JP2015099663A - Conductive polymer particle and production method therefor, and positive electrode for power storage device using the same and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高い充放電効率を有する高性能な蓄電デバイス用正極を構成する成分である導電性ポリマー粒子およびその製法、並びにそれを用いた蓄電デバイス用正極とその製法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to conductive polymer particles that are components constituting a high-performance positive electrode for an electricity storage device having high charge / discharge efficiency, a method for producing the same, and a positive electrode for an electricity storage device using the same and a method for producing the same.
近年、携帯型PC、携帯電話、携帯情報端末(PDA)等における電子技術の進歩、発展に伴い、これら電子機器の蓄電デバイスとして、繰り返し充放電することができる二次電池等が広く用いられている。このような二次電池等の電気化学的蓄電デバイスにおいては、電極として使用する材料の高容量化や急速充放電特性が望まれる。 In recent years, with the advancement and development of electronic technology in portable PCs, mobile phones, personal digital assistants (PDAs), secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged are widely used as power storage devices for these electronic devices. Yes. In such electrochemical storage devices such as secondary batteries, it is desired to increase the capacity and rapid charge / discharge characteristics of materials used as electrodes.
蓄電デバイスの電極は、イオンの挿入・脱離が可能な機能を有する活物質を含有する。活物質のイオンの挿入・脱離は、いわゆるドーピング・脱ドーピングとも称され、一定の分子構造あたりのドーピング・脱ドーピング量をドープ率(またはドーピング率)と呼び、ドープ率が高い材料ほど、電池としては高容量化が可能となる。 The electrode of the electricity storage device contains an active material having a function capable of inserting and removing ions. The insertion / desorption of ions of the active material is also referred to as so-called doping / dedoping, and the amount of doping / dedoping per certain molecular structure is called the doping rate (or doping rate). As a result, the capacity can be increased.
電気化学的には、イオンの挿入・脱離の量が多い材料を電極として使用することにより、電池として高容量化が可能となる。より詳しく述べると、蓄電デバイスとして注目されるリチウム二次電池においては、リチウムイオンを挿入・脱離することができるグラファイト系の負極が用いられ、6つの炭素原子あたり1つ程度のリチウムイオンが挿入・脱離し高容量化が得られている。 Electrochemically, it is possible to increase the capacity of the battery by using a material having a large amount of ion insertion / extraction as an electrode. More specifically, lithium secondary batteries, which are attracting attention as power storage devices, use a graphite-based negative electrode that can insert and desorb lithium ions, and about one lithium ion is inserted per six carbon atoms. -Desorption and high capacity have been achieved.
このようなリチウム二次電池のなかでも、正極にマンガン酸リチウムやコバルト酸リチウムのようなリチウム含有遷移金属酸化物を用い、負極にリチウムイオンを挿入・脱離し得る炭素材料を用い、両電極を電解液中で対峙させたリチウム二次電池は、高エネルギー密度を有するようになるため、上述した電子機器の蓄電デバイスとして広く用いられている。 Among such lithium secondary batteries, a lithium-containing transition metal oxide such as lithium manganate or lithium cobaltate is used for the positive electrode, and a carbon material capable of inserting and removing lithium ions is used for the negative electrode. Lithium secondary batteries that face each other in an electrolytic solution have a high energy density, and thus are widely used as power storage devices for the electronic devices described above.
しかし、上記リチウム二次電池は、電気化学反応によって電気エネルギーを得る二次電池であって、上記電気化学反応の速度が小さいために、出力密度が低いという欠点がある。さらに、二次電池の内部抵抗が高いため、急速な放電は困難であるとともに、急速な充電も困難となっている。また、充放電に伴う電気化学反応によって電極や電解液が劣化するため、一般に寿命、すなわち、サイクル特性もよくない。 However, the lithium secondary battery is a secondary battery that obtains electric energy by an electrochemical reaction, and has a drawback that the output density is low because the speed of the electrochemical reaction is low. Furthermore, since the internal resistance of the secondary battery is high, rapid discharge is difficult and rapid charge is also difficult. Moreover, since an electrode and electrolyte solution deteriorate by the electrochemical reaction accompanying charging / discharging, generally a lifetime, ie, a cycling characteristic, is not good.
そこで、上記の問題を改善するため、ドーパントを有するポリアニリンのような導電性ポリマーを正極活物質に用いるリチウム二次電池も知られている(特許文献1参照)。 Therefore, in order to improve the above problem, a lithium secondary battery using a conductive polymer such as polyaniline having a dopant as a positive electrode active material is also known (see Patent Document 1).
しかしながら、一般に、導電性ポリマーを正極活物質として有する二次電池は、充電時には導電性ポリマーにアニオンがドープされ、放電時にはそのアニオンがポリマーから脱ドープされるアニオン移動型である。そのため、負極活物質にリチウムイオンを挿入・脱離し得る炭素材料等を用いたときは、充放電時にカチオンが両電極間を移動するカチオン移動型のロッキングチェア型二次電池を構成することができない。すなわち、ロッキングチェア型二次電池は電解液量が少なくてすむという利点を有するが、上記導電性ポリマーを正極活物質として有する二次電池はそれができず、蓄電デバイスの小型化に寄与することができない。 However, in general, a secondary battery having a conductive polymer as a positive electrode active material is an anion transfer type in which an anion is doped into the conductive polymer during charging and the anion is dedoped from the polymer during discharging. Therefore, when a carbon material that can insert and desorb lithium ions is used as the negative electrode active material, a cation-moving rocking chair type secondary battery in which cations move between both electrodes during charge and discharge cannot be configured. . That is, the rocking chair type secondary battery has the advantage that the amount of the electrolyte is small, but the secondary battery having the conductive polymer as the positive electrode active material cannot do so, and contributes to the miniaturization of the electricity storage device. I can't.
このような問題を解決するために、ドーパントとしてポリビニルスルホン酸のようなポリマーアニオンを有する導電性ポリマーを用いて正極を構成し、負極にリチウム金属を用いて、カチオン移動型とし、かくして電解液を大量に必要とせず、電解液中のイオン濃度を実質的に変化しないようにした二次電池も提案されている(特許文献2参照)。また、最近になって導電性ポリマーとポリカルボン酸とを含む正極と、卑金属または卑金属イオンを挿入・脱離しうる材料の負極とを用いて作製された二次電池も提案されている(特許文献3)。 In order to solve such a problem, a positive electrode is formed using a conductive polymer having a polymer anion such as polyvinyl sulfonic acid as a dopant, lithium metal is used as a negative electrode, a cation transfer type, and thus an electrolytic solution is used. There has also been proposed a secondary battery that does not require a large amount and that does not substantially change the ion concentration in the electrolytic solution (see Patent Document 2). Recently, a secondary battery produced by using a positive electrode containing a conductive polymer and a polycarboxylic acid and a negative electrode made of a material capable of inserting and removing base metal or base metal ions has also been proposed (Patent Document). 3).
しかしながら、上記特許文献2の二次電池においては性能において未だ充分ではなく、また上記特許文献3の二次電池においても、更なる充放電効率の改善の余地がある。
However, the performance of the secondary battery of
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであって、充放電効率に優れた導電性ポリマー粒子およびその製法、並びにそれを用いた蓄電デバイス用正極とその製法を提供することをその目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and its object is to provide conductive polymer particles having excellent charge / discharge efficiency, a method for producing the same, a positive electrode for an electricity storage device using the same, and a method for producing the same. To do.
本発明者らは、充放電効率に優れた高性能な蓄電デバイスを得るために鋭意検討を重ねた。その過程で、導電性ポリマー粒子は一般に粒子表面の導電性が低く、導電性ポリマーを用いた二次電池は充分な充放電効率を得にくい傾向にあることから、本発明者らは表面導電性改善に着目してさらに検討を重ねた。表面導電性改善のためには、大量の導電助剤を配合することが考えられるが、導電性ポリマーに対する導電助剤の含有量を増やすと、充放電効率は向上するが所望の充放電効率を得ようとすると電極材料を混練することが困難となる。さらに、導電助剤の含有量を増やすと活物質以外の重量が増えるため、正極当たりの活物質の容量が減少し、コストも高くなる。そこで、本発明者らはさらに実験を続けた結果、導電性ポリマー粒子表面をプロトン酸処理により改質することを想起するに至り、プロトン酸含有溶液に浸漬することによって粒子表面が改質された導電性ポリマー粒子を用いると、充放電効率に優れた高性能な蓄電デバイスを得ることができることを見出し、本発明に到達した。 The inventors of the present invention have made extensive studies in order to obtain a high-performance power storage device with excellent charge / discharge efficiency. In this process, the conductive polymer particles generally have low conductivity on the particle surface, and secondary batteries using the conductive polymer tend to have a difficulty in obtaining sufficient charge / discharge efficiency. We focused further on further improvements. In order to improve the surface conductivity, it is conceivable to add a large amount of a conductive assistant. Increasing the content of the conductive assistant relative to the conductive polymer increases the charge / discharge efficiency, but the desired charge / discharge efficiency is improved. If it is intended to obtain, it becomes difficult to knead the electrode material. Further, when the content of the conductive auxiliary agent is increased, the weight other than the active material is increased, so that the capacity of the active material per positive electrode is reduced and the cost is increased. Therefore, as a result of further experiments, the present inventors came to recall that the surface of the conductive polymer particles was modified by proton acid treatment, and the particle surfaces were modified by being immersed in a solution containing a proton acid. It has been found that when conductive polymer particles are used, a high-performance power storage device having excellent charge / discharge efficiency can be obtained, and the present invention has been achieved.
すなわち、本発明は、粒子表面がプロトン酸処理により改質されている導電性ポリマー粒子を第一の要旨とする。 That is, the first gist of the present invention is a conductive polymer particle whose particle surface is modified by a proton acid treatment.
また、本発明は、上記第一の要旨である導電性ポリマー粒子を製造する方法であって、改質前の導電性ポリマー粒子をプロトン酸含有溶液に浸漬させる工程を備える導電性ポリマー粒子の製法を第二の要旨とする。さらに、かかる導電性ポリマー粒子を用いて作製された蓄電デバイス用正極を第三の要旨とする。そして、集電体上に、上記導電性ポリマー粒子を用いて電極層を形成する工程を備える蓄電デバイス用正極の製法を第四の要旨とする。 Further, the present invention is a method for producing conductive polymer particles according to the first aspect, wherein the method comprises the step of immersing the conductive polymer particles before modification in a protonic acid-containing solution. Is the second gist. Furthermore, let the positive electrode for electrical storage devices produced using this conductive polymer particle be a 3rd summary. And the manufacturing method of the positive electrode for electrical storage devices provided with the process of forming an electrode layer using the said conductive polymer particle on a collector is made into the 4th summary.
このように、本発明の導電性ポリマー粒子は、導電性ポリマー粒子表面がプロトン酸処理により改質されているため、これを含有する蓄電デバイス正極およびこれを用いた蓄電デバイスは、高い充放電効率を有するようになる。 Thus, since the conductive polymer particle surface of the conductive polymer particle of the present invention is modified by proton acid treatment, the power storage device positive electrode containing the conductive polymer particle and the power storage device using the same have high charge / discharge efficiency. Will have.
上記粒子に対するプロトン酸処理の割合が、モル比で0.01〜0.5であると、この粒子を含有する蓄電デバイス正極およびこれを用いた蓄電デバイスは、高い充放電効率を有するようになる。 When the ratio of the proton acid treatment to the particles is 0.01 to 0.5 in terms of molar ratio, the electricity storage device positive electrode containing the particles and the electricity storage device using the same have high charge / discharge efficiency. .
上記導電性ポリマーがポリアニリンまたはポリアニリン誘導体であると、得られる蓄電デバイスはより一層高い容量密度を有するようになる。 When the conductive polymer is polyaniline or a polyaniline derivative, the obtained electricity storage device has a higher capacity density.
また、上記導電性ポリマー粒子を製造する方法であって、改質前の導電性ポリマー粒子をプロトン酸含有溶液に浸漬させる工程を備えると、粒子表面が充分なプロトン酸処理をすることができ、得られる蓄電デバイスは高い充放電効率を有するようになる。 Further, the method for producing the conductive polymer particles, comprising the step of immersing the conductive polymer particles before modification in a protonic acid-containing solution, the particle surface can be sufficiently protonic acid treatment, The obtained electricity storage device has high charge / discharge efficiency.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下に記載する説明は、本発明の実施態様の一例であり、本発明は、以下の内容に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the description described below is an example of embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following contents.
本発明の導電性ポリマー粒子は、蓄電デバイス用正極に用いる正極形成材料の一つである。上記導電性ポリマー粒子は、その粒子表面がプロトン酸処理により改質されていることを特徴とする。 The electroconductive polymer particle of this invention is one of the positive electrode formation materials used for the positive electrode for electrical storage devices. The conductive polymer particle is characterized in that the particle surface is modified by proton acid treatment.
本発明の導電性ポリマー粒子は、例えば、図1に示すように、電解質層3と、これを挟んで対向して設けられた正極2と負極4とを有する蓄電デバイスの、正極2の形成材料として用いられる。図1において、1は正極集電体、5は負極集電体を示す。
以下、上記正極2、負極4、電解質層3について順に説明する。
The conductive polymer particles of the present invention are, for example, as shown in FIG. 1, a material for forming a
Hereinafter, the
<正極>
上記正極2は、上記その粒子表面がプロトン酸処理により改質されている導電性ポリマー粒子を含有する正極形成材料を用いている。
<Positive electrode>
The
〔導電性ポリマー〕
ここで、本発明の導電性ポリマーについて説明する。上記導電性ポリマーは、ポリマー主鎖の酸化反応または還元反応によって生成し、または消失する電荷の変化を補償するために、イオン種がポリマーに挿入し、またはポリマーから脱離することによって、ポリマー自身の導電性が変化する一群のポリマーをいう。
[Conductive polymer]
Here, the conductive polymer of the present invention will be described. The conductive polymer is formed by inserting or leaving an ionic species from the polymer to compensate for the change in charge generated or lost by the oxidation or reduction reaction of the polymer main chain. A group of polymers whose electrical conductivity changes.
このようなポリマーにおいて、導電性が高い状態をドープ状態といい、低い状態を脱ドープ状態という。導電性を有するポリマーが酸化反応または還元反応によって導電性を失い、絶縁性(すなわち、脱ドープ状態)となっても、そのようなポリマーは、酸化還元反応によって再度、可逆的に導電性を有することができるので、このように脱ドープ状態にある絶縁性のポリマーも、本発明においては、導電性ポリマーの範疇に入れることとする。 In such a polymer, a state with high conductivity is referred to as a doped state, and a state with low conductivity is referred to as a dedope state. Even if a polymer having conductivity loses conductivity by an oxidation reaction or a reduction reaction and becomes insulative (that is, in a dedoped state), such a polymer is reversibly conductive again by the oxidation-reduction reaction. Therefore, the insulating polymer in such a dedope state is also included in the category of the conductive polymer in the present invention.
上記導電性ポリマーの好ましい例としては、例えば、無機酸アニオン、脂肪酸スルホン酸アニオン、芳香族スルホン酸アニオン、高分子スルホン酸アニオンおよびポリビニル硫酸アニオンからなる群から選ばれた少なくとも1つのプロトン酸アニオンをドーパントとして有するポリマーがあげられる。また、本発明において好ましい別の導電性ポリマーとしては、上記導電性ポリマーを脱ドープした脱ドープ状態のポリマーがあげられる。 Preferred examples of the conductive polymer include, for example, at least one proton acid anion selected from the group consisting of an inorganic acid anion, a fatty acid sulfonate anion, an aromatic sulfonate anion, a polymer sulfonate anion, and a polyvinyl sulfate anion. The polymer which has as a dopant is mention | raise | lifted. In addition, as another conductive polymer preferable in the present invention, a polymer in a dedope state obtained by dedoping the conductive polymer can be given.
上記導電性ポリマーの具体例としては、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリアズレン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)や、これらの置換体ポリマー等があげられる。なかでも、電気化学的容量が大きいことから、ポリアニリン、ポリアニリン誘導体が好ましく用いられる。 Specific examples of the conductive polymer include polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polyfuran, polyselenophene, polyisothianaphthene, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyazulene, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), These substituted polymers are exemplified. Of these, polyaniline and polyaniline derivatives are preferably used because of their large electrochemical capacity.
本発明において、上記ポリアニリンとは、アニリンを電解重合させ、または化学酸化重合させて得られるポリマーをいい、ポリアニリンの誘導体とは、例えば、アニリンの誘導体を電解重合もしくは化学酸化重合させて得られるポリマーをいう。 In the present invention, the polyaniline is a polymer obtained by electrolytic polymerization or chemical oxidative polymerization of aniline, and the polyaniline derivative is, for example, a polymer obtained by electrolytic polymerization or chemical oxidative polymerization of a derivative of aniline. Say.
ここで、アニリンの誘導体としては、アニリンの4位以外の位置にアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、アルキルアリール基、アリールアルキル基、アルコキシアルキル基等の置換基を少なくとも1つ有するものを例示することができる。好ましい具体例としては、例えば、o−メチルアニリン、o−エチルアニリン、o−フェニルアニリン、o−メトキシアニリン、o−エトキシアニリン等のo−置換アニリンや、m−メチルアニリン、m−エチルアニリン、m−メトキシアニリン、m−エトキシアニリン、m−フェニルアニリン等のm−置換アニリンがあげられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。また、本発明においては、4位に置換基を有するものでも、p−フェニルアミノアニリンは、酸化重合によってポリアニリンが得られるので、アニリン誘導体として好適に用いることができる。 Here, as the derivative of aniline, at least a substituent such as an alkyl group, an alkenyl group, an alkoxy group, an aryl group, an aryloxy group, an alkylaryl group, an arylalkyl group, and an alkoxyalkyl group is provided at a position other than the 4-position of aniline. What has one can be illustrated. Preferable specific examples include, for example, o-substituted anilines such as o-methylaniline, o-ethylaniline, o-phenylaniline, o-methoxyaniline, o-ethoxyaniline, m-methylaniline, m-ethylaniline, Examples include m-substituted anilines such as m-methoxyaniline, m-ethoxyaniline, m-phenylaniline. These may be used alone or in combination of two or more. In the present invention, p-phenylaminoaniline having a substituent at the 4-position can be suitably used as an aniline derivative because polyaniline is obtained by oxidative polymerization.
以下、本発明において、特に断らない限り「アニリンまたはその誘導体」を単に「アニリン」といい、また、「ポリアニリンおよびポリアニリン誘導体の少なくとも一方」を単に「ポリアニリン」という。したがって、導電性ポリマーを構成するポリマーがアニリン誘導体から得られる場合であっても、「導電性ポリアニリン」ということがある。 Hereinafter, unless otherwise specified, in the present invention, “aniline or a derivative thereof” is simply referred to as “aniline”, and “at least one of polyaniline and a polyaniline derivative” is simply referred to as “polyaniline”. Therefore, even when the polymer constituting the conductive polymer is obtained from an aniline derivative, it may be referred to as “conductive polyaniline”.
〔導電性ポリマーの調製〕
本発明において、導電性ポリアニリンは、既によく知られているように、適宜の溶媒中、アニリンをプロトン酸の存在下に電解重合し、又は酸化剤を用いて化学酸化重合させることによって得ることができるが、好ましくは、適宜の溶媒中、プロトン酸の存在下にアニリンを酸化剤にて酸化重合させることによって得ることができる。上記溶媒としては、通常、水が用いられるが、水溶性有機溶媒と水との混合溶媒や、また、水と非極性有機溶媒との混合溶媒も用いられる。この場合には、界面活性剤等を併用することもある。
(Preparation of conductive polymer)
In the present invention, the conductive polyaniline can be obtained by electrolytic polymerization of aniline in the presence of a protonic acid or chemical oxidative polymerization using an oxidizing agent in an appropriate solvent, as is well known. However, it can be preferably obtained by oxidative polymerization of aniline with an oxidizing agent in the presence of a protonic acid in an appropriate solvent. As the solvent, water is usually used, but a mixed solvent of a water-soluble organic solvent and water or a mixed solvent of water and a nonpolar organic solvent is also used. In this case, a surfactant or the like may be used in combination.
水を溶媒としてアニリンを酸化重合する場合を例にとって、より詳しく説明すれば、アニリンの化学酸化重合は、水中、プロトン酸の存在下に化学酸化剤を用いて行われる。用いる化学酸化剤は、水溶性、水不溶性のいずれでもよい。 For example, the oxidative polymerization of aniline using water as a solvent will be described in more detail. The chemical oxidative polymerization of aniline is performed in water using a chemical oxidant in the presence of a protonic acid. The chemical oxidant used may be either water-soluble or water-insoluble.
好ましい酸化剤として、例えば、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、過酸化水素、重クロム酸カリウム、過マンガン酸カリウム、塩素酸ナトリウム、硝酸セリウムアンモニウム、ヨウ素酸ナトリウム、塩化鉄等を挙げることができる。 Preferred examples of the oxidizing agent include ammonium peroxodisulfate, hydrogen peroxide, potassium dichromate, potassium permanganate, sodium chlorate, cerium ammonium nitrate, sodium iodate, and iron chloride.
アニリンの酸化重合のために用いる酸化剤の量は、生成する導電性ポリアニリンの収率に関係し、用いたアニリンを定量的に反応させるには、用いたアニリンのモル数の(2.5/n)倍モルの酸化剤を用いることが好ましい。但し、nは、酸化剤自身1分子が還元されるときに必要とする電子の数を表す。従って、例えば、ペルオキソ二硫酸アンモニウムの場合には、下記の反応式から理解されるように、nは2である。 The amount of oxidant used for the oxidative polymerization of aniline is related to the yield of conductive polyaniline produced, and in order to quantitatively react the aniline used, the number of moles of aniline used (2.5 / n) It is preferable to use a double mole of oxidizing agent. However, n represents the number of electrons required when one molecule of the oxidizing agent itself is reduced. Therefore, for example, in the case of ammonium peroxodisulfate, n is 2 as understood from the following reaction formula.
(NH4)2S2O8+ 2e ⇒ 2NH4 ++2SO4 2− (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + 2e ⇒ 2NH 4 + + 2SO 4 2−
しかし、ポリアニリンが過酸化状態になるのを抑制するために、用いるアニリンのモル数の(2.5/n)倍モルよりも若干少なくして、上記アニリンのモル数の(2.5/n)倍モル量に対して、30〜80%の割合を用いる場合もある。 However, in order to suppress the polyaniline from becoming a peroxidized state, it is slightly less than (2.5 / n) times the number of moles of aniline to be used (2.5 / n). ) A ratio of 30 to 80% may be used with respect to the molar amount.
導電性ポリアニリンの製造において、プロトン酸は、生成するポリアニリンをドーピングして、導電性にすると共に、アニリンを水中で塩にして水に溶解させるためと、重合反応系のpHを好ましくは1以下の強酸性に保つために用いられる。従って、導電性ポリアニリンの製造において、用いるプロトン酸の量は、上記目的を達成することができれば、特に限定されるものではないが、通常は、アニリンのモル数の1.1〜5倍モルの範囲で用いられる。しかし、用いるプロトン酸の量が多すぎるときは、アニリンの酸化重合の後処理において、廃液処理のための費用が不必要に嵩むことから、好ましくは、1.1〜2倍モルの範囲で用いられる。かくして、プロトン酸としては、強酸性を有するものが好ましく、さらに好ましくは、酸解離定数pKa値が3.0未満のプロトン酸が好適である。 In the production of the conductive polyaniline, the proton acid is doped with the produced polyaniline to make it conductive, and the aniline is salted in water and dissolved in water. The pH of the polymerization reaction system is preferably 1 or less. Used to maintain strong acidity. Accordingly, in the production of the conductive polyaniline, the amount of the protonic acid used is not particularly limited as long as the above object can be achieved, but usually 1.1 to 5 times the number of moles of aniline. Used in a range. However, when the amount of the protonic acid used is too large, the cost for waste liquid treatment is unnecessarily increased in the post-treatment of the aniline oxidative polymerization, so that it is preferably used in the range of 1.1 to 2 moles. It is done. Thus, as the protonic acid, those having strong acidity are preferable, and more preferable is a protonic acid having an acid dissociation constant pKa value of less than 3.0.
このような酸解離定数pKa値が3.0未満のプロトン酸として、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、フッ化水素酸、ヨウ化水素酸等の無機酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸等の芳香族スルホン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸等の脂肪族スルホン酸(又はアルカンスルホン酸)等が好ましく用いられる。また、分子中にスルホン酸基を有するポリマー、即ち、ポリマースルホン酸も用いることができる。このようなポリマースルホン酸としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリ(アクリルアミド−t−ブチルスルホン酸)、フェノールスルホン酸ノボラック樹脂、ナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸等を挙げることができる。本発明においては、ポリビニル硫酸もプロトン酸として用いることができる。 Examples of such protic acids having an acid dissociation constant pKa value of less than 3.0 include sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hydrofluoric acid, hydroiodic acid, and the like. Inorganic acids, aromatic sulfonic acids such as benzenesulfonic acid and p-toluenesulfonic acid, and aliphatic sulfonic acids (or alkanesulfonic acids) such as methanesulfonic acid and ethanesulfonic acid are preferably used. A polymer having a sulfonic acid group in the molecule, that is, a polymer sulfonic acid can also be used. Examples of such polymer sulfonic acid include polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyallyl sulfonic acid, poly (acrylamide-t-butyl sulfonic acid), phenol sulfonic acid novolak resin, and Nafion (registered trademark). Examples thereof include perfluorosulfonic acid. In the present invention, polyvinyl sulfate can also be used as a protonic acid.
しかし、上述した以外にも、例えば、ピクリン酸のようなある種のフェノール類、m−ニトロ安息香酸のようなある種の芳香族カルボン酸、ジクロロ酢酸、マロン酸等のようなある種の脂肪族カルボン酸も酸解離定数pKa値が3.0未満であるので、導電性ポリアニリンの製造において、プロトン酸として用いられる。 However, in addition to the above, for example, certain phenols such as picric acid, certain aromatic carboxylic acids such as m-nitrobenzoic acid, certain fats such as dichloroacetic acid, malonic acid, etc. Since the group carboxylic acid also has an acid dissociation constant pKa value of less than 3.0, it is used as a protonic acid in the production of conductive polyaniline.
上述した種々のプロトン酸のなかでも、テトラフルオロホウ酸やヘキサフルオロリン酸は、非水電解液二次電池における非水電解液の電解質塩の卑金属塩と同じアニオン種を含むプロトン酸であり、例えば、リチウム二次電池の場合であれば、リチウム二次電池における非水電解液の電解質塩のリチウム塩と同じアニオン種を含むプロトン酸であるので、好ましく用いられる。 Among the various protic acids described above, tetrafluoroboric acid and hexafluorophosphoric acid are protonic acids containing the same anionic species as the base metal salt of the electrolyte salt of the nonaqueous electrolyte solution in the nonaqueous electrolyte secondary battery, For example, in the case of a lithium secondary battery, since it is a protonic acid containing the same anionic species as the lithium salt of the electrolyte salt of the non-aqueous electrolyte in the lithium secondary battery, it is preferably used.
なお、上記のように導電性ポリアニリンの製造時に用いられるプロトン酸と、導電性ポリマー製造後に、その導電性ポリマー粒子表面を改質するために用いられるプロトン酸とは、同一であっても、異なっていてもよいが、それぞれ異なる工程において用いられる。 Note that, as described above, the protonic acid used in the production of the conductive polyaniline and the protonic acid used to modify the surface of the conductive polymer particles after the production of the conductive polymer may be the same or different. However, they are used in different steps.
また、導電性ポリピロールは、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムのようなアルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムやアントラキノンスルホン酸ナトリウムのような有機スルホン酸塩を含むピロールの水溶液中において、適当な化学酸化剤を用いてピロールを化学酸化重合させることによって粉末として得ることができ、また、上記アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムや有機スルホン酸塩を含むピロールの水溶液中において、ステンレス電極を用いるピロールの電解酸化重合によって、陽極に薄膜として得ることができる。このような製造方法において、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムや有機スルホン酸塩は電解質として作用すると共に、アルキルベンゼンスルホン酸アニオンや有機スルホン酸アニオンは、生成したポリピロールのドーパントとして機能して、ポリピロールに導電性を付与する。 In addition, conductive polypyrrole can be obtained by using a suitable chemical oxidizing agent in an aqueous solution of pyrrole containing an organic sulfonate such as sodium alkylbenzene sulfonate such as sodium dodecylbenzene sulfonate or sodium anthraquinone sulfonate. Is obtained as a thin film on the anode by electrolytic oxidation polymerization of pyrrole using a stainless steel electrode in an aqueous solution of pyrrole containing sodium alkylbenzenesulfonate or organic sulfonate. be able to. In such a production method, sodium alkylbenzene sulfonate or organic sulfonate acts as an electrolyte, and the alkylbenzene sulfonate anion or organic sulfonate anion functions as a dopant for the generated polypyrrole to impart conductivity to polypyrrole. To do.
本発明においては、導電性ポリマーは、プロトン酸アニオンにてドーピングされたポリマーであってもよく、また、このように上記プロトン酸アニオンにてドーピングされたポリマーを脱ドープ処理して得られる脱ドープ状態のポリマーであってもよい。必要に応じて、上記脱ドープ状態のポリマーを更に還元処理してもよい。 In the present invention, the conductive polymer may be a polymer doped with a proton acid anion, and the dedope obtained by dedoping the polymer doped with the proton acid anion as described above. It may be a polymer in the state. If necessary, the dedoped polymer may be further reduced.
導電性ポリマーを脱ドープ処理する方法として、例えば、プロトン酸アニオンにてドーピングされてなる導電性ポリマーをアルカリにて中和処理する方法を挙げることができ、また、プロトン酸アニオンにてドーピングされてなる導電性ポリマーを脱ドープ処理した後、還元処理する方法として、例えば、プロトン酸アニオンにてドーピングされてなる導電性ポリマーをアルカリにて中和処理して脱ドープし、かくして、得られた脱ドープされたポリマーを還元剤にて還元処理する方法を挙げることができる。 Examples of a method for dedoping a conductive polymer include a method of neutralizing a conductive polymer doped with a proton acid anion with an alkali. For example, the conductive polymer doped with protonic acid anions is neutralized with alkali to be dedoped, and the resulting depolymerization is performed. A method of reducing the doped polymer with a reducing agent can be mentioned.
プロトン酸アニオンにてドーピングされている導電性ポリマーをアルカリにて中和処理する場合、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水等のアルカリ水溶液中に導電性ポリマーを投入して、室温下に、又は必要に応じて、50〜80℃程度の加温下に、撹拌すればよい。加温下にアルカリ処理することによって、導電性ポリマーの脱ドープ反応を促進して、短時間で脱ドープすることができる。 When the conductive polymer doped with the proton acid anion is neutralized with an alkali, for example, the conductive polymer is put into an alkaline aqueous solution such as an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous potassium hydroxide solution, or aqueous ammonia, What is necessary is just to stir under room temperature or under the heating of about 50-80 degreeC as needed. By conducting the alkali treatment under heating, the dedoping reaction of the conductive polymer can be promoted and dedoping can be performed in a short time.
一方、上述したように、脱ドープしたポリマーを還元処理するには、この脱ドープしたポリマーをヒドラジン一水和物水溶液、フェニルヒドラジン/アルコール溶液、亜二チオン酸ナトリウム水溶液、亜硫酸ナトリウム水溶液等の還元剤溶液中に投入し、室温下、又は必要に応じて、50〜80℃程度の加温下に撹拌すればよい。 On the other hand, as described above, in order to reduce the dedoped polymer, the dedoped polymer is reduced to hydrazine monohydrate aqueous solution, phenylhydrazine / alcohol solution, sodium dithionite aqueous solution, sodium sulfite aqueous solution or the like. What is necessary is just to throw in in an agent solution and to stir under room temperature or the heating of about 50-80 degreeC as needed.
本発明の導電性ポリマー粒子は、その粒子表面がプロトン酸処理により改質されていることから、つぎに、表面改質に用いるプロトン酸について説明する。 Since the conductive polymer particle of the present invention has its particle surface modified by proton acid treatment, the proton acid used for surface modification will be described next.
〔粒子表面改質のためのプロトン酸〕
導電性ポリマー粒子表面を改質するためのプロトン酸(以下、「粒子表面改質用プロトン酸」ということがある)としては、上記の導電性ポリアニリンの製造において用いられるプロトン酸と同一であっても異なっていてもよく、さらに、後記する蓄電デバイスの電解質層を構成する電解質塩と同じアニオン種を含むプロトン酸と同一であっても異なっていてもよい。なかでも電解質塩と同じアニオン種を含むプロトン酸を用いることが好ましい。粒子表面改質用プロトン酸としては、具体的には次の通りである。
[Protonic acid for particle surface modification]
The protonic acid for modifying the surface of the conductive polymer particles (hereinafter sometimes referred to as “particle surface modifying protonic acid”) is the same as the protonic acid used in the production of the conductive polyaniline described above. And may be the same as or different from the protonic acid containing the same anionic species as the electrolyte salt constituting the electrolyte layer of the electricity storage device described later. Among these, it is preferable to use a protonic acid containing the same anionic species as the electrolyte salt. Specifically, the proton acid for particle surface modification is as follows.
粒子表面改質用プロトン酸としては、粒子表面のみを改質できればよいことから、必ずしも強酸である必要性はなく、弱酸であっても濃度が高ければ所望のドープ率が得られる。 The proton acid for particle surface modification is not necessarily required to be a strong acid because it is sufficient to modify only the particle surface, and a desired dope rate can be obtained if the concentration is high even with a weak acid.
このようなプロトン酸として、例えば、リン酸等の弱酸、ハロゲンオキソ酸、炭酸、硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、フッ化水素酸、ヨウ化水素酸等の無機酸、ベンゼンスルホン酸、10−カンファースルホン酸、p−トルエンスルホン酸等の芳香族スルホン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸等の脂肪族スルホン酸(又はアルカンスルホン酸)等が挙げられる。中でも、リン酸等の弱酸、ハロゲンオキソ酸、炭酸が好ましく用いられる。 Examples of such protonic acids include weak acids such as phosphoric acid, halogen oxoacids, carbonic acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hydrofluoric acid, and hydroiodic acid. Inorganic acids such as benzene sulfonic acid, aromatic sulfonic acid such as 10-camphor sulfonic acid, p-toluene sulfonic acid, and aliphatic sulfonic acid (or alkane sulfonic acid) such as methane sulfonic acid and ethane sulfonic acid. . Of these, weak acids such as phosphoric acid, halogen oxo acids, and carbonic acids are preferably used.
上記粒子表面改質用プロトン酸は、導電性ポリマー粒子の表面をプロトン酸に容易に接しやすくするため液状にして用いることが好ましく、溶媒に希釈してプロトン酸溶液として用いることが好ましい。上記プロトン酸溶液の濃度としては、酸解離定数によって異なるが、強酸の場合は、0.01〜0.2モル/dm3であることが好ましい。また、上記溶媒としては、例えば、カーボネート類、ニトリル類、アミド類、エーテル類等の少なくとも1種の非水溶媒、すなわち有機溶媒が用いられる。このような有機溶媒の具体例としては、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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、アセトニトリル、プロピオニトリル、N,N′−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン等をあげることができる。 The particle surface modifying protonic acid is preferably used in a liquid form so that the surface of the conductive polymer particles can easily come into contact with the protonic acid, and is preferably diluted with a solvent and used as a protonic acid solution. The concentration of the protonic acid solution varies depending on the acid dissociation constant, but in the case of a strong acid, it is preferably 0.01 to 0.2 mol / dm 3 . In addition, as the solvent, for example, at least one nonaqueous solvent such as carbonates, nitriles, amides, ethers, that is, an organic solvent is used. Specific examples of such an organic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, acetonitrile, propionitrile, N, N'-dimethylacetamide, N-methyl-2- Examples include pyrrolidone, dimethoxyethane, diethoxyethane, and γ-butyrolactone.
また、粒子表面改質用プロトン酸の量としては、導電性ポリマー粒子の表面を改質できる量であれば、特に限定されるものではないが、導電性ポリマーがポリアニリンである場合には、通常は、アニリンのモル数の0.01〜0.5倍モルの範囲で用いられる。しかし、用いるプロトン酸の量が多すぎるときは、アニリンの酸化重合の後処理において、廃液処理のための費用が不必要に嵩むことから、好ましくは0.01〜0.2倍モル、さらに0.01〜0.15倍モルの範囲で用いられる。 Further, the amount of the proton acid for modifying the particle surface is not particularly limited as long as it can modify the surface of the conductive polymer particles. However, when the conductive polymer is polyaniline, Is used in a range of 0.01 to 0.5 times the number of moles of aniline. However, when the amount of the protonic acid used is too large, the cost for waste liquid treatment is unnecessarily increased in the post-treatment of aniline oxidative polymerization. It is used in the range of 0.01 to 0.15 moles.
〔表面が改質された導電性ポリマー粒子〕
前記導電性ポリマーおよび粒子表面改質用プロトン酸を用いて、導電性ポリマー粒子の表面をプトロン酸ドープにより改質することにより本発明の表面が改質された導電性ポリマー粒子(以下、「表面改質導電性ポリマー粒子」ということがある)が得られる。
[Conductive polymer particles with modified surface]
Using the conductive polymer and the protonic acid for particle surface modification, the surface of the conductive polymer particle is modified with ptronic acid dope so that the surface of the present invention is modified (hereinafter referred to as “surface”). Sometimes referred to as “modified conductive polymer particles”).
このようにして得られる本発明の表面改質導電性ポリマー粒子のサイズは、メジアン径が0.001〜1000μmであることが好ましく、さらに好ましくは0.01〜100μmであり、特に好ましくは0.1〜20μmである。上記メジアン径は、例えば、静的光散乱式粒径分布測定装置等を用いて測定することができる。 The size of the surface-modified conductive polymer particles of the present invention thus obtained is preferably a median diameter of 0.001 to 1000 μm, more preferably 0.01 to 100 μm, and particularly preferably 0.00. 1-20 μm. The median diameter can be measured using, for example, a static light scattering particle size distribution measuring apparatus.
なお、表面改質する前の導電性ポリマー粒子のサイズは、上記表面改質後の導電性ポリマー粒子のサイズと略同等である。 The size of the conductive polymer particles before the surface modification is substantially the same as the size of the conductive polymer particles after the surface modification.
導電性ポリマーを粒子表面改質する方法として、例えば、上記プロトン酸溶液を調製し、その溶液に導電性ポリマー粒子を浸漬して、導電性ポリマー粒子の表面をプロトン酸処理により改質する方法、その他にも気化したプロトン酸雰囲気下に導電性ポリマー粒子を入れて粒子表面をプロトン酸処理する方法等が挙げられ、なかでも、プロトン酸溶液で浸漬する方が、粒子表面が改質され、高い表面導電性が得られることから好ましい。 As a method for modifying the surface of the conductive polymer, for example, a method of preparing the above protonic acid solution, immersing the conductive polymer particles in the solution, and modifying the surface of the conductive polymer particles by proton acid treatment, Other examples include a method of putting conductive polymer particles in a vaporized proton acid atmosphere and treating the particle surface with a proton acid, and so on. Since surface conductivity is obtained, it is preferable.
また、浸漬処理に供する導電性ポリマー粒子は粉末状のものでもよく、電極を構成した状態のものでもよい。 In addition, the conductive polymer particles to be subjected to the immersion treatment may be in a powder form or may be in a state of constituting an electrode.
さらに、浸漬処理については、プロトン酸溶液が粒子表面全体を改質するのに充分な時間行うことが好ましく、通常は、室温下(25℃)で5〜20時間、浸漬することで粒子表面が改質される。作業効率と改質程度とのバランスから、特に浸漬時間を10〜15時間とすることが好ましい。 Further, the immersion treatment is preferably performed for a time sufficient for the protonic acid solution to modify the entire particle surface, and the particle surface is usually immersed for 5 to 20 hours at room temperature (25 ° C.). Reformed. In view of the balance between the work efficiency and the degree of modification, the immersion time is particularly preferably 10 to 15 hours.
なお、前記のように、導電性ポリアニリン製造時において用いられるプロトン酸と、上記粒子表面改質用プロトン酸とは、成分としては同一であっても異なっていてもよい。導電性ポリアニリン製造時に用いられるプロトン酸は、そのプロトン酸存在下にアニリンを電解重合して導電性ポリアニリンを調製することから、粒子内部にプロトン酸アニリンが挿入・脱離するものである。一方、上記粒子表面改質用プロトン酸は、導電性ポリマー粒子の表面を改質するものであるため、粒子表面においてのみプロトン酸アニリンが挿入・脱離するものであるから、粒子断面を測定・観察することにより、粒子表面改質用プロトン酸により改質されたか否かを判断することができる。 As described above, the proton acid used in the production of the conductive polyaniline and the proton acid for particle surface modification may be the same or different as components. The protonic acid used in the production of the conductive polyaniline is one in which the protonic acid aniline is inserted into and removed from the inside of the particle because the conductive polyaniline is prepared by electrolytic polymerization of aniline in the presence of the protonic acid. On the other hand, the proton acid for particle surface modification modifies the surface of the conductive polymer particles, and the proton acid aniline is inserted / desorbed only on the particle surface. By observing it, it can be determined whether or not the particle has been modified with the proton acid for particle surface modification.
上記表面が改質された導電性ポリマー粒子に対するプロトン酸処理の割合が、モル比で0.01〜0.5であることが好ましく、より好ましくは0.01〜0.2、さらに好ましくは0.01〜0.15である。プロトン酸処理の工程上、上記上限値以上を得ることが困難な傾向にあり、プロトン酸処理の割合が低すぎると、蓄電デバイスの容量密度に優れ、充放電効率やサイクル特性に劣る傾向がある。 The ratio of the protonic acid treatment to the conductive polymer particles whose surface has been modified is preferably 0.01 to 0.5, more preferably 0.01 to 0.2, still more preferably 0 in terms of molar ratio. .01 to 0.15. In the process of proton acid treatment, it tends to be difficult to obtain the above upper limit or more, and when the ratio of proton acid treatment is too low, the capacity density of the electricity storage device tends to be excellent, and the charge / discharge efficiency and cycle characteristics tend to be inferior. .
上記粒子に対するプロトン酸処理の割合は、導電性ポリマーのモル数を定量し、つぎにドーパントのモル数を定量する。これにより得られたモル数を用いて、導電性ポリマーのモル数に対するドーパントのモル数の割合を求めることにより、上記粒子に対するプロトン酸処理の割合が得られるようになる。 The ratio of the protonic acid treatment to the particles quantifies the number of moles of the conductive polymer, and then the number of moles of the dopant. By using the number of moles thus obtained, the ratio of the number of moles of the dopant to the number of moles of the conductive polymer is obtained, whereby the ratio of the proton acid treatment to the particles can be obtained.
例えば、導電性ポリマーがポリアニリンの場合には、CHN元素分析装置を用いてN元素の量を定量し、ポリアニリンのモル数を算出する。次に、ICP装置を用いてを改質された導電性ポリマー粒子全量に対するS元素(硫酸イオン)やP元素(リン酸イオン)等の量を定量し、ドーパントのモル数を算出する。これらのモル数を用いて、粒子に対するプロトン酸処理の割合を求める。 For example, when the conductive polymer is polyaniline, the amount of N element is quantified using a CHN element analyzer and the number of moles of polyaniline is calculated. Next, using an ICP apparatus, the amount of S element (sulfate ion), P element (phosphate ion), etc. with respect to the total amount of the modified conductive polymer particles is quantified, and the number of moles of the dopant is calculated. Using these mole numbers, the ratio of the proton acid treatment to the particles is determined.
上記粒子断面の測定・観察としては、SEM(走査型電子顕微鏡)観察、AFM(原子間力顕微鏡)測定、SPM (走査型プローブ顕微鏡)測定によって、その粒子形態、その粒子の導電経路等を観察すること等が挙げられる。例えば、導電性ポリマー粒子断面観察において、導電助剤等によらずに、その粒子表面の導電性が高まっている等により判断することができる。 As the measurement and observation of the particle cross section, the particle morphology, the conduction path of the particle, etc. are observed by SEM (scanning electron microscope) observation, AFM (atomic force microscope) measurement, and SPM (scanning probe microscope) measurement. And so on. For example, in the observation of the cross section of the conductive polymer particle, it can be determined by the fact that the conductivity of the particle surface is increased without depending on the conductive auxiliary agent.
なお、本発明の正極形成材料には、上記導電性ポリマー粒子に加え、必要に応じて、バインダー、導電助剤、水等を適宜加えることができる。 In addition to the conductive polymer particles, a binder, a conductive assistant, water and the like can be appropriately added to the positive electrode forming material of the present invention as necessary.
上記バインダーとしては、例えば、フッ化ビニリデンやスチレン−ブタジエンゴムのようなバインダーが用いられる。また、このほかにも、ポリアニオンや分子量の比較的大きなアニオン化合物、電解液に溶解性の低いアニオン性材料等を用いることができる。 As the binder, for example, a binder such as vinylidene fluoride or styrene-butadiene rubber is used. In addition, a polyanion, an anion compound having a relatively large molecular weight, an anionic material having low solubility in the electrolytic solution, and the like can be used.
なかでも、バインダーの主成分が上記アニオン性材料からなることが好ましい。ここで、主成分とは、全体の過半を占める成分のことをいい、全体が主成分のみからなる場合も含む意味である。 Especially, it is preferable that the main component of a binder consists of the said anionic material. Here, the main component means a component that occupies the majority of the whole, and includes the case where the whole consists of only the main component.
上記アニオン性材料としては、例えば、ポリマーアニオンや分子量の比較的大きなアニオン化合物、電解液に溶解性の低いアニオン化合物等があげられる。さらに詳細には、分子中にカルボキシル基を有する化合物が好ましく用いられ、特にポリマーであるポリカルボン酸が好ましく用いられる。上記アニオン性材料としてポリカルボン酸を用いた場合は、ポリカルボン酸がバインダーとしての機能を有するとともに、ドーパントとしても機能することから、蓄電デバイスの特性が向上する。 Examples of the anionic material include a polymer anion, an anion compound having a relatively large molecular weight, and an anion compound having low solubility in an electrolytic solution. More specifically, a compound having a carboxyl group in the molecule is preferably used, and a polycarboxylic acid which is a polymer is particularly preferably used. When polycarboxylic acid is used as the anionic material, since the polycarboxylic acid functions as a binder and also functions as a dopant, the characteristics of the electricity storage device are improved.
上記ポリカルボン酸としては、例えば、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニル安息香酸、ポリアリル安息香酸、ポリメタリル安息香酸、ポリマレイン酸、ポリフマル酸、ポリグルタミン酸およびポリアスパラギン酸等があげられ、ポリアクリル酸およびポリメタクリル酸が特に好ましく用いられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。 Examples of the polycarboxylic acid include polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyvinylbenzoic acid, polyallylbenzoic acid, polymethallylbenzoic acid, polymaleic acid, polyfumaric acid, polyglutamic acid, and polyaspartic acid. Polymethacrylic acid is particularly preferably used. These may be used alone or in combination of two or more.
上記ポリカルボン酸としては、分子中にカルボキシル基を有する化合物のカルボン酸をリチウム型にするものがあげられる。リチウム型への交換率は、100%が理想であるが、必ずしもそうでなくてもよく、好ましくは40%〜100%である。 As said polycarboxylic acid, what makes the carboxylic acid of the compound which has a carboxyl group in a molecule | numerator a lithium type is mention | raise | lifted. The ideal replacement rate for the lithium type is 100%, but this is not necessarily the case, and it is preferably 40% to 100%.
上記ポリカルボン酸などのポリマーをバインダーに用いた場合は、このポリマーがドーパントとしても機能することから、本発明に係る蓄電デバイスはロッキングチェア型の機構を有し、その特性の向上に関与するものとみられる。 When a polymer such as the above polycarboxylic acid is used as a binder, since this polymer also functions as a dopant, the electricity storage device according to the present invention has a rocking chair type mechanism and is involved in improving its characteristics. It seems to be.
上記バインダーは、導電性ポリマー100重量部に対して、通常、1〜100重量部、好ましくは2〜70重量部、最も好ましくは5〜40重量部の範囲で用いられる。上記バインダーの量が少なすぎると、均一な電極が得られない傾向にあり、バインダーの量が多すぎても、結果として活物質材料が減り、エネルギー密度の高い蓄電デバイスを得ることができない傾向にある。 The binder is generally used in an amount of 1 to 100 parts by weight, preferably 2 to 70 parts by weight, and most preferably 5 to 40 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive polymer. If the amount of the binder is too small, there is a tendency that a uniform electrode cannot be obtained, and even if the amount of the binder is too large, the active material is reduced as a result, and an energy storage device having a high energy density cannot be obtained. is there.
また、本発明に係る正極形成材料に、必要に応じて適宜加えられる導電助剤としては、蓄電デバイスの放電時に印加する電位によって性状の変化しない導電性材料であればよく、例えば、導電性炭素材料、金属材料等があげられ、なかでも、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の導電性カーボンブラックや、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素材料が好ましく用いられ、特に好ましくは導電性カーボンブラックである。 In addition, the conductive auxiliary that is appropriately added to the positive electrode forming material according to the present invention may be any conductive material that does not change its property depending on the potential applied during discharge of the electricity storage device. For example, conductive carbon In particular, conductive carbon black such as acetylene black and ketjen black, and fibrous carbon material such as carbon fiber and carbon nanotube are preferably used, and particularly preferably conductive carbon black. is there.
上記導電助剤は、上記導電性ポリマー100重量部に対して1〜30重量部であることが好ましく、4〜20重量部であることが更に好ましく、1〜15重量部であることが特に好ましい。本発明の導電性ポリマー粒子は、それ自体が導電性を発現しているため、表面改質していない粒子を用いる場合と比べて、導電助剤の量を減らすことができる傾向にある。 The conductive assistant is preferably 1 to 30 parts by weight, more preferably 4 to 20 parts by weight, and particularly preferably 1 to 15 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive polymer. . Since the conductive polymer particles of the present invention themselves exhibit conductivity, the amount of the conductive auxiliary agent tends to be reduced as compared with the case of using particles that are not surface-modified.
本発明の蓄電デバイス用正極2は、上記導電性ポリマー粒子と、必要に応じて添加されるアニオン性材料等の任意成分との複合体からなることが好ましく、通常、多孔質シートに形成される。
The
上記正極2の厚みは、通常、1〜500μmであり、好ましくは10〜300μmである。上記正極の厚みは、例えば、先端形状が直径5mmの平板であるダイヤルゲージ(尾崎製作所社製)を用いて測定し、電極の面に対して10点の測定値の平均を求めることにより算出できる。なお、集電体上に正極(多孔質層)が設けられ複合化している場合には、その複合化物の厚みを上記と同様に測定して測定値の平均を求め、この値から集電体の厚みを差し引いて計算することにより正極2の厚みが求められる。
The thickness of the
本発明の蓄電デバイス用正極2は、例えば、つぎのようにして形成される。上記導電性ポリマー粒子に、導電助剤と、バインダーと、水とを加えて、充分に分散させてスラリーを調製する。そして、これを集電体上に塗布した後、水を蒸発させる等によって、上記スラリーをシート状に賦形する。これによって、集電体上に導電性ポリマーと、必要に応じて加えられるアニオン性材料等との混合物の層を有する複合体からなる正極(シート電極)を得ることができる。
The
これによって、高い充放電効率を発現する蓄電デバイス用正極が得られる。このように高い充放電効率を発現する理由については必ずしも明らかではないが、粒子表面が改質されたことで粒子表面の導電性向上により充放電反応がスムーズに起こることによるものと考えられる。 Thereby, the positive electrode for electrical storage devices which expresses high charging / discharging efficiency is obtained. The reason why such a high charge / discharge efficiency is manifested is not necessarily clear, but it is considered that the charge / discharge reaction occurs smoothly due to the improved conductivity of the particle surface due to the modification of the particle surface.
<負極>
先に述べた負極4としては、金属またはイオンを挿入・脱離し得る負極物質(負極活物質)を用いて形成されたものが好ましい。上記負極活物質としては、金属リチウムや、酸化・還元時にリチウムイオンが挿入・脱離し得る炭素材料や遷移金属酸化物、シリコン、スズなどが好ましく用いられる。なお、負極4の厚みは、正極2の厚みに準ずることが好ましい。
<Negative electrode>
The
<電解質層>
先に述べた電解質層3は、電解質により構成されるが、例えば、セパレータに電解液を含浸させてなるシートや、固体電解質からなるシートが好ましく用いられる。固体電解質からなるシートは、それ自体がセパレータを兼ねている。
<Electrolyte layer>
The
上記電解質は、溶質と、必要に応じて溶媒と各種添加剤とを含むものから構成される。上記溶質としては、例えば、リチウムイオンなどの金属イオンとこれに対する適宜のカウンターイオン、例えば、スルホン酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、ヘキサフルオロヒ素イオン、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドイオン、ハロゲンイオン等を組み合わせてなるものが好ましく用いられる。上記電解質の具体例としては、LiCF3SO3、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiCl等をあげることができる。 The electrolyte is composed of a solute and, if necessary, a solvent and various additives. Examples of the solute include metal ions such as lithium ions and appropriate counter ions corresponding thereto, such as sulfonate ions, perchlorate ions, tetrafluoroborate ions, hexafluorophosphate ions, hexafluoroarsenic ions, bis A combination of (trifluoromethanesulfonyl) imide ion, bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide ion, halogen ion and the like is preferably used. Specific examples of the electrolyte include LiCF 3 SO 3 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCl, and the like. Can do.
上記溶媒としては、例えば、カーボネート類、ニトリル類、アミド類、エーテル類等の少なくとも1種の非水溶媒、すなわち有機溶媒が用いられる。このような有機溶媒の具体例としては、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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、アセトニトリル、プロピオニトリル、N,N′−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン等をあげることができる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。なお、溶媒に溶質が溶解したものを「電解液」ということがある。 As the solvent, for example, at least one non-aqueous solvent such as carbonates, nitriles, amides, ethers, that is, an organic solvent is used. Specific examples of such an organic solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, acetonitrile, propionitrile, N, N'-dimethylacetamide, N-methyl-2- Examples include pyrrolidone, dimethoxyethane, diethoxyethane, and γ-butyrolactone. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, what melt | dissolved the solute in the solvent may be called "electrolyte solution."
そして、上記各種添加剤としては、ビニレンカーボネートなどの電極の界面制御剤、ビフェニル、シクロヘキシルベンゼン、フッ化アニソールなどの過充電防止剤、リン酸エステル、ホスファゼン類などの難燃化剤などの、作動電圧、充放電の速度、安全性、寿命特性などを総合的に確保するものがあげられる。 And, as the above-mentioned various additives, operation such as electrode surface control agents such as vinylene carbonate, overcharge preventing agents such as biphenyl, cyclohexylbenzene and anisole fluoride, flame retardants such as phosphate esters and phosphazenes, etc. The one that comprehensively secures voltage, charge / discharge speed, safety, life characteristics, and the like.
また、上記蓄電デバイスは、上述の正極2、電解質層3、負極4のほかに、セパレータを用いている。このようなセパレータは、各種の態様で用いることができる。例えば、正極2と負極4の間の電気的な短絡を防ぐことができ、さらに、電気化学的に安定であり、イオン透過性が大きく、ある程度の機械強度を有する絶縁性の多孔質シートを用いることができ、例えば、紙、不織布や、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド等の樹脂からなる多孔質シートが好ましく用いられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いることができる。また、上述のとおり、電解質層3が固体電解質からなるシートである場合には、それ自体がセパレータを兼ねているため、別途他のセパレータを準備する必要はない。
In addition to the
図1の集電体1,5としては、電子伝導性に優れ、電池内部での体積を縮小でき(薄膜化)、加工が容易であるなどの特性を有するものを用いることができる。このような特性を満たすものとしては、例えば、ニッケル、アルミ、ステンレス、銅等の金属箔やメッシュがあげられる。なお、正極集電体(例えば集電体1)と負極集電体(例えば集電体5)とは、同じ材料で構成されていても、異なる材料で構成されていても差し支えない。 As the current collectors 1 and 5 in FIG. 1, those having characteristics such as excellent electronic conductivity, volume reduction inside the battery (thinning), and easy processing can be used. Examples of those satisfying such characteristics include metal foils and meshes such as nickel, aluminum, stainless steel, and copper. The positive electrode current collector (for example, current collector 1) and the negative electrode current collector (for example, current collector 5) may be made of the same material or different materials.
<蓄電デバイス>
つぎに、本発明の蓄電デバイス用正極を用いた蓄電デバイスについて説明する。本発明の蓄電デバイスとしては、例えば、図1に示すように、電解質層3と、これを挟んで対向して設けられた正極2と負極4とを有するものがあげられる。
<Power storage device>
Next, an electricity storage device using the positive electrode for an electricity storage device of the present invention will be described. As the electricity storage device of the present invention, for example, as shown in FIG. 1, there is a device having an
本発明の蓄電デバイス用正極を用いた蓄電デバイスは、上記負極等の材料を用いて、例えば、つぎのようにして作製することができる。すなわち、上記正極2と負極4との間にセパレータが配置されるように積層し、積層体を作製し、この積層体をアルミニウムラミネートパッケージ等の電池容器内に入れた後、真空乾燥する。つぎに、真空乾燥した電池容器内に電解液を注入し、電池容器であるパッケージを封口することにより、蓄電デバイスを作製することができる。なお、パッケージへの電解液注入等の電池の作製は、超高純度アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
An electricity storage device using the positive electrode for an electricity storage device of the present invention can be produced, for example, as follows using the material such as the negative electrode. That is, lamination is performed such that a separator is disposed between the
本発明の蓄電デバイスは、上記ラミネートセル以外に、フィルム型、シート型、角型、円筒型、ボタン型等種々の形状に形成される。また、蓄電デバイスの正極電極サイズとしては、ラミネートセルであれば1辺が、1〜300mmであることが好ましく、特に好ましくは10〜50mmであり、負極の電極サイズは1〜400mmであることが好ましく、特に好ましくは10〜60mmである。負極の電極サイズは、正極電極サイズより、わずかに大きくすることが好ましい。 The electricity storage device of the present invention is formed into various shapes such as a film type, a sheet type, a square type, a cylindrical type, and a button type in addition to the laminate cell. Moreover, as a positive electrode size of an electrical storage device, in the case of a laminate cell, one side is preferably 1 to 300 mm, particularly preferably 10 to 50 mm, and a negative electrode size is 1 to 400 mm. It is preferably 10 to 60 mm. The electrode size of the negative electrode is preferably slightly larger than the positive electrode size.
また、本発明の蓄電デバイスは、電気二重層キャパシタのように、重量出力密度とサイクル特性に優れるとともに、従来の電気二重層キャパシタの重量エネルギー密度よりも非常に高い重量エネルギー密度を有する。そのため、本発明の蓄電デバイスは、キャパシタ的蓄電デバイスであると言える。 Moreover, the electricity storage device of the present invention is excellent in weight output density and cycle characteristics like an electric double layer capacitor, and has a weight energy density much higher than that of a conventional electric double layer capacitor. Therefore, it can be said that the electricity storage device of the present invention is a capacitor electricity storage device.
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。 Next, examples will be described together with comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.
まず、実施例,比較例となる蓄電デバイスの作製に先立ち、下記に示す各成分を調製・準備した。 First, prior to the production of electricity storage devices as examples and comparative examples, the following components were prepared and prepared.
<導電性ポリアニリン粉末の調製>
テトラフルオロホウ酸をドーパントとする導電性ポリアニリン(導電性ポリマー)の粉末を、下記のように調製した。すなわち、イオン交換水138gを入れた300mL容量のガラス製ビーカーに、42重量%濃度のテトラフルオロホウ酸水溶液(和光純薬工業社製、試薬特級)84.0g(0.402mol)を加え、磁気スターラーにて撹拌しながら、これにアニリン10.0g(0.107mol)を加えた。テトラフルオロホウ酸水溶液にアニリンを加えた当初は、アニリンは、テトラフルオロホウ酸水溶液に油状の液滴として分散していたが、その後、数分以内に水に溶解し、均一で透明なアニリン水溶液になった。このようにして得られたアニリン水溶液を低温恒温槽を用いて−4℃以下に冷却した。
<Preparation of conductive polyaniline powder>
Conductive polyaniline (conductive polymer) powder using tetrafluoroboric acid as a dopant was prepared as follows. That is, 84.0 g (0.402 mol) of a 42 wt% aqueous tetrafluoroboric acid solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) was added to a 300 mL glass beaker containing 138 g of ion-exchanged water. While stirring with a stirrer, 10.0 g (0.107 mol) of aniline was added thereto. When aniline was added to the tetrafluoroboric acid aqueous solution, the aniline was dispersed as oily droplets in the tetrafluoroboric acid aqueous solution, but then dissolved in water within a few minutes, and the uniform and transparent aniline aqueous solution. Became. The aniline aqueous solution thus obtained was cooled to −4 ° C. or lower using a low temperature thermostat.
つぎに、酸化剤として二酸化マンガン粉末(和光純薬工業社製、試薬1級)11.63g(0.134mol)を、上記アニリン水溶液中に少量ずつ加えて、ビーカー内の混合物の温度が−1℃を超えないようにした。このようにして、アニリン水溶液に酸化剤を加えることによって、アニリン水溶液は直ちに黒緑色に変化した。その後、しばらく撹拌を続けたとき、黒緑色の固体が生成し始めた。 Next, 11.63 g (0.134 mol) of manganese dioxide powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., reagent grade 1) as an oxidizing agent is added little by little to the aniline aqueous solution, and the temperature of the mixture in the beaker is −1. The temperature was not exceeded. Thus, by adding an oxidizing agent to the aniline aqueous solution, the aniline aqueous solution immediately turned black-green. Thereafter, when stirring was continued for a while, a black-green solid started to be formed.
このようにして、80分間かけて酸化剤を加えた後、生成した反応生成物を含む反応混合物を冷却しながら、さらに100分間撹拌した。その後、ブフナー漏斗と吸引瓶を用いて、得られた固体をNo.2濾紙(ADVANTEC社製)にて吸引濾過して、粉末を得た。この粉末を約2mol/Lのテトラフルオロホウ酸水溶液中にて磁気スターラーを用いて撹拌洗浄した。ついで、アセトンにて数回、撹拌洗浄し、これを減圧濾過した。得られた粉末を室温(25℃)で10時間真空乾燥することにより、テトラフルオロホウ酸をドーパントとする導電性ポリアニリン(以下、単に「導電性ポリアニリン」という)12.5gを得た。この導電性ポリアニリンは鮮やかな緑色粉末であった。 Thus, after adding an oxidizing agent over 80 minutes, it stirred for 100 minutes, cooling the reaction mixture containing the produced | generated reaction product. Then, using a Buchner funnel and a suction bottle, the obtained solid was No. Suction filtration was performed with two filter papers (manufactured by ADVANTEC) to obtain a powder. The powder was stirred and washed in an aqueous solution of about 2 mol / L tetrafluoroboric acid using a magnetic stirrer. Then, the mixture was washed with stirring several times with acetone and filtered under reduced pressure. The obtained powder was vacuum-dried at room temperature (25 ° C.) for 10 hours to obtain 12.5 g of conductive polyaniline (hereinafter simply referred to as “conductive polyaniline”) having tetrafluoroboric acid as a dopant. The conductive polyaniline was a bright green powder.
(導電性ポリアニリン粉末の電導度)
上記導電性ポリアニリン粉末130mgを瑪瑙製乳鉢で粉砕した後、赤外スペクトル測定用KBr錠剤成形器を用い、75MPaの圧力下に10分間真空加圧成形して、直径13mm、厚み720μmの導電性ポリアニリンのディスクを得た。ファン・デル・ポー法による4端子法電導度測定にて測定した上記ディスクの電導度は、19.5S/cmであった。
(Conductivity of conductive polyaniline powder)
After pulverizing 130 mg of the above conductive polyaniline powder in a smoked mortar, vacuum pressure molding was performed for 10 minutes under a pressure of 75 MPa using a KBr tablet molding machine for infrared spectrum measurement, and conductive polyaniline having a diameter of 13 mm and a thickness of 720 μm. Got the disc. The conductivity of the disk measured by the 4-terminal method conductivity measurement by the Van der Pau method was 19.5 S / cm.
(脱ドープ状態の導電性ポリアニリン粉末の調製)
上記により得られたドープ状態である導電性ポリアニリン粉末を、2mol/L水酸化ナトリウム水溶液中に入れ、3Lセパラブルフラスコ中にて30分間撹拌し、中和反応によりドーパントのテトラフルオロホウ酸を脱ドープした。濾液が中性になるまで脱ドープしたポリアニリンを水洗した後、アセトン中で撹拌洗浄し、ブフナー漏斗と吸引瓶を用いて減圧濾過し、No.2濾紙上に、脱ドープしたポリアニリン粉末を得た。これを室温下、10時間真空乾燥して、茶色の脱ドープ状態のポリアニリン粉末を得た。
(Preparation of dedope conductive polyaniline powder)
The conductive polyaniline powder in the doped state obtained above is placed in a 2 mol / L aqueous sodium hydroxide solution and stirred in a 3 L separable flask for 30 minutes, and the tetrafluoroboric acid as a dopant is removed by a neutralization reaction. Doped. The dedoped polyaniline was washed with water until the filtrate became neutral, then stirred and washed in acetone, and filtered under reduced pressure using a Buchner funnel and a suction bottle to obtain a dedoped polyaniline powder on No. 2 filter paper. . This was vacuum-dried at room temperature for 10 hours to obtain a brown undoped polyaniline powder.
(還元脱ドープ状態のポリアニリン粉末の調製)
つぎに、フェニルヒドラジンのメタノール水溶液中に、この脱ドープ状態のポリアニリン粉末を入れ、撹拌下30分間還元処理を行った。ポリアニリン粉末の色は、還元により、茶色から灰色に変化した。反応後、メタノール洗浄、アセトン洗浄し、濾別後、室温下真空乾燥し、還元脱ドープ状態のポリアニリンを得た。
アセトンを溶媒として用いた、光散乱法による上記粒子のメジアン径は13μmであった。
(Preparation of polyaniline powder in reduced dedoped state)
Next, this dedope polyaniline powder was put into a methanol solution of phenylhydrazine and subjected to reduction treatment for 30 minutes with stirring. The color of the polyaniline powder changed from brown to gray by reduction. After the reaction, it was washed with methanol, washed with acetone, filtered, and vacuum dried at room temperature to obtain polyaniline in a reduced and dedoped state.
The median diameter of the particles by light scattering method using acetone as a solvent was 13 μm.
(還元脱ドープ状態のポリアニリン粉末の電導度)
上記還元脱ドープ状態のポリアニリン粉末130mgを瑪瑙製乳鉢で粉砕した後、赤外スペクトル測定用KBr錠剤成形器を用い、75MPaの圧力下に10分間真空加圧成形して、厚み720μmの還元脱ドープ状態のポリアニリンのディスクを得た。ファン・デル・ポー法による4端子法電導度測定にて測定した上記ディスクの電導度は、5.8×10-3S/cmであった。これより、ポリアニリン化合物は、イオンの挿入・脱離により導電性の変化する活物質化合物であるといえる。
(Conductivity of polyaniline powder in reduced and undoped state)
After pulverizing 130 mg of the above polyaniline powder in the reduced dedope state in a smoked mortar, vacuum reduced pressure molding was performed for 10 minutes under a pressure of 75 MPa using a KBr tablet molding machine for infrared spectrum measurement, and a reduced dedope having a thickness of 720 μm. A polyaniline disk in state was obtained. The electric conductivity of the disk measured by the 4-terminal conductivity measurement by the Van der Pau method was 5.8 × 10 −3 S / cm. Thus, it can be said that the polyaniline compound is an active material compound whose conductivity is changed by ion insertion / extraction.
<バインダー溶液の調製>
ポリアクリル酸(和光純薬工業社製、重量平均分子量100万)を水に溶解し、4.4重量%濃度の均一で粘稠なポリアクリル酸水溶液20.5gを得た。このポリアクリル酸水溶液に、水酸化リチウム0.15gを加え、再度溶解させアクリル酸部位の50%がリチウムに置換したポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液(バインダー溶液)を調製した。
<Preparation of binder solution>
Polyacrylic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1 million) was dissolved in water to obtain 20.5 g of a 4.4 wt% concentration uniform and viscous polyacrylic acid aqueous solution. To this polyacrylic acid aqueous solution, 0.15 g of lithium hydroxide was added and dissolved again to prepare a polyacrylic acid-polylithium acrylate complex solution (binder solution) in which 50% of the acrylic acid sites were replaced with lithium.
<セパレータの準備>
不織布(宝泉社製、TF40−50(空孔率:55%))を準備した。
<Preparation of separator>
A nonwoven fabric (manufactured by Hosen Co., Ltd., TF40-50 (porosity: 55%)) was prepared.
<負極の準備>
厚み50μmの金属リチウム(本城金属社製、圧延型金属リチウム)を準備した。
<Preparation of negative electrode>
Metal lithium having a thickness of 50 μm (manufactured by Honjo Metal Co., Ltd., rolled metal lithium) was prepared.
<電解液の準備>
1モル/dm3濃度のヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)のエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート溶液(キシダ化学社製)を準備した。
<Preparation of electrolyte>
An ethylene carbonate / dimethyl carbonate solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) having a concentration of 1 mol / dm 3 was prepared.
<タブ電極>
正極の電流取り出し用タブ電極として、厚み50μmのアルミ金属箔を準備し、負極の電流取り出し用タブ電極として、厚み50μmのニッケル金属箔を準備した。
<Tab electrode>
An aluminum metal foil with a thickness of 50 μm was prepared as a tab electrode for current extraction of the positive electrode, and a nickel metal foil with a thickness of 50 μm was prepared as a tab electrode for current extraction of the negative electrode.
<集電体>
正極用集電体として、厚み30μmのアルミ箔を準備し、負極用集電体として、厚み180μmのステンレスメッシュを準備した。
<Current collector>
An aluminum foil with a thickness of 30 μm was prepared as a current collector for positive electrode, and a stainless mesh with a thickness of 180 μm was prepared as a current collector for negative electrode.
準備した上記材料を用いて、まず正極を作製するための材料であるプロトン酸処理した粒子を作製した。 Using the prepared material, first, proton acid-treated particles, which are materials for producing a positive electrode, were produced.
<プロトン酸処理した粒子の作製>
上記脱ドープした状態のポリアニリン粒子5gに対して、下記表1記載のプロトン酸およびその酸濃度の溶液200mlを各々準備し、その溶液中に、上記ポリアニリン粒子を浸漬し、60℃15時間放置した。その後、吸引濾過して、メタノール、アセトンで洗浄後、真空乾燥機で40℃15時間乾燥させて、表面改質した粒子1〜5を作製した。
<Preparation of proton acid-treated particles>
The polyaniline particles 5 g in the dedope state were each prepared with 200 ml of a solution of the protonic acid and acid concentration shown in Table 1 below, and the polyaniline particles were immersed in the solution and allowed to stand at 60 ° C. for 15 hours. . Thereafter, the mixture was suction filtered, washed with methanol and acetone, and then dried in a vacuum dryer at 40 ° C. for 15 hours to prepare surface-modified particles 1 to 5.
つぎに、この粒子1〜5を、CHN元素分析装置(ELEMENTAR社製、varioEL III)と、ICP分析装置(日立ハイテクサイエンス社製、SPS−3520)を用い、それぞれCHN元素分析と、ICP分析を行い、ポリアニリン粒子に対するプロトン酸の割合を求め、表面改質割合として下記表1に示した。
なお、比較のため、プロトン酸処理をしない上記脱ドープした状態のポリアニリン粒子を、粒子6として併せて下記表1に示した。
Next, the CHN element analysis and the ICP analysis were performed on the particles 1 to 5, respectively, using a CHN element analyzer (ELEMENTAR, varioEL III) and an ICP analyzer (Hitachi High-Tech Science, SPS-3520). The ratio of the protonic acid to the polyaniline particles was determined, and the surface modification ratio is shown in Table 1 below.
For comparison, the undoped polyaniline particles not subjected to proton acid treatment are also shown in Table 1 below as particles 6.
〔実施例1〕
<正極の製造>
上記表1に示した粒子1の粉末1gを導電性カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)粉末0.24gと水1gを混合した後、これを前記ポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液4.08g中に加え、スパチュラでよく練った後、超音波式ホモジナイザーにて5分間超音波処理を施すことで流動性を有するペーストを得た。このペーストをあわとり練太郎(シンキー社製)にて3分間脱泡操作を行い、正極形成用ペースト1を調製した。
[Example 1]
<Production of positive electrode>
After mixing 1 g of the powder of the particles 1 shown in Table 1 above with 0.24 g of conductive carbon black (Denka Black, Denka Black) and 1 g of water, this is mixed with the polyacrylic acid-lithium lithium acrylate composite. In addition to 4.08 g of the body solution, kneaded well with a spatula, and then subjected to ultrasonic treatment with an ultrasonic homogenizer for 5 minutes to obtain a paste having fluidity. This paste was subjected to a defoaming operation for 3 minutes with Awatori Nertaro (manufactured by Shinky Corporation) to prepare a positive electrode forming paste 1.
上記で得たペーストを、それぞれ卓上型自動塗工装置(テスター産業社製)を用い、マイクロメーター付きドクターブレ−ド式アプリケータによって、溶液塗工厚みを360μmに調整し、塗布速度10mm/秒にて、電気二重層キャパシタ用エッチングアルミニウム箔(宝泉社製、30CB)上に塗布した。つぎに、室温(25℃)で45分間放置した後、温度100℃のホットプレート上で乾燥し、ポリアニリンシート電極(正極)を作製した。 The paste obtained above was adjusted to a solution coating thickness of 360 μm by using a desktop automatic coating apparatus (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) and a doctor blade type applicator with a micrometer, and a coating speed of 10 mm / second. Then, it was coated on an etching aluminum foil for electric double layer capacitor (manufactured by Hosen Co., Ltd., 30CB). Next, after leaving at room temperature (25 ° C.) for 45 minutes, it was dried on a hot plate having a temperature of 100 ° C. to produce a polyaniline sheet electrode (positive electrode).
そして上記作製した正極、準備した負極やセパレータは、電池の組立前にすべて真空乾燥機で100℃5時間の乾燥処理を行った直後にグローブボックス内に入れた。 The prepared positive electrode, prepared negative electrode, and separator were all placed in a glove box immediately after being dried at 100 ° C. for 5 hours with a vacuum dryer before assembling the battery.
<二次電池の製造>
そして、負極、セパレータ、正極の順に負極と正極とが接触しない様に組み合わせてアルミニウムラミネートフィルムで挟み、ヒートシールした。電解液を添加したのち、ヒートシールすることで密閉してラミネートセルリチウム二次電池を作製した。
<Manufacture of secondary batteries>
And it combined so that a negative electrode and a positive electrode might not contact in order of a negative electrode, a separator, and a positive electrode, it pinched | interposed with the aluminum laminate film, and it heat-sealed. After adding the electrolytic solution, it was sealed by heat sealing to produce a laminated cell lithium secondary battery.
〔実施例2〕
上記表1に示した粒子2の粉末1gを導電性カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)粉末0.25gと水1gを混合した後、これを前記ポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液4.30g中に加え、スパチュラでよく練った後、超音波式ホモジナイザーにて5分間超音波処理を施すことで流動性を有するペーストを得た。このペーストをあわとり練太郎(シンキー社製)にて3分間脱泡操作を行い、正極形成用ペースト2を調製した。
[Example 2]
1 g of the powder of the
上記実施例1において、正極形成用ペースト1を、上記調製した正極形成用ペースト2に代えた以外は、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode forming paste 1 was replaced with the prepared positive
〔実施例3〕
上記表1に示した粒子3の粉末1gを導電性カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)粉末0.25gと水1gを混合した後、これを前記ポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液4.51g中に加え、スパチュラでよく練った後、超音波式ホモジナイザーにて5分間超音波処理を施すことで流動性を有するペーストを得た。このペーストをあわとり練太郎(シンキー社製)にて3分間脱泡操作を行い、正極形成用ペースト3を調製した。
Example 3
After mixing 1 g of the
上記実施例1において、正極形成用ペースト1を、上記調製した正極形成用ペースト3に代えた以外は、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode forming paste 1 was replaced with the prepared positive
〔実施例4〕
上記表1に示した粒子4の粉末1gを導電性カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)粉末0.26gと水1gを混合した後、これを前記ポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液4.73g中に加え、スパチュラでよく練った後、超音波式ホモジナイザーにて5分間超音波処理を施すことで流動性を有するペーストを得た。このペーストをあわとり練太郎(シンキー社製)にて3分間脱泡操作を行い、正極形成用ペースト4を調製した。
Example 4
After mixing 1 g of
上記実施例1において、正極形成用ペースト1を、上記調製した正極形成用ペースト4に代えた以外は、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode forming paste 1 was replaced with the prepared positive
〔実施例5〕
上記表1に示した粒子5の粉末1gを導電性カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)粉末0.26gと水1gを混合した後、これを前記ポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液4.95g中に加え、スパチュラでよく練った後、超音波式ホモジナイザーにて5分間超音波処理を施すことで流動性を有するペーストを得た。このペーストをあわとり練太郎(シンキー社製)にて3分間脱泡操作を行い、正極形成用ペースト5を調製した。
Example 5
1 g of the powder of particles 5 shown in Table 1 above was mixed with 0.26 g of conductive carbon black (Denka Black, Denka Black) and 1 g of water, and then mixed with the polyacrylic acid-lithium lithium acrylate composite. In addition to 4.95 g of the body solution, kneaded well with a spatula, and then subjected to ultrasonic treatment with an ultrasonic homogenizer for 5 minutes to obtain a paste having fluidity. This paste was subjected to defoaming operation for 3 minutes with Awatori Nertaro (manufactured by Shinky Corporation) to prepare positive electrode forming paste 5.
上記実施例1において、正極形成用ペースト1を、上記調製した正極形成用ペースト5に代えた以外は、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。 A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode forming paste 1 was replaced with the prepared positive electrode forming paste 5 in Example 1.
〔比較例1〕
上記表1に示した粒子6の粉末1gを導電性カーボンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)粉末0.26gと水1gを混合した後、これを前記ポリアクリル酸−ポリアクリル酸リチウム複合体溶液4.98g中に加え、スパチュラでよく練った後、超音波式ホモジナイザーにて5分間超音波処理を施すことで流動性を有するペーストを得た。このペーストをあわとり練太郎(シンキー社製)にて3分間脱泡操作を行い、正極形成用ペースト6を調製した。
[Comparative Example 1]
After mixing 1 g of powder 6 of the particles 6 shown in Table 1 above with 0.26 g of conductive carbon black (Denka Black, Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and 1 g of water, this was mixed with the polyacrylic acid-lithium lithium acrylate composite. In addition to 4.98 g of the body solution, kneaded well with a spatula, and then subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes with an ultrasonic homogenizer to obtain a paste having fluidity. This paste was subjected to a defoaming operation for 3 minutes with Awatori Nertaro (manufactured by Shinky Corporation) to prepare a positive electrode forming paste 6.
上記実施例1において、正極形成用ペースト1を、上記調製した正極形成用ペースト6に代えた以外は、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。 A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode forming paste 1 was replaced with the prepared positive electrode forming paste 6 in Example 1.
上記実施例および比較例において、粒子表面改質割合の違いにより、粒子グラム当たりの導電性ポリマー量が変わる。そのため、粒子グラム当たりの導電性ポリマー量を揃えるために、使用する粒子により、バインダーおよび導電助剤の添加率を変えている。 In the above examples and comparative examples, the amount of conductive polymer per gram of particle varies depending on the difference in the particle surface modification ratio. Therefore, in order to make the amount of the conductive polymer per gram of the particles uniform, the addition rate of the binder and the conductive auxiliary agent is changed depending on the particles used.
〔充放電効率測定〕
上記のようにして得られた各蓄電デバイスを、電池充放電装置(北斗電工社製、SD8)を用いて、25℃の環境下で、定電流−定電圧充電/定電流放電モードにて容量密度測定を行った。充電終止電圧は3.8Vとし、0.1mAの定電流充電により電圧が3.8Vに到達した後は、3.8Vの定電圧充電を2分間行い、この後、放電終止電圧2.0Vまで定電流放電を行った。これを1サイクルとし、繰り返し充放電を行って充電容量と放電容量を調べ、放電容量を充電容量で除した値を充放電効率として算出した。
(Measurement of charge / discharge efficiency)
Each power storage device obtained as described above has a capacity in a constant current-constant voltage charge / constant current discharge mode in a 25 ° C. environment using a battery charging / discharging device (Hokuto Denko, SD8). Density measurements were made. The end-of-charge voltage is 3.8 V. After the voltage reaches 3.8 V due to constant current charging of 0.1 mA, a constant-voltage charge of 3.8 V is performed for 2 minutes, and then the end-of-discharge voltage reaches 2.0 V. A constant current discharge was performed. This was set as 1 cycle, charging / discharging was repeated, charge capacity and discharge capacity were investigated, and the value which remove | divided discharge capacity by charge capacity was computed as charging / discharging efficiency.
プロトン酸として硫酸を用いた実施例1〜3と、プロトン酸処理のない比較例1とを、上記充放電装置において、25サイクル後の充放電効率の結果を、下記表2に示すとともに、図2のグラフに示した。 In Examples 1 to 3 using sulfuric acid as a protonic acid and Comparative Example 1 without a protonic acid treatment, the results of charge and discharge efficiency after 25 cycles in the above charge and discharge device are shown in Table 2 below. This is shown in the graph of 2.
また、プロトン酸としてリン酸を用いた実施例4,5と、プロトン酸処理のない比較例1とを、上記充放電装置において、7サイクル後の充放電効率の結果を、下記表3に示すとともに、図3のグラフに併せて示した。 Tables 3 and 3 show the results of charge and discharge efficiency after 7 cycles in Examples 4 and 5 using phosphoric acid as the proton acid and Comparative Example 1 without the proton acid treatment in the above charge / discharge device. Together with the graph of FIG.
上記表1〜3および図2,3の結果より、粒子表面がプロトン酸処理により改質された導電性ポリマー粒子を含有する正極を用いた実施例では、粒子表面が改質されていない比較例1に比べて、充放電効率(%)が向上することが分かった。 From the results of Tables 1 to 3 and FIGS. 2 and 3, in Examples using positive electrodes containing conductive polymer particles whose particle surface was modified by proton acid treatment, Comparative Example in which the particle surface was not modified Compared to 1, it was found that the charge / discharge efficiency (%) was improved.
本発明の蓄電デバイスは、リチウム二次電池等の蓄電デバイスとして好適に使用できる。また、本発明の蓄電デバイスは、従来の二次電池と同様の用途に使用でき、例えば、携帯型PC、携帯電話、携帯情報端末(PDA)等の携帯用電子機器や、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、燃料電池自動車等の駆動用電源に広く用いられる。 The electricity storage device of the present invention can be suitably used as an electricity storage device such as a lithium secondary battery. The power storage device of the present invention can be used for the same applications as conventional secondary batteries. For example, portable electronic devices such as portable PCs, mobile phones, and personal digital assistants (PDAs), hybrid electric vehicles, Widely used in power sources for driving automobiles, fuel cell vehicles and the like.
1 集電体(正極用)
2 正極
3 電解質層
4 負極
5 集電体(負極用)
1 Current collector (for positive electrode)
2
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