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JP2022142971A - positive electrode precursor - Google Patents

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JP2022142971A
JP2022142971A JP2021043271A JP2021043271A JP2022142971A JP 2022142971 A JP2022142971 A JP 2022142971A JP 2021043271 A JP2021043271 A JP 2021043271A JP 2021043271 A JP2021043271 A JP 2021043271A JP 2022142971 A JP2022142971 A JP 2022142971A
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JP
Japan
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positive electrode
active material
alkali metal
electrode active
mass
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Pending
Application number
JP2021043271A
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Japanese (ja)
Inventor
和照 梅津
Kazuteru Umezu
宣宏 岡田
Nobuhiro Okada
一翔 畠山
Kazuto Hatakeyama
禎樹 清水
Sadaki Shimizu
幸也 伯田
Yukiya Hakuta
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Publication date
Application filed by Asahi Kasei Corp, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical Asahi Kasei Corp
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  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

To provide a positive electrode precursor capable of providing a non-aqueous alkali metal storage element having high stability and high capacity and promoting decomposition of an alkali metal compound.SOLUTION: A positive electrode precursor includes a positive electrode active material containing a carbon material, a coal oxide, and an alkali metal compound other than the positive electrode active material. The positive electrode precursor includes a positive electrode current collector, and a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material and the coal oxide and provided on one or both sides of the positive electrode current collector. At least a part of the surface of the positive electrode active material and at least a part of the surface of the alkali metal compound are coated with the coal oxide.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本開示は正極前駆体に関する。 The present disclosure relates to positive electrode precursors.

近年、地球環境の保全および省資源を目指すエネルギーの有効利用の観点から、風力発電の電力平滑化システムまたは深夜電力貯蔵システム、太陽光発電技術に基づく家庭用分散型蓄電システム、電気自動車用の蓄電システム等が注目を集めている。これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン電池の開発が精力的に進められている。第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)または燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時に高い出力放電特性を発揮する蓄電システムが要求されている。現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。 In recent years, from the viewpoint of effective use of energy aiming at conservation of the global environment and resource saving, power smoothing systems for wind power generation, late-night power storage systems, household distributed power storage systems based on solar power generation technology, and power storage for electric vehicles. systems are attracting attention. A primary requirement for batteries used in these power storage systems is high energy density. As a leading candidate for high energy density batteries that can meet such demands, the development of lithium ion batteries is being vigorously pursued. The second requirement is high output characteristics. For example, in a combination of a high-efficiency engine and an energy storage system (e.g., hybrid electric vehicle) or a combination of a fuel cell and an energy storage system (e.g., fuel cell electric vehicle), there is a demand for an energy storage system that exhibits high output discharge characteristics during acceleration. It is Currently, electric double layer capacitors, nickel-metal hydride batteries, and the like are being developed as high-power storage devices.

電気二重層キャパシタのうち、電極に活性炭を用いたものは、0.5~1kW/L程度の出力特性を有する。この電気二重層キャパシタは、出力特性が高いだけでなく、耐久性(サイクル特性および高温保存特性)もまた高く、上記の高出力が要求される分野で最適のデバイスであると考えられてきた。しかしながら、そのエネルギー密度は1~5Wh/L程度に過ぎないため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。 Among electric double layer capacitors, those using activated carbon for electrodes have an output characteristic of about 0.5 to 1 kW/L. This electric double layer capacitor not only has high output characteristics, but also has high durability (cycle characteristics and high temperature storage characteristics), and has been considered to be an optimal device in the above fields where high output is required. However, since its energy density is only about 1 to 5 Wh/L, it is necessary to further improve the energy density.

現在ハイブリッド電気自動車で一般に採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度および出力特性をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。 Nickel-metal hydride batteries, which are currently commonly used in hybrid electric vehicles, have a high output equivalent to that of electric double layer capacitors and an energy density of about 160 Wh/L. However, research is being vigorously pursued to further increase its energy density and output characteristics, as well as its durability (in particular, stability at high temperatures).

リチウムイオン電池においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(すなわち、蓄電素子の放電容量に対する放電量の割合(%))50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオン電池が開発されている。しかしながら、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計である。また、その耐久性(サイクル特性および高温保存特性)は、電気二重層キャパシタに比べ劣るため、そのようなリチウムイオン電池は、実用的な耐久性を持たせるために、放電深度が0~100%の範囲よりも狭い範囲で使用される。実際に使用できるリチウムイオン電池の容量はさらに小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。 Also in lithium-ion batteries, research is being carried out toward higher output. For example, a lithium-ion battery has been developed that provides a high output exceeding 3 kW/L at a depth of discharge (that is, the ratio (%) of the amount of discharge to the discharge capacity of the storage element) of 50%. However, the energy density is 100 Wh/L or less, and the design deliberately suppresses the high energy density, which is the greatest feature of lithium-ion batteries. In addition, its durability (cycle characteristics and high-temperature storage characteristics) is inferior to that of electric double layer capacitors. used in a narrower range than the range of Since the capacity of lithium-ion batteries that can actually be used is even smaller, research to further improve the durability is being vigorously pursued.

上記のように、高エネルギー密度、高出力特性、および高耐久性を兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。しかしながら、上述した既存の蓄電素子には、それぞれ一長一短があるため、これらの技術的要求を充足する新たな蓄電素子が求められている。その有力な候補として、リチウムイオンキャパシタと呼ばれる蓄電素子が注目され、開発が盛んに行われている。リチウムイオンキャパシタは、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子(以下、「非水系アルカリ金属蓄電素子」ともいう。)の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着および脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン電池と同様のリチウムイオンの吸蔵および放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。 As described above, there is a strong demand for practical use of an electric storage device having high energy density, high output characteristics, and high durability. However, since the existing electric storage elements described above each have advantages and disadvantages, there is a demand for new electric storage elements that satisfy these technical requirements. As a promising candidate, an electric storage element called a lithium ion capacitor has attracted attention and is being actively developed. Lithium ion capacitors are a type of energy storage device that uses a non-aqueous electrolyte solution containing lithium salt (hereinafter also referred to as a "non-aqueous alkali metal energy storage device"). It is a storage element that charges and discharges by a non-Faraday reaction due to the adsorption and desorption of anions as in the case of a lithium ion battery, and by a Faraday reaction due to the absorption and release of lithium ions at the negative electrode as in a lithium ion battery.

上記の蓄電素子に一般的に用いられる電極材料とその特徴をまとめると、一般的に、電極に活性炭等の材料を用い、活性炭表面のイオンの吸着および脱離(非ファラデー反応)により充放電を行う場合は、高出力かつ高耐久性が得られるが、エネルギー密度が低くなる(例えば1倍とする。)。他方、電極に酸化物または炭素材料を用い、ファラデー反応により充放電を行う場合は、エネルギー密度が高くなる(例えば、活性炭を用いた非ファラデー反応の10倍とする。)が、耐久性および出力特性に課題がある。 Summarizing the electrode materials and their characteristics generally used in the above storage devices, materials such as activated carbon are generally used for the electrodes, and charge and discharge are performed by the adsorption and desorption (non-Faraday reaction) of ions on the surface of the activated carbon. When it is carried out, high output and high durability are obtained, but the energy density becomes low (for example, 1 time). On the other hand, when an oxide or carbon material is used for the electrodes and charge and discharge are performed by faradaic reaction, the energy density is high (for example, 10 times that of non-faradaic reaction using activated carbon), but durability and output There is a problem with the characteristics.

これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極および負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって高出力かつ高耐久性を有するが、エネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。 As a combination of these electrode materials, the electric double layer capacitor uses activated carbon (one energy density) for the positive and negative electrodes, and is characterized in that both the positive and negative electrodes are charged and discharged by non-Faraday reactions, and therefore have high output and high durability. However, the energy density is low (one time positive electrode x one time negative electrode = 1).

リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)を有するが、出力特性および耐久性に課題がある。さらに、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10~50%しか使用できない。 Lithium ion secondary batteries are characterized by using a lithium transition metal oxide (10 times the energy density) for the positive electrode and a carbon material (10 times the energy density) for the negative electrode, and charging and discharging both the positive and negative electrodes by the Faraday reaction. It has a high energy density (10 times the positive electrode × 10 times the negative electrode = 100), but there are problems with the output characteristics and durability. Furthermore, in order to satisfy the high durability required for hybrid electric vehicles and the like, the depth of discharge must be limited, and lithium ion secondary batteries can only use 10 to 50% of that energy.

リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、したがって、電気二重層キャパシタおよびリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた非対称キャパシタである。リチウムイオンキャパシタは高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。 Lithium ion capacitors are characterized by using activated carbon (1 times the energy density) for the positive electrode and a carbon material (10 times the energy density) for the negative electrode, and charging and discharging by non-faradaic reaction at the positive electrode and faradaic reaction at the negative electrode. It is an asymmetric capacitor that combines the characteristics of an electric double layer capacitor and a lithium ion secondary battery. Lithium-ion capacitors have high output and high durability, but also have high energy density (1 times positive electrode × 10 times negative electrode = 10), and there is no need to limit the depth of discharge like lithium-ion secondary batteries. It is a feature.

上記リチウムイオンキャパシタの更なる高容量化や、新規の炭素材料の開発については、様々な検討が行われている(特許文献1~3、非特許文献1)。特許文献1には、活性炭と酸化グラフェン(GO)を含むリチウムイオンキャパシタが開示されており、正極活物質層中の酸化グラフェンに還元処理を施すことで活物質粒子間の結合力を高めることができる。特許文献2には、正極前駆体に含有されたアルカリ金属化合物の分解を促進し、高容量かつ高出力な正極前駆体が提案されている。特許文献3には、100℃以上の高温でも優れたプロトン伝導性を示し、電子伝導性が発現しない酸化石炭(CO)を、固体電解質膜として利用することが開示されている。非特許文献1には炭素上のカルボニル基等の官能基がリチウムイオンとの反応により疑似容量が発現することが開示されている。 Various studies have been conducted to further increase the capacity of the lithium ion capacitor and develop new carbon materials (Patent Documents 1 to 3, Non-Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a lithium ion capacitor containing activated carbon and graphene oxide (GO), and the binding force between the active material particles can be increased by subjecting the graphene oxide in the positive electrode active material layer to reduction treatment. can. Patent Document 2 proposes a positive electrode precursor that promotes decomposition of an alkali metal compound contained in the positive electrode precursor and has high capacity and high output. Patent Document 3 discloses the use of coal oxide (CO), which exhibits excellent proton conductivity even at high temperatures of 100° C. or higher and does not exhibit electronic conductivity, as a solid electrolyte membrane. Non-Patent Document 1 discloses that a functional group such as a carbonyl group on carbon reacts with lithium ions to develop a pseudocapacity.

特開2013-47171号公報JP 2013-47171 A 国際公開第2017/126687号WO2017/126687 特開2017-52667号公報JP 2017-52667 A

Bor Z.Jag,Chenguang Liu,David Neff,Zhenning Yu,Ming C.Wang,Wei Xiong,Aruna Zhamu Nano Lett.,2011,11,3785-3791Bor Z. Jag, Chenguang Liu, David Neff, Zhenning Yu, Ming C.; Wang, Wei Xiong, Aruna Zhamu Nano Lett. , 2011, 11, 3785-3791 E.P.Barrett,L.G.Joyner and P.Halenda,J.Am.Chem.Soc.,73,373(1951)E. P. Barrett, L.; G. Joyner andP. Halenda, J.; Am. Chem. Soc. , 73, 373 (1951) B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965)B. C. Lippens, J.; H. de Boer, J.; Catalysis, 4319 (1965) R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface Sci.,26,45(1968)R. S. Mikhail, S.; Brunauer, E.; E. Bodor, J.; Colloid Interface Sci. , 26, 45 (1968)

しかしながら、酸化グラフェンは熱安定性の低いエポキシ基を多く含むため、100℃以上の環境下では官能基が還元分解してしまう。そのため、エネルギー密度向上のために活性炭と酸化グラフェンを混合した場合、活性炭中の水分を取り除くために100℃以上の高温環境下で真空乾燥すると酸化グラフェンの官能基が分解してしまい高容量化ができない。また、酸化石炭を活性炭と併用することによる高容量化や、酸化石炭をアルカリ金属化合物と併用した場合のアルカリ金属化合物の分解効率について改善の余地がある。 However, since graphene oxide contains many epoxy groups with low thermal stability, the functional groups are reductively decomposed in an environment of 100° C. or higher. Therefore, when activated carbon and graphene oxide are mixed to improve energy density, vacuum drying in a high temperature environment of 100 ° C. or higher to remove moisture in the activated carbon decomposes the functional groups of graphene oxide, which prevents high capacity. Can not. Further, there is room for improvement in increasing the capacity by using oxidized coal in combination with activated carbon, and in the decomposition efficiency of alkali metal compounds when oxidized coal is used in combination with alkali metal compounds.

本開示は、熱安定性が高く、高容量であり、かつアルカリ金属化合物の分解が促進される非水系アルカリ金属蓄電素子を提供することができる、正極前駆体を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a positive electrode precursor that can provide a non-aqueous alkali metal storage element that has high thermal stability, high capacity, and accelerates the decomposition of alkali metal compounds.

以下、本開示の実施形態の例を列記する。
[1]
炭素材料を含む正極活物質と、酸化石炭と、前記正極活物質以外のアルカリ金属化合物とを含む、正極前駆体であって、
前記正極前駆体は、正極集電体と、前記正極集電体の片面又は両面上に設けられた、前記正極活物質及び上記酸化石炭を含む正極活物質層とを有し、
上記正極活物質の表面の少なくとも一部及び上記アルカリ金属化合物の表面の少なくとも一部に上記酸化石炭が被覆している、正極前駆体。
[2]
上記正極前駆体の正極活物質層に含まれる上記酸化石炭の含有量が、上記正極活物質層の全質量を基準として、0.5質量%以上8.0質量%以下であり、上記アルカリ金属化合物の含有量が、上記正極活物質層の全質量を基準として、20.0質量%以上45.0質量%以下である、項目1に記載の正極前駆体。
[3]
上記酸化石炭のXPS(X線光電子分光)により測定されるカルボキシル基官能基量が、10.0atm%以上26.0atm%以下であり、エポキシ基官能基量が0.1atm%以上8.0atm%以下である、項目1又は2に記載の正極前駆体。
[4]
上記酸化石炭のAFM(原子間力顕微鏡)により測定されるシートサイズが10nm以上50nm未満である、項目1~3のいずれか一項に記載の正極前駆体。
Examples of embodiments of the present disclosure are listed below.
[1]
A positive electrode precursor comprising a positive electrode active material containing a carbon material, coal oxide, and an alkali metal compound other than the positive electrode active material,
The positive electrode precursor has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material and the coal oxide provided on one or both sides of the positive electrode current collector,
A positive electrode precursor, wherein at least part of the surface of the positive electrode active material and at least part of the surface of the alkali metal compound are coated with the coal oxide.
[2]
The content of the coal oxide contained in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is 0.5% by mass or more and 8.0% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer, and the alkali metal The positive electrode precursor according to item 1, wherein the content of the compound is 20.0% by mass or more and 45.0% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer.
[3]
The carboxyl group functional group content of the oxidized coal measured by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) is 10.0 atm% or more and 26.0 atm% or less, and the epoxy group functional group content is 0.1 atm% or more and 8.0 atm%. The positive electrode precursor according to item 1 or 2, which is:
[4]
4. The positive electrode precursor according to any one of items 1 to 3, wherein the oxidized coal has a sheet size of 10 nm or more and less than 50 nm as measured by an AFM (atomic force microscope).

本開示によれば、100℃以上の高温安定性を有し、高容量であり、アルカリ金属化合物の分解が促進される非水系アルカリ金属蓄電素子を提供することができる正極前駆体が提供される。 According to the present disclosure, there is provided a positive electrode precursor capable of providing a non-aqueous alkali metal storage element that has high temperature stability of 100° C. or higher, high capacity, and accelerates the decomposition of alkali metal compounds. .

図1は、実施例における酸化石炭のAFM像である。FIG. 1 is an AFM image of oxidized coal in an example. 図2は、実施例における酸化石炭のXPSスペクトルである。FIG. 2 is an XPS spectrum of oxidized coal in the example. 図3は、比較例における酸化グラフェンのXPSスペクトルである。FIG. 3 is an XPS spectrum of graphene oxide in a comparative example. 図4は、実施例1における正極前駆体1を倍率5,000倍で撮影したSeM画像である。FIG. 4 is an SeM image of the positive electrode precursor 1 in Example 1 taken at a magnification of 5,000. 図5は、比較例1における正極前駆体5を倍率5,000倍で撮影したSeM画像である。FIG. 5 is an SeM image of the positive electrode precursor 5 in Comparative Example 1 taken at a magnification of 5,000. 図6は、比較例2における正極前駆体6を倍率5,000倍で撮影したSeM画像である。FIG. 6 is an SeM image of the positive electrode precursor 6 in Comparative Example 2 taken at a magnification of 5,000.

《非水系アルカリ金属蓄電素子》
非水系アルカリ金属蓄電素子は、一般に、正極と、負極と、セパレータと、非水系電解液とを主な構成要素とする。非水系電解液としては、有機溶媒中にアルカリ金属イオンを溶解した溶液を用いる。
《Non-aqueous alkali metal storage device》
A non-aqueous alkali metal storage element generally includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolytic solution as main components. As the non-aqueous electrolytic solution, a solution in which alkali metal ions are dissolved in an organic solvent is used.

〈正極前駆体(正極)〉
後述するように、非水系アルカリ金属蓄電素子の組み立て工程内で、負極にアルカリ金属イオンをプレドープする。本明細書では、アルカリ金属ドープ工程前における正極を「正極前駆体」、アルカリ金属ドープ工程後における正極を「正極」と定義する。
<Positive electrode precursor (positive electrode)>
As will be described later, the negative electrode is pre-doped with alkali metal ions in the process of assembling the non-aqueous alkali metal storage element. In this specification, the positive electrode before the alkali metal doping step is defined as a “positive electrode precursor”, and the positive electrode after the alkali metal doping step is defined as a “positive electrode”.

本開示の正極前駆体は、炭素材料を含む正極活物質と、酸化石炭と、上記正極活物質以外のアルカリ金属化合物とを含む。正極活物質の表面の少なくとも一部及びアルカリ金属化合物の表面の少なくとも一部に、酸化石炭が被覆している。アルカリ金属ドープ工程後の正極は、炭素材料を含む正極活物質と、酸化石炭とを含み、これらに加えて、アルカリ金属化合物を更に含んでいてもよい。 A positive electrode precursor of the present disclosure includes a positive electrode active material containing a carbon material, coal oxide, and an alkali metal compound other than the positive electrode active material. At least part of the surface of the positive electrode active material and at least part of the surface of the alkali metal compound are coated with coal oxide. The positive electrode after the alkali metal doping step contains a positive electrode active material containing a carbon material and coal oxide, and in addition to these, may further contain an alkali metal compound.

[正極活物質層]
正極集電体及び正極において、正極活物質層は、炭素材料を含む正極活物質、及び酸化石炭を含む。正極活物質層は、これら以外に、必要に応じて、後述の任意成分を含んでいてもよい。
[Positive electrode active material layer]
In the positive electrode current collector and the positive electrode, the positive electrode active material layer contains a positive electrode active material containing a carbon material and coal oxide. In addition to these, the positive electrode active material layer may contain optional components described later, if necessary.

(正極活物質)
正極活物質は、活性炭を含むことが好ましく、活性炭の他に、導電性高分子、及びリチウム遷移金属酸化物等をさらに含んでいてもよい。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material preferably contains activated carbon, and may further contain a conductive polymer, a lithium transition metal oxide, and the like in addition to activated carbon.

活性炭を正極活物質として用いる場合、活性炭の種類およびその原料には特に制限はないが、高い入出力特性と、高いエネルギー密度とを両立させるために、活性炭の細孔を最適に制御することが好ましい。具体的には、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV(cm/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV(cm/g)とするとき、
(1)高い入出力特性のためには、0.3<V≦0.8、および0.5≦V≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m/g以上3,000m/g以下である活性炭(以下、活性炭1ともいう。)が好ましく、また、
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V≦2.5、および0.8<V≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m/g以上4,000m/g以下である活性炭(以下、活性炭2ともいう。)が好ましい。
When activated carbon is used as the positive electrode active material, there are no particular restrictions on the type of activated carbon and its raw material. preferable. Specifically, V 1 (cm 3 /g) is the amount of mesopores derived from pores with a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method, and micropores derived from pores with a diameter of less than 20 Å calculated by the MP method. When the amount is V 2 (cm 3 /g),
(1) For high input/output characteristics, 0.3<V 1 ≤ 0.8 and 0.5 ≤ V 2 ≤ 1.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 1, Activated carbon having a density of 500 m 2 /g or more and 3,000 m 2 /g or less (hereinafter also referred to as activated carbon 1) is preferable, and
(2) In order to obtain a high energy density, 0.8<V 1 ≤ 2.5 and 0.8<V 2 ≤ 3.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 2, Activated carbon having a density of 300 m 2 /g or more and 4,000 m 2 /g or less (hereinafter also referred to as activated carbon 2) is preferable.

活物質のBET比表面積およびメソ孔量、マイクロ孔量、平均細孔径は、それぞれ以下の方法によって求められる値である。試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行なう。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、BET比表面積はBET多点法またはBET1点法により、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法により、それぞれ算出される。BJH法は一般的にメソ孔の解析に用いられる計算方法で、Barrett,Joyner, Halendaらにより提唱されたものである(非特許文献1)。MP法とは、「t-プロット法」(非特許文献2)を利用して、マイクロ孔容積、マイクロ孔面積、およびマイクロ孔の分布を求める方法を意味し、R.S.Mikhail, Brunauer,Bodorにより考案された方法である(非特許文献3)。また、平均細孔径とは、液体窒素温度下で、各相対圧力下における窒素ガスの各平衡吸着量を測定して得られる、試料の質量あたりの全細孔容積を上記BET比表面積で除して求めたものを指す。 The BET specific surface area, mesopore volume, micropore volume, and average pore diameter of the active material are values obtained by the following methods. The sample is vacuum-dried at 200° C. for a day and night, and the adsorption and desorption isotherms are measured using nitrogen as an adsorbate. Using the adsorption-side isotherm obtained here, the BET specific surface area is calculated by the BET multi-point method or the BET single-point method, the mesopore content is calculated by the BJH method, and the micropore content is calculated by the MP method. The BJH method is a calculation method generally used for analyzing mesopores, and was proposed by Barrett, Joyner, Halenda et al. (Non-Patent Document 1). The MP method means a method for determining micropore volume, micropore area, and micropore distribution using the "t-plot method" (Non-Patent Document 2). S. This is a method devised by Mikhail, Brunauer, and Bodor (Non-Patent Document 3). In addition, the average pore diameter is obtained by measuring each equilibrium adsorption amount of nitrogen gas under each relative pressure at liquid nitrogen temperature, and the total pore volume per mass of the sample is divided by the BET specific surface area. point to what you asked for.

(活性炭1)
活性炭1のメソ孔量Vは、正極材料を蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cm/gより大きい値であることが好ましい。Vは、正極の嵩密度の低下を抑える点から、0.8cm/g以下であることが好ましい。Vは、より好ましくは0.35cm/g以上0.7cm/g以下、さらに好ましくは0.4cm/g以上0.6cm/g以下である。活性炭1のマイクロ孔量Vは、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.5cm/g以上であることが好ましい。Vは、活性炭の嵩を抑え、電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという点から、1.0cm/g以下であることが好ましい。Vは、より好ましくは0.6cm/g以上1.0cm/g以下、さらに好ましくは0.8cm/g以上1.0cm/g以下である。マイクロ孔量Vに対するメソ孔量Vの比(V/V)は、0.3≦V/V≦0.9の範囲であることが好ましい。すなわち、高容量を維持しながら出力特性の低下を抑えることができる程度に、マイクロ孔量に対するメソ孔量の割合を大きくするという点から、V/Vが0.3以上であることが好ましい。一方で、高出力特性を維持しながら容量の低下を抑えることができる程度に、メソ孔量に対するマイクロ孔量の割合を大きくするという点から、V/Vは0.9以下であることが好ましい。より好ましいV/Vの範囲は0.4≦V/V≦0.7、さらに好ましいV/Vの範囲は0.55≦V/V≦0.7である。
(Activated carbon 1)
The mesopore volume V 1 of the activated carbon 1 is preferably larger than 0.3 cm 3 /g from the viewpoint of increasing the input/output characteristics when the positive electrode material is incorporated in a power storage device. V 1 is preferably 0.8 cm 3 /g or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the bulk density of the positive electrode. V 1 is more preferably 0.35 cm 3 /g or more and 0.7 cm 3 /g or less, and still more preferably 0.4 cm 3 /g or more and 0.6 cm 3 /g or less. The micropore volume V2 of the activated carbon 1 is preferably 0.5 cm 3 / g or more in order to increase the specific surface area of the activated carbon and increase its capacity. V 2 is preferably 1.0 cm 3 /g or less from the viewpoint of suppressing the bulk of activated carbon, increasing the density as an electrode, and increasing the capacity per unit volume. V 2 is more preferably 0.6 cm 3 /g or more and 1.0 cm 3 /g or less, and still more preferably 0.8 cm 3 /g or more and 1.0 cm 3 /g or less. The ratio of the mesopore volume V1 to the micropore volume V2 ( V1 / V2) is preferably in the range of 0.3≤V1 / V2≤0.9 . That is, V 1 /V 2 is preferably 0.3 or more from the viewpoint of increasing the ratio of the mesopore volume to the micropore volume to the extent that deterioration in output characteristics can be suppressed while maintaining a high capacity. preferable. On the other hand, V 1 /V 2 should be 0.9 or less from the viewpoint of increasing the ratio of the amount of micropores to the amount of mesopores to the extent that a decrease in capacity can be suppressed while maintaining high output characteristics. is preferred. A more preferable range of V 1 /V 2 is 0.4≦V 1 /V 2 ≦0.7, and a further preferable range of V 1 /V 2 is 0.55≦V 1 /V 2 ≦0.7.

活性炭1の平均細孔径は、得られる蓄電素子の出力を最大にする点から、17Å以上であることが好ましく、18Å以上であることがより好ましく、20Å以上であることが最も好ましい。また容量を最大にする点から、活性炭1の平均細孔径は25Å以下であることが好ましい。活性炭1のBET比表面積は、1,500m/g以上3,000m/g以下であることが好ましく、1,500m/g以上2,500m/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が1,500m/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、BET比表面積が3,000m/g以下の場合には、電極の強度を保つために結着剤を多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。 The average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 17 Å or more, more preferably 18 Å or more, and most preferably 20 Å or more, from the viewpoint of maximizing the output of the obtained electricity storage device. Moreover, from the viewpoint of maximizing the capacity, the average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 25 Å or less. The BET specific surface area of activated carbon 1 is preferably 1,500 m 2 /g or more and 3,000 m 2 /g or less, and more preferably 1,500 m 2 /g or more and 2,500 m 2 /g or less. When the BET specific surface area is 1,500 m 2 /g or more, it is easy to obtain a good energy density. Since it is not necessary to add a large amount of binder, the performance per electrode volume is improved.

前記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明する原料および処理方法を用いて得ることができる。活性炭1の原料として用いられる炭素源は、特に限定されるものではない。例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、およびこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応およびコストの観点から、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、およびそれらの炭化物が好ましく、ヤシ殻炭化物が特に好ましい。 Activated carbon 1 having the characteristics described above can be obtained, for example, using the raw materials and processing methods described below. A carbon source used as a raw material of the activated carbon 1 is not particularly limited. For example, plant materials such as wood, wood flour, coconut shells, by-products of pulp manufacturing, bagasse, blackstrap molasses; Fossil-based raw materials: Various synthetic resins such as phenol resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, celluloid, epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin, polyamide resin; polybutylene, polybutadiene, polychloroprene, etc. synthetic rubber; other synthetic woods, synthetic pulps, etc., and charcoalized products thereof. Among these raw materials, plant-based raw materials such as coconut shells and wood flour, and their carbonized materials are preferable, and coconut shell carbonized materials are particularly preferable, from the viewpoint of mass production and cost.

これらの原料を前記活性炭1とするための炭化および賦活の方式としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の既知の方式を採用できる。これらの原料の炭化方法としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、一酸化炭素、燃焼排ガス等の不活性ガス、またはこれらの不活性ガスを主成分とした他のガスとの混合ガスを使用して、400~700℃(好ましくは450~600℃)程度において、30分~10時間程度に亘って焼成する方法が挙げられる。上記で説明された炭化方法により得られた炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法が好ましく用いられる。これらのうち、賦活ガスとして、水蒸気または二酸化炭素を使用する方法が好ましい。この賦活方法では、賦活ガスを0.5~3.0kg/h(好ましくは0.7~2.0kg/h)の割合で供給しながら、得られた炭化物を3~12時間(好ましくは5~11時間、さらに好ましくは6~10時間)掛けて800~1,000℃まで昇温して賦活するのが好ましい。さらに、上記で説明された炭化物の賦活処理に先立ち、予め炭化物を1次賦活してもよい。この1次賦活では、通常、炭素材料を水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて、900℃未満の温度で焼成してガス賦活する方法が、好ましく採用できる。上記で説明された炭化方法における焼成温度および焼成時間と、賦活方法における賦活ガス供給量、昇温速度および最高賦活温度とを適宜組み合わせることにより、活性炭1を製造することができる。 As the method of carbonization and activation for making these raw materials into the activated carbon 1, known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, a rotary kiln method, and the like can be adopted. Carbonization of these raw materials includes inert gases such as nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, xenon, neon, carbon monoxide, combustion exhaust gas, etc., or other gases containing these inert gases as main components. A mixed gas may be used to bake at about 400 to 700° C. (preferably 450 to 600° C.) for about 30 minutes to 10 hours. As a method for activating the carbide obtained by the above-described carbonization method, a gas activation method of firing using an activation gas such as water vapor, carbon dioxide, or oxygen is preferably used. Among these, the method using water vapor or carbon dioxide as the activating gas is preferred. In this activation method, the resulting charcoal is heated for 3 to 12 hours (preferably 5 11 hours, more preferably 6 to 10 hours), the temperature is raised to 800 to 1,000° C. for activation. Furthermore, the carbide may be preliminarily activated prior to the above-described activation treatment of the carbide. In this primary activation, a method of calcining the carbon material at a temperature of less than 900° C. using an activating gas such as steam, carbon dioxide, or oxygen to activate the gas is preferably employed. Activated carbon 1 can be produced by appropriately combining the firing temperature and firing time in the carbonization method described above with the activation gas supply rate, temperature increase rate, and maximum activation temperature in the activation method.

活性炭1の平均粒子径は、2~20μmであることが好ましい。平均粒子径が2μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。なお、平均粒子径が小さいと耐久性が低いという欠点を招来する場合があるが、平均粒子径が2μm以上であればそのような欠点が生じ難い。一方で、平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電には適合し易くなる傾向がある。活性炭1の平均粒子径は、より好ましくは2~15μmであり、さらに好ましくは3~10μmである。 The average particle size of activated carbon 1 is preferably 2 to 20 μm. When the average particle size is 2 μm or more, the density of the active material layer is high, so the capacity per electrode volume tends to be high. Incidentally, when the average particle size is small, there is a case where the drawback of low durability is caused, but if the average particle size is 2 μm or more, such a drawback hardly occurs. On the other hand, when the average particle size is 20 μm or less, there is a tendency that it is easily suitable for high-speed charging and discharging. The average particle size of the activated carbon 1 is more preferably 2-15 μm, more preferably 3-10 μm.

(活性炭2)
活性炭2のメソ孔量Vは、正極材料を蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cm/gより大きい値であることが好ましい。Vは、蓄電素子の容量の低下を抑える観点から、2.5cm/g以下であることが好ましい。Vは、より好ましくは1.00cm/g以上2.0cm3/g以下、さらに好ましくは、1.2cm/g以上1.8cm/g以下である。活性炭2のマイクロ孔量Vは、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.8cm3/gより大きい値であることが好ましい。Vは、活性炭の電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという観点から、3.0cm/g以下であることが好ましい。Vは、より好ましくは1.0cm/gより大きく2.5cm/g以下、さらに好ましくは1.5cm/g以上2.5cm/g以下である。上述したメソ孔量およびマイクロ孔量を有する活性炭2は、従来の電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ用として使用されていた活性炭よりもBET比表面積が高いものである。活性炭2のBET比表面積の具体的な値は、2,300m/g以上4,000m/g以下であることが好ましく、3,000m/g以上4,000m/g以下であることがより好ましく、3,200m/g以上3,800m/g以下であることがさらに好ましい。BET比表面積が2,300m/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、BET比表面積が4,000m/g以下の場合には、電極の強度を保つために結着剤を多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。
(Activated carbon 2)
The mesopore volume V1 of the activated carbon 2 is preferably a value larger than 0.8 cm 3 /g from the viewpoint of increasing the output characteristics when the positive electrode material is incorporated in a power storage device. V 1 is preferably 2.5 cm 3 /g or less from the viewpoint of suppressing a decrease in capacity of the storage element. V 1 is more preferably 1.00 cm 3 /g or more and 2.0 cm 3 /g or less, and still more preferably 1.2 cm 3 /g or more and 1.8 cm 3 /g or less. The micropore volume V2 of the activated carbon 2 is preferably greater than 0.8 cm3/g in order to increase the specific surface area of the activated carbon and increase its capacity. V 2 is preferably 3.0 cm 3 /g or less from the viewpoint of increasing the density of the activated carbon as an electrode and increasing the capacity per unit volume. V 2 is more preferably greater than 1.0 cm 3 /g and less than or equal to 2.5 cm 3 /g, still more preferably greater than or equal to 1.5 cm 3 /g and less than or equal to 2.5 cm 3 /g. The activated carbon 2 having the mesopore volume and micropore volume described above has a higher BET specific surface area than activated carbon used for conventional electric double layer capacitors or lithium ion capacitors. A specific value of the BET specific surface area of the activated carbon 2 is preferably 2,300 m 2 /g or more and 4,000 m 2 /g or less, and is 3,000 m 2 /g or more and 4,000 m 2 /g or less. is more preferable, and more preferably 3,200 m 2 /g or more and 3,800 m 2 /g or less. When the BET specific surface area is 2,300 m 2 /g or more, good energy density is easily obtained, and when the BET specific surface area is 4,000 m 2 /g or less, binding is required to maintain the strength of the electrode. Since it is not necessary to add a large amount of agent, the performance per electrode volume is increased.

前記のような特徴を有する活性炭2は、例えば以下に説明するような原料および処理方法を用いて得ることができる。活性炭2の原料として用いられる炭素質材料としては、通常活性炭原料として用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、およびフラン樹脂は、高比表面積の活性炭を作製するのに適しており特に好ましい。 The activated carbon 2 having the characteristics described above can be obtained, for example, using raw materials and processing methods as described below. The carbonaceous material used as the raw material for the activated carbon 2 is not particularly limited as long as it is a carbon source that is usually used as a raw material for activated carbon. Examples include plant materials such as wood, wood flour, and coconut shells; Fossil raw materials such as coke; various synthetic resins such as phenol resin, furan resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, and the like. Among these raw materials, phenolic resins and furan resins are particularly preferred because they are suitable for producing activated carbon with a high specific surface area.

これらの原料を炭化する方式、或いは賦活処理時の加熱方法としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の公知の方式が挙げられる。加熱時の雰囲気は窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、またはこれらの不活性ガスを主成分として他のガスとの混合したガスが用いられる。炭化温度は400~700℃程度で0.5~10時間程度焼成する方法が一般的である。炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法、およびアルカリ金属化合物と混合した後に加熱処理を行うアルカリ金属賦活法があるが、高比表面積の活性炭を作製するにはアルカリ金属賦活法が好ましい。この賦活方法では、炭化物とKOH、NaOH等のアルカリ金属化合物との質量比が1:1以上(アルカリ金属化合物の量が、炭化物の量と同じかこれよりも多い量)となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600~900℃の範囲において、0.5~5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸および水により洗浄除去し、さらに乾燥を行ってもよい。マイクロ孔量を大きくし、メソ孔量を大きくしないためには、賦活する際に炭化物の量を多めにしてKOHと混合するとよい。マイクロ孔量およびメソ孔量の双方を大きくするためには、KOHの量を多めに使用するとよい。また、主としてメソ孔量を大きくするためには、アルカリ賦活処理を行った後に水蒸気賦活を行うことが好ましい。活性炭2の平均粒子径は2μm以上20μm以下であることが好ましい。より好ましくは3μm以上10μm以下である。 Methods for carbonizing these raw materials or methods for heating during activation include, for example, known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method. As the atmosphere during heating, an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, or argon, or a gas containing these inert gases as main components and mixed with other gases is used. Generally, the carbonization temperature is about 400 to 700° C. and the firing is performed for about 0.5 to 10 hours. As a method for activating carbide, there are a gas activation method in which activating gas such as water vapor, carbon dioxide, and oxygen is used to calcine, and an alkali metal activation method in which heat treatment is performed after mixing with an alkali metal compound. The alkali metal activation method is preferred for producing activated carbon. In this activation method, the mass ratio of the carbide and the alkali metal compound such as KOH or NaOH is 1:1 or more (the amount of the alkali metal compound is the same as or greater than the amount of the carbide). After that, heating may be performed for 0.5 to 5 hours in the range of 600 to 900° C. in an inert gas atmosphere, after which the alkali metal compound may be washed off with acid and water, and dried. In order to increase the amount of micropores and not increase the amount of mesopores, it is preferable to increase the amount of carbide and mix it with KOH during activation. To increase both the micropore volume and the mesopore volume, a larger amount of KOH should be used. In order to mainly increase the mesopore volume, it is preferable to perform steam activation after performing alkali activation treatment. The average particle size of the activated carbon 2 is preferably 2 μm or more and 20 μm or less. More preferably, it is 3 μm or more and 10 μm or less.

(活性炭の使用態様)
活性炭1および2は、それぞれ、1種の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって前記した各々の特性値を混合物全体として示すものであってもよい。前記の活性炭1および2は、これらのうちのいずれか一方を選択して使用してもよいし、両者を混合して使用してもよい。正極活物質は、活性炭1および2以外の材料(例えば、上記で説明された特定のVおよび/若しくはVを有さない活性炭、または活性炭以外の材料(例えば、導電性高分子等))を含んでもよい。例示の態様において、活性炭1および2の合計含有量は、40.0質量%以上70.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは45.0質量%以上65.0質量%以下である。この値が40.0質量%以上であれば、エネルギー密度を高めることができる。この値が70.0質量%以下であれば、高温耐久性と高電圧耐久性を向上させることができる。
(Mode of use of activated carbon)
Each of the activated carbons 1 and 2 may be one kind of activated carbon, or a mixture of two or more kinds of activated carbons, and the mixture as a whole may exhibit the respective characteristic values described above. As for the activated carbons 1 and 2, either one of them may be selected and used, or a mixture of the two may be used. The positive electrode active material is a material other than activated carbon 1 and 2 (e.g., activated carbon that does not have the specific V1 and/or V2 described above, or a material other than activated carbon (e.g., conductive polymer, etc.)). may include In an exemplary embodiment, the total content of activated carbons 1 and 2 is preferably 40.0% by mass or more and 70.0% by mass or less, more preferably 45.0% by mass or more and 65.0% by mass or less. . If this value is 40.0% by mass or more, the energy density can be increased. If this value is 70.0% by mass or less, high temperature durability and high voltage durability can be improved.

(リチウム遷移金属酸化物)
正極活物質層は、リチウム遷移金属化合物をさらに含むことが好ましい。リチウム遷移金属酸化物を含むことで非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化することができる。リチウム遷移金属酸化物は、リチウムを吸蔵および放出可能な遷移金属酸化物を含む。正極活物質として用いられる遷移金属酸化物には、特に制限はない。遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、バナジウム、およびクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸化物が挙げられる。遷移金属酸化物として具体的には、下記式:
LiCoO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiNiO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiNi(1-y){式中、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Mg、およびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは0≦x≦1を満たし、かつyは0.05<y<0.97を満たす。}、
LiNi1/3Co1/3Mn1/3{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiMnO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
α-LiFeO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiVO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiCrO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiFePO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiMnPO{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
Li(PO{式中、zは0≦z≦3を満たす。}、
LiMn{式中、xは0≦x≦1を満たす。}、
LiMn(2-y){式中、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Mg、およびTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは0≦x≦1を満たし、かつyは0.05<y<0.97を満たす。}、
LiNiCoAl(1-a-b){式中、xは0≦x≦1を満たし、かつaおよびbは0.02<a<0.97と0.02<b<0.97を満たす。}、
LiNiCoMn(1-c-d){式中、xは0≦x≦1を満たし、かつcおよびdは0.02<c<0.97と0.02<d<0.97を満たす。}
で表される化合物等が挙げられる。これらの中でも、高容量、低抵抗、サイクル特性、アルカリ金属化合物の分解、およびプレドープ時の正極活物質の欠落の抑制の観点から、上記式LixNiaCobAl(1-a-b)2、LixNicCodMn(1-c-d)2、LixCoO2、LixMn24、またはLixFePO4、LixMnPO4、およびLiz2(PO43で表される化合物が好ましい。
(lithium transition metal oxide)
The positive electrode active material layer preferably further contains a lithium transition metal compound. By containing the lithium transition metal oxide, the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element can be increased. Lithium transition metal oxides include transition metal oxides capable of intercalating and deintercalating lithium. The transition metal oxide used as the positive electrode active material is not particularly limited. Examples of transition metal oxides include oxides containing at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, manganese, iron, vanadium, and chromium. Specifically, the transition metal oxide has the following formula:
Li x CoO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x NiO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x Ni y M (1-y) O 2 {wherein M is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, and x is 0≦x ≦1 and y satisfies 0.05<y<0.97. },
Li x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x MnO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
α-Li x FeO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x VO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x CrO 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x FePO 4 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x MnPO 4 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li z V 2 (PO 4 ) 3 {wherein z satisfies 0≦z≦3. },
Li x Mn 2 O 4 {wherein x satisfies 0≦x≦1. },
Li x M y Mn (2-y) O 4 {wherein M is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, and x is 0≦x ≦1 and y satisfies 0.05<y<0.97. },
Li x Ni a Co b Al (1-ab) O 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1, and a and b are 0.02<a<0.97 and 0.02<b < 0.97. },
Li x Ni c Co d Mn (1-cd) O 2 {wherein x satisfies 0≦x≦1, and c and d are 0.02<c<0.97 and 0.02<d < 0.97. }
Compounds represented by and the like. Among these, Li x Ni a Co b Al (1-ab) O 2 of the above formula is used from the viewpoint of high capacity, low resistance, cycle characteristics, decomposition of alkali metal compounds, and suppression of loss of the positive electrode active material during pre-doping. , LixNicCodMn ( 1-cd) O2 , LixCoO2 , LixMn2O4 , or LixFePO4 , LixMnPO4 , and LizV2 ( PO4 ) 3 The compounds represented are preferred.

正極活物質とは異なるアルカリ金属化合物が正極前駆体に含まれていれば、プレドープにてアルカリ金属化合物がアルカリ金属のドーパント源となり負極にプレドープができるため、遷移金属化合物に予めリチウムイオンが含まれていなくても(すなわちx=0、またはz=0であっても)、非水系アルカリ金属蓄電素子として電気化学的な充放電をすることができる。正極前駆体の正極活物質層中におけるリチウム遷移金属酸化物の含有量は8.0質量%以上30.0質量%以下であることが好ましい。リチウム遷移金属酸化物の含有量が8.0質量%以上であれば非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化することができる。リチウム遷移金属酸化物の含有量が30.0質量%以下の場合、非水系アルカリ金属蓄電素子を低抵抗化することができる。 If an alkali metal compound different from the positive electrode active material is contained in the positive electrode precursor, the alkali metal compound becomes an alkali metal dopant source during pre-doping, and the negative electrode can be pre-doped. Electrochemical charging/discharging can be performed as a non-aqueous alkali metal storage element even if it is not (that is, x=0 or z=0). The content of the lithium transition metal oxide in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 8.0% by mass or more and 30.0% by mass or less. If the content of the lithium transition metal oxide is 8.0% by mass or more, the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element can be increased. When the content of the lithium transition metal oxide is 30.0% by mass or less, the resistance of the non-aqueous alkali metal storage element can be reduced.

(酸化石炭)
酸化石炭とは、石炭を酸化処理することにより得られる炭素材料である。石炭とは、石炭化の進行の度合いにより、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭に分類され、無煙炭がより好適に用いられる。無煙炭は、最も石炭化が進行したものであるが、国によって石炭化度による分類基準及び呼称が異なり、JIS M 1002では燃料比4.0以上の石炭を無煙炭という。本願明細書において、石炭の分類はJISに従うものとし、特に無煙炭はJIS M 1002の定義に従う。酸化石炭は主としてカルボキシル基を含み、エポキシ基が少ないことが特徴である。該酸化石炭は100℃~200℃の熱処理によっても電気伝導性を発現しない。
(oxidized coal)
Oxidized coal is a carbon material obtained by oxidizing coal. Coal is classified into lignite, sub-bituminous coal, bituminous coal, and anthracite according to the degree of progress of coalification, and anthracite is more preferably used. Anthracite is the most advanced form of coalification, but the classification criteria and names vary depending on the degree of coalification depending on the country. In the present specification, classification of coal shall comply with JIS, and anthracite coal in particular follows the definition of JIS M1002. Oxidized coal is characterized by mainly containing carboxyl groups and less epoxy groups. The oxidized coal does not exhibit electrical conductivity even after heat treatment at 100°C to 200°C.

(酸化グラフェン)
酸化グラフェンとは、グラフェンまたは黒鉛を酸化処理することにより得られる炭素材料である。グラフェンとは、炭素原子が二次元シート構造の骨格を形成した炭素材料であり、単層のものは単層グラフェン、複数層積層したものは多層グラフェンに分類される。黒鉛とは、天然黒鉛、人造黒鉛に分類される。一般的に、酸化グラフェンは黒鉛を硫酸等の強酸水溶液を用いたHummers法により酸化し、分離、精製することで合成される。この酸化過程においてグラフェンのエッジ面には含酸素官能基としてエポキシ基が多く生成することが特徴である。エポキシ基は熱安定性が低いため、100℃以上の熱を加えたり、電気化学的に還元したりすることで酸素が脱離し、還元酸化グラフェン(RGO)となる。RGOは炭素がsp2結合により結合しているため、高い電子伝導性を示すことが特徴であり、酸化石炭とは異なる炭素材料である。
(graphene oxide)
Graphene oxide is a carbon material obtained by oxidizing graphene or graphite. Graphene is a carbon material in which carbon atoms form a skeleton of a two-dimensional sheet structure, and is classified into monolayer graphene for a single layer and multilayer graphene for a multilayer graphene. Graphite is classified into natural graphite and artificial graphite. In general, graphene oxide is synthesized by oxidizing graphite by the Hummers method using a strong acid aqueous solution such as sulfuric acid, and then separating and purifying the graphite. A feature of this oxidation process is that many epoxy groups are generated as oxygen-containing functional groups on the edge surface of graphene. Since the epoxy group has low thermal stability, oxygen is eliminated by applying heat of 100° C. or higher or by electrochemical reduction, resulting in reduced graphene oxide (RGO). RGO is characterized by exhibiting high electron conductivity because carbon is bonded by sp2 bonds, and is a carbon material different from oxidized coal.

正極活物質層中の酸化石炭の含有量は、正極活物質層の全質量を基準として、0.5質量%以上8.0質量%以下であることが好ましく、さらに好ましくは1.0質量%以上6.0質量%以下であり、特に好ましくは2.0質量%以上5.0質量%以下である。正極活物質層中の酸化石炭の含有量が0.5以上であれば、非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化することができる。正極活物質層中の酸化石炭の含有量が8.0以下であれば、酸化石炭の凝集を抑制し、かつ正極活物質表面を過剰に被覆せず高容量化することができる。 The content of coal oxide in the positive electrode active material layer is preferably 0.5% by mass or more and 8.0% by mass or less, more preferably 1.0% by mass, based on the total mass of the positive electrode active material layer. 6.0% by mass or more, and particularly preferably 2.0% by mass or more and 5.0% by mass or less. If the content of coal oxide in the positive electrode active material layer is 0.5 or more, the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element can be increased. If the content of the coal oxide in the positive electrode active material layer is 8.0 or less, the aggregation of the coal oxide can be suppressed and the surface of the positive electrode active material can be prevented from being excessively coated, thereby increasing the capacity.

酸化石炭は、正極前駆体において、正極活物質の表面の少なくとも一部、及びアルカリ金属化合物の表面の少なくとも一部に被覆している。正極活物質の表面に酸化石炭が被覆することにより、酸化石炭の表面に存在するカルボキシル基が電解液中のアルカリ金属イオンと反応しやすくなるため、高容量の非水系アルカリ金属蓄電素子を得ることができる。また、アルカリ金属化合物の表面に酸化石炭が被覆することにより、酸化石炭表面に存在するカルボキシル基等の酸性官能基がアルカリ金属化合物の分解を促進し、負極へのプレドープを促進することができる。プレドープ後の正極においては、正極活物質の表面の少なくとも一部に酸化石炭が被覆していることが好ましく、かつ、含まれる場合、アルカリ金属化合物の表面の少なくとも一部にも酸化石炭が被覆していることが好ましい。 Coal oxide coats at least part of the surface of the positive electrode active material and at least part of the surface of the alkali metal compound in the positive electrode precursor. By coating the surface of the positive electrode active material with the coal oxide, the carboxyl groups present on the surface of the coal oxide are more likely to react with the alkali metal ions in the electrolytic solution, so that a high-capacity non-aqueous alkali metal storage element can be obtained. can be done. In addition, by coating the surface of the alkali metal compound with the coal oxide, the acidic functional groups such as carboxyl groups present on the surface of the coal oxide promote the decomposition of the alkali metal compound and pre-dope the negative electrode. In the positive electrode after pre-doping, it is preferable that at least part of the surface of the positive electrode active material is coated with coal oxide, and when it is included, at least part of the surface of the alkali metal compound is also coated with coal oxide. preferably.

酸化石炭は、例えば、硝酸ナトリウム、硫酸、過マンガン酸カリウム、および過酸化酸素を含む水溶液中で、Hummers法を用いて石炭を酸化することにより合成することができる。得られた酸化石炭は、塩酸水溶液、および水による洗浄の後、乾燥することで酸化石炭粉末を得ることができる。得られた酸化石炭粉末を水に溶解し、超音波を照射した後、遠心分離して不溶性不純物を取り除くことで酸化石炭のコロイド溶液を得ることができる。 Oxidized coal can be synthesized, for example, by oxidizing coal using the Hummers method in an aqueous solution containing sodium nitrate, sulfuric acid, potassium permanganate, and oxygen peroxide. The obtained oxidized coal can be washed with an aqueous hydrochloric acid solution and water, and then dried to obtain an oxidized coal powder. A colloidal solution of oxidized coal can be obtained by dissolving the obtained oxidized coal powder in water, irradiating with ultrasonic waves, and then centrifuging to remove insoluble impurities.

酸化石炭の大きさは、マイカ上に堆積させたトポロジー:原子間力顕微鏡(AFM)により測定することができる。酸化石炭のシートサイズ(幅)は、1nm以上100nmであることが好ましく、5nm以上50nm以下であることがより好ましく、10nm以上50nm未満であることがさらに好ましく、10nm以上30nm以下であることが特に好ましい。酸化石炭の幅が1nm以上であれば分散性に優れる。幅が100nm以下であればイオンの拡散を促進することで低抵抗化できる。また、酸化石炭の高さは0.2nm以上20nm以下であることが好ましく、0.4nm以上15nm以下であることがより好ましく、さらに好ましくは0.6nm以上10nm以下である。高さが0.2nm以上であれば分散性に優れる。高さが20nm以下であればイオンの拡散を促進することで低抵抗化できる。 The size of oxidized coal can be measured by Topology: Atomic Force Microscopy (AFM) deposited on mica. The sheet size (width) of the oxidized coal is preferably 1 nm or more and 100 nm, more preferably 5 nm or more and 50 nm or less, even more preferably 10 nm or more and less than 50 nm, and particularly 10 nm or more and 30 nm or less. preferable. If the width of the oxidized coal is 1 nm or more, the dispersibility is excellent. If the width is 100 nm or less, the resistance can be lowered by promoting the diffusion of ions. The height of the coal oxide is preferably 0.2 nm or more and 20 nm or less, more preferably 0.4 nm or more and 15 nm or less, and still more preferably 0.6 nm or more and 10 nm or less. If the height is 0.2 nm or more, the dispersibility is excellent. If the height is 20 nm or less, the resistance can be lowered by promoting the diffusion of ions.

酸化石炭に含まれる官能基は、X線光電子分光(XPS)を用いて測定することができる。得られたXPSスペクトルについて、C1sの結合エネルギー285eVのピークをC-C結合、286eVのピークをC-O結合、287eVのピークをC-O-C結合、289eVのピークをO=C-O結合として帰属することができる。本実施例における酸化石炭は、289eVのピークで帰属されるカルボキシル基官能基量が10.0atm%以上26.0atm%以下であり、287eVのピークで帰属されるエポキシ基官能基量が0.1atm%以上8.0atm%以下である。カルボキシル基官能基量が10.0atm%以上であれば塗工液中の分散性に優れると共に、アルカリ金属イオンの吸着・脱離サイトとして機能するために非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化できる。カルボキシル基官能基量が26.0atm%以下であれば、酸化石炭の電子伝導性が高まり高出力化できる。エポキシ基官能基量が0.1atm%以上であれば塗工液中の分散性を高めることができる。エポキシ基官能基量が8.0atm%以下であれば、高温での官能基分解を抑制でき熱安定性が高まる。 Functional groups contained in coal oxide can be measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Regarding the obtained XPS spectrum, the C1s bond energy 285 eV peak is the C-C bond, the 286 eV peak is the C-O bond, the 287 eV peak is the C-O-C bond, and the 289 eV peak is the O=C-O bond. can be attributed as In the oxidized coal in this example, the amount of carboxyl group functional groups assigned at the peak of 289 eV is 10.0 atm% or more and 26.0 atm% or less, and the amount of epoxy group functional groups assigned at the peak of 287 eV is 0.1 atm. % or more and 8.0 atm % or less. If the carboxyl group functional group content is 10.0 atm % or more, the dispersibility in the coating liquid is excellent, and since it functions as an adsorption/desorption site for alkali metal ions, it is possible to increase the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element. . If the carboxyl group functional group content is 26.0 atm % or less, the electronic conductivity of the oxidized coal is enhanced, and the output can be increased. If the epoxy group functional group content is 0.1 atm % or more, the dispersibility in the coating liquid can be enhanced. If the epoxy group functional group content is 8.0 atm % or less, functional group decomposition at high temperatures can be suppressed, and thermal stability increases.

一般的に、エポキシ基及びヒドロキシル基はグラフェンのベーサル面に生成しやすく、カルボキシル基はエッジに生成しやすい。黒鉛やグラフェンは主にベーサル面が発達しているため酸化処理によりエポキシ基官能基が生成しやすく、石炭は主にアモルファス構造が発達しているため酸化処理によりカルボキシル基が生成しやすい。この点が酸化石炭と酸化グラフェンとの相違点であり、酸化石炭の熱安定性(構造安定性)が高い要因である。 In general, epoxy groups and hydroxyl groups tend to form on the basal planes of graphene, and carboxyl groups tend to form on the edges. Graphite and graphene mainly have a developed basal surface, so that epoxy functional groups are likely to be generated by oxidation treatment. Coal, which mainly has an amorphous structure, is likely to generate carboxyl groups by oxidation treatment. This is the difference between oxidized coal and graphene oxide, and is a factor in the high thermal stability (structural stability) of oxidized coal.

(アルカリ金属化合物)
本開示の正極前駆体の正極活物質層は、正極活物質以外のアルカリ金属化合物を含む。アルカリ金属化合物は、正極前駆体中で分解して陽イオンを放出し、負極で還元されることにより、負極をプレドープすることが可能である。アルカリ金属化合物は、正極前駆体中にいかなる態様で含まれていてもよい。例えば、アルカリ金属化合物は、正極集電体と正極活物質層との間に存在してよく、正極活物質層の表面上に存在してよく、正極活物質層中に存在していてよい。アルカリ金属化合物は正極前駆体の正極集電体上に形成された正極活物質層に含有されることが好ましい。このような態様では、負極へのアルカリ金属イオンのプレドープに伴って、正極活物質層中に空孔が形成されて、正極活物質層の実効面積が増大する。プレドープ後の正極もまた、正極活物質以外の当該アルカリ金属化合物を含んでもよい。
(alkali metal compound)
The positive electrode active material layer of the positive electrode precursor of the present disclosure contains an alkali metal compound other than the positive electrode active material. The alkali metal compound can pre-dope the negative electrode by decomposing in the positive electrode precursor to release cations and being reduced at the negative electrode. The alkali metal compound may be included in the positive electrode precursor in any manner. For example, the alkali metal compound may exist between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, may exist on the surface of the positive electrode active material layer, and may exist in the positive electrode active material layer. The alkali metal compound is preferably contained in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector of the positive electrode precursor. In such an embodiment, pre-doping of the negative electrode with alkali metal ions forms pores in the positive electrode active material layer, increasing the effective area of the positive electrode active material layer. The pre-doped positive electrode may also contain the alkali metal compound other than the positive electrode active material.

このようなアルカリ金属化合物としては、例えば、MをLi、Na、K、Rb、Csから選ばれる1種以上として、MO等の酸化物;MOH等の水酸化物;MF、MCl等のハロゲン化物;RCOOM(式中、RはH、アルキル基、アリール基である。)等のカルボン酸塩を例示でき、これらのうちの1種以上を使用してよい。アルカリ金属化合物として、具体的には、例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸セシウム、酸化リチウム、水酸化リチウム等が挙げられる。アルカリ金属化合物としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、および炭酸セシウムから選択されるアルカリ金属炭酸塩の1種以上が好適に用いられ、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、または炭酸カリウムがより好適に用いられ、単位質量当たりの容量が高いという観点からは、炭酸リチウムが特に好適に用いられる。 Examples of such alkali metal compounds include, for example, M being one or more selected from Li, Na, K, Rb, and Cs, oxides such as M 2 O; hydroxides such as MOH; Examples include halides; carboxylates such as RCOOM (wherein R is H, an alkyl group, or an aryl group), and one or more of these may be used. Specific examples of alkali metal compounds include lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, cesium carbonate, lithium oxide, and lithium hydroxide. As the alkali metal compound, one or more alkali metal carbonates selected from lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, and cesium carbonate are preferably used, and lithium carbonate, sodium carbonate, or potassium carbonate is more preferable. Lithium carbonate is particularly preferably used from the viewpoint that it is preferably used and has a high capacity per unit mass.

正極前駆体としては、少なくとも1種のアルカリ金属化合物を含んでいればよく、正極前駆体は、上記のアルカリ金属化合物に代えて、または、上記のアルカリ金属化合物とともに、Be、Mg、Ca、Sr、およびBaからなる群から選ばれるアルカリ土類金属の、炭酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、およびカルボン酸塩から選択される1種以上を、含んでいてもよい。 The positive electrode precursor may contain at least one alkali metal compound, and the positive electrode precursor may contain Be, Mg, Ca, Sr instead of the above alkali metal compounds or together with the above alkali metal compounds. , and Ba, one or more selected from carbonates, oxides, hydroxides, halides, and carboxylates of alkaline earth metals selected from the group consisting of Ba.

アルカリ金属化合物、および使用する場合のアルカリ土類金属化合物は、微粒子状であることが好ましい。アルカリ金属化合物の平均粒子径は、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。平均粒子径が0.1μm以上であれば正極前駆体中での分散性に優れる。平均粒子径が10μm以下であれば、アルカリ金属化合物の表面積が増えるために分解反応が効率よく進行する。また、アルカリ金属化合物の平均粒子径は、上記で説明された活性炭の平均粒子径より小さいことが好ましい。アルカリ金属化合物の平均粒子径が活性炭の平均粒子径より小さければ、正極活物質層の電子伝導が高まるために、電極体または蓄電素子の低抵抗化に寄与することができる。正極前駆体中におけるアルカリ金属化合物の平均粒子径の測定方法については特に限定されないが、正極断面のSEM画像、およびSEM-EDX画像から算出することができる。正極断面の形成方法については、正極上部からArビームを照射し、試料直上に設置した遮蔽板の端部に沿って平滑な断面を作製するBIB加工を用いることができる。アルカリ金属化合物の微粒子化には、様々な方法を用いることができる。例えば、ボールミル、ビーズミル、リングミル、ジェットミル、ロッドミル等の粉砕機を使用することができる。 The alkali metal compound, and alkaline earth metal compound if used, is preferably in particulate form. The average particle size of the alkali metal compound is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. If the average particle size is 0.1 μm or more, the dispersibility in the positive electrode precursor is excellent. If the average particle size is 10 µm or less, the decomposition reaction proceeds efficiently because the surface area of the alkali metal compound increases. Also, the average particle size of the alkali metal compound is preferably smaller than the average particle size of the activated carbon described above. If the average particle size of the alkali metal compound is smaller than the average particle size of the activated carbon, the electron conduction of the positive electrode active material layer is enhanced, which can contribute to the reduction of the resistance of the electrode body or the storage element. Although the method for measuring the average particle size of the alkali metal compound in the positive electrode precursor is not particularly limited, it can be calculated from the SEM image and SEM-EDX image of the cross section of the positive electrode. As for the method for forming the cross section of the positive electrode, BIB processing can be used in which an Ar beam is irradiated from above the positive electrode to form a smooth cross section along the edge of a shielding plate placed directly above the sample. Various methods can be used for making the alkali metal compound into fine particles. For example, pulverizers such as ball mills, bead mills, ring mills, jet mills and rod mills can be used.

正極前駆体の正極活物質層に含まれるアルカリ金属化合物の含有量(質量%)は、正極活物質層の全質量を100質量%としたときに、20.0質量%以上45.0質量%以下であることが好ましい。この値が20.0質量%以上であれば、負極に十分な量のアルカリ金属イオンをプレドープすることができ、非水系アルカリ金属蓄電素子の容量が高まる。この値が45.0質量%以下であれば、正極前駆体中の電子伝導を高めることができるので、アルカリ金属化合物の分解を効率よく行うことができる。正極前駆体が、アルカリ金属化合物の他に上記2種以上のアルカリ金属化合物、またはアルカリ土類金属化合物を含む場合は、アルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物の総量が、上記の範囲内であることが好ましい。上記アルカリ金属元素、およびアルカリ土類金属元素の定量は、ICP-AES、原子吸光分析法、蛍光X線分析法、中性子放射化分析法、ICP-MS等により行うことができる。 The content (% by mass) of the alkali metal compound contained in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is 20.0% by mass or more and 45.0% by mass when the total mass of the positive electrode active material layer is 100% by mass. The following are preferable. When this value is 20.0% by mass or more, the negative electrode can be pre-doped with a sufficient amount of alkali metal ions, and the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element increases. If this value is 45.0% by mass or less, the electron conduction in the positive electrode precursor can be enhanced, so that the alkali metal compound can be efficiently decomposed. When the positive electrode precursor contains two or more alkali metal compounds or alkaline earth metal compounds in addition to the alkali metal compound, the total amount of the alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds is within the above range. is preferred. The above alkali metal elements and alkaline earth metal elements can be quantified by ICP-AES, atomic absorption spectrometry, fluorescent X-ray spectrometry, neutron activation spectrometry, ICP-MS, and the like.

(正極活物質層のその他の成分)
本発明における正極前駆体の正極活物質層には、正極活物質、酸化石炭、およびアルカリ金属化合物の他に、必要に応じて、例えば、分散剤、導電性フィラー、結着剤、及びpH調整剤等のその他の成分を含んでいてもよい。
(Other Components of Positive Electrode Active Material Layer)
The positive electrode active material layer of the positive electrode precursor in the present invention contains, in addition to the positive electrode active material, coal oxide, and alkali metal compound, if necessary, for example, a dispersant, a conductive filler, a binder, and a pH adjuster. Other ingredients such as agents may be included.

分散剤としては、特に制限されるものではないが、例えばカルボキシメチルセルロース、ポリカルボン酸、ポリカルボン酸塩、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、及び界面活性剤等から選択される1種または2種以上が好適に用いられる。分散剤は、例えば、カルボキシメチルセルロースと、ポリビニルピロリドンおよびポリビニルアルコールから選択される1種以上と、を含むことが、特に好ましい。分散剤の含有量は、正極前駆体の正極活物質層中の固形分100質量%に対して、好ましくは0.1質量%以上7.0質量%以下である。分散剤の量が7.0質量%以下であれば、正極活物質へのイオンの出入りおよび拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The dispersant is not particularly limited, but is preferably one or more selected from, for example, carboxymethylcellulose, polycarboxylic acid, polycarboxylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, surfactants, and the like. used for It is particularly preferred that the dispersant contains, for example, carboxymethylcellulose and one or more selected from polyvinylpyrrolidone and polyvinyl alcohol. The content of the dispersant is preferably 0.1% by mass or more and 7.0% by mass or less with respect to 100% by mass of the solid content in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor. If the amount of the dispersing agent is 7.0% by mass or less, high input/output characteristics are exhibited without impeding the movement and diffusion of ions into and out of the positive electrode active material.

結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、ポリイミド、ラテックス、スチレン-ブタジエン共重合体、アクリル共重合体等を使用することができる。正極前駆体の正極活物質層における結着剤の含有量は、正極活物質100質量%に対して、0~20質量%が好ましく、0.1~15質量%の範囲がさらに好ましい。 Examples of binders that can be used include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, and acrylic copolymer. The content of the binder in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 0 to 20% by mass, more preferably 0.1 to 15% by mass, relative to 100% by mass of the positive electrode active material.

導電性フィラーは、正極活物質よりも導電性の高い導電性炭素質材料から成ることが好ましい。このような導電性フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ等、およびこれらの混合物から選択される1種以上が好ましい。カーボンブラックとしては、例えば、ケッチェンブラック、及びアセチレンブラック等が挙げられる。黒鉛としては、例えば、鱗片状黒鉛等が挙げられる。導電性フィラーとしては、特にカーボンブラックが好適に用いられる。正極前駆体の正極活物質層における導電性フィラーの含有量は、正極活物質100質量%に対して、25質量%以下が好ましく、5質量%以上20質量%以下の範囲がより好ましい。導電性フィラーは、高入力化の観点からは正極活物質層に混合した方が好ましいが、含有量が25質量%以下に留めることが、蓄電素子体積当たりのエネルギー密度を維持する観点から好ましい。 The conductive filler is preferably made of a conductive carbonaceous material having higher conductivity than the positive electrode active material. As such a conductive filler, for example, one or more selected from carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes, etc., and mixtures thereof are preferable. Examples of carbon black include ketjen black and acetylene black. Examples of graphite include flake graphite. Carbon black is particularly preferably used as the conductive filler. The content of the conductive filler in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 25% by mass or less, more preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less with respect to 100% by mass of the positive electrode active material. Although it is preferable to mix the conductive filler in the positive electrode active material layer from the viewpoint of increasing the input power, it is preferable to limit the content to 25% by mass or less from the viewpoint of maintaining the energy density per volume of the storage element.

正極活物資層形成用の塗工液の溶媒に水を使用する場合には、アルカリ金属化合物を加えることによって塗工液がアルカリ性になることがある。そのため、正極活物資層形成用の塗工液には、必要に応じてpH調整剤を塗工液に添加してもよい。pH調整剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、フッ化水素、塩化水素、臭化水素等のハロゲン化水素;次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸等のハロゲンオキソ酸;蟻酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸、乳酸、マレイン酸、フマル酸等のカルボン酸;メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p-トルエンスルホン酸等のスルホン酸;硝酸、硫酸、リン酸、ホウ酸、二酸化炭素等の酸等を用いることができる。 When water is used as a solvent for the coating liquid for forming the positive electrode active material layer, the addition of the alkali metal compound may make the coating liquid alkaline. Therefore, if necessary, a pH adjuster may be added to the coating liquid for forming the positive electrode active material layer. Examples of pH adjusters include, but are not limited to, hydrogen halides such as hydrogen fluoride, hydrogen chloride, and hydrogen bromide; halogen oxo acids such as hypochlorous acid, chlorous acid, and chloric acid; carboxylic acids such as formic acid, acetic acid, citric acid, oxalic acid, lactic acid, maleic acid and fumaric acid; sulfonic acids such as methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid and p-toluenesulfonic acid; nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, boric acid, Acids such as carbon dioxide can be used.

[正極集電体]
正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出および電解質またはイオンとの反応等による劣化が起こらない材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。非水系アルカリ金属蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔がより好ましい。金属箔は凹凸または貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。後述されるアルカリ金属ドープ工程の観点からは、無孔状のアルミニウム箔がさらに好ましく、アルミニウム箔の表面が粗面化されていることが特に好ましい。正極集電体の厚みは、正極の形状および強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1~100μmが好ましい。前記金属箔の表面に、例えば黒鉛、鱗片状黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、気相成長炭素繊維等の導電性材料を含むアンカー層を設けることが好ましい。アンカー層を設けることで正極集電体と正極活物質層間の電気伝導が向上し、低抵抗化できる。アンカー層の厚みは、正極集電体の片面当たり0.1μm以上5μm以下であることが好ましい。
[Positive collector]
The material constituting the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high electronic conductivity and does not deteriorate due to elution into the electrolytic solution or reaction with the electrolyte or ions, but metal foil is preferable. Aluminum foil is more preferable as the positive electrode current collector in the non-aqueous alkali metal storage element. The metal foil may be a normal metal foil without unevenness or through holes, or a metal foil having unevenness subjected to embossing, chemical etching, electrolytic deposition, blasting, etc., expanded metal, punched metal, A metal foil having through holes, such as an etched foil, may also be used. From the viewpoint of the alkali metal doping step, which will be described later, non-porous aluminum foil is more preferable, and it is particularly preferable that the surface of the aluminum foil is roughened. The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the positive electrode can be sufficiently maintained. It is preferable to provide an anchor layer containing a conductive material such as graphite, flake graphite, carbon nanotube, graphene, ketjen black, acetylene black, and vapor grown carbon fiber on the surface of the metal foil. By providing the anchor layer, the electrical conductivity between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer is improved, and the resistance can be reduced. The thickness of the anchor layer is preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less per one side of the positive electrode current collector.

正極活物質層の厚みは、正極集電体の片面当たり10μm以上200μm以下であることが好ましい。正極活物質層の厚みは、より好ましくは片面当たり20μm以上150μm以下であり、さらに好ましくは30μm以上100μm以下である。この厚みが10μm以上であれば、十分な充放電容量を発現することができる。他方、この厚みが200μm以下であれば、電極内のイオン拡散抵抗を低く維持することができる。そのため、十分な出力特性が得られるとともに、セル体積を縮小することができ、従ってエネルギー密度を高めることができる。なお、正極集電体が貫通孔または凹凸を有する場合における正極活物質層の厚みとは、正極集電体の貫通孔または凹凸を有していない部分の片面当たりの厚みの平均値をいう。 The thickness of the positive electrode active material layer is preferably 10 μm or more and 200 μm or less per one side of the positive electrode current collector. The thickness of the positive electrode active material layer is more preferably 20 μm or more and 150 μm or less per side, and still more preferably 30 μm or more and 100 μm or less. If this thickness is 10 μm or more, sufficient charge/discharge capacity can be exhibited. On the other hand, if the thickness is 200 μm or less, the ion diffusion resistance in the electrode can be kept low. Therefore, sufficient output characteristics can be obtained, and the cell volume can be reduced, so that the energy density can be increased. The thickness of the positive electrode active material layer when the positive electrode current collector has through-holes or unevenness refers to the average thickness per side of the portion of the positive electrode current collector that does not have through-holes or unevenness.

〈負極〉
負極は、負極集電体と、その片面または両面上に設けられた負極活物質層とを有する。
<Negative electrode>
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on one side or both sides thereof.

[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含み、これら以外に、必要に応じて、分散剤、導電性フィラー、及び結着剤等の任意成分を含んでよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material, and in addition thereto, if necessary, may contain optional components such as a dispersant, a conductive filler, and a binder.

(負極活物質)
負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵・放出可能な物質を用いることができる。具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫および錫化合物等が例示される。負極前駆体の負極活物質層における負極活物質の含有量は、負極活物質層の全質量を位基準として、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい。負極活物質は、粒子状であることが好ましい。
(Negative electrode active material)
A material that can occlude and release alkali metal ions can be used as the negative electrode active material. Specific examples include carbon materials, titanium oxides, silicon, silicon oxides, silicon alloys, silicon compounds, tin and tin compounds. The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer of the negative electrode precursor is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, based on the total mass of the negative electrode active material layer. The negative electrode active material is preferably particulate.

負極活物質は、好ましくは炭素材料を含む。負極活物質の総量に対する炭素材料の含有率は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は、100質量%であることができるが、他の材料の併用による効果を良好に得る観点から、例えば、95質量%以下であることが好ましく、90質量%以下でもよい。炭素材料の含有率の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。 The negative electrode active material preferably contains a carbon material. The content of the carbon material with respect to the total amount of the negative electrode active material is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material can be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining the effect of combined use of other materials, it is preferably 95% by mass or less, and may be 90% by mass or less. The upper limit and lower limit of the carbon material content can be combined arbitrarily.

炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素材料;易黒鉛化性炭素材料;カーボンブラック;カーボンナノ粒子;人造黒鉛;天然黒鉛;黒鉛化メソフェーズカーボン小球体;黒鉛ウイスカ;ポリアセン系物質等のアモルファス炭素質材料;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等の炭素前駆体を熱処理して得られる炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂またはノボラック樹脂の熱分解物;フラーレン;カーボンナノファイバー;およびこれらの複合炭素材料を挙げることができる。 Examples of carbon materials include non-graphitizable carbon materials; easily graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; artificial graphite; natural graphite; Carbonaceous material: Carbonaceous material obtained by heat-treating a carbon precursor such as petroleum pitch, coal pitch, mesocarbon microbeads, coke, synthetic resin (for example, phenolic resin, etc.); furfuryl alcohol resin or novolak Thermal decomposition products of resins; fullerenes; carbon nanofibers; and composite carbon materials thereof.

これらの中でも、負極の抵抗を低くする観点から、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛ウイスカ、及び高比表面積黒鉛等から選択される1種以上の黒鉛質材料と;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、及び合成樹脂、例えばフェノール樹脂等から選択される1種以上の炭素質材料前駆体とを共存させた状態で熱処理を行い、黒鉛質材料と炭素質材料前駆体由来の炭素質材料とを複合させた複合炭素材料が好ましい。炭素質材料前駆体としては、熱処理により炭素質材料となるものであれば特に制限はないが、石油系のピッチまたは石炭系のピッチが特に好ましい。熱処理を行う前に、炭素質材料前駆体の融点より高い温度において、黒鉛質材料と炭素質材料前駆体とを混合してもよい。熱処理温度は、使用する炭素質材料前駆体の揮発または熱分解によって発生する成分が炭素質材料となる温度であればよいが、好ましくは400℃以上2,500℃以下、より好ましくは500℃以上2,000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1,500℃以下である。熱処理を行う雰囲気は特に制限はないが、非酸化性雰囲気が好ましい。 Among these, from the viewpoint of lowering the resistance of the negative electrode, one or more graphite materials selected from artificial graphite, natural graphite, graphitized mesophase carbon spherules, graphite whiskers, and high specific surface area graphite; pitch, coal-based pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resins, such as phenolic resin, heat treatment in the presence of one or more carbonaceous material precursors, graphite material and a carbonaceous material derived from a carbonaceous material precursor are preferably combined. The carbonaceous material precursor is not particularly limited as long as it can be converted into a carbonaceous material by heat treatment, but petroleum-based pitch or coal-based pitch is particularly preferable. Prior to heat treatment, the graphite material and the carbonaceous material precursor may be mixed at a temperature higher than the melting point of the carbonaceous material precursor. The heat treatment temperature may be a temperature at which the component generated by volatilization or thermal decomposition of the carbonaceous material precursor used becomes a carbonaceous material, preferably 400° C. or higher and 2,500° C. or lower, more preferably 500° C. or higher. It is 2,000°C or lower, more preferably 550°C or higher and 1,500°C or lower. The atmosphere for the heat treatment is not particularly limited, but a non-oxidizing atmosphere is preferred.

(負極活物質層のその他の成分)
負極活物質層は、必要に応じて、負極活物質の他に、分散剤、結着剤、及び導電性フィラー等の任意成分を含んでよい。負極活物質層中の分散剤、導電性フィラー、および結着剤は、それぞれ、正極前駆体の正極活物質層中の分散剤、導電性フィラー、および結着剤として上記に例示したものから適宜選択して使用してよい。負極活物質層中の分散剤、および結着剤の含有量は、それぞれ、正極前駆体の正極活物質中の分散剤、および結着剤の含有量として上記した範囲内であってよい。
(Other Components of Negative Electrode Active Material Layer)
If necessary, the negative electrode active material layer may contain optional components such as a dispersant, a binder, and a conductive filler in addition to the negative electrode active material. The dispersant, conductive filler, and binder in the negative electrode active material layer are appropriately selected from those exemplified above as the dispersant, conductive filler, and binder in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor, respectively. You can choose to use it. The contents of the dispersant and the binder in the negative electrode active material layer may be within the ranges described above as the contents of the dispersant and the binder in the positive electrode active material of the positive electrode precursor.

[負極集電体]
負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出、電解質またはイオンとの反応による劣化等が起こらない材料であることが好ましく、例えば金属箔であってよい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。非水系アルカリ金属蓄電素子における負極集電体としては、非水系電解液にリチウムイオンが含まれる場合は銅箔が好ましく、非水系電解液にナトリウムイオンまたはカリウムイオンから成る電解質を用いる場合はアルミニウム箔が好ましい。負極集電体としての金属箔は、凹凸または貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。負極集電体の厚みは、負極の形状および強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1~100μmである。
[Negative electrode current collector]
The material constituting the negative electrode current collector is preferably a material that has high electronic conductivity and does not deteriorate due to elution into the electrolytic solution or reaction with the electrolyte or ions. For example, metal foil may be used. Such metal foil is not particularly limited, and examples thereof include aluminum foil, copper foil, nickel foil, stainless steel foil and the like. As the negative electrode current collector in the non-aqueous alkali metal storage element, copper foil is preferable when the non-aqueous electrolyte contains lithium ions, and aluminum foil is preferable when the non-aqueous electrolyte contains sodium ions or potassium ions. is preferred. The metal foil as the negative electrode current collector may be a normal metal foil having no unevenness or through-holes, or may be a metal foil having unevenness subjected to embossing, chemical etching, electrolytic deposition, blasting, or the like. , expanded metal, punching metal, etching foil, or other metal foil having through holes may be used. The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the negative electrode can be sufficiently maintained.

負極活物質層の厚みは、好ましくは片面当たり10μm以上100μm以下であり、より好ましくは15μm以上80μm以下である。この厚みが10μm以上であれば、良好な充放電容量を発現することができる。他方、この厚みが100μm以下であれば、セル体積を縮小することができるから、エネルギー密度を高めることができる。負極集電体に孔がある場合の負極活物質層の厚みとは、それぞれ、負極集電体の孔を有していない部分の片面当たりの厚みの平均値をいう。 The thickness of the negative electrode active material layer is preferably 10 μm or more and 100 μm or less, more preferably 15 μm or more and 80 μm or less per side. If this thickness is 10 μm or more, good charge/discharge capacity can be exhibited. On the other hand, if the thickness is 100 μm or less, the cell volume can be reduced and the energy density can be increased. The thickness of the negative electrode active material layer when the negative electrode current collector has holes refers to the average value of the thickness per side of the portion of the negative electrode current collector that does not have holes.

〈セパレータ〉
正極前駆体および負極は、セパレータを介して積層され、または積層および捲回され、正極前駆体、負極およびセパレータを有する電極積層体または電極捲回体が形成される。セパレータとしては、リチウムイオン二次電池に用いられるポリエチレン製の微多孔膜若しくはポリプロピレン製の微多孔膜、または電気二重層キャパシタで用いられるセルロース製の不織紙等を用いることができる。これらのセパレータの片面または両面に、有機または無機の微粒子からなる膜が積層されていてもよい。また、セパレータの内部に有機または無機の微粒子が含まれていてもよい。セパレータの厚みは5μm以上35μm以下が好ましい。5μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、35μm以下の厚みとすることにより、蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。また、有機または無機の微粒子からなる膜の厚みは、1μm以上10μm以下が好ましい。1μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、10μm以下の厚みとすることにより、蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
<Separator>
The positive electrode precursor and the negative electrode are laminated with a separator interposed therebetween, or laminated and wound to form an electrode laminate or electrode winding having the positive electrode precursor, the negative electrode and the separator. As the separator, a polyethylene microporous film or polypropylene microporous film used in a lithium ion secondary battery, or a cellulose nonwoven paper used in an electric double layer capacitor, or the like can be used. A film made of organic or inorganic fine particles may be laminated on one side or both sides of these separators. In addition, organic or inorganic fine particles may be contained inside the separator. The thickness of the separator is preferably 5 μm or more and 35 μm or less. A thickness of 5 μm or more is preferable because self-discharge due to an internal micro-short tends to decrease. On the other hand, a thickness of 35 μm or less is preferable because it tends to increase the output characteristics of the storage element. Moreover, the thickness of the film made of organic or inorganic fine particles is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. A thickness of 1 μm or more is preferable because self-discharge due to internal micro-shorts tends to be reduced. On the other hand, a thickness of 10 μm or less is preferable because it tends to increase the output characteristics of the storage element.

〈外装体〉
外装体としては、金属缶、ラミネートフィルム等を使用できる。金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。金属缶は、例えば、角形、丸型、円筒型等の形態でよい。ラミネートフィルムとしては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内装樹脂フィルムからなる3層構成のものが例示される。外層樹脂フィルムは、接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロンまたはポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分およびガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内装樹脂フィルムは、内部に収納する電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変性ポリオレフィン等が好適に使用できる。
<Exterior body>
A metal can, a laminate film, or the like can be used as the outer package. As the metal can, one made of aluminum is preferable. The metal can may be, for example, rectangular, round, cylindrical, or the like. As the laminate film, a film obtained by laminating a metal foil and a resin film is preferable, and a three-layer structure composed of an outer layer resin film/metal foil/inner resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact or the like, and a resin such as nylon or polyester can be suitably used. The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and foils of copper, aluminum, stainless steel, etc. can be suitably used. The interior resin film protects the metal foil from the electrolyte to be stored inside and melts and seals the exterior body when heat-sealed, and polyolefin, acid-modified polyolefin, etc. can be suitably used.

〈電解液〉
電解液は、非水系電解液である。すなわち、この電解液は、非水溶媒を含む。非水系電解液は、非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上のアルカリ金属塩を含有する。すなわち、非水系電解液は、アルカリ金属塩を電解質として含む。非水系電解液に含まれる非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等に代表される環状カーボネート、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等に代表される鎖状カーボネートが挙げられる。
<Electrolyte>
The electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution. That is, this electrolytic solution contains a non-aqueous solvent. The non-aqueous electrolytic solution contains 0.5 mol/L or more of alkali metal salt based on the total amount of the non-aqueous electrolytic solution. That is, the non-aqueous electrolytic solution contains an alkali metal salt as an electrolyte. Examples of the non-aqueous solvent contained in the non-aqueous electrolytic solution include cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.

上記のような非水溶媒に溶解するアルカリ金属イオンを含む電解質塩としては、例えば、MをLi、Na、K、RbまたはCsとして、MFSI、MBF、MPF、MClO、LiB(C、LiBF(C)等を用いることができる。非水系電解液には少なくとも1種以上のアルカリ金属イオンを含有していればよく、2種以上のアルカリ金属塩を含有していてもよいし、アルカリ金属塩およびベリリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、ストロンチウム塩、バリウム塩から選ばれるアルカリ土類金属塩を含有していてもよい。非水系電解液中に2種以上のアルカリ金属塩を含有する場合、ストークス半径の異なる陽イオンが非水系電解液中に存在することで低温下での粘度上昇を抑制することができるため、非水系アルカリ金属蓄電素子の低温特性が向上する。非水系電解液中に上記アルカリ金属イオン以外のアルカリ土類金属イオンを含有する場合、非水系アルカリ金属蓄電素子を高容量化することができる。 Examples of electrolyte salts containing alkali metal ions that dissolve in non-aqueous solvents include MFSI, MBF 4 , MPF 6 , MClO 4 , LiB(C 2 O 4 ) 2 , LiBF 2 (C 2 O 4 ), and the like can be used. The non-aqueous electrolyte may contain at least one or more alkali metal ions, may contain two or more alkali metal salts, alkali metal salts and beryllium salts, magnesium salts, calcium salts , strontium salts, and barium salts. When two or more alkali metal salts are contained in the non-aqueous electrolyte, the presence of cations with different Stokes radii in the non-aqueous electrolyte can suppress the increase in viscosity at low temperatures. The low-temperature characteristics of the water-based alkali metal storage element are improved. When alkaline earth metal ions other than the above alkali metal ions are contained in the non-aqueous electrolytic solution, the capacity of the non-aqueous alkaline metal storage element can be increased.

上記2種以上のアルカリ金属塩を非水系電解液中に含有させる方法、またはアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩を非水系電解液中に含有させる方法は、特に限定されないが、例えば、非水系電解液中に、予め2種以上のアルカリ金属イオンからなるアルカリ金属塩を溶解する方法、及び非水系電解液中に、予めアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩を溶解する方法が挙げられる。また、正極前駆体中に、下記式におけるMをLi、Na、K、Rb、およびCsから選ばれる1種以上として、
CO等の炭酸塩;
O等の酸化物;
MOH等の水酸化物;
MFやMCl等のハロゲン化物;
RCOOM(式中、RはH、アルキル基、またはアリール基である)等のカルボン酸塩;および
BeCO、MgCO、CaCO、SrCO、またはBaCOから選ばれるアルカリ土類金属炭酸塩、ならびにアルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、およびアルカリ土類金属カルボン酸塩
等から選択される1種または2種以上含有させておき、後述のプレドープ工程にて分解する方法等も挙げられる。
The method of containing two or more alkali metal salts in the non-aqueous electrolytic solution, or the method of containing the alkali metal salt and alkaline earth metal salt in the non-aqueous electrolytic solution is not particularly limited. A method of preliminarily dissolving an alkali metal salt composed of two or more kinds of alkali metal ions in the electrolytic solution, and a method of preliminarily dissolving an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt in a non-aqueous electrolytic solution. Further, in the positive electrode precursor, M in the following formula is one or more selected from Li, Na, K, Rb, and Cs,
Carbonates such as M2CO3 ;
oxides such as M 2 O;
hydroxides such as MOH;
Halides such as MF and MCl;
carboxylates such as RCOOM, where R is H, an alkyl group, or an aryl group; and alkaline earth metal carbonates selected from BeCO3 , MgCO3 , CaCO3 , SrCO3, or BaCO3, and one or more selected from alkaline earth metal oxides, alkaline earth metal hydroxides, alkaline earth metal halides, alkaline earth metal carboxylates, etc., and pre-dope described later. A method of decomposing in the process and the like are also included.

電解液における電解質塩濃度は、0.5~2.0mol/Lの範囲が好ましい。0.5mol/L以上の電解質塩濃度では、アニオンが十分に存在し、非水系アルカリ金属蓄電素子の容量が維持される。一方で、2.0mol/L以下の電解質塩濃度では、塩が電解液中で十分に溶解し、電解液の適切な粘度および伝導度が保たれる。非水系電解液中に2種以上のアルカリ金属塩を含有する場合、またはアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩を含有する場合、これらの塩濃度の合計値が0.5mol/L以上であることが好ましく、0.5~2.0mol/Lの範囲であることがより好ましい。 The electrolyte salt concentration in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mol/L. At an electrolyte salt concentration of 0.5 mol/L or more, anions are sufficiently present, and the capacity of the non-aqueous alkali metal storage element is maintained. On the other hand, at an electrolyte salt concentration of 2.0 mol/L or less, the salt is sufficiently dissolved in the electrolyte to maintain proper viscosity and conductivity of the electrolyte. If the non-aqueous electrolyte contains two or more alkali metal salts, or if it contains an alkali metal salt and an alkaline earth metal salt, the total concentration of these salts should be 0.5 mol/L or more. is preferred, and a range of 0.5 to 2.0 mol/L is more preferred.

非水系電解液に含まれる水分量は0ppm以上、500ppm以下であることが好ましい。水分量が0ppm以上であれば、正極前駆体中のアルカリ金属化合物が僅かに溶解できるため、プレドープを温和な条件で行うことができるために高容量化、および低抵抗化できる。水分量が500ppm以下であれば、電解質の分解が抑制されることで高温保存特性が向上する。電解液中の水分量は上述のカールフィッシャー法で測定できる。 The amount of water contained in the non-aqueous electrolytic solution is preferably 0 ppm or more and 500 ppm or less. If the water content is 0 ppm or more, the alkali metal compound in the positive electrode precursor can be slightly dissolved, so that pre-doping can be performed under mild conditions, so that the capacity can be increased and the resistance can be decreased. If the water content is 500 ppm or less, decomposition of the electrolyte is suppressed, thereby improving high-temperature storage characteristics. The water content in the electrolytic solution can be measured by the Karl Fischer method described above.

《非水系アルカリ金属蓄電素子の製造方法》
本開示の非水系アルカリ金属蓄電素子は、正極前駆体、負極、セパレータ、外装体、および非水系電解液を用いて蓄電素子を組み立てた後に、正極前駆体と負極との間に電圧を印加してプレドープを行うことによって製造することができる。以下、各工程について説明する。
<<Method for producing non-aqueous alkali metal storage element>>
In the non-aqueous alkali metal storage element of the present disclosure, a voltage is applied between the positive electrode precursor and the negative electrode after assembling the storage element using the positive electrode precursor, the negative electrode, the separator, the outer package, and the non-aqueous electrolytic solution. can be manufactured by pre-doping with Each step will be described below.

[正極前駆体の製造]
正極前駆体は、正極集電体の片面上または両面上に正極活物質層を有する。典型的な態様において正極活物質層は正極集電体に固着している。正極前駆体は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質を含む各種材料を水または有機溶剤中に分散または溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を正極集電体上の片面または両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより、正極前駆体を得ることができる。さらに得られた正極前駆体にプレスを施して、正極活物質層の膜厚または嵩密度を調整してもよい。
[Production of positive electrode precursor]
The positive electrode precursor has a positive electrode active material layer on one side or both sides of the positive electrode current collector. In a typical embodiment, the positive electrode active material layer is adhered to the positive electrode current collector. The positive electrode precursor can be produced by known electrode production techniques for lithium ion batteries, electric double layer capacitors, and the like. For example, various materials including a positive electrode active material are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry-like coating liquid, and this coating liquid is applied to one or both sides of the positive electrode current collector. A positive electrode precursor can be obtained by forming a coating film and drying it. Further, the obtained positive electrode precursor may be pressed to adjust the film thickness or bulk density of the positive electrode active material layer.

塗工液の調製方法は、特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパー、多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー、自転公転ミキサー等の分散機を用いて行うことができる。良好な分散状態の塗工液を得るためには、塗工液を、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解または分散するため好ましい。周速50m/s以下であれば、分散による熱またはせん断力により各種材料が破壊されることなく、再凝集が抑制されるため、好ましい。 The method for preparing the coating liquid is not particularly limited, but it is preferable to use a dispersing machine such as a homodisper, a multi-axis dispersing machine, a planetary mixer, a thin-film swirling high-speed mixer, or a rotation-revolution mixer. can be done. In order to obtain a coating liquid in a good dispersed state, it is preferable to disperse the coating liquid at a peripheral speed of 1 m/s or more and 50 m/s or less. A peripheral speed of 1 m/s or more is preferable because various materials are well dissolved or dispersed. A peripheral speed of 50 m/s or less is preferable because reaggregation is suppressed without destroying various materials due to heat or shear force due to dispersion.

酸化石炭を正極活物質およびアルカリ金属化合物の表面に被覆させる方法は、特に限定されない。より均一に被覆させる観点で、予め酸化石炭を水中に分散させて酸化石炭分散液を調製しておき、正極活物質、アルカリ金属化合物、分散剤、結着剤等から別途調製した塗工液に酸化石炭分散液を添加する方法が好ましい。その理由は、酸化石炭を酸化石炭分散液として調整しない場合には凝集が生じやすく、また、正極活物質と酸化石炭分散液を先に混合した場合には、正極活物質に酸化石炭が吸着することがあるからである。 The method of coating the surfaces of the positive electrode active material and the alkali metal compound with coal oxide is not particularly limited. From the viewpoint of more uniform coating, the oxidized coal is dispersed in water in advance to prepare an oxidized coal dispersion, and the positive electrode active material, alkali metal compound, dispersant, binder, etc. A method of adding an oxidized coal dispersion is preferred. The reason for this is that if the oxidized coal is not prepared as an oxidized coal dispersion, aggregation tends to occur, and if the positive electrode active material and the oxidized coal dispersion are mixed first, the oxidized coal is adsorbed on the positive electrode active material. Because there is something.

塗工液の分散度は、粒ゲージで測定した粒度が0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。分散度の上限としては、粒ゲージで測定した粒度として、より好ましくは80μm以下、さらに好ましくは50μm以下である。この範囲の粒度であれば、塗工液の調製時に、材料を破砕することなく、塗工時のノズルの詰まり、塗膜のスジ発生等が抑制され、安定な塗工ができることとなる。 The degree of dispersion of the coating liquid is preferably such that the particle size measured with a particle gauge is 0.1 μm or more and 100 μm or less. The upper limit of the degree of dispersion is more preferably 80 μm or less, still more preferably 50 μm or less, as a particle size measured with a particle gauge. If the particle size is within this range, the material is not crushed during preparation of the coating liquid, clogging of the nozzle during coating, streaks in the coating film, etc. are suppressed, and stable coating can be achieved.

塗工液の粘度(ηb)は、100mPa・s以上4,000mPa・s以下が好ましく、より好ましくは200mPa・s以上2,000mPa・s以下、さらに好ましくは300mPa・s以上1,500mPa・s以下である。粘度(ηb)が100mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅および厚みが良好に制御できる。また、粘度が4,000mPa・s以下であれば、塗工液中の酸化石炭の分散性が向上し、正極活物質およびアルカリ金属蓄電素子の表面に均一に酸化石炭を被覆させることができる。 The viscosity (ηb) of the coating liquid is preferably 100 mPa s or more and 4,000 mPa s or less, more preferably 200 mPa s or more and 2,000 mPa s or less, and still more preferably 300 mPa s or more and 1,500 mPa s or less. is. If the viscosity (ηb) is 100 mPa·s or more, dripping during coating film formation is suppressed, and the coating film width and thickness can be well controlled. Further, when the viscosity is 4,000 mPa·s or less, the dispersibility of the coal oxide in the coating liquid is improved, and the surfaces of the positive electrode active material and the alkali metal storage element can be uniformly coated with the coal oxide.

塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、1.1以上が好ましく、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。TI値が1.1以上であれば、塗膜幅および厚みが良好に制御できる。 The TI value (thixotropy index value) of the coating liquid is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and still more preferably 1.5 or more. If the TI value is 1.1 or more, the coating film width and thickness can be well controlled.

正極活物質層の塗膜の形成には、特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターまたはコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。多層塗工の場合には、塗膜各層内の成分の含有量が異なるように塗工液組成を調整してもよい。正極集電体上に塗膜を塗工する際、多条塗工してもよいし、間欠塗工してもよいし、多条間欠塗工してもよい。正極集電体の両面に正極活物質層を形成する場合、正極集電体の片面に塗工、乾燥し、その後もう一方の面に塗工、乾燥する逐次塗工を行ってもよいし、正極集電体の両面に同時に塗工液を塗工、乾燥する両面同時塗工を行ってもよい。また、この場合、正極集電体の表面および裏面の正極活物質層の厚みの差は、両者の平均厚みの10%以下であることが好ましい。表面および裏面における正極活物質層の質量比、および膜厚比が1.0に近いほど、一方の面に充放電の負荷が集中することがないため、高負荷充放電サイクル特性が向上する。 Formation of the coating film of the positive electrode active material layer is not particularly limited, but a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be preferably used. The coating film may be formed by single-layer coating, or may be formed by multi-layer coating. In the case of multi-layer coating, the composition of the coating solution may be adjusted so that the contents of the components in each layer of the coating film are different. When the coating film is applied onto the positive electrode current collector, the coating may be multi-strand coating, intermittent coating, or multi-strand intermittent coating. When the positive electrode active material layer is formed on both sides of the positive electrode current collector, one side of the positive electrode current collector may be coated and dried, and then the other side may be coated and dried sequentially. Both sides of the positive electrode current collector may be simultaneously coated with the coating liquid and dried. In this case, the difference in thickness between the positive electrode active material layers on the front and back surfaces of the positive electrode current collector is preferably 10% or less of the average thickness of both. The closer the mass ratio and film thickness ratio of the positive electrode active material layers on the front and back surfaces to 1.0, the less the charge/discharge load is concentrated on one surface, and the higher the high-load charge/discharge cycle characteristics are.

正極集電体上に正極活物質層の塗膜を形成した後、該塗膜の乾燥を行う。正極前駆体の塗膜の乾燥は、好ましくは熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥等の適宜の乾燥方法により、好ましくは遠赤外線、近赤外線、または熱風で行なわれる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。乾燥温度は、25℃以上200℃以下であることが好ましく、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることが出来る。他方、200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れまたはマイグレーションによる結着剤の偏在、正極集電体または正極活物質層の酸化を抑制できる。 After forming the coating film of the positive electrode active material layer on the positive electrode current collector, the coating film is dried. The coating film of the positive electrode precursor is preferably dried by an appropriate drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying, preferably with far infrared rays, near infrared rays, or hot air. The coating film may be dried at a single temperature, or may be dried by changing the temperature in multiple stages. A plurality of drying methods may be combined for drying. The drying temperature is preferably 25° C. or higher and 200° C. or lower, more preferably 40° C. or higher and 180° C. or lower, and still more preferably 50° C. or higher and 160° C. or lower. If the drying temperature is 25° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. On the other hand, if the temperature is 200° C. or less, cracking of the coating film due to rapid volatilization of the solvent, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the positive electrode current collector or the positive electrode active material layer can be suppressed.

乾燥後の正極活物質層に含まれる水分量は、正極活物質層の全質量を100質量%としたときに、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましい。水分量が0.1質量%以上であれば、過剰な乾燥による結着剤の劣化を抑え、低抵抗化できる。水分量が10質量%以下であれば、アルカリ金属イオンの失活を抑え、高容量化できる。塗工液の調整にN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を用いた場合、乾燥後の正極活物質層におけるNMPの含有量は、正極活物質層の全質量を100%としたときに、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましい。正極活物質層に含まれる水分量は、例えばカールフィッシャー滴定法(JIS 0068(2001)「化学製品の水分測定方法」)により測定することができる。正極活物質層に含まれるNMP量は、25℃環境下、正極活物質層の質量の50~100倍の質量のエタノールに正極活物質層を24時間含侵させてNMPを抽出し、その後GC/MSを測定し、予め作成した検量線に基づいて定量することができる。 The amount of water contained in the dried positive electrode active material layer is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less when the total mass of the positive electrode active material layer is 100% by mass. If the water content is 0.1% by mass or more, the deterioration of the binder due to excessive drying can be suppressed, and the resistance can be lowered. If the water content is 10% by mass or less, the deactivation of alkali metal ions can be suppressed and the capacity can be increased. When N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used to adjust the coating liquid, the content of NMP in the positive electrode active material layer after drying is, when the total mass of the positive electrode active material layer is 100%, It is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less. The amount of water contained in the positive electrode active material layer can be measured, for example, by Karl Fischer titration (JIS 0068 (2001) "Method for measuring water content of chemical products"). The amount of NMP contained in the positive electrode active material layer is obtained by impregnating the positive electrode active material layer with ethanol having a mass 50 to 100 times the mass of the positive electrode active material layer for 24 hours in an environment of 25 ° C., and then extracting NMP by GC. /MS can be measured and quantified based on a calibration curve prepared in advance.

正極活物質層のプレスには、好適には、油圧プレス機、真空プレス機、ロールプレス機等の適宜のプレス機を用いることができる。正極活物質層の膜厚、嵩密度および電極強度は、後述するプレス圧力、プレスロール間の隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力は0.5kN/cm以上20kN/cm以下が好ましく、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。他方、プレス圧力が20kN/cm以下であれば、正極前駆体に撓みおよびシワが生じることがなく、正極活物質層を所望の膜厚または嵩密度に調整できる。プレスにロールプレス機を使用する場合、プレスロール間の隙間としては、正極活物質層が所望の厚みおよび嵩密度となるように、適宜の値を設定できる。プレス速度は、正極前駆体に撓みおよびシワが生じない適宜の速度に設定できる。 Appropriate press machines such as a hydraulic press machine, a vacuum press machine, and a roll press machine can be suitably used for pressing the positive electrode active material layer. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the positive electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap between press rolls, and the surface temperature of the press portion, which will be described later. The pressing pressure is preferably 0.5 kN/cm or more and 20 kN/cm or less, more preferably 1 kN/cm or more and 10 kN/cm or less, and still more preferably 2 kN/cm or more and 7 kN/cm or less. If the pressing pressure is 0.5 kN/cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. On the other hand, if the pressing pressure is 20 kN/cm or less, the positive electrode precursor does not bend or wrinkle, and the positive electrode active material layer can be adjusted to a desired film thickness or bulk density. When a roll press machine is used for pressing, the gap between the press rolls can be set to an appropriate value so that the positive electrode active material layer has a desired thickness and bulk density. The pressing speed can be set to an appropriate speed at which the positive electrode precursor does not bend or wrinkle.

プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要により加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、使用する結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは結着剤の融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは結着剤の融点マイナス30℃以上である。他方、加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、使用する結着剤の融点プラス50℃以下が好ましく、より好ましくは結着剤融点プラス30℃以下、さらに好ましくは結着剤の融点プラス20℃以下である。例えば、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(融点150℃)を用いる場合、プレス部を90℃以上200℃以下に加温することが好ましく、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下に加熱することである。また、結着剤にスチレン-ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いた場合、プレス部を、40℃以上150℃以下に加温することが好ましく、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下に加温することである。結着剤の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温したときに、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。 The surface temperature of the press portion may be room temperature, or may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the press part when heating is preferably minus 60° C. of the melting point of the binder used or more, more preferably minus 45° C. or more of the melting point of the binder, and still more preferably minus 30° C. of the melting point of the binder. °C or higher. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the press part when heating is preferably the melting point of the binder used plus 50° C. or less, more preferably the melting point of the binder plus 30° C. or less, and still more preferably the melting point of the binder plus 20°C or less. For example, when polyvinylidene fluoride (melting point 150° C.) is used as the binder, the press part is preferably heated to 90° C. or higher and 200° C. or lower, more preferably 105° C. or higher and 180° C. or lower, and still more preferably 120° C. or higher. It is to heat below 170°C. When a styrene-butadiene copolymer (melting point 100° C.) is used as the binder, the press section is preferably heated to 40° C. or higher and 150° C. or lower, more preferably 55° C. or higher and 130° C. or lower. More preferably, it is heated to 70°C or higher and 120°C or lower. The melting point of the binder can be obtained from the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter "DSC7" manufactured by PerkinElmer, 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature is increased from 30 ° C. to 250 ° C. at a rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. When the temperature is raised, the endothermic peak temperature in the temperature raising process becomes the melting point.

プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。正極活物質層を多条塗工した場合には、プレスの前にスリットすることが好ましい。多条塗工された負極活物質層をスリットせずに正極前駆体のプレスを行うと、正極活物質層が塗工されていない正極集電体部分に過剰の応力が掛かり、皺ができる場合がある。プレス後に、正極活物質層を再度スリットしてもよい。 Pressing may be performed multiple times while changing the press pressure, gap, speed, and surface temperature of the press part. When the positive electrode active material layer is coated in multiple lines, slitting is preferably performed before pressing. When the positive electrode precursor is pressed without slitting the negative electrode active material layer coated in multiple lines, excessive stress is applied to the positive electrode current collector portion where the positive electrode active material layer is not coated, causing wrinkles. There is After pressing, the positive electrode active material layer may be slit again.

[負極の製造]
非水系アルカリ金属蓄電素子の負極は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、負極活物質、ならびに必要に応じて使用されるその他の任意成分を水または有機溶剤中に分散または溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を負極集電体上の片面または両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより負極を得ることができる。さらに、得られた負極にプレスを施して、負極活物質層の膜厚または嵩密度を調整してもよい。負極活物質層形成用塗工液の調製、負極集電体上への塗工液の塗工、塗膜の乾燥、およびプレスは、それぞれ、正極前駆体の製造について上述した方法に準じて行うことができる。
[Manufacturing of negative electrode]
The negative electrode of the non-aqueous alkali metal storage element can be manufactured by known electrode manufacturing techniques for lithium ion batteries, electric double layer capacitors, and the like. For example, the negative electrode active material and other optional components used as necessary are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry-like coating liquid, and this coating liquid is applied on the negative electrode current collector. A negative electrode can be obtained by coating one side or both sides of the polymer to form a coating film and drying it. Further, the obtained negative electrode may be pressed to adjust the film thickness or bulk density of the negative electrode active material layer. The preparation of the coating solution for forming the negative electrode active material layer, the coating of the coating solution on the negative electrode current collector, the drying of the coating film, and the pressing are each carried out according to the method described above for the production of the positive electrode precursor. be able to.

[組立工程]
組立工程では、例えば、枚葉の形状にカットした正極前駆体および負極を、セパレータを介して積層してなる積層体に、正極端子および負極端子を接続して、電極積層体を作製する。あるいは、正極前駆体および負極を、セパレータを介して積層および捲回した捲回体に正極端子および負極端子を接続して、電極捲回体を作製してもよい。電極捲回体の形状は円筒型であっても、扁平型であってもよい。正極端子および負極端子の接続の方法は特に限定されないが、抵抗溶接、超音波溶接等の方法を用いることができる。端子を接続した電極体(電極積層体、または電極捲回体)を乾燥して、残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法は限定されないが、真空乾燥等により乾燥することができる。残存溶媒は、正極活物質層または負極活物質層の合計質量当たり、1.5質量%以下であることが好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性を悪化させるため好ましくない。乾燥した電極体は、好ましくは露点-40℃以下のドライ環境下にて、金属缶またはラミネートフィルムに代表される外装体の中に収納し、非水系電解液を注液するための開口部を1方だけ残して封止することが好ましい。露点が-40℃より高いと、電極体に水分が付着してしまい、系内に水が残存し、自己放電特性を悪化させるため好ましくない。外装体の封止方法は特に限定されないが、ヒートシール、インパルスシール等の方法を用いることができる。
[Assembly process]
In the assembling process, for example, the positive electrode precursor and the negative electrode cut into sheets are laminated via a separator to form a laminate, and the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are connected to the electrode laminate to produce the electrode laminate. Alternatively, a positive electrode precursor and a negative electrode may be stacked and wound with a separator interposed between them to form a wound body, and a positive electrode terminal and a negative electrode terminal may be connected to the wound body to produce an electrode wound body. The shape of the electrode-wound body may be cylindrical or flat. A method for connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is not particularly limited, but methods such as resistance welding and ultrasonic welding can be used. It is preferable to dry the electrode assembly (electrode laminate or electrode winding assembly) to which the terminals are connected to remove the residual solvent. Although the drying method is not limited, drying can be performed by vacuum drying or the like. The residual solvent is preferably 1.5% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. If the residual solvent is more than 1.5% by mass, the solvent remains in the system and deteriorates the self-discharge characteristics, which is not preferable. The dried electrode body is preferably housed in an exterior body typified by a metal can or laminated film in a dry environment with a dew point of −40° C. or less, and has an opening for injecting a non-aqueous electrolyte. It is preferable to leave only one side and seal. If the dew point is higher than −40° C., moisture adheres to the electrode body, remaining in the system, and deteriorating the self-discharge characteristics, which is not preferable. A method for sealing the exterior body is not particularly limited, but methods such as heat sealing and impulse sealing can be used.

[注液、含浸、封止工程]
組立工程後に、外装体の中に収納された電極体に、非水系電解液を注液する。注液後に、さらに含浸を行い、正極、負極、およびセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、およびセパレータのうちの少なくとも一部に電解液が浸っていない状態では、後述するアルカリ金属ドープ工程において、アルカリ金属ドープが不均一に進むため、得られる非水系アルカリ金属蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸後に、外装体が開口した状態の電極体を減圧しながら封止することで密閉することができる。
[Injection, impregnation, sealing process]
After the assembly process, a non-aqueous electrolytic solution is injected into the electrode body housed in the exterior body. After the injection, it is desirable to further impregnate the positive electrode, the negative electrode, and the separator sufficiently with the non-aqueous electrolytic solution. When at least a part of the positive electrode, the negative electrode, and the separator is not immersed in the electrolytic solution, the alkali metal doping proceeds unevenly in the alkali metal doping step, which will be described later. increases and durability decreases. The method of impregnation is not particularly limited, but for example, the electrode body after injection is placed in a decompression chamber with the exterior body opened, the chamber is decompressed using a vacuum pump, and the pressure is returned to atmospheric pressure. can be used. After the impregnation, it is possible to seal the electrode body in a state where the exterior body is opened while reducing the pressure.

[アルカリ金属ドープ工程]
アルカリ金属ドープ工程では、正極前駆体と負極との間に電圧を印加して、正極前駆体中に好ましく含まれるアルカリ金属化合物を分解してアルカリ金属イオンを放出し、負極でアルカリ金属イオンを還元することにより、負極活物質層にアルカリ金属イオンをプレドープすることが好ましい。アルカリ金属ドープ工程において、正極前駆体中のアルカリ金属化合物の酸化分解に伴い、CO等のガスが発生する。そのため、電圧を印加する際には、発生したガスを外装体の外部に放出する手段を講ずることが好ましい。この手段としては、例えば、外装体の一部を開口させた状態で電圧を印加する方法;外装体の一部に予めガス抜き弁、ガス透過フィルム等の適宜のガス放出手段を設置した状態で電圧を印加する方法;等を挙げることができる。
[Alkali metal doping step]
In the alkali metal doping step, a voltage is applied between the positive electrode precursor and the negative electrode to decompose the alkali metal compound preferably contained in the positive electrode precursor to release alkali metal ions, and the alkali metal ions are reduced at the negative electrode. By doing so, it is preferable to pre-dope the negative electrode active material layer with alkali metal ions. In the alkali metal doping step, gas such as CO 2 is generated with the oxidative decomposition of the alkali metal compound in the positive electrode precursor. Therefore, when applying a voltage, it is preferable to provide means for discharging the generated gas to the outside of the exterior body. As this means, for example, a method of applying a voltage with a part of the exterior body opened; a method of applying a voltage;

[エージング工程]
アルカリ金属ドープ工程後に、電極体にエージングを行うことが好ましい。エージング工程では、電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にアルカリ金属イオン透過性の固体高分子被膜が形成される。エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば高温環境下で電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。
[Aging process]
After the alkali metal doping step, the electrode body is preferably aged. In the aging process, the solvent in the electrolytic solution is decomposed on the negative electrode to form a solid polymer film permeable to alkali metal ions on the surface of the negative electrode. The aging method is not particularly limited, but for example, a method of reacting the solvent in the electrolytic solution under a high temperature environment can be used.

[ガス抜き工程]
エージング工程後に、さらにガス抜きを行い、電解液、正極、および負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。電解液、正極、および負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系アルカリ金属蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、外装体を開口した状態で電極体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。ガス抜き後、外装体をシールすることにより外装体を密閉し、非水系アルカリ金属蓄電素子を作製することができる。
[Degassing process]
After the aging step, it is preferable to perform gas venting to ensure that the gas remaining in the electrolyte, positive electrode, and negative electrode is removed. In a state where gas remains in at least part of the electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode, ionic conduction is inhibited, and the resistance of the obtained non-aqueous alkali metal storage element increases. The method of degassing is not particularly limited, but for example, a method of placing the electrode assembly in a decompressed chamber with the exterior body open and using a vacuum pump to reduce the pressure in the chamber can be used. After the degassing, the exterior body is sealed by sealing, and the non-aqueous alkali metal storage element can be produced.

《非水系アルカリ金属蓄電素子の用途》
複数個の非水系アルカリ金属蓄電素子を直列または並列に接続することにより蓄電モジュールを作製することができる。非水系アルカリ金属蓄電素子および蓄電モジュールは、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができる。そのため、電力回生アシストシステム、電力負荷平準化システム、無停電電源システム、非接触給電システム、エナジーハーベストシステム、蓄電システム、太陽光発電蓄電システム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、急速充電システム、スマートグリッドシステム等に使用されることができる。蓄電システムは太陽光発電または風力発電等の自然発電に、電力負荷平準化システムはマイクログリッド等に、無停電電源システムは工場の生産設備等に、それぞれ好適に利用される。非接触給電システムにおいて、非水系アルカリ金属蓄電素子は、マイクロ波送電または電界共鳴等の電圧変動の平準化およびエネルギーの蓄電のために;エナジーハーベストシステムにおいて、非水系アルカリ金属蓄電素子は、振動発電等で発電した電力を使用するために、それぞれ好適に利用される。
<<Use of non-aqueous alkali metal storage element>>
A power storage module can be produced by connecting a plurality of non-aqueous alkali metal power storage elements in series or in parallel. The non-aqueous alkali metal storage element and storage module can achieve both high input/output characteristics and safety at high temperatures. Therefore, power regeneration assist system, power load leveling system, uninterruptible power supply system, contactless power supply system, energy harvesting system, power storage system, solar power generation power storage system, electric power steering system, emergency power supply system, in-wheel motor system , idling stop system, quick charging system, smart grid system, etc. The power storage system is preferably used for natural power generation such as solar power generation or wind power generation, the power load leveling system is preferably used for microgrids, and the uninterruptible power supply system is preferably used for factory production equipment. In contactless power supply systems, non-aqueous alkali metal storage elements are used for leveling voltage fluctuations such as microwave power transmission or electric field resonance and storing energy; in energy harvesting systems, non-aqueous alkali metal storage elements are used for vibration power generation. In order to use the electric power generated by etc., it is preferably used respectively.

蓄電システムにおいては、セルスタックとして、複数個の非水系アルカリ金属蓄電素子が直列または並列に接続されるか、または非水系アルカリ金属蓄電素子と、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池または燃料電池とが直列または並列に接続される。また、非水系アルカリ金属蓄電素子は、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができるので、例えば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク等の乗り物に搭載されることができる。上記で説明された電力回生アシストシステム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、またはこれらの組み合わせが、乗り物に好適に搭載される。 In an electric storage system, a plurality of non-aqueous alkali metal electric storage elements are connected in series or in parallel as a cell stack, or a non-aqueous alkali metal electric storage element and a lead battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion secondary battery or A fuel cell is connected in series or in parallel. In addition, since non-aqueous alkali metal storage devices can achieve both high input/output characteristics and safety at high temperatures, they are used in vehicles such as electric vehicles, plug-in hybrid vehicles, hybrid vehicles, and electric motorcycles. can The power regeneration assist system, the electric power steering system, the emergency power supply system, the in-wheel motor system, the idling stop system, or a combination thereof described above is preferably installed in the vehicle.

《酸化石炭(CO)の製造例》
モルタル内で製造された無煙炭(山陽鉱商株式会社、ベトナム産)をNaNO、HSO、KMnO及びH溶液中でHummers法を用いて酸化石炭(CO)とした。得られた混合物を5%HCl溶液及び蒸留水で3回洗浄し、50℃環境で乾燥させた。得られたCO粉末を蒸留水中に懸濁させ、2時間超音波を照射した。懸濁液を遠心分離して不溶性不純物を除去し、上澄み液を集めて1.5質量%の酸化石炭分散液を得た。得られたサンプルを焼成機内で1時間熱処理し、分析用のサンプルを作製した。
<<Example of production of oxidized coal (CO)>>
Anthracite coal (Sanyo Mining Co., Ltd., Vietnam) produced in mortar was made into coal oxide ( CO) using the Hummers method in NaNO3 , H2SO4 , KMnO4 and H2O2 solutions. The resulting mixture was washed with 5% HCl solution and distilled water three times and dried at 50°C. The obtained CO powder was suspended in distilled water and irradiated with ultrasonic waves for 2 hours. The suspension was centrifuged to remove insoluble impurities, and the supernatant was collected to obtain a 1.5% by mass oxidized coal dispersion. The obtained sample was heat-treated in a baking machine for 1 hour to prepare a sample for analysis.

[酸化石炭の分析]
(AFMを用いた酸化石炭のシートサイズ測定)
上記で得られた分析用の酸化石炭サンプルについて、原子間力顕微鏡(Bruker製、Digital Instruments Nanoscope V)を用いて酸化石炭のシートサイズを測定した。測定結果を図1に示す。図1より、酸化石炭は幅が約30nm、高さが約1nmの板状の形状であった。
[Analysis of oxidized coal]
(Sheet size measurement of oxidized coal using AFM)
For the oxidized coal sample for analysis obtained above, the sheet size of the oxidized coal was measured using an atomic force microscope (manufactured by Bruker, Digital Instruments Nanoscope V). The measurement results are shown in FIG. From FIG. 1, the oxidized coal had a plate-like shape with a width of about 30 nm and a height of about 1 nm.

(XPSを用いた酸化石炭の官能基測定)
上記で得られた分析用の酸化石炭サンプルについて、X線源を単色化AlKα、X線ビーム径を100μmφ(25W、15kV)、パスエネルギーをナロースキャン:58.70eV、帯電中和を有り、スイープ数をナロースキャン10回、エネルギーステップをナロースキャン:0.25eVの条件にて測定した。XPSの測定前にサンプルの表面を、加速電圧1.0kV、2mm×2mmの範囲を1分間スパッタリングし、クリーニングした。XPSの測定結果より、得られた酸化石炭のカルボキシル基含有量は16.7atm%であり、エポキシ基含有量が6.3atm%であった。測定結果を図2に示す。
(Functional group measurement of oxidized coal using XPS)
For the oxidized coal sample for analysis obtained above, the X-ray source is monochromatic AlKα, the X-ray beam diameter is 100 μmφ (25 W, 15 kV), the pass energy is narrow scan: 58.70 eV, and the charge is neutralized. The number was measured by 10 narrow scans, and the energy step was measured by narrow scan: 0.25 eV. Before the XPS measurement, the surface of the sample was sputtered for 1 minute at an acceleration voltage of 1.0 kV over an area of 2 mm×2 mm to clean it. According to the XPS measurement results, the obtained oxidized coal had a carboxyl group content of 16.7 atm % and an epoxy group content of 6.3 atm %. The measurement results are shown in FIG.

《酸化グラフェン(GO)の製造例》
無煙炭の代わりにグラフェン粉末(富士フィルム和光純薬社製)を用いたこと以外は、上記と同様の手順で、酸化グラフェン分散液を調製した。得られたサンプルを焼成機内で1時間熱処理し、分析用のサンプルを作製した。上記と同様の手順で酸化グラフェンのXPSを測定したところ、カルボキシル基含有量は5.1atm%、エポキシ基含有量は46.9atm%であった。XPSの測定結果を図3に示す。
<<Production example of graphene oxide (GO)>>
A graphene oxide dispersion was prepared in the same manner as above, except that graphene powder (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of anthracite. The obtained sample was heat-treated in a baking machine for 1 hour to prepare a sample for analysis. When XPS of graphene oxide was measured in the same manner as above, the carboxyl group content was 5.1 atm % and the epoxy group content was 46.9 atm %. FIG. 3 shows the XPS measurement results.

《正極前駆体及び電解液の製造例》
[正極活物質の調製]
破砕されたヤシ殻炭化物を小型炭化炉内へ入れ、窒素雰囲気下、500℃で3時間炭化処理して炭化物を得た。得られた炭化物を賦活炉内へ入れ、予熱炉で加温した水蒸気を1kg/hで賦活炉内へ導入し、900℃まで8時間かけて昇温して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、窒素雰囲気下で冷却して、賦活された活性炭を得た。得られた賦活された活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りし、115℃に保持された電気乾燥機内で10時間乾燥した後に、ボールミルで1時間粉砕を行うことにより、活性炭1を得た。島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD-2000J)を用いて、活性炭1の平均粒子径を測定した結果、5.5μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB-1 AS-1-MP)を用いて、活性炭1の細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が2360m/g、メソ孔量(V)が0.52cm/g、マイクロ孔量(V)が0.88cm/g、V/V=0.59であった。
<<Production example of positive electrode precursor and electrolytic solution>>
[Preparation of positive electrode active material]
The crushed coconut shell charcoal was placed in a small carbonization furnace and carbonized at 500° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a charcoal. The obtained carbide was placed in an activation furnace, steam heated in a preheating furnace was introduced into the activation furnace at a rate of 1 kg/h, and the temperature was raised to 900° C. over 8 hours for activation. The activated carbon was taken out and cooled in a nitrogen atmosphere to obtain activated carbon. The activated carbon obtained was washed with water for 10 hours, drained, dried in an electric dryer maintained at 115° C. for 10 hours, and then pulverized in a ball mill for 1 hour to obtain activated carbon 1. The average particle size of Activated Carbon 1 was measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer (SALD-2000J) manufactured by Shimadzu Corporation and found to be 5.5 μm. In addition, the pore distribution of activated carbon 1 was measured using a pore distribution analyzer (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 2360 m 2 /g, the mesopore volume (V 1 ) was 0.52 cm 3 /g, the micropore volume (V 2 ) was 0.88 cm 3 /g, and V 1 /V 2 =0. was 59.

[正極前駆体1の製造]
活性炭1を55.4質量%、CMC(カルボキシメチルセルロース)を1.5質量%、炭酸リチウムを31.1質量%、カーボンブラック(CB)を2.4質量%、およびアクリルラテックス(LTX)を3.9質量%、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.8質量%、ならびに固形分の質量割合が15.0質量%になるように蒸留水を混合し、これをシンキー社製の自転公転ミキサー「泡とり練太郎(登録商標)」を用いて、2000rpmの回転速度で20分間分散して混合物を得た。得られた混合物に、酸化石炭の固形分割合が3.9質量%となるよう酸化石炭分散液を混合し、2,000rpmの回転速度にて10分間分散して正極塗工液1を作製した。得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE-35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は520mPa・s、TI値は2.4であった。ドクターブレードを用いて、厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に正極塗工液1を塗工し、50℃に加熱したホットプレートで10分間乾燥した後、ロールプレス機を用いて圧力6kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスすることにより、正極前駆体1を得た。
[Production of positive electrode precursor 1]
55.4% by weight of activated carbon 1, 1.5% by weight of CMC (carboxymethylcellulose), 31.1% by weight of lithium carbonate, 2.4% by weight of carbon black (CB), and 3% by weight of acrylic latex (LTX) 9% by mass, 1.8% by mass of PVP (polyvinylpyrrolidone), and distilled water so that the mass ratio of the solid content is 15.0% by mass. Tori Mixer (registered trademark)" was used to disperse for 20 minutes at a rotational speed of 2000 rpm to obtain a mixture. The obtained mixture was mixed with an oxidized coal dispersion so that the solid content of the oxidized coal was 3.9% by mass, and dispersed for 10 minutes at a rotational speed of 2,000 rpm to prepare a positive electrode coating liquid 1. . The viscosity (ηb) and TI value of the resulting coating liquid were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 520 mPa·s and the TI value was 2.4. Using a doctor blade, one side of an aluminum foil having a thickness of 15 μm was coated with the positive electrode coating solution 1, dried on a hot plate heated to 50° C. for 10 minutes, and then pressed using a roll press at a pressure of 6 kN/cm. A positive electrode precursor 1 was obtained by pressing under the condition that the surface temperature of the pressed part was 25°C.

[正極前駆体の分析]
正極前駆体1の正極活物質層に、10Paの真空中にて金をスパッタリングすることにより、厚み数nmの金膜を表面にコーティングした。続いて以下に示す条件にて、大気暴露下で正極活物質層表面のSEM像を撮影した。
(SEM測定条件)
・測定装置:株式会社日立ハイテクノロジーズ製、電界放出型走査型電子顕微鏡 S-4700
・加速電圧:1kV
・エミッション電流:10μA
・測定倍率:5,000倍
・検出器:二次電子検出器
・電子線入射角度:90°
撮影にあたっては、SEM像中に最大輝度値に達する画素がなく、輝度値の平均値が最大輝度値の40%~60%の範囲に入るように、輝度およびコントラストを調整した。
[Analysis of positive electrode precursor]
The surface of the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor 1 was coated with a gold film having a thickness of several nm by sputtering gold in a vacuum of 10 Pa. Subsequently, under the conditions shown below, an SEM image of the surface of the positive electrode active material layer was taken under atmospheric exposure.
(SEM measurement conditions)
・ Measuring device: Field emission scanning electron microscope S-4700 manufactured by Hitachi High-Technologies Co., Ltd.
・Acceleration voltage: 1 kV
・Emission current: 10 μA
・Measuring magnification: 5,000 times ・Detector: Secondary electron detector ・Electron beam incident angle: 90°
In photographing, the brightness and contrast were adjusted so that there were no pixels reaching the maximum brightness value in the SEM image and the average brightness value was within the range of 40% to 60% of the maximum brightness value.

[正極前駆体2~10の製造例]
各成分の使用量を表1に記載のとおりになるように調整した他は、[正極前駆体1の製造]と同様にして、正極前駆体2~6を製造した。
[Production Examples of Positive Electrode Precursors 2 to 10]
Positive electrode precursors 2 to 6 were produced in the same manner as [Production of positive electrode precursor 1] except that the amount of each component used was adjusted as shown in Table 1.

図4は正極前駆体1を倍率5,000倍で撮影したSEM画像である。正極活物質(活性炭1)上、およびアルカリ金属化合物(炭酸リチウム)上に、均一に酸化石炭が被覆していることが確認できた。図5は正極前駆体5を倍率5,000倍で撮影したSEM画像である。正極活物質上およびアルカリ金属化合物上に堆積物がないことが確認できた。図6は正極前駆体6を倍率5,000倍で撮影したSEM画像である。正極活物質上、およびアルカリ金属化合物上に均一に酸化グラフェンが被覆しているが、酸化グラフェンのシートサイズが大きいために正極活物質層の空隙も覆ってしまっていることが確認できた。 FIG. 4 is an SEM image of the positive electrode precursor 1 taken at a magnification of 5,000. It was confirmed that the positive electrode active material (activated carbon 1) and the alkali metal compound (lithium carbonate) were uniformly coated with coal oxide. FIG. 5 is an SEM image of the positive electrode precursor 5 taken at a magnification of 5,000. It was confirmed that there was no deposit on the positive electrode active material and on the alkali metal compound. FIG. 6 is an SEM image of the positive electrode precursor 6 taken at a magnification of 5,000. It was confirmed that the positive electrode active material and the alkali metal compound were uniformly covered with graphene oxide, but the gaps in the positive electrode active material layer were also covered because the sheet size of the graphene oxide was large.

Figure 2022142971000002
Figure 2022142971000002

[電解液1の調製]
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=33:67(体積比)の混合溶媒を用い、LiPFとLiFSIとの濃度比が1:1であり、合計1.2mol/Lの濃度となるように電解質塩を溶解することにより、非水系電解液1を得た。
[Preparation of electrolyte solution 1]
As an organic solvent, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 33:67 (volume ratio) was used, and the concentration ratio of LiPF6 and LiFSI was 1:1, for a total of 1.2 mol/ A non-aqueous electrolytic solution 1 was obtained by dissolving the electrolytic salt so as to have a concentration of L.

《実施例1》
〈単極セルの製造〉
得られた正極前駆体1を、正極活物質層が4.4cm×9.4cmの大きさになるように1枚切り出し、温度150℃で12時間真空乾燥し、作用極とした。続いて厚み10μmの銅箔を4.5cm×9.5cmの大きさになるように1枚切り出し、厚み50μm、4.4cm×9.4cmの金属リチウム箔を該銅箔に貼り付け対極とした。4.7cm×9.8cmのポリエチレン製のセパレータ(旭化成製、厚み15μm)を1枚、および4.7cm×9.8cmのガラスフィルターを用意した。これらを用いて、作用極(正極前駆体1)、セパレータ、ガラスフィルター、および対極(金属リチウム極)の順に、セパレータおよびガラスフィルターを挟んで正極活物質層と金属リチウム箔とが対向するよう積層し、電極積層体を得た。得られた電極体に正極端子および負極端子を超音波溶接し、アルミラミネート包材で形成された外装体に入れ、電極端子部を含む3辺をヒートシールによりシールした。
<<Example 1>>
<Manufacturing of monopolar cells>
One piece of the obtained positive electrode precursor 1 was cut out so that the positive electrode active material layer had a size of 4.4 cm×9.4 cm, and vacuum-dried at a temperature of 150° C. for 12 hours to obtain a working electrode. Subsequently, a piece of copper foil having a thickness of 10 μm was cut into a size of 4.5 cm×9.5 cm, and a metallic lithium foil having a thickness of 50 μm and a size of 4.4 cm×9.4 cm was attached to the copper foil as a counter electrode. . One sheet of 4.7 cm×9.8 cm polyethylene separator (manufactured by Asahi Kasei Corporation, thickness 15 μm) and a 4.7 cm×9.8 cm glass filter were prepared. Using these, a working electrode (positive electrode precursor 1), a separator, a glass filter, and a counter electrode (metallic lithium electrode) are laminated in this order so that the positive electrode active material layer and the metallic lithium foil face each other with the separator and glass filter interposed therebetween. to obtain an electrode laminate. A positive electrode terminal and a negative electrode terminal were ultrasonically welded to the obtained electrode body, placed in an exterior body formed of an aluminum laminate packaging material, and three sides including the electrode terminal portion were heat-sealed.

[注液、含浸、封止工程]
大気圧下、温度25℃、露点-40℃以下のドライエアー環境下にて、電極積層体を収納した外装体内に、非水系電解液1を約5.0g注入した。続いて、電極積層体および非水系電解液を収納している外装体を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から-87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、チャンバー内の外装体を大気圧から-87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、大気圧下にて15分間静置した。以上の工程により、非水系電解液1を電極積層体に含浸させた。その後、非水系電解液1を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、-95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることにより外装体を封止し、単極セルを作製した。
[Injection, impregnation, sealing process]
About 5.0 g of the non-aqueous electrolytic solution 1 was poured into the outer package housing the electrode laminate under atmospheric pressure, in a dry air environment with a temperature of 25° C. and a dew point of −40° C. or lower. Subsequently, the outer package housing the electrode laminate and the non-aqueous electrolytic solution was placed in a decompression chamber, and the pressure was reduced from the atmospheric pressure to −87 kPa, then returned to the atmospheric pressure, and allowed to stand for 5 minutes. After that, the exterior body in the chamber was evacuated from the atmospheric pressure to -87 kPa, and after repeating the step of returning to the atmospheric pressure four times, the chamber was allowed to stand under the atmospheric pressure for 15 minutes. The electrode laminate was impregnated with the non-aqueous electrolytic solution 1 through the above steps. After that, the electrode laminate impregnated with the non-aqueous electrolytic solution 1 is placed in a vacuum sealing machine, and the exterior body is sealed by sealing at 180 ° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa while reducing the pressure to -95 kPa. Then, a monopolar cell was produced.

〈単極セルの評価〉
[静電容量の測定]
静電容量Qa(mAh/g)とは、以下の方法によって得られる値である。先ず、単極セルを25℃に設定した恒温槽内で、3Cの電流値で4.0Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.0Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、サンプリング間隔を1.0秒とし、1Cの電流値で2.0Vまで定電流放電を行ったときの電気容量(mAh)を得る。得られた電気容量について、正極活物質の重量で割り返し算出される値を静電容量Qa(mAh/g)とする。なお、正極活物質の重量は、正極前駆体の重量からアルミニウム箔の重量を差し引き正極活物質層の重量を算出し、表1に示す正極活物質の組成比(質量%)を乗じて算出することができる。
<Evaluation of monopolar cell>
[Capacitance measurement]
The capacitance Qa (mAh/g) is a value obtained by the following method. First, in a constant temperature bath set at 25 ° C., the monopolar cell was subjected to constant current charging at a current value of 3 C until reaching 4.0 V, and then constant voltage charging to apply a constant voltage of 4.0 V in total. Allow 30 minutes. Subsequently, the electric capacity (mAh) is obtained when the sampling interval is set to 1.0 second and the constant current discharge is performed at a current value of 1C to 2.0V. A value calculated by dividing the obtained electric capacity by the weight of the positive electrode active material is defined as the electric capacity Qa (mAh/g). The weight of the positive electrode active material is calculated by subtracting the weight of the aluminum foil from the weight of the positive electrode precursor to calculate the weight of the positive electrode active material layer, and multiplying it by the composition ratio (% by mass) of the positive electrode active material shown in Table 1. be able to.

[アルカリ金属化合物の分解容量の測定]
アルカリ金属化合物の分解容量Qb(mAh)およびQc(mAh/g)とは、以下の方法によって得られる値である。先ず、単極セルを45℃に設定した恒温槽内で、3Cの電流値で4.5Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.5Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で3時間行い、4.2V以上の電圧で流れた電気容量として分解容量Qb(mAh)を得る。得られた電気容量Qbについて、アルカリ金属化合物の重量で割り返し算出される値を分解容量Qc(mAh/g)とする。なお、アルカリ金属化合物の重量は、正極前駆体の重量からアルミニウム箔の重量を差し引き正極活物質層の重量を算出し、表1に示すアルカリ金属化合物の組成比(質量%)を乗じて算出することができる。ここで、アルカリ金属化合物として炭酸リチウムを用いた場合、炭酸リチウム分解の理論容量725mAh/gでQcを除することにより、炭酸リチウムの分解効率を算出することができる。
[Measurement of decomposition capacity of alkali metal compound]
The decomposition capacities Qb (mAh) and Qc (mAh/g) of alkali metal compounds are values obtained by the following method. First, the monopolar cell was subjected to constant current charging at a current value of 3 C in a constant temperature bath set at 45 ° C. until reaching 4.5 V, followed by constant voltage charging to apply a constant voltage of 4.5 V in total. After 3 hours, the decomposition capacity Qb (mAh) is obtained as the electric capacity that flows at a voltage of 4.2 V or higher. A decomposition capacity Qc (mAh/g) is obtained by dividing the obtained electric capacity Qb by the weight of the alkali metal compound. The weight of the alkali metal compound is calculated by subtracting the weight of the aluminum foil from the weight of the positive electrode precursor to calculate the weight of the positive electrode active material layer, and multiplying the result by the composition ratio (% by mass) of the alkali metal compound shown in Table 1. be able to. Here, when lithium carbonate is used as the alkali metal compound, the decomposition efficiency of lithium carbonate can be calculated by dividing Qc by the theoretical capacity of 725 mAh/g for decomposition of lithium carbonate.

[実施例2~8、比較例1及び2]
正極前駆体を表2に記載のとおりに用いたこと以外は、実施例1と同様にして、単極セルを製造した。
[Examples 2 to 8, Comparative Examples 1 and 2]
A monopolar cell was produced in the same manner as in Example 1, except that the positive electrode precursor was used as shown in Table 2.

Figure 2022142971000003
Figure 2022142971000003

酸化石炭の含有量Aが0.5質量%以上8.0質量%以下であるとき、静電容量Qaを高めることができ、アルカリ金属化合物の分解容量および分解効率を高めることができた。酸化石炭の代わりに酸化グラフェンを用いた場合、正極活物質層表面を過剰に被覆してしまうために電解液の保液性および拡散性が低下し、アルカリ金属化合物の分解容量および分解効率が低下したと考えられる。また、150℃の高温環境下で乾燥させることで酸化グラフェンが還元され官能基が消失してしまうため、静電容量が増加せず、またアルカリ金属化合物の分解容量および分解効率が低下したと考えられる。 When the content A of the oxidized coal was 0.5% by mass or more and 8.0% by mass or less, the electrostatic capacity Qa could be increased, and the decomposition capacity and decomposition efficiency of the alkali metal compound could be increased. When graphene oxide is used instead of oxidized coal, the surface of the positive electrode active material layer is excessively covered, so that the liquid retention and diffusibility of the electrolyte are reduced, and the decomposition capacity and decomposition efficiency of the alkali metal compound are reduced. It is thought that In addition, it is thought that the graphene oxide was reduced by drying in a high temperature environment of 150 ° C. and the functional group disappeared, so that the capacitance did not increase and the decomposition capacity and decomposition efficiency of the alkali metal compound decreased. be done.

本開示の正極前駆体は、リチウムイオンキャパシタとして適用したときに、本発明の効果が最大限に発揮されるため好ましく、高いエネルギー密度が求められる自動車のハイブリット駆動システムの電力回生システム、太陽光発電や風力発電等の自然発電やマイクログリッド等における電力負荷平準化システム、工場の生産設備等における無停電電源システム、マイクロ波送電や電解共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電を目的とした非接触給電システム、振動発電等で発電した電力の利用を目的としたエナジーハーベストシステムに用いられる非水系アルカリ金属蓄電素子として好適に利用できる。リチウムイオンキャパシタは、例えば、複数個の非水系アルカリ金属蓄電素子を直列、又は並列に接続して蓄電モジュールを作ることができる。 The positive electrode precursor of the present disclosure is preferable because the effect of the present invention is maximized when applied as a lithium ion capacitor, and a power regeneration system for a hybrid drive system of an automobile that requires high energy density, solar power generation. and natural power generation such as wind power generation, power load leveling systems in micro grids, etc., uninterruptible power supply systems in factory production equipment, leveling of voltage fluctuations such as microwave power transmission and electrolytic resonance, and energy storage It can be suitably used as a non-aqueous alkali metal storage element used in a non-contact power feeding system, an energy harvesting system for the purpose of utilizing power generated by vibration power generation, or the like. A lithium-ion capacitor can be made into an electric storage module by connecting, for example, a plurality of non-aqueous alkali metal electric storage elements in series or in parallel.

Claims (4)

炭素材料を含む正極活物質と、酸化石炭と、前記正極活物質以外のアルカリ金属化合物とを含む、正極前駆体であって、
前記正極前駆体は、正極集電体と、前記正極集電体の片面又は両面上に設けられた、前記正極活物質及び前記酸化石炭を含む正極活物質層とを有し、
前記正極活物質の表面の少なくとも一部及び前記アルカリ金属化合物の表面の少なくとも一部に前記酸化石炭が被覆している、正極前駆体。
A positive electrode precursor comprising a positive electrode active material containing a carbon material, coal oxide, and an alkali metal compound other than the positive electrode active material,
The positive electrode precursor has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material and the coal oxide provided on one or both sides of the positive electrode current collector,
A positive electrode precursor, wherein at least part of the surface of the positive electrode active material and at least part of the surface of the alkali metal compound are coated with the coal oxide.
前記正極前駆体の正極活物質層に含まれる前記酸化石炭の含有量が、前記正極活物質層の全質量を基準として、0.5質量%以上8.0質量%以下であり、前記アルカリ金属化合物の含有量が、前記正極活物質層の全質量を基準として、20.0質量%以上45.0質量%以下である、請求項1に記載の正極前駆体。 The content of the coal oxide contained in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is 0.5% by mass or more and 8.0% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer, and the alkali metal The positive electrode precursor according to claim 1, wherein the content of the compound is 20.0% by mass or more and 45.0% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer. 前記酸化石炭のXPS(X線光電子分光)により測定されるカルボキシル基官能基量が、10.0atm%以上26.0atm%以下であり、エポキシ基官能基量が0.1atm%以上8.0atm%以下である、請求項1又は2に記載の正極前駆体。 The carboxyl group functional group amount measured by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) of the oxidized coal is 10.0 atm% or more and 26.0 atm% or less, and the epoxy group functional group amount is 0.1 atm% or more and 8.0 atm%. 3. The positive electrode precursor according to claim 1 or 2, wherein: 前記酸化石炭のAFM(原子間力顕微鏡)により測定されるシートサイズが10nm以上50nm未満である、請求項1~3のいずれか一項に記載の正極前駆体。 The positive electrode precursor according to any one of claims 1 to 3, wherein the sheet size of the oxidized coal measured by AFM (atomic force microscope) is 10 nm or more and less than 50 nm.
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