアルキオチオ基である。当該鎖状の脂肪族基および当該環状の脂肪族基は、それぞれ、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。RaとRbとは、互いに結合して環を形成していてもよく、また、RcとRdとは、互いに結合して環を形成していてもよい。 In the formula (1), X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 are each independently a sulfur atom, an oxygen atom, a selenium atom, or a tellurium atom. One or two selected from Ra, Rb, Rc, and Rd is a bond for bonding to the other part of the main chain or side chain of the polymer. The remaining three or two selected from Ra, Rb, Rc, and Rd are each independently a chained aliphatic group, cyclic aliphatic group, hydrogen atom, hydroxyl group, cyano group, amino group , A nitro group, a nitroso group, or an alkiothio group. The chain aliphatic group and the cyclic aliphatic group may each include at least one selected from the group consisting of an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, a silicon atom, a phosphorus atom, and a boron atom. . Ra and Rb may be bonded to each other to form a ring, and Rc and Rd may be bonded to each other to form a ring.
式(1)において、X1、X2、X3、およびX4が硫黄原子であり、Ra、Rb、Rc、およびRdが水素原子である化合物は、下記式(2)で示されるテトラチアフルバレン(以下、TTFと略すことがある)である。以下、TTFを例にとり、テトラカルコゲノフルバレン骨格を有する部分が酸化還元部位として機能し、電解質中のアニオンと反応するメカニズムについて説明する。 In the formula (1), a compound in which X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 are sulfur atoms, and Ra, Rb, Rc, and Rd are hydrogen atoms is a tetrathiafur represented by the following formula (2) Valene (hereinafter sometimes abbreviated as TTF). Hereinafter, taking TTF as an example, a mechanism in which a portion having a tetrachalcogenofulvalene skeleton functions as a redox site and reacts with an anion in an electrolyte will be described.
TTFは、電解液に溶解した状態で1電子酸化を受けると、下記式(3)に示すように、2つの5員環のうち一方の5員環から電子が1つ引き抜かれ、正の1価に帯電する。この結果、対イオンとしてアニオン(式(3)の場合、PF6 -)がテトラチアフルバレン骨格に1つ配位する。この状態からさらに1電子酸化を受けると、他方の5員環の電子が1つ引き抜かれ、正の2価に帯電する。この結果、対イオンとしてもう1つのアニオンがテトラチアフルバレン骨格に配位する。 When TTF is subjected to one-electron oxidation in a state of being dissolved in an electrolytic solution, as shown in the following formula (3), one electron is extracted from one of the two five-membered rings, and a positive 1 Charged to the valence. As a result, one anion (PF 6 − in the case of formula (3)) is coordinated to the tetrathiafulvalene skeleton as a counter ion. When one-electron oxidation is further performed from this state, one electron of the other five-membered ring is extracted and charged to a positive divalent value. As a result, another anion is coordinated to the tetrathiafulvalene skeleton as a counter ion.
酸化された状態でも、その環状骨格は安定であり、再び電子を受け取ることにより、還元されて電気的に中性な元の状態に戻ることができる。言い換えれば、上記式(3)に例示される酸化還元反応は可逆である。本発明の蓄電デバイスは、テトラチアフルバレン骨格が有するこのような酸化還元特性を利用している。 Even in the oxidized state, the cyclic skeleton is stable, and by receiving electrons again, the cyclic skeleton can be reduced to return to an electrically neutral original state. In other words, the oxidation-reduction reaction exemplified in the above formula (3) is reversible. The electricity storage device of the present invention utilizes such redox characteristics of the tetrathiafulvalene skeleton.
例えば、TTFを蓄電デバイスの正極に用いた場合、放電過程において、テトラチアフルバレン骨格が電気的に中性な状態へと向かう。言い換えれば、式(3)において左方向の反応が進行する。逆に、充電過程においては、テトラチアフルバレン骨格が正に帯電した状態へと向かう、つまり、式(3)において右方向の反応が進行する。 For example, when TTF is used for the positive electrode of the electricity storage device, the tetrathiafulvalene skeleton moves toward an electrically neutral state in the discharge process. In other words, the reaction in the left direction proceeds in Equation (3). On the contrary, in the charging process, the tetrathiafulvalene skeleton proceeds to a positively charged state, that is, the reaction in the right direction proceeds in Formula (3).
式(1)において、X1、X2、X3、およびX4が、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子、テルル原子、または酸素原子であり、Ra、Rb、Rc、およびRdが水素原子である化合物は、テトラカルコゲノフルバレンまたはその酸素含有類縁体と総称される。これらの化合物は、TTFと同様の酸化還元特性を有する。このことは、例えば、TTF ケミストリー:テトラチアフルバレンの基礎と応用(TTF Chemistry:Fundamentals and Applications of Tetrathiafulvalene)、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ(Journal of the American Chemical Society),第97版,第10部,1975年,p.2921−2922、および、ケミカル・コミュニケイション(Chemical Communications),1997年,p.1925−1926などにおいて報告されている。
In the formula (1), X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 are each independently a sulfur atom, a selenium atom, a tellurium atom, or an oxygen atom, and Ra, Rb, Rc, and Rd are hydrogen Compounds that are atoms are collectively referred to as tetrachalcogenofulvalene or its oxygen-containing analogs. These compounds have redox properties similar to TTF. For example, TTF Chemistry: Fundamentals and Applications of Tetrathiafulvalene, Journal of the American Chemical Society, 97th edition. ,
また、テトラカルコゲノフルバレン骨格に官能基が結合した化合物、すなわち、式(1)におけるRa、Rb、Rc、およびRdが種々の構造を有する化合物は、テトラカルコゲノフルバレンと同様の酸化還元特性を有する。このことは、例えば、TTF ケミストリー:テトラチアフルバレンの基礎と応用(TTF Chemistry:Fundamentals and Applications of Tetrathiafulvalene)において、これらの化合物の合成方法とともに報告されている。このように、良好な酸化還元特性を得るために重要な構造は、テトラカルコゲノフルバレン骨格自体の構造である。したがって、式(1)におけるRa、Rb、Rc、およびRdは、これらがテトラカルコゲノフルバレン骨格の酸化還元に寄与しない構造である限り、特に限定されない。 In addition, a compound in which a functional group is bonded to a tetrachalcogenofulvalene skeleton, that is, a compound in which Ra, Rb, Rc, and Rd in the formula (1) have various structures is the same redox as tetrachalcogenofulvalene. Has characteristics. This has been reported, for example, in TTF Chemistry: Fundamentals and Applications of Tetrathiafulvalene, along with methods for synthesizing these compounds. Thus, an important structure for obtaining good redox characteristics is the structure of the tetrachalcogenofulvalene skeleton itself. Accordingly, Ra, Rb, Rc, and Rd in the formula (1) are not particularly limited as long as they are structures that do not contribute to the oxidation-reduction of the tetrachalcogenofulvalene skeleton.
テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む分子は、分子量を大きくするほど有機溶媒に対する溶解度が低下する。したがって、電解液中に有機溶媒が含まれている場合、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体を電極活物質として用いることにより、当該電極活物質の電解液への溶解を抑制し、サイクル特性の劣化を抑制することができる。 A molecule including a tetrachalcogenofulvalene skeleton has a lower solubility in an organic solvent as the molecular weight is increased. Therefore, when an organic solvent is contained in the electrolytic solution, by using a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton as an electrode active material, the dissolution of the electrode active material in the electrolytic solution is suppressed, and cycle characteristics Can be prevented.
重合体の分子量は大きいことが好ましい。具体的には、1分子中に、テトラカルコゲノフルバレン骨格を4個以上有することが好ましい。すなわち、重合体の重合度(後述の式(4)におけるn、または、後述の式(8)におけるnとmとの和)は、4以上であることが好ましい。これにより、有機溶媒に溶けにくい電極活物質を実現することができる。より好ましくは、重合体の重合度は、10以上であり、さらに好ましくは、20以上である。重合体の重合度の上限は特に限定されないが、製造コスト、収率などの観点から、例えば500以下であり、好ましくは200以下である。 The molecular weight of the polymer is preferably large. Specifically, it is preferable to have four or more tetrachalcogenofulvalene skeletons in one molecule. That is, the degree of polymerization of the polymer (n in formula (4) described later or the sum of n and m in formula (8) described later) is preferably 4 or more. Thereby, an electrode active material that is hardly soluble in an organic solvent can be realized. More preferably, the degree of polymerization of the polymer is 10 or more, and more preferably 20 or more. Although the upper limit of the polymerization degree of a polymer is not specifically limited, From viewpoints of manufacturing cost, a yield, etc., it is 500 or less, for example, Preferably it is 200 or less.
テトラカルコゲノフルバレン骨格は、当該重合体の主鎖において含まれていてもよいし、側鎖において含まれていてもよく、また、主鎖と側鎖との両方において含まれていてもよい。重合体がテトラカルコゲノフルバレン骨格を主鎖に含む場合、重合体の構造は、例えば、以下の式(4)で表される。 The tetrachalcogenofulvalene skeleton may be contained in the main chain of the polymer, may be contained in the side chain, or may be contained in both the main chain and the side chain. . When the polymer contains a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the main chain, the structure of the polymer is represented, for example, by the following formula (4).
式(4)中、Xは酸素原子、硫黄原子、セレン原子またはテルル原子である。R5およびR6は、互いに独立して、鎖状飽和炭化水素基、鎖状不飽和炭化水素基、環状飽和炭化水素基、環状不飽和炭化水素基、フェニル基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、またはニトロソ基である。鎖状飽和炭化水素基、鎖状不飽和炭化水素基、環状飽和炭化水素基、および環状不飽和炭化水素基は、それぞれ、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、およびケイ素原子からなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。R9は、リンカーを表し、典型的にはアセチレン骨格およびチオフェン骨格の少なくとも1種を含む、鎖状不飽和炭化水素基または環状不飽和炭化水素基であり、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、およびケイ素原子からなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。nは、モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 In formula (4), X is an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom or a tellurium atom. R 5 and R 6 are each independently a chain saturated hydrocarbon group, a chain unsaturated hydrocarbon group, a cyclic saturated hydrocarbon group, a cyclic unsaturated hydrocarbon group, a phenyl group, a hydrogen atom, a hydroxyl group, cyano Group, amino group, nitro group, or nitroso group. The chain saturated hydrocarbon group, the chain unsaturated hydrocarbon group, the cyclic saturated hydrocarbon group, and the cyclic unsaturated hydrocarbon group are each selected from the group consisting of an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, and a silicon atom. At least one kind may be included. R 9 represents a linker, and is typically a chain unsaturated hydrocarbon group or a cyclic unsaturated hydrocarbon group containing at least one of an acetylene skeleton and a thiophene skeleton, and includes an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, And at least one selected from the group consisting of silicon atoms. n is an integer representing the number of repeating monomer units.
式(4)は、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位と、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位(式(4)中のR9)とが交互に配列した交互共重合体であるが、この結合の順序は特に限定されない。すなわち、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位と、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位とを主鎖に有してなる重合体は、ブロック共重合体、交互共重合体、およびランダム共重合体のいずれであってもよい。ブロック共重合体の場合、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位が連続して直接結合したユニットと、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位が連続して直接結合したユニットとが交互に配列した構造を有する。また、ランダム共重合体の場合、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位およびテトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位がランダムに配列した構造を有する。 Formula (4) is an alternating copolymer in which repeating units including a tetrachalcogenofulvalene skeleton and repeating units not including a tetrachalcogenofulvalene skeleton (R 9 in Formula (4)) are alternately arranged. However, the order of the coupling is not particularly limited. That is, a polymer having a repeating unit containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton and a repeating unit not containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the main chain includes a block copolymer, an alternating copolymer, and a random copolymer. Any of copolymers may be used. In the case of a block copolymer, a unit in which repeating units including a tetrachalcogenofulvalene skeleton are directly bonded continuously and a unit in which repeating units not including a tetrachalcogenofulvalene skeleton are continuously bonded alternately It has an ordered structure. In addition, the random copolymer has a structure in which repeating units including a tetrachalcogenofulvalene skeleton and repeating units not including a tetrachalcogenofulvalene skeleton are randomly arranged.
例えば、式(4)におけるXが硫黄原子であり、R5およびR6がフェニル基であり、R9がジエチニルベンゼン基である重合体は、式(5)に示す構造式で表される重合体である。式(5)で表される重合体は、4,4’−ジフェニルテトラチアフルバレンと、1,3−ジエチニルベンゼンとの交互共重合体である。式(5)中のnは、モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 For example, a polymer in which X in formula (4) is a sulfur atom, R 5 and R 6 are phenyl groups, and R 9 is a diethynylbenzene group is represented by the structural formula shown in formula (5). It is a polymer. The polymer represented by the formula (5) is an alternating copolymer of 4,4′-diphenyltetrathiafulvalene and 1,3-diethynylbenzene. N in the formula (5) is an integer representing the number of repeating monomer units.
また、式(4)で表される重合体は、テトラカルコゲノフルバレン骨格の異なる5員環において、重合体の主鎖を形成する結合手を含んでいるが、同じ5員環において、重合体の主鎖を形成する結合手を含んでいてもよい。テトラカルコゲノフルバレン骨格の同じ5員環において重合体の主鎖を形成する結合手を含んでいる場合、例えば、以下の式(6)で表される構造の重合体が挙げられる。 In addition, the polymer represented by the formula (4) includes a bond that forms the main chain of the polymer in five-membered rings having different tetrachalcogenofulvalene skeletons. It may contain a bond that forms the main chain of the coalescence. In the case where the same 5-membered ring of the tetrachalcogenofulvalene skeleton includes a bond that forms the main chain of the polymer, for example, a polymer having a structure represented by the following formula (6) can be given.
式(6)中、Xは酸素原子、硫黄原子、セレン原子、またはテルル原子である。R15、R16は、互いに独立して、鎖状飽和炭化水素基、鎖状不飽和炭化水素基、環状飽和炭化水素基、環状不飽和炭化水素基、フェニル基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、またはニトロソ基である。鎖状飽和炭化水素基、鎖状不飽和炭化水素基、環状飽和炭化水素基、および環状不飽和炭化水素基はそれぞれ、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、およびケイ素原子からなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。R19は、リンカーを表し、典型的にはアセチレン骨格およびチオフェン骨格の少なくとも1種を含む、鎖状不飽和炭化水素基または環状不飽和炭化水素基であり、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、およびケイ素原子からなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。nは、モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 In formula (6), X is an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom, or a tellurium atom. R 15 and R 16 are each independently a chain saturated hydrocarbon group, a chain unsaturated hydrocarbon group, a cyclic saturated hydrocarbon group, a cyclic unsaturated hydrocarbon group, a phenyl group, a hydrogen atom, a hydroxyl group, cyano Group, amino group, nitro group, or nitroso group. The chain saturated hydrocarbon group, the chain unsaturated hydrocarbon group, the cyclic saturated hydrocarbon group, and the cyclic unsaturated hydrocarbon group are each selected from the group consisting of an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, and a silicon atom. One kind may be included. R 19 represents a linker, which is typically a chain unsaturated hydrocarbon group or a cyclic unsaturated hydrocarbon group containing at least one of an acetylene skeleton and a thiophene skeleton, and includes an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, And at least one selected from the group consisting of silicon atoms. n is an integer representing the number of repeating monomer units.
例えば、Xが硫黄原子であり、R15およびR16がチオヘキシル基(C6H13S−)であり、R19がジエチニルベンゼンである場合、式(7)で表される構造の重合体となる。式(7)中のnは、モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 For example, when X is a sulfur atom, R 15 and R 16 are thiohexyl groups (C 6 H 13 S—), and R 19 is diethynylbenzene, a polymer having a structure represented by the formula (7) It becomes. N in the formula (7) is an integer representing the number of repeating monomer units.
重合体がテトラカルコゲノフルバレン骨格を側鎖に含む場合、重合体の構造は、例えば、以下の式(8)に示すように2つの繰り返し単位が*において互いに結合した構造で表される。なお、上述の説明と同様に、2つの繰り返し単位の結合する順序は特に限定されない。 When the polymer contains a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the side chain, the structure of the polymer is represented, for example, by a structure in which two repeating units are bonded to each other in * as shown in the following formula (8). As in the above description, the order in which two repeating units are combined is not particularly limited.
式(8)中、R10およびR12は、重合体の主鎖を構成する3価の基であり、互いに独立して、炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子からなる群から選ばれる少なくとも1種と、炭素数1〜10の飽和脂肪族基および炭素数2〜10の不飽和脂肪族基からなる群から選ばれる少なくとも1種の置換基、または、少なくとも1つの水素原子とを含む。L1は、R12と結合した、エステル基、エーテル基、カルボニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロキシル基、アルキル基、フェニル基、アルキルチオ基、スルホン基、またはスルホキシド基を含む1価の基である。R11は、R10およびM1と結合した2価の基であり、炭素数1〜4の置換基を有していてもよい、アルキレン、アルケニレン、アリーレン、エステル、アミド、およびエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む。M1は、R11と結合した、式(1)で表すことのできる1価の基である。nおよびmは、各モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 In the formula (8), R 10 and R 12 are trivalent groups constituting the main chain of the polymer, and are independently selected from the group consisting of carbon atom, oxygen atom, nitrogen atom and sulfur atom. Including at least one kind and at least one substituent selected from the group consisting of a saturated aliphatic group having 1 to 10 carbon atoms and an unsaturated aliphatic group having 2 to 10 carbon atoms, or at least one hydrogen atom . L 1 is a monovalent group including an ester group, an ether group, a carbonyl group, a cyano group, a nitro group, a nitroxyl group, an alkyl group, a phenyl group, an alkylthio group, a sulfone group, or a sulfoxide group bonded to R 12. is there. R 11 is a divalent group bonded to R 10 and M 1, and a group consisting of alkylene, alkenylene, arylene, ester, amide, and ether, which may have a substituent having 1 to 4 carbon atoms. It contains at least one selected from M 1 is a monovalent group that can be represented by the formula (1) bonded to R 11 . n and m are integers representing the number of repetitions of each monomer unit.
例えば、Xが硫黄原子である場合、以下の式(9)に示す構造を有する重合体が挙げられる。 For example, when X is a sulfur atom, a polymer having a structure represented by the following formula (9) is exemplified.
式(9)中、R21は、2価の基であり、置換基を有していてもよい炭素数1〜4のアルキレン;置換基を有していてもよい炭素数1〜4のアルケニレン;置換基を有していてもよいアリーレン;エステル;アミド;およびエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む。R20およびR22は、互いに独立して、炭素数1〜4の飽和脂肪族基、フェニル基、または水素原子である。R25、R26、およびR27は、互いに独立して、鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、ニトロソ基、またはアルキオチオ基であり、R25とR26とは互いに結合して環を形成していてもよい。L1は、エステル基、エーテル基、カルボニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロキシル基、アルキル基、フェニル基、アルキルチオ基、スルホン基、またはスルホキシド基を含む1価の基である。nおよびmは、各モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 In formula (9), R 21 is a divalent group, optionally having 1 to 4 carbon atoms which may have a substituent; alkenylene having 1 to 4 carbon atoms which may have a substituent. An arylene which may have a substituent; an ester; an amide; and at least one selected from the group consisting of ethers. R 20 and R 22 are each independently a saturated aliphatic group having 1 to 4 carbon atoms, a phenyl group, or a hydrogen atom. R 25 , R 26 , and R 27 are each independently a chain aliphatic group, cyclic aliphatic group, hydrogen atom, hydroxyl group, cyano group, amino group, nitro group, nitroso group, or alkylothio group R 25 and R 26 may be bonded to each other to form a ring. L 1 is a monovalent group including an ester group, an ether group, a carbonyl group, a cyano group, a nitro group, a nitroxyl group, an alkyl group, a phenyl group, an alkylthio group, a sulfone group, or a sulfoxide group. n and m are integers representing the number of repetitions of each monomer unit.
例えば、式(9)におけるL1がエステル基を含む1価の基であり、R21が2価のエステル基であり、R20およびR22がメチル基であり、R25、R26、およびR27が水素原子である重合体は、以下の式(10)で表される構造を有する。式(10)中、nおよびmは、各モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 For example, L 1 in formula (9) is a monovalent group containing an ester group, R 21 is a divalent ester group, R 20 and R 22 are methyl groups, R 25 , R 26 , and The polymer in which R 27 is a hydrogen atom has a structure represented by the following formula (10). In formula (10), n and m are integers representing the number of repetitions of each monomer unit.
次に、活性炭13について説明する。活性炭13は、電気二重層キャパシタにおいて使用される公知の材料であれば特に限定されないが、大電流での充放電を行なうためには比表面積の大きな活性炭が好ましく、具体的には、BET比表面積で1000m2/g以上の活性炭を用いることが望ましい。活性炭の原料としては、例えば、ヤシ殻、有機樹脂、石油ピッチ、オガ屑などが挙げられる。これらの原料を、窒素ガスなどの不活性雰囲気下、900〜1000℃にて炭化した後、賦活処理として、水蒸気を導入することにより最大2000m2/g程度の極めて比表面積の高い活性炭が得られる。また、賦活処理としては、水蒸気による方法の他に、アルカリ溶液を用いた方法を採用してもよい。活性炭の粒子の形状としては、例えば、粉末状、繊維状、薄片状(または鱗片状)などの形状が挙げられる。
Next, the activated
正極活物質層12は、必要に応じて、電極内の電子伝導性を補助する導電助剤、および/または、正極活物質層12の形状保持のための結着剤を含んでいてもよい。
The positive electrode
導電助剤としては、電極の反応電位において、化学変化を起こさない種々の電子伝導性材料を用いることができる。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料、金属繊維、金属粉末類、導電性ウィスカー類、導電性金属酸化物などであり、これらの混合物であってもよい。重量あたりのエネルギー密度を高くできるという観点からは、導電助剤としてカーボンブラックを用いることが好ましい。さらに、接触面積を増大させるためには、導電助剤として、比表面積の大きなカーボンブラックを用いることが望ましい。 As the conductive auxiliary agent, various electron conductive materials that do not cause a chemical change at the reaction potential of the electrode can be used. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black, graphite, and carbon fiber, metal fibers, metal powders, conductive whiskers, and conductive metal oxides, and may be a mixture thereof. From the viewpoint that the energy density per weight can be increased, it is preferable to use carbon black as a conductive aid. Furthermore, in order to increase the contact area, it is desirable to use carbon black having a large specific surface area as a conductive aid.
結着剤は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。結着剤としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)などのフッ素系樹脂およびそれらの共重合体樹脂;スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸およびその共重合体樹脂などが挙げられる。 The binder may be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Examples of the binder include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), hexafluoropropylene (HFP), and copolymer resins thereof; Examples thereof include styrene butadiene rubber, polyacrylic acid and copolymer resins thereof.
実施の形態1における正極10は、電極活物質である重合体14と活性炭13とを含む合剤層を正極集電体11上に形成する方法により、製造することができる。なお、この合剤層は、必要に応じて結着剤および/または導電助剤を含んでいてもよい。この製造方法では、乾式法または湿式法を用いることができるが、湿式法を用いる場合、重合体14が溶解する溶媒を用いないことが必要である。乾式法では、例えば、重合体14と活性炭13とを、溶媒を用いずに混練して合剤を得る。得られた合剤を正極集電体11上に圧着することにより、合剤層を形成できる。湿式法では、重合体14が溶解しない溶媒、例えば、重合体14が有機溶媒に溶解する場合には水溶液などを用い、重合体14および活性炭13が溶媒中に分散したペーストを調製する。得られたペーストを正極集電体11上に塗布し、ペースト中の溶媒を除去することで、正極集電体11上に合剤層を形成することができる。
The
各材料を混合する順番は特に限定されないが、重合体14は、活性炭などの他の材料と混合する前に、粉砕により適切な大きさの粒子としておくことが好ましい。重合体14の粒子径は、0.03μm〜20μmであることが好ましい。重合体14の粒子径を上記範囲に調整することにより、重合体と電解液との大きな接触面積を確保し、かつ、重合体粒子と活性炭または導電助剤との接触面積を増加させ、良好な電子伝導性を確保することができる。
The order of mixing the materials is not particularly limited, but the
活性炭13の粒子径は、0.05μm〜20μmであることが好ましい。活性炭13の粒子径を上記範囲に調整することにより、活性炭の大きな比表面積による二重層容量を確保し、かつ、活性炭と重合体粒子との接触面積を増加させ、電子伝導性を確保することができる。
The particle diameter of the activated
導電助剤の粒子径は、0.03μm〜20μmであることが好ましく、0.03μm〜1μmであることがより好ましい。導電助剤の粒子径を上記範囲に調整することにより、重合体粒子および活性炭粒子の間の隙間に導電助剤が充填され、電極の良好な導電性を確保することができる。 The particle diameter of the conductive assistant is preferably 0.03 μm to 20 μm, and more preferably 0.03 μm to 1 μm. By adjusting the particle diameter of the conductive auxiliary agent within the above range, the conductive auxiliary agent is filled in the gaps between the polymer particles and the activated carbon particles, and good conductivity of the electrode can be ensured.
なお、本明細書において、「粒子径」は、平均粒径を意味する。「平均粒径」は、動的散乱法(DLS:Dynamic Light Scattering)によって測定された、粒度分布の体積累積50%での粒径を意味する。 In the present specification, “particle diameter” means an average particle diameter. “Average particle size” means the particle size at 50% cumulative volume of the particle size distribution measured by Dynamic Light Scattering (DLS).
このようにして、正極集電体11上に形成された正極活物質層12において、重合体14および活性炭13がそれぞれ粒子の形状を有しており、重合体14が活性炭13の表面を被覆していない構造を有する正極10を得ることができる。
In this way, in the positive electrode
重合体14の含有量は5〜80重量部であることが好ましく、活性炭13の含有量は5〜80重量部であることが好ましい。また、導電助剤の含有量は10〜60重量部であることが好ましい。
The content of the
図2は、本発明による蓄電デバイスの一実施形態であるコイン型蓄電デバイスの模式的な断面を示している。この蓄電デバイス20は、コイン型ケース21、封口板25、およびガスケット28によって内部が密閉された構造を有する。蓄電デバイス20の内部には、正極活物質層12および正極集電体11を備える正極10と、負極活物質層26および負極集電体27を備える負極32と、セパレータ24とが収められている。正極10および負極32はセパレータ24を挟んで対向し、正極活物質層12および負極活物質層26がセパレータ24と接するように配置されている。正極10、負極32、およびセパレータ24からなる電極群には、電解液29が含浸されている。セパレータ24は、電解液29を保持する微細な空間を含んでいるため、この微細な空間に電解液29が保持されている。
FIG. 2 shows a schematic cross section of a coin-type electricity storage device which is an embodiment of the electricity storage device according to the present invention. The
セパレータ24は、電子伝導性を有しない樹脂によって構成された樹脂層であり、大きなイオン透過度を有し、所定の機械的強度および電気的絶縁性を備えた微多孔膜である。耐有機溶剤性および疎水性に優れるという観点から、ポリプロピレン、ポリエチレンなどを単独または組み合わせたポリオレフィン樹脂が好ましい。セパレータ24の代わりに、電解液を含んで膨潤し、ゲル電解質として機能するイオン伝導性を有する樹脂層を設けてもよい。
The
負極活物質層26は、負極活物質を含む。負極活物質としては、活性炭、または、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することができる公知の負極活物質が用いられる。リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することができる負極活物質は、リチウム電池において公知の負極材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛材料、非晶質炭素材料、リチウム金属、リチウム含有複合窒化物、リチウム含有チタン酸化物、珪素、珪素を含む合金、珪素酸化物、錫、錫を含む合金、および錫酸化物などである。負極活物質は、これらの負極材料の混合物であってもよい。負極活物質として用いる活性炭としては、電気二重層キャパシタの負極として用いられる公知の材料を用いることができる。また、活性炭の代替材料として知られている擬似容量を有する公知の材料を負極活物質として用いることもできる。負極集電体27には、例えば銅、ニッケル、ステンレスなど、リチウム二次電池用負極の集電体として公知の材料、あるいはアルミニウム箔など電気二重層キャパシタ負極の集電体として公知の材料を用いることができる。
The negative electrode
負極活物質層26は、負極活物質の他にも、必要に応じて、導電助剤および/または結着剤を含んでいてもよい。導電助剤および結着剤としては、正極活物質層12において用いることのできる導電助剤および結着剤と同様の材料を用いることができる。
In addition to the negative electrode active material, the negative electrode
電解液29は、リチウムイオンとアニオンとの塩、および、4級アンモニウムカチオンとアニオンとの塩の少なくとも1種を含む。電解液29が4級アンモニウムカチオンとアニオンとの塩を含む場合、負極における負極活物質は、当該4級アンモニウムカチオンまたはアニオンを可逆的に吸蔵および放出することができる電気二重層容量を有することが好ましい。電解液29がリチウムイオンとアニオンとの塩を含む場合、負極はリチウムイオンを吸蔵および放出することができる負極活物質を含むことが好ましい。
The
リチウムイオンとアニオンとの塩としては、リチウム電池で用いられる塩であれば特に限定されず、例えば、リチウムイオンと以下に挙げるアニオンとの塩が挙げられる。すなわち、アニオンとしては、ハロゲン化物アニオン、過塩素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、4フッ化ホウ酸アニオン(BF4 -)、6フッ化リン酸アニオン(PF6 -)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミドアニオンなどが挙げられる。リチウムイオンとアニオンとの塩として、これらの2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The salt of lithium ion and anion is not particularly limited as long as it is a salt used in a lithium battery, and examples thereof include salts of lithium ions and the following anions. That is, as anions, halide anions, perchlorate anions, trifluoromethanesulfonate anions, tetrafluoroborate anions (BF 4 − ), hexafluorophosphate anions (PF 6 − ), bis (trifluoromethanesulfonyl) ) Imide anion, bis (perfluoroethylsulfonyl) imide anion, and the like. Two or more of these may be used in combination as a salt of lithium ions and anions.
4級アンモニウムカチオンとアニオンの塩としては、テトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムなどのカチオンと、上述のアニオンとの塩が用いることができ、これらの2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As a salt of a quaternary ammonium cation and an anion, a salt of a cation such as tetraethylammonium, tetrabutylammonium, 1-ethyl-3-methylimidazolium and the above-mentioned anion can be used. You may use it in combination.
電解質は、固体電解質を含んでいてもよい。固体電解質としては、Li2S−SiS2、Li2S−B2S5、Li2S−P2S5−GeS2、ナトリウム/アルミナ(Al2O3)、無定形または低相転移温度(Tg)のポリエーテル、無定形フッ化ビニリデン−6フッ化プロピレンコポリマー、異種高分子ブレンド体ポリエチレンオキサイドなどが挙げられる。 The electrolyte may include a solid electrolyte. Examples of solid electrolytes include Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—B 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 , sodium / alumina (Al 2 O 3 ), amorphous or low phase transition temperature. (Tg) polyether, amorphous vinylidene fluoride-6-fluorinated propylene copolymer, heterogeneous polymer blend polyethylene oxide and the like.
電解質が液体である場合、電解質自身を電解液29として用いても、電解質を溶媒に溶解させて電解液29として用いてもよい。電解質が固体である場合、これを溶媒に溶解させて電解液29とすることが必要である。
When the electrolyte is a liquid, the electrolyte itself may be used as the
電解質を溶解させる溶媒としては、非水二次電池や非水系電気二重層キャパシタにおいて用いることのできる公知の非水溶媒を用いることができる。具体的な非水溶媒としては、環状炭酸エステルを含む溶媒を好適に用いることができる。なぜなら、環状炭酸エステルは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートに代表されるように、非常に高い比誘電率を有するからである。環状炭酸エステルの中では、プロピレンカーボネートが好ましい。なぜなら、プロピレンカーボネートは、凝固点が−49℃とエチレンカーボネートよりも低いため、低温でも蓄電デバイスを作動させることができるからである。 As the solvent for dissolving the electrolyte, a known nonaqueous solvent that can be used in a nonaqueous secondary battery or a nonaqueous electric double layer capacitor can be used. As a specific non-aqueous solvent, a solvent containing a cyclic carbonate can be suitably used. This is because cyclic carbonates have a very high dielectric constant, as typified by ethylene carbonate and propylene carbonate. Among the cyclic carbonates, propylene carbonate is preferable. This is because propylene carbonate has a freezing point of −49 ° C., which is lower than that of ethylene carbonate, so that the electricity storage device can be operated even at a low temperature.
また、非水溶媒としては、環状エステルを含む溶媒もまた好適に用いることができる。なぜなら、環状エステルは、γ−ブチロラクトンに代表されるように、非常に高い比誘電率を有するからである。 Moreover, as the non-aqueous solvent, a solvent containing a cyclic ester can also be suitably used. This is because the cyclic ester has a very high dielectric constant as represented by γ-butyrolactone.
非水溶媒の成分としてこれらの溶媒を含むことにより、電解液29における非水溶媒全体として非常に高い誘電率を有することができる。非水溶媒として、これらの溶媒のうちの1種のみを用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。非水溶媒の成分としては、上記に挙げた以外にも、鎖状炭酸エステル、鎖状エステル、環状または鎖状のエーテルなどが挙げられ、具体的には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジオキソラン、スルホランなどが挙げられる。
By including these solvents as components of the non-aqueous solvent, the entire non-aqueous solvent in the
(実施の形態2)
実施の形態2における蓄電デバイスは、実施の形態1と比較して、正極のみが異なる。したがって、正極以外についての説明は省略し、以下正極のみについて説明する。
(Embodiment 2)
The electricity storage device in the second embodiment is different from the first embodiment only in the positive electrode. Therefore, the description other than the positive electrode is omitted, and only the positive electrode will be described below.
図3は、本発明による蓄電デバイスの一実施形態の正極10’の断面構造を模式的に示す。正極10’は、正極集電体11と正極集電体11上に設けられた正極活物質層12’とを備えている。正極活物質層12’は、活性炭13と複合粒子15とを含む。複合粒子15の拡大断面図を図4に模式的に示す。図4において、導電助剤16の表面の少なくとも一部を、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体14’が被覆している。
FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of the
また、正極活物質層12’は、非水電解質を含む基質17を有する。基質17に活性炭13および複合粒子15が分散している。活性炭13および複合粒子15の体積に比べて基質17の体積が十分に小さい場合、基質17は、活性炭13および複合粒子15の周囲の隙間を埋めている。基質17は非水電解質だけで構成されていてもよいし、必要に応じて、結着剤および導電助剤から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。複合粒子15を形成している導電助剤16以外の導電助剤が基質17に含まれている場合、重合体粒子および活性炭粒子の間の隙間に導電助剤が充填され、電極の良好な導電性を確保することができる。導電助剤16以外の導電助剤が基質17に含まれている場合、複合粒子15を形成している導電助剤16と、基質17に含まれている導電助剤とは同種の導電助剤であってもよいし、互いに異なる導電助剤であってもよい。
Further, the positive electrode
正極活物質層12’は少なくとも2種類の電極活物質、すなわち、活性炭13と重合体14’と、を含み、さらに、導電助剤16を含む。重合体14’には、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体が含まれる。また、重合体14’は、重合体14’が導電助剤の表面の少なくとも一部を被覆した複合粒子15として含まれる。すなわち、導電助剤16の表面は、導電助剤16と重合体14’とが複合粒子15を形成するように、重合体14’によって被覆されている。
The positive electrode
実施の形態2では、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体14’が活性炭13の表面を被覆していないため、活性炭13の有する良好なパルス放電特性を発現することができる。また、活性炭13とともに、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体14’を含むため、蓄電デバイスの高容量化を実現することができる。さらに、重合体14からなる粒子として存在する場合(実施の形態1)と比較して、図4のように重合体14’が導電助剤16の表面の一部を被覆するように存在していることにより、重合体14’のパルス放電特性も向上する。なぜなら、重合体14’が導電助剤16の表面の一部を被覆するように存在しているため、重合体14’と導電助剤16との接触面積が増大するからである。それゆえ、導電助剤16と重合体14’との間で酸化還元に伴う電子の移動が円滑に行われ、重合体14’における酸化還元反応が円滑に進行する。
In the second embodiment, since the
また、充放電に伴い、電解液中のアニオンが重合体14’中に進入する反応が起こる。重合体14’が導電助剤16を被覆して複合粒子15を形成している場合、重合体14’が単独で粒子を形成している場合と比較して、重合体14’の厚みが小さいため、アニオンの移動距離が短くなり、酸化還元反応速度が向上する。
Further, a reaction occurs in which the anion in the electrolytic solution enters the
これらの理由により、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が、活性炭の表面を被覆せず、かつ、導電助剤の表面の少なくとも一部を被覆していることによって、高容量かつ、良好なパルス放電特性を有する蓄電デバイスを提供することができる。 For these reasons, the polymer containing the tetrachalcogenofulvalene skeleton does not coat the surface of the activated carbon and coats at least a part of the surface of the conductive auxiliary agent, so that the high capacity and good An electricity storage device having pulse discharge characteristics can be provided.
図4では導電助剤16は楕円の断面で示されているが、導電助剤16の形状は楕円に限られず、電極材料の導電助剤として一般に用いられる導電助剤が有する種々の形状を有していてもよい。また、重合体14’が導電助剤16の粒子を完全に被覆していなくてもよく、導電助剤16の粒子同士が接触している部分があってもよい。また、重合体14’は、図4のように導電助剤16の全表面を被覆していてもよいし、導電助剤16の表面の一部を被覆していてもよい。
In FIG. 4, the conductive
また、重合体14’の代わりに、重合体14’と結着剤とを含む被覆層が導電助剤16を被覆していてもよい。被覆層が導電助剤16を被覆している場合、被覆層は、重合体14’と結着剤とが混合した状態にある。
Further, instead of the
次に、正極10’の製造方法を説明する。正極10’は、以下に説明する第一〜第三工程を経て製造されうる。第一工程および第二工程では、導電助剤の表面の少なくとも一部を重合体が被覆した複合粒子を作製する。第三工程では、得られた複合粒子と活性炭とを、活性炭の表面を重合体が被覆しないように混合し、合剤層を集電体上に形成する。
Next, a method for manufacturing the positive electrode 10 'will be described. The
第一工程では、導電助剤と、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が溶媒に溶解した溶液とを含むペーストを調製する。当該溶媒は、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が可溶である溶媒である。すなわち、重合体は当該ペースト中において溶解した状態にある。したがって、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が、何らかの溶媒に可溶であることが重要である。また、電解液が非水溶媒を含む場合、当該重合体が電解質中の非水溶媒に溶解しないことも重要である。これらの条件を満たすような重合体の構造および非水溶媒について、以下に説明する。 In the first step, a paste containing a conductive additive and a solution in which a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton is dissolved in a solvent is prepared. The solvent is a solvent in which a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton is soluble. That is, the polymer is in a dissolved state in the paste. Therefore, it is important that the polymer containing the tetrachalcogenofulvalene skeleton is soluble in some solvent. In addition, when the electrolytic solution contains a nonaqueous solvent, it is also important that the polymer does not dissolve in the nonaqueous solvent in the electrolyte. The structure of the polymer that satisfies these conditions and the nonaqueous solvent will be described below.
テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が、何らかの溶媒に可溶であるためには、当該重合体が、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位と、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位との共重合体であることが好ましい。テトラカルコゲノフルバレン骨格は、平面性の高い骨格である。したがって、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位のみからなる重合体は、分子間力によりテトラカルコゲノフルバレン骨格同士がスタックする傾向にあり、それゆえ、可溶溶媒の選択肢が少ない場合が多い。他方、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位を有する場合、この部分の構造を変更することで、重合体の溶解性を調節することができ、可溶溶媒の選択肢を増やすことができる。 In order for a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton to be soluble in any solvent, the polymer is a repeating unit containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton, and a repeat containing no tetrachalcogenofulvalene skeleton. A copolymer with the unit is preferable. The tetrachalcogenofulvalene skeleton is a highly planar skeleton. Therefore, a polymer composed only of a repeating unit containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton tends to stack between tetrachalcogenofulvalene skeletons due to intermolecular forces, and therefore, there are often few choices of soluble solvents. . On the other hand, in the case of having a repeating unit that does not contain a tetrachalcogenofulvalene skeleton, the solubility of the polymer can be adjusted by changing the structure of this part, and the choice of soluble solvent can be increased.
また、このような共重合体は、例えば式(10)で表されるように、主鎖から分岐した側鎖においてテトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位を有する共重合体であってもよいし、また、例えば式(5)で表されるように、主鎖においてテトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位を有する共重合体であってもよい。重合体の充放電容量、および充放電繰り返し特性の観点からは、主鎖においてテトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位を有する共重合体が望ましい。 Further, such a copolymer may be a copolymer having a repeating unit including a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a side chain branched from the main chain, as represented by the formula (10), for example. Further, for example, as represented by the formula (5), a copolymer having a repeating unit containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the main chain may be used. From the viewpoint of charge / discharge capacity and charge / discharge repeatability of the polymer, a copolymer having a repeating unit containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the main chain is desirable.
共重合体が、当該共重合体の主鎖においてテトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位を有する場合においては、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位としては、アセチレン骨格またはチオフェン骨格を含む繰り返し単位が好ましい。共重合体が、当該共重合体の主鎖から分岐した側鎖においてテトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位を有する場合においては、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位は、エステル基、エーテル基、カルボニル基、シアノ基、ニトロ基、ニトロキシル基、アルキル基、フェニル基、アルキルチオ基、スルホン基、またはスルホキシド基を含むことが好ましい。 In the case where the copolymer has a repeating unit including a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the main chain of the copolymer, the repeating unit not including the tetrachalcogenofulvalene skeleton includes an acetylene skeleton or a thiophene skeleton. Repeating units are preferred. When the copolymer has a repeating unit containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the side chain branched from the main chain of the copolymer, the repeating unit not containing the tetrachalcogenofulvalene skeleton is an ester group, It preferably contains an ether group, carbonyl group, cyano group, nitro group, nitroxyl group, alkyl group, phenyl group, alkylthio group, sulfone group, or sulfoxide group.
第一工程において、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体を溶解させてペーストを調製するための溶媒としては、当該重合体に対して親和性が高いものが好ましい。具体的には、溶媒は、N−メチルピロリドン(NMP)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルスルホキシド(DMSO)などの非水溶媒から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。これらの中でも、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、およびテトラヒドロフランからなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましく、重合体をより高濃度で溶解できるという観点から、NMP、DMIがさらに好ましい。重合体の観点から上記を言い換えると、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体は、当該群から選ばれる少なくとも1種を含む溶媒に可溶であることが好ましい。 In the first step, as a solvent for preparing a paste by dissolving a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton, a solvent having high affinity for the polymer is preferable. Specifically, the solvent is N-methylpyrrolidone (NMP), 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), tetrahydrofuran (THF), toluene, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), It is preferable to include at least one selected from non-aqueous solvents such as dimethyl sulfoxide (DMSO). Among these, it is more preferable that the polymer contains at least one selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, and tetrahydrofuran. NMP and DMI are more preferable from the viewpoint that can be dissolved at a higher concentration. In other words, from the viewpoint of the polymer, the polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton is preferably soluble in a solvent containing at least one selected from the group.
ペーストは、先に重合体を溶媒に溶解させ、得られた溶液と導電助剤とを混合することにより調製してもよいし、また、先に溶媒と導電助剤とを混合し、得られたペーストに重合体を溶解させてもよい。 The paste may be prepared by first dissolving the polymer in a solvent and mixing the resulting solution with a conductive aid, or by first mixing the solvent and the conductive aid. The polymer may be dissolved in the paste.
また、ペーストは、結着剤をさらに含んでいてもよい。結着剤としては、上述した結着剤を用いることができる。導電助剤および結着剤は溶媒に溶解しなくてもよい。また、ペーストが結着剤を含む場合、第一工程において結着剤を添加する順番は任意である。重合体は、溶媒中に均一に分散していることが望ましい。したがって、ペーストは、先に重合体を溶媒に溶解させ、得られた溶液と導電助剤と結着剤とを混合させることにより調製することが好ましい。混合する方法としては、重合体が溶媒に溶解する限り、この分野で常用されている混合方法を用いることができる。例えば、プラネタリーミキサーなどの混練機を用いて溶解および混合を行うことができる。 The paste may further contain a binder. As the binder, the above-described binder can be used. The conductive auxiliary agent and the binder may not be dissolved in the solvent. Moreover, when a paste contains a binder, the order which adds a binder in a 1st process is arbitrary. The polymer is desirably uniformly dispersed in the solvent. Therefore, the paste is preferably prepared by first dissolving the polymer in a solvent and mixing the resulting solution, the conductive additive and the binder. As a mixing method, a mixing method commonly used in this field can be used as long as the polymer is dissolved in a solvent. For example, dissolution and mixing can be performed using a kneader such as a planetary mixer.
第二工程では、第一工程で得られたペーストを乾燥させることにより、重合体と導電助剤とを含む複合粒子を形成する。ペーストを乾燥させる、すなわち、ペーストから溶媒を除去する方法(除去方法)としては、特に制限はなく、この分野で常用されている手法を用いることができる。例えば、除去方法としては、乾燥炉を用いてペーストを乾燥させる、高温乾燥による溶媒除去が挙げられる。以上のようにして、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体が導電助剤の表面の少なくとも一部を被覆した複合粒子を得ることができる。 In the second step, composite particles containing a polymer and a conductive additive are formed by drying the paste obtained in the first step. The method for drying the paste, that is, the method for removing the solvent from the paste (removal method) is not particularly limited, and a method commonly used in this field can be used. For example, the removal method includes solvent removal by high-temperature drying in which the paste is dried using a drying furnace. As described above, composite particles in which a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton covers at least a part of the surface of the conductive additive can be obtained.
第三工程では、第二工程で得られた複合粒子と活性炭とを含む混合物を混練し、当該複合粒子と活性炭とを含む合剤層を正極集電体上に形成する。この工程では、乾式法、または湿式法を用いることができるが、湿式法を用いる場合、重合体が溶解する溶媒を用いないことが必要である。 In the third step, the mixture containing the composite particles and activated carbon obtained in the second step is kneaded, and a mixture layer containing the composite particles and activated carbon is formed on the positive electrode current collector. In this step, a dry method or a wet method can be used. However, when the wet method is used, it is necessary not to use a solvent in which the polymer is dissolved.
乾式法では、例えば、第二工程で得られた複合粒子と活性炭とを、溶媒を用いずに混合して合剤を得る。得られた合剤をPTFEなどの結着剤で固め、正極集電体上に圧着することにより、合剤層を形成できる。湿式法では、重合体が溶解しない溶媒、例えば、重合体が有機溶媒に溶解する場合には水など、を用い、複合粒子と活性炭とを溶媒中に分散させてペーストを調製する。得られたペーストを正極集電体上に塗布し、ペースト中の溶媒を除去することで、正極集電体上に合剤層を形成することができる。 In the dry method, for example, the composite particles obtained in the second step and activated carbon are mixed without using a solvent to obtain a mixture. A mixture layer can be formed by solidifying the obtained mixture with a binder such as PTFE and pressing the mixture onto a positive electrode current collector. In the wet method, a paste is prepared by dispersing composite particles and activated carbon in a solvent using a solvent in which the polymer does not dissolve, for example, water when the polymer is dissolved in an organic solvent. A mixture layer can be formed on the positive electrode current collector by applying the obtained paste on the positive electrode current collector and removing the solvent in the paste.
実施の形態2において用いることのできる、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む重合体、活性炭、導電助剤、および結着剤として好ましい各材料は、実施の形態1と同様である。 The materials that can be used in the second embodiment, which are preferable as the polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton, activated carbon, a conductive additive, and a binder, are the same as those in the first embodiment.
複合粒子15において、重合体14’の含有量は10〜90重量部であることが好ましく、導電助剤16の含有量は10〜90重量部であることが好ましい。また、複合粒子15の含有量は5〜90重量部であることが好ましく、活性炭13の含有量は5〜80μmであることが好ましく、基質17に含まれる導電助剤(複合粒子15を形成している画分を除く)の含有量は10〜60重量部であることが好ましい。
In the
実施の形態2において用いられる活性炭および導電助剤(複合粒子15を形成していないもの)の好ましい粒子径は、実施の形態1と同様である。複合粒子15の粒子径は、0.03μm〜10μmであることが好ましい。複合粒子15の粒子径を上記範囲に調整することにより、電解液との接触面積を増大させることができ、本発明による効果を顕著に得ることができる。なお、複合粒子の粒子径とは、単一粒子である複合粒子の粒子径を意味する。単一粒子である複合粒子は、単一の導電助剤粒子が重合体により被覆された単一粒子であってもよく、複数の導電助剤粒子が重合体により被覆された単一粒子であってもよい。
Preferred particle diameters of the activated carbon and the conductive additive (those not forming the composite particles 15) used in the second embodiment are the same as those in the first embodiment. The particle diameter of the
このようにして、正極集電体上に形成された正極活物質層において、重合体が導電助剤の表面を被覆して、かつ、重合体が活性炭の表面を被覆していない構造を有する正極を得ることができる。 Thus, in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector, the positive electrode has a structure in which the polymer covers the surface of the conductive additive and the polymer does not cover the surface of the activated carbon. Can be obtained.
以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
電極活物質として、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体と活性炭とを含み、重合体が活性炭の表面を被覆せず、かつ、重合体が活性炭以外の導電助剤を被覆した構造を有する正極を用いて、蓄電デバイスを作製した。
Example 1
As an electrode active material, it contains a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in the repeating unit and activated carbon, the polymer does not cover the surface of the activated carbon, and the polymer covers a conductive aid other than activated carbon An electricity storage device was fabricated using the positive electrode having the above structure.
[正極の作製]
まず、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体として、下記式(10)で表される共重合体(以下、共重合体11cと記載する。)を合成した。
[Production of positive electrode]
First, as a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit, a copolymer represented by the following formula (10) (hereinafter referred to as copolymer 11c) was synthesized.
なお、式(10)において、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含む繰り返し単位(第1ユニット)のユニット数nに対する、テトラカルコゲノフルバレン骨格を含まない繰り返し単位(第2ユニット)のユニット数mの構成比率m/nはおよそ1である。 In Formula (10), the number of units m of the repeating unit (second unit) not including the tetrachalcogenofulvalene skeleton is smaller than the number of units n of the repeating unit (first unit) including the tetrachalcogenofulvalene skeleton. The composition ratio m / n is approximately 1.
この共重合体11cは、下記式(11)に示すように、テトラチアフルバレン前駆体11aを、共重合体11cの主鎖を構成する化合物11bへカップリングさせることにより合成した。式(11)中、nおよびmは、各モノマー単位の繰り返し数を表わす整数である。 The copolymer 11c was synthesized by coupling the tetrathiafulvalene precursor 11a to the compound 11b constituting the main chain of the copolymer 11c as shown in the following formula (11). In formula (11), n and m are integers representing the number of repetitions of each monomer unit.
次に、合成した共重合体11cを用い、ガス精製装置を備えたグローボックス内で、アルゴン雰囲気下にて正極を作製した。この詳細について以下に説明する。 Next, using the synthesized copolymer 11c, a positive electrode was produced under an argon atmosphere in a glow box equipped with a gas purification device. This will be described in detail below.
200mgの共重合体11cを乳鉢で粉砕し、これに非プロトン性溶媒であるNMP(和光純薬工業社製)を600mg添加して混練することにより、共重合体11cをNMPへ溶解させた。この溶液に、導電助剤としてアセチレンブラック160mgと、結着剤としてポリフッ化ビニリデン40mgと、NMP2.3gとを加えて混練することにより、ペーストを調製した。得られたペーストをアルミニウム箔に塗布した。これを恒温槽内に入れ、温度80℃で1時間乾燥させることにより、ペースト内に含まれるNMPの除去を行った。乾燥後、アルミニウム箔上に形成された、共重合体11cと導電助剤とを含む混合物の膜を剥ぎ落とすことにより、導電助剤と共重合体11cとを含む複合体を得た。この複合体100mgを乳鉢内に入れて粉砕することにより、導電助剤と共重合体11cとを含む複合粒子を得た。この複合粒子に活性炭(関西熱化学社製MSP−20)50mgと、導電助剤としてアセチレンブラック360mgとを添加して均一に混合した。さらに、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン90mgを添加して均一に混合することにより、正極合剤を得た。 200 mg of the copolymer 11c was pulverized in a mortar, and 600 mg of NMP (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), which is an aprotic solvent, was added thereto and kneaded to dissolve the copolymer 11c in NMP. A paste was prepared by adding 160 mg of acetylene black as a conductive additive, 40 mg of polyvinylidene fluoride as a binder, and 2.3 g of NMP to this solution and kneading. The obtained paste was applied to an aluminum foil. This was put in a thermostat and dried at a temperature of 80 ° C. for 1 hour to remove NMP contained in the paste. After drying, the composite film containing the conductive assistant and the copolymer 11c was obtained by peeling off the film of the mixture containing the copolymer 11c and the conductive assistant formed on the aluminum foil. 100 mg of this composite was placed in a mortar and pulverized to obtain composite particles containing a conductive additive and copolymer 11c. To the composite particles, 50 mg of activated carbon (MSP-20 manufactured by Kansai Thermal Chemical Co., Ltd.) and 360 mg of acetylene black as a conductive assistant were added and mixed uniformly. Further, 90 mg of polytetrafluoroethylene was added as a binder and mixed uniformly to obtain a positive electrode mixture.
得られた正極合剤を、アルミニウム金網からなる正極集電体上に圧着し、真空乾燥を行い、直径13.5mmの円盤状に打ち抜くことにより、正極を作製した。正極における活性炭と共重合体との合計重量は極板単位面積あたり1.0mg/cm2であった。 The obtained positive electrode mixture was pressure-bonded onto a positive electrode current collector made of an aluminum wire mesh, vacuum-dried, and punched into a disk shape having a diameter of 13.5 mm to produce a positive electrode. The total weight of the activated carbon and the copolymer in the positive electrode was 1.0 mg / cm 2 per electrode plate unit area.
作製した正極の断面について、走査型電子顕微鏡(SEM)による形状観察(断面SEM観察)および電子線マイクロアナライザー(EPMA)による元素分析を行なった。断面SEM観察の結果、活性炭に由来する数μmの炭素の粒子が確認された。また、EPMAによる元素分析の結果、硫黄元素の分布から、活性炭が存在しない領域に共重合体11cが分布していることが確認された。さらに詳細な観察を行なうため、高倍率での断面SEM観察およびオージェ電子分光法による元素分析を行なった。その結果、導電助剤であるアセチレンブラックに由来する数10から数100nmの炭素粒子の分布が確認され、それにほぼ重なるように共重合体11cが分布していることが確認された。 About the cross section of the produced positive electrode, the shape analysis (cross-sectional SEM observation) by a scanning electron microscope (SEM) and the elemental analysis by an electron beam microanalyzer (EPMA) were performed. As a result of cross-sectional SEM observation, carbon particles of several μm derived from activated carbon were confirmed. Further, as a result of elemental analysis by EPMA, it was confirmed from the distribution of sulfur element that the copolymer 11c was distributed in a region where no activated carbon was present. For further detailed observation, cross-sectional SEM observation at high magnification and elemental analysis by Auger electron spectroscopy were performed. As a result, the distribution of several tens to several hundreds of nanometers of carbon particles derived from acetylene black, which is a conductive additive, was confirmed, and it was confirmed that the copolymer 11c was distributed so as to almost overlap with it.
以上のことから、作製した正極は、共重合体11cが活性炭を被覆せず、かつ、共重合体11cが導電助剤を被覆した構造を有することが確認された。 From the above, it was confirmed that the produced positive electrode had a structure in which the copolymer 11c did not cover the activated carbon and the copolymer 11c covered the conductive additive.
[蓄電デバイスの作製]
負極活物質として活性炭400mgと、導電助剤としてアセチレンブラック100mgと、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン100mgとを均一に混合することにより、負極合剤を作製した。得られた負極合剤をアルミニウム金網からなる負極集電体上に圧着し、これを直径13.5mmの円盤状に打ち抜くことにより、負極を作製した。
[Production of electricity storage device]
A negative electrode mixture was prepared by uniformly mixing 400 mg of activated carbon as a negative electrode active material, 100 mg of acetylene black as a conductive additive, and 100 mg of polytetrafluoroethylene as a binder. The obtained negative electrode mixture was pressure-bonded onto a negative electrode current collector made of an aluminum wire mesh, and this was punched into a disc shape having a diameter of 13.5 mm to produce a negative electrode.
炭酸エチレン(EC)と炭酸エチルメチル(EMC)を体積比1:3で混合した非水溶媒中に、塩として6フッ化リン酸リチウムを、濃度が1.25mol/Lとなるように溶解し、これを電解液とした。 In a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) are mixed at a volume ratio of 1: 3, lithium hexafluorophosphate as a salt is dissolved so as to have a concentration of 1.25 mol / L. This was used as an electrolytic solution.
セパレータとしては、厚さ20μmの多孔質ポリエチレンシートを用いた。 As the separator, a porous polyethylene sheet having a thickness of 20 μm was used.
正極、負極、およびセパレータに電解質を含浸し、これらを用いて図2に示すコイン型ケースに収納し、ガスケットを装着した封口板でケースの開口を挟み、プレス機にてかしめ封口することにより、コイン型蓄電デバイスを作製した。 By impregnating the positive electrode, the negative electrode, and the separator with an electrolyte, and storing them in a coin-type case shown in FIG. 2, sandwiching the opening of the case with a sealing plate equipped with a gasket, and caulking and sealing with a press machine, A coin-type electricity storage device was produced.
(実施例2)
電極活物質として、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体と活性炭とを含み、重合体が活性炭の表面を被覆せず、かつ、重合体と活性炭とがそれぞれ異なる粒子を形成している構造を有する正極を用いて、蓄電デバイスを作製した。
(Example 2)
As an electrode active material, it contains a polymer containing tetrachalcogenofulvalene skeleton in the repeating unit and activated carbon, the polymer does not cover the surface of the activated carbon, and the polymer and activated carbon form different particles. An electricity storage device was manufactured using the positive electrode having the structure described above.
[正極の作製]
共重合体11cを実施例1と同様に合成した。50mgの共重合体11cを乳鉢で粉砕し、これに活性炭50mgと導電助剤としてアセチレンブラック400mgとを加えて均一に混合した。さらに、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン100mgを添加して均一に混合することにより、正極合剤を得た。
[Production of positive electrode]
Copolymer 11c was synthesized in the same manner as in Example 1. 50 mg of the copolymer 11c was pulverized in a mortar, and 50 mg of activated carbon and 400 mg of acetylene black as a conductive assistant were added thereto and mixed uniformly. Furthermore, 100 mg of polytetrafluoroethylene was added as a binder and mixed uniformly to obtain a positive electrode mixture.
得られた正極合剤をアルミニウム金網からなる正極集電体上に圧着し、真空乾燥を行い、直径13.5mmの円盤状に打ち抜くことにより、正極を作製した。正極における活性炭と共重合体との合計重量は極板単位面積あたり1.0mg/cm2であった。 The obtained positive electrode mixture was pressure-bonded onto a positive electrode current collector made of an aluminum wire mesh, vacuum-dried, and punched into a disk shape having a diameter of 13.5 mm to produce a positive electrode. The total weight of the activated carbon and the copolymer in the positive electrode was 1.0 mg / cm 2 per electrode plate unit area.
作製した正極について、断面SEM観察およびEPMAによる元素分析を行なった。断面SEM観察の結果、活性炭に由来する数μmの炭素の粒子が確認された。また、EPMAによる元素分析の結果、硫黄元素の分布から、共重合体11cも数μmの粒子として存在していることが確認された。 The fabricated positive electrode was subjected to cross-sectional SEM observation and elemental analysis by EPMA. As a result of cross-sectional SEM observation, carbon particles of several μm derived from activated carbon were confirmed. Further, as a result of elemental analysis by EPMA, it was confirmed from the distribution of elemental sulfur that the copolymer 11c also exists as particles of several μm.
以上のことから、作製した正極は、共重合体11cが活性炭を被覆せず、活性炭と共重合体11cとがそれぞれ異なる粒子を形成した構造を有することが確認された。 From the above, it was confirmed that the produced positive electrode had a structure in which the copolymer 11c did not cover the activated carbon, and the activated carbon and the copolymer 11c formed different particles.
[蓄電デバイスの作製]
正極として、上記の正極を用いた以外は実施例1と同様に蓄電デバイスを作製した。
[Production of electricity storage device]
An electricity storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode was used as the positive electrode.
(比較例1)
電極活物質として、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体のみを含む正極を用いて、蓄電デバイスを作製した。
(Comparative Example 1)
As an electrode active material, an electricity storage device was manufactured using a positive electrode including only a polymer including a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit.
[正極の作製]
共重合体11cを実施例1と同様に合成した。100mgの共重合体11cを乳鉢で粉砕し、これに導電助剤としてアセチレンブラック400mgを加えて均一に混合した。さらに、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン100mgを添加して均一に混合することにより、正極合剤を得た。
[Production of positive electrode]
Copolymer 11c was synthesized in the same manner as in Example 1. 100 mg of the copolymer 11c was pulverized in a mortar, and 400 mg of acetylene black as a conductive auxiliary agent was added thereto and mixed uniformly. Furthermore, 100 mg of polytetrafluoroethylene was added as a binder and mixed uniformly to obtain a positive electrode mixture.
得られた正極合剤をアルミニウム金網からなる正極集電体上に圧着し、真空乾燥を行い、直径13.5mmの円盤状に打ち抜くことにより、正極を作製した。正極における共重合体11cの重量は極板単位面積あたり1.0mg/cm2であった。作製した正極は、電極活物質として共重合体11cのみを含む電極である。 The obtained positive electrode mixture was pressure-bonded onto a positive electrode current collector made of an aluminum wire mesh, vacuum-dried, and punched into a disk shape having a diameter of 13.5 mm to produce a positive electrode. The weight of the copolymer 11c in the positive electrode was 1.0 mg / cm 2 per electrode plate unit area. The produced positive electrode is an electrode containing only the copolymer 11c as an electrode active material.
[蓄電デバイスの作製]
正極として、上記の正極を用いた以外は実施例1と同様に蓄電デバイスを作製した。
[Production of electricity storage device]
An electricity storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode was used as the positive electrode.
(比較例2)
電極活物質として、活性炭のみを含む正極を用いて、蓄電デバイスを作製した。
(Comparative Example 2)
An electricity storage device was fabricated using a positive electrode containing only activated carbon as an electrode active material.
[正極の作製]
活性炭100mgと、導電助剤としてアセチレンブラック400mgとを乳鉢内に入れて均一に混合した。さらに、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン100mgを添加して均一に混合することにより、正極合剤を得た。
[Production of positive electrode]
100 mg of activated carbon and 400 mg of acetylene black as a conductive assistant were placed in a mortar and mixed uniformly. Furthermore, 100 mg of polytetrafluoroethylene was added as a binder and mixed uniformly to obtain a positive electrode mixture.
得られた正極合剤をアルミニウム金網からなる正極集電体上に圧着し、真空乾燥を行い、直径13.5mmの円盤状に打ち抜くことで正極を作製した。正極における活性炭の重量は極板単位面積あたり1.0mg/cm2であった。作製した正極は、電極活物質として活性炭のみを含む電極である。 The obtained positive electrode mixture was pressure-bonded onto a positive electrode current collector made of an aluminum wire mesh, vacuum-dried, and punched into a disk shape having a diameter of 13.5 mm to produce a positive electrode. The weight of the activated carbon in the positive electrode was 1.0 mg / cm 2 per electrode plate unit area. The produced positive electrode is an electrode containing only activated carbon as an electrode active material.
[蓄電デバイスの作製]
正極として、上記の正極を用いた以外は実施例1と同様に蓄電デバイスを作製した。
[Production of electricity storage device]
An electricity storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode was used as the positive electrode.
(比較例3)
電極活物質として、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体と活性炭とを含み、重合体が活性炭の表面を被覆した構造を有する正極を用いて、蓄電デバイスを作製した。
(Comparative Example 3)
As an electrode active material, a power storage device was fabricated using a positive electrode having a structure in which a polymer including a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit and activated carbon, and the polymer covering the surface of the activated carbon.
[正極の作製]
共重合体11cを実施例1と同様に合成した。200mgの共重合体11cを乳鉢で粉砕し、これに非プロトン性溶媒であるNMP(和光純薬工業社製)を600mg添加し、乳鉢内で混練することにより、共重合体11cを非プロトン性極性溶媒へ溶解させた。この溶液中に、活性炭200mgと、結着剤としてポリフッ化ビニリデン40mgと、NMP2.3gとを加えて混練することにより、ペーストを作製した。得られたペーストをアルミニウム箔に塗布した。これを恒温槽内に入れ、温度80℃で1時間乾燥することにより、ペースト中のNMPの除去を行った。乾燥後、アルミニウム箔上に形成された、共重合体11cと活性炭とを含む混合体の膜を剥ぎ落とすことにより、共重合体11cと活性炭とを含む混合体を得た。
[Production of positive electrode]
Copolymer 11c was synthesized in the same manner as in Example 1. 200 mg of the copolymer 11c is pulverized in a mortar, and 600 mg of NMP (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), which is an aprotic solvent, is added thereto and kneaded in the mortar, whereby the copolymer 11c is aprotic. Dissolved in polar solvent. In this solution, 200 mg of activated carbon, 40 mg of polyvinylidene fluoride as a binder, and 2.3 g of NMP were added and kneaded to prepare a paste. The obtained paste was applied to an aluminum foil. This was put in a thermostat and dried at a temperature of 80 ° C. for 1 hour to remove NMP in the paste. After drying, the film of the mixture containing copolymer 11c and activated carbon formed on the aluminum foil was peeled off to obtain a mixture containing copolymer 11c and activated carbon.
得られた混合体110mgを乳鉢で粉砕し、導電助剤としてアセチレンブラック400mgを加え、均一に混合した。さらに、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン90mgを加えて正極合剤を作製した。 110 mg of the obtained mixture was pulverized in a mortar, and 400 mg of acetylene black was added as a conductive aid and mixed uniformly. Furthermore, 90 mg of polytetrafluoroethylene was added as a binder to produce a positive electrode mixture.
得られた正極合剤をアルミニウム金網からなる正極集電体上に圧着し、真空乾燥を行い、直径13.5mmの円盤状に打ち抜くことにより、正極を作製した。正極における活性炭と共重合体11cとの合計重量は極板単位面積あたり1.0mg/cm2であった。 The obtained positive electrode mixture was pressure-bonded onto a positive electrode current collector made of an aluminum wire mesh, vacuum-dried, and punched into a disk shape having a diameter of 13.5 mm to produce a positive electrode. The total weight of the activated carbon and the copolymer 11c in the positive electrode was 1.0 mg / cm 2 per electrode plate unit area.
作製した正極の断面について、断面SEM観察およびEPMAによる元素分析を行なった。断面SEM観察の結果、活性炭に由来する数μmの炭素の粒子が確認された。また、EPMAによる元素分析の結果、硫黄元素の分布から、共重合体11cが活性炭を被覆するよう存在していることが確認された。さらに詳細な観察を行なうため、高倍率での断面SEM観察およびオージェ電子分光法による元素分析を行なった。その結果、共重合体11cは活性炭の表面のみに存在し、共重合体11cは導電助剤を被覆していないことが確認された。 About the cross section of the produced positive electrode, cross-sectional SEM observation and elemental analysis by EPMA were performed. As a result of cross-sectional SEM observation, carbon particles of several μm derived from activated carbon were confirmed. Further, as a result of elemental analysis by EPMA, it was confirmed from the distribution of sulfur element that the copolymer 11c was present so as to cover the activated carbon. For further detailed observation, cross-sectional SEM observation at high magnification and elemental analysis by Auger electron spectroscopy were performed. As a result, it was confirmed that the copolymer 11c exists only on the surface of the activated carbon, and the copolymer 11c does not cover the conductive additive.
以上のことから、作製した正極は、共重合体11cが活性炭を被覆した構造であることが確認された。 From the above, it was confirmed that the produced positive electrode had a structure in which the copolymer 11c was coated with activated carbon.
[蓄電デバイスの作製]
正極として、上記の正極を用いた以外は実施例1と同様に蓄電デバイスを作製した。
[Production of electricity storage device]
An electricity storage device was produced in the same manner as in Example 1 except that the above positive electrode was used as the positive electrode.
実施例1、2、および比較例1〜3の蓄電デバイスについて、充放電容量および出力特性を評価した。 About the electrical storage device of Examples 1, 2 and Comparative Examples 1-3, charging / discharging capacity | capacitance and output characteristics were evaluated.
充放電容量評価では、初回の充放電時における充放電容量を、正極中の共重合体11cと活性炭との合計重量で割った値、すなわち、活物質単位重量あたりの充放電容量を測定した。充放電は、0.1mAの定電流充放電により行なった。充放電の条件は、充電上限電圧を2.3V、放電下限電圧を1.0Vとした。充電終了後、放電を開始するまでの休止時間はゼロとした。 In the charge / discharge capacity evaluation, a value obtained by dividing the charge / discharge capacity at the first charge / discharge by the total weight of the copolymer 11c and the activated carbon in the positive electrode, that is, the charge / discharge capacity per unit weight of the active material was measured. Charging / discharging was performed by constant current charging / discharging of 0.1 mA. The charge / discharge conditions were a charge upper limit voltage of 2.3 V and a discharge lower limit voltage of 1.0 V. The rest time from the end of charging to the start of discharging was set to zero.
出力(パルス放電)評価では、1.7Vの定電圧放電試験を行い、3秒後の電流値を測定した。充電は、0.1mAの定電流充電により行なった。充電条件は、充電上限電圧を2.3Vとし、充電終了後、放電を開始するまでの休止時間はゼロとした。 In output (pulse discharge) evaluation, a constant voltage discharge test of 1.7 V was performed, and a current value after 3 seconds was measured. Charging was performed by constant current charging of 0.1 mA. The charging conditions were such that the charging upper limit voltage was 2.3 V, and the rest time until the discharge was started after the end of charging was zero.
これらの評価結果を表1にまとめて示す。また、表1の結果を図5に示す。 These evaluation results are summarized in Table 1. Moreover, the result of Table 1 is shown in FIG.
比較例1は、電極活物質として共重合体11cのみを含む正極を用いた蓄電デバイスであり、充放電容量は110mAh/gと大きいものの、パルス放電は6mAと小さい値であった。一方、比較例2は、電極活物質として活性炭のみを含む正極を用いた蓄電デバイスであり、パルス放電は38mAと大きいものの、充放電容量は45mAh/gと小さい値であった。図5中の点線は、比較例1と比較例2とを結んだ線であり、電極活物質として活性炭と共重合体11cを含む正極を用いた蓄電デバイスの特性は点線上にくることが予想される。 Comparative Example 1 is an electricity storage device using a positive electrode containing only the copolymer 11c as an electrode active material, and the charge / discharge capacity was as large as 110 mAh / g, but the pulse discharge was as small as 6 mA. On the other hand, Comparative Example 2 is an electricity storage device using a positive electrode containing only activated carbon as an electrode active material, and the pulse discharge was as large as 38 mA, but the charge / discharge capacity was as small as 45 mAh / g. The dotted line in FIG. 5 is a line connecting Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the characteristics of the electricity storage device using the positive electrode containing activated carbon and copolymer 11c as the electrode active material are expected to be on the dotted line. Is done.
実施例1、2および比較例3は、電極活物質として活性炭と共重合体11cとを含む正極を用いた蓄電デバイスである。実施例1は、共重合体11cが活性炭の表面を被覆せず、かつ、共重合体11cが導電助剤の表面を被覆した構造を有する正極を用いた蓄電デバイスである。実施例2は、共重合体11cが活性炭の表面を被覆せず、かつ、活性炭と共重合体11cとがそれぞれ粒子を形成している構造を有する正極を用いた蓄電デバイスである。比較例3は、重合体が活性炭の表面を被覆した構造を有する正極を用いた蓄電デバイスである。図5から確認できるように、実施例1、2および比較例3では特性が大きく異なった。比較例3では、比較例1と比較例2を直線で結んだ点線より劣る特性を示したが、実施例2では、比較例1と比較例2を直線で結んだ点線を上回る特性を示した。また、実施例1では実施例2をさらに上回るパルス放電特性を示していることが確認できる。 Examples 1 and 2 and Comparative Example 3 are power storage devices using positive electrodes including activated carbon and a copolymer 11c as electrode active materials. Example 1 is an electricity storage device using a positive electrode having a structure in which the copolymer 11c does not cover the surface of the activated carbon and the copolymer 11c covers the surface of the conductive additive. Example 2 is an electricity storage device using a positive electrode having a structure in which the copolymer 11c does not cover the surface of the activated carbon and the activated carbon and the copolymer 11c form particles. Comparative Example 3 is an electricity storage device using a positive electrode having a structure in which a polymer coats the surface of activated carbon. As can be confirmed from FIG. 5, the characteristics of Examples 1 and 2 and Comparative Example 3 were greatly different. In Comparative Example 3, the characteristics inferior to the dotted line connecting Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with a straight line were shown, but in Example 2, the characteristics exceeding the dotted line connecting Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with a straight line were shown. . Moreover, it can confirm that Example 1 has shown the pulse discharge characteristic which exceeds Example 2 further.
実施例1、2および比較例3は正極の電極構造のみが異なる。したがって、蓄電デバイスの特性の違いは、正極の電極構造に由来していると考えられる。 Examples 1 and 2 and Comparative Example 3 differ only in the positive electrode structure. Therefore, it is considered that the difference in characteristics of the electricity storage device is derived from the electrode structure of the positive electrode.
比較例3の正極では、活性炭の表面を共重合体11cが被覆している。そのため、活性炭と正極集電体との間の導電パスの形成が困難になると考えられる。また、活性炭の表面に存在する細孔は共重合体11cにより埋められていると考えられる。そのため、活性炭に由来する充放電容量やパルス放電特性が十分に活用できていないと考えられる。 In the positive electrode of Comparative Example 3, the surface of the activated carbon is covered with the copolymer 11c. For this reason, it is considered difficult to form a conductive path between the activated carbon and the positive electrode current collector. Moreover, it is thought that the pore which exists in the surface of activated carbon is filled up with the copolymer 11c. Therefore, it is considered that the charge / discharge capacity and pulse discharge characteristics derived from activated carbon cannot be fully utilized.
実施例2の正極では、共重合体11cは活性炭の表面を被覆せず、それぞれ異なる粒子を形成している。そのため、活性炭のパルス放電特性および共重合体11cの充放電容量を十分に活用することができる。また、活性炭の表面細孔が共重合体11cにより被覆されていないため、正極内に多くの電解液が存在する。それゆえ、共重合体11cの充放電に伴う正極内のアニオンの移動抵抗が低減され、共重合体11cに由来するパルス放電特性が向上すると考えられる。その結果、比較例1と比較例2を直線で結んだ点線を上回る特性を示したと考えられる。 In the positive electrode of Example 2, the copolymer 11c does not coat the surface of the activated carbon and forms different particles. Therefore, the pulse discharge characteristics of activated carbon and the charge / discharge capacity of copolymer 11c can be fully utilized. Moreover, since the surface pores of the activated carbon are not covered with the copolymer 11c, a large amount of electrolytic solution exists in the positive electrode. Therefore, it is considered that the migration resistance of the anion in the positive electrode accompanying charging / discharging of the copolymer 11c is reduced, and the pulse discharge characteristics derived from the copolymer 11c are improved. As a result, it is thought that the characteristic which exceeded the dotted line which connected the comparative example 1 and the comparative example 2 with the straight line was shown.
実施例1の正極では、共重合体11cは活性炭の表面を被覆せず、共重合体11cは導電助剤を被覆している。そのため、活性炭のパルス放電特性と共重合体11cの充放電容量とを十分に活用することができる。また、活性炭の表面細孔が共重合体11cにより被覆されていないため、正極内に多くの電解液が存在する。それゆえ、共重合体11cの充放電に伴う正極内のアニオンの移動抵抗が低減され、共重合体11cに由来するパルス放電特性が向上すると考えられる。さらに、共重合体11cは導電助剤の表面に薄膜として存在している。そのため、共重合体11cの充放電時に重合体と導電剤との電子移動が円滑に行なわれる。その結果、比較例1と比較例2を直線で結んだ点線を上回り、実施例2よりも良好な特性を示したと考えられる。 In the positive electrode of Example 1, the copolymer 11c does not cover the surface of the activated carbon, and the copolymer 11c covers the conductive additive. Therefore, the pulse discharge characteristics of activated carbon and the charge / discharge capacity of the copolymer 11c can be fully utilized. Moreover, since the surface pores of the activated carbon are not covered with the copolymer 11c, a large amount of electrolytic solution exists in the positive electrode. Therefore, it is considered that the migration resistance of the anion in the positive electrode accompanying charging / discharging of the copolymer 11c is reduced, and the pulse discharge characteristics derived from the copolymer 11c are improved. Furthermore, the copolymer 11c exists as a thin film on the surface of the conductive additive. Therefore, the electron transfer between the polymer and the conductive agent is smoothly performed during charging / discharging of the copolymer 11c. As a result, it exceeded the dotted line connecting Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with a straight line, which is considered to indicate better characteristics than Example 2.
以上のように、本発明によると、パルス放電特性に優れた、高容量な蓄電デバイスを提供することができる。また、本発明に用いた電極および蓄電デバイスは、安定して可逆な酸化還元反応を行なうことができるので、高容量かつパルス放電特性に優れ、繰り返し特性にも優れた蓄電デバイスを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high-capacity electricity storage device having excellent pulse discharge characteristics. In addition, since the electrode and the electricity storage device used in the present invention can perform a stable and reversible oxidation-reduction reaction, it is possible to provide an electricity storage device having high capacity, excellent pulse discharge characteristics, and excellent repetition characteristics. it can.
本発明の蓄電デバイスは、パルス特性に優れた高容量な蓄電デバイスであるため、ハイブリッド自動車などの車両や携帯型電子機器に好適に用いられる。本発明の蓄電デバイスを備えた車両および携帯型電子機器は、蓄電デバイスが軽量であり、また、出力が大きく、かつ、繰り返し特性に優れているという特徴を有する。特に、本発明の蓄電デバイスはパルス特性に優れているため、各種の携帯型電子機器や無停電電源などに好適に用いられる。 Since the electricity storage device of the present invention is a high-capacity electricity storage device with excellent pulse characteristics, it is suitably used for vehicles such as hybrid vehicles and portable electronic devices. The vehicle and the portable electronic device provided with the electricity storage device of the present invention are characterized in that the electricity storage device is lightweight, has a large output, and is excellent in repetition characteristics. In particular, since the electricity storage device of the present invention is excellent in pulse characteristics, it is suitably used for various portable electronic devices and uninterruptible power supplies.
10、10’ 正極
11 正極集電体
12、12’ 正極活物質層
13 活性炭
14、14’ 重合体
15 重合体と導電助剤との複合粒子
16 導電助剤
17 基質
20 コイン型蓄電デバイス
21 コイン型ケース
24 セパレータ
25 封口板
26 負極活物質層
27 負極集電体
28 ガスケット
29 電解液
32 負極
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記正極は、電極活物質として、テトラカルコゲノフルバレン骨格を繰り返し単位の中に含む重合体と、活性炭と、を含み、
前記活性炭および前記重合体のそれぞれに対して、前記非水電解質が直接に接触できるように、前記活性炭および前記重合体がそれぞれ粒子の形状を有する蓄電デバイス。 A positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte;
The positive electrode includes, as an electrode active material, a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit, and activated carbon,
An electricity storage device in which each of the activated carbon and the polymer has a particle shape so that the non-aqueous electrolyte can be in direct contact with each of the activated carbon and the polymer.
前記導電助剤と前記重合体とが複合粒子を形成するように、前記導電助剤の表面の少なくとも一部が前記重合体によって被覆されている、請求項1または2に記載の蓄電デバイス。 The positive electrode further includes a conductive additive,
The electricity storage device according to claim 1 or 2, wherein at least a part of a surface of the conductive auxiliary agent is coated with the polymer so that the conductive auxiliary agent and the polymer form composite particles.
[式(1)中、X1〜X4は互いに独立して、硫黄原子、酸素原子、セレン原子、またはテルル原子であり、
Ra、Rb、Rc、およびRdから選ばれる1つまたは2つは、重合体の主鎖または側鎖の他の部分と結合するための結合手であり、Ra、Rb、Rc、およびRdから選ばれる、残りの3つまたは2つは、互いに独立して、鎖状の脂肪族基、環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、ニトロソ基、またはアルキオチオ基であり、前記鎖状の脂肪族基および前記環状の脂肪族基は、それぞれ、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよく、
RaとRbとは互いに結合して環を形成していてもよく、RcとRdとは互いに結合して環を形成していてもよい。]
Wherein (1), X 1 ~X 4 independently of one another, a sulfur atom, an oxygen atom, a selenium atom or a tellurium atom,
One or two selected from Ra, Rb, Rc, and Rd is a bond for binding to the other part of the main chain or side chain of the polymer, and is selected from Ra, Rb, Rc, and Rd The remaining three or two are independently of each other a chain aliphatic group, a cyclic aliphatic group, a hydrogen atom, a hydroxyl group, a cyano group, an amino group, a nitro group, a nitroso group, or an alkiothio group. The chain aliphatic group and the cyclic aliphatic group each include at least one selected from the group consisting of an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, a silicon atom, a phosphorus atom, and a boron atom. You may,
Ra and Rb may be bonded to each other to form a ring, and Rc and Rd may be bonded to each other to form a ring. ]
前記重合体は、前記非水溶媒に対して不溶である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。 The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent,
The electricity storage device according to claim 1, wherein the polymer is insoluble in the non-aqueous solvent.
前記重合体は、前記非水溶媒に対して不溶であり、
前記重合体は、前記非水溶媒以外の第一の溶媒に可溶である、請求項3に記載の蓄電デバイス。 The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent,
The polymer is insoluble in the non-aqueous solvent;
The electricity storage device according to claim 3, wherein the polymer is soluble in a first solvent other than the non-aqueous solvent.
前記負極は負極活物質を含み、
前記負極活物質は、前記4級アンモニウムカチオンまたは前記アニオンを可逆的に吸蔵および放出できる電気二重層容量を有する、請求項1〜11のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。 The non-aqueous electrolyte includes a salt of a quaternary ammonium cation and an anion,
The negative electrode includes a negative electrode active material,
The electricity storage device according to claim 1, wherein the negative electrode active material has an electric double layer capacity capable of reversibly occluding and releasing the quaternary ammonium cation or the anion.
前記負極は、リチウムイオンを吸蔵および放出できる負極活物質を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。 The non-aqueous electrolyte includes a salt of lithium ions and anions,
The electricity storage device according to claim 1, wherein the negative electrode includes a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions.
前記ペーストから前記溶媒を除去して、前記重合体と前記導電助剤とを含む複合粒子を形成する工程と、
前記複合粒子と活性炭とを混練して得た合剤を用いて、前記複合粒子と前記活性炭とを含む合剤層を正極集電体上に形成する工程と、を含む、蓄電デバイスの製造方法。 A step of preparing a paste containing a solution in which a polymer containing a tetrachalcogenofulvalene skeleton in a repeating unit is dissolved in a solvent, and a conductive additive;
Removing the solvent from the paste to form composite particles containing the polymer and the conductive additive;
Using a mixture obtained by kneading the composite particles and activated carbon, and forming a mixture layer containing the composite particles and the activated carbon on a positive electrode current collector. .
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