JP2008166155A - String-like electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紐状電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to a string electrochemical device.
電気化学デバイスにおいて、形状自由度の向上はかねてからの要求である。形状自由度が高い繊維状の電池として、現在、同軸型の紐状(チューブ状)電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この紐状電池は、正極と、電解液を含浸させたセパレータと、負極とを同軸ケーブル状に設けた構成を有している。 In electrochemical devices, improvement in the degree of freedom of shape has been a requirement for some time. As a fibrous battery having a high degree of freedom in shape, a coaxial string-shaped (tube-shaped) battery has been proposed (for example, see Patent Document 1). This string battery has a configuration in which a positive electrode, a separator impregnated with an electrolytic solution, and a negative electrode are provided in a coaxial cable shape.
しかし、上記特許文献1に記載された紐状電池は、同軸構造であるがゆえに折り曲げ時に電極や集電体に割れが生じて素子が破壊されやすいという問題があり、折り曲げ自由度が不十分であった。
However, since the string-like battery described in
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、形状自由度(折り曲げ自由度)に優れた紐状電気化学デバイスを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the subject which the said prior art has, and aims at providing the string-shaped electrochemical device excellent in the shape freedom degree (folding freedom degree).
上記目的を達成するために、本発明は、第1の電極と、第2の電極と、上記第1の電極及び上記第2の電極間に配置されたイオン伝導性を有する電解質層と、を備える蓄電素子が、紐状に複数連続して互いに直列又は並列に電気的に接続されている、紐状電気化学デバイスを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention includes a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer having ion conductivity disposed between the first electrode and the second electrode. Provided is a string-like electrochemical device in which a plurality of power storage elements are electrically connected in series or in parallel to each other in a string form.
上記構成を有する本発明の紐状電気化学デバイスによれば、急角度の折り曲げを加えても、その応力が複数の蓄電素子間の接続部分で吸収されるため、蓄電素子部分が破壊されることを十分に抑制することができ、優れた形状自由度(折り曲げ自由度)を得ることができる。 According to the string-like electrochemical device of the present invention having the above-described configuration, even if a sharp bend is applied, the stress is absorbed at the connection portion between the plurality of power storage elements, so that the power storage element portion is destroyed. Can be sufficiently suppressed, and an excellent shape freedom (bending flexibility) can be obtained.
また、本発明の紐状電気化学デバイスにおいて、上記第1の電極及び上記第2の電極のいずれか一方又は双方が、実質的に活物質粒子及び該活物質粒子上に担持された電子伝導性を有する導電助剤からなる電極であることが好ましい。かかる電極を用いることにより、蓄電素子において結着剤及び集電体の存在による電気容量に寄与しない領域を低減することができ、従来提案された紐状電気化学デバイスに対してエネルギー密度の向上、並びに小型化及び軽量化を実現することができる。 In the string-like electrochemical device of the present invention, either or both of the first electrode and the second electrode are substantially active material particles and electronic conductivity supported on the active material particles. It is preferable that the electrode is made of a conductive additive having By using such an electrode, it is possible to reduce a region that does not contribute to the electric capacity due to the presence of the binder and the current collector in the power storage element, and to improve the energy density with respect to the conventionally proposed string-like electrochemical device, In addition, a reduction in size and weight can be realized.
ここで、上記電極を構成する上記活物質粒子は一次粒子であることが好ましい。活物質粒子が一次粒子であることにより、紐状電気化学デバイスのより一層の小型化及び軽量化を実現することができる。 Here, the active material particles constituting the electrode are preferably primary particles. When the active material particles are primary particles, the string-like electrochemical device can be further reduced in size and weight.
なお、本発明において、「実質的に活物質粒子及び該活物質粒子上に担持された電子伝導性を有する導電助剤からなる電極」とは、電極中に活物質粒子及び導電助剤以外の構成材料(例えば、結着剤等)を意図的に加えていないことを意味する。すなわち、原料中に含まれる不純物や、活物質粒子上に導電助剤を担持させる際に混入する不純物等は、本発明の効果を阻害しない範囲であれば電極中に混入していてもよい。但し、電極中の活物質粒子及び導電助剤の合計の含有量は、電極の固形分全量を基準として95質量%以上であることが好ましい。 In the present invention, “an electrode consisting essentially of an active material particle and a conductive additive having electronic conductivity supported on the active material particle” means an electrode other than the active material particle and the conductive additive. It means that a constituent material (for example, a binder or the like) is not intentionally added. That is, impurities contained in the raw material, impurities mixed when the conductive additive is carried on the active material particles, and the like may be mixed in the electrode as long as the effects of the present invention are not impaired. However, the total content of the active material particles and the conductive additive in the electrode is preferably 95% by mass or more based on the total solid content of the electrode.
また、本発明の紐状電気化学デバイスにおいて、上記第1の電極及び上記第2の電極のいずれか一方又は双方が、活物質粒子と、電子伝導性を有する導電助剤と、上記活物質粒子と上記導電助剤とを結着させることが可能な結着剤と、を含む複合粒子からなる電極であることも好ましい。かかる電極を用いることにより、蓄電素子において集電体の存在による電気容量に寄与しない領域を低減することができ、従来提案されてきた紐状電気化学デバイスに対してエネルギー密度の向上、並びに小型化及び軽量化を実現することができる。 Moreover, in the string-like electrochemical device of the present invention, any one or both of the first electrode and the second electrode are active material particles, a conductive auxiliary agent having electronic conductivity, and the active material particles. It is also preferable that the electrode be composed of composite particles containing a binder capable of binding the conductive aid. By using such an electrode, it is possible to reduce a region that does not contribute to the electric capacity due to the presence of the current collector in the power storage element, and it is possible to improve the energy density and reduce the size of the conventionally proposed string-like electrochemical device. And weight reduction can be realized.
また、本発明の紐状電気化学デバイスにおいて、複数の上記蓄電素子は、可とう性を有するチューブ状ケース内に収容されていることが好ましい。かかる可とう性を有するチューブ状ケース内に蓄電素子を収容することで、良好な形状自由度(折り曲げ自由度)を有しつつ、複数の蓄電素子が連続してなる紐状電気化学デバイスを効率的に構成することができる。 In the string-like electrochemical device of the present invention, it is preferable that the plurality of power storage elements are accommodated in a tube-shaped case having flexibility. By accommodating the electricity storage element in the flexible tube-like case, a string-like electrochemical device in which a plurality of electricity storage elements are continuous is efficiently obtained while having a good degree of freedom in shape (flexibility). Can be configured.
ここで、上記チューブ状ケースは、曲げ弾性率200〜2000MPaの樹脂からなるものであることが好ましい。これにより、紐状電気化学デバイスの形状自由度(折り曲げ自由度)をより良好なものとし、同時に充分な強度を維持することができる。 Here, the tubular case is preferably made of a resin having a flexural modulus of 200 to 2000 MPa. Thereby, the shape freedom degree (folding freedom degree) of a string-like electrochemical device can be made more favorable, and sufficient intensity | strength can be maintained simultaneously.
更に、本発明の紐状電気化学デバイスにおいては、線状又は帯状の電子伝導性を有する端子部材により、複数の上記蓄電素子が並列に電気的に接続されていることが好ましい。これにより、良好な形状自由度(折り曲げ自由度)を有しつつ、複数の蓄電素子が並列に接続された高容量の紐状電気化学デバイスを効率的に構成することができる。 Furthermore, in the string-like electrochemical device of the present invention, it is preferable that the plurality of power storage elements are electrically connected in parallel by a terminal member having linear or band-like electronic conductivity. Thereby, it is possible to efficiently configure a high-capacity string-like electrochemical device in which a plurality of power storage elements are connected in parallel while having a good degree of freedom of shape (degree of freedom of bending).
本発明によれば、形状自由度(折り曲げ自由度)に優れた紐状電気化学デバイスを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the string-shaped electrochemical device excellent in the shape freedom degree (folding freedom degree) can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
また、本明細書においては、アノードの活物質粒子を「アノード活物質粒子」といい、カソードの活物質粒子を「カソード活物質粒子」という。ここで、「アノード活物質粒子」という場合の「アノード」とは、蓄電素子の放電時の極性を基準とするもの(負極活物質)であり、「カソード活物質粒子」という場合の「カソード」は、蓄電素子の放電時の極性を基準とするもの(正極活物質)である。 Further, in this specification, the anode active material particles are referred to as “anode active material particles”, and the cathode active material particles are referred to as “cathode active material particles”. Here, the “anode” in the case of “anode active material particles” is a material based on the polarity at the time of discharging of the electricity storage element (negative electrode active material), and the “cathode” in the case of “cathode active material particles”. Is based on the polarity at the time of discharging of the electricity storage element (positive electrode active material).
まず、本発明の紐状電気化学デバイスを構成する蓄電素子について説明する。図1は、本発明の紐状電気化学デバイスを構成する蓄電素子(リチウムイオン二次電池)の好適な一実施形態を示す模式断面図である。また、図2は、図1に示した蓄電素子を構成する電極(カソード)の一例を示す模式図である。 First, the electrical storage element which comprises the string-like electrochemical device of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of a power storage element (lithium ion secondary battery) constituting the string-like electrochemical device of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of an electrode (cathode) that constitutes the power storage element illustrated in FIG. 1.
図1に示すように、蓄電素子1は、カソード10(第1の電極)と、アノード20(第2の電極)と、カソード10とアノード20との間に配置される電解質層30と、から構成されている。
As shown in FIG. 1, the
ここで、カソード10は、図2に示すように、実質的にカソード活物質粒子12(第1の活物質粒子)及び該カソード活物質粒子12上に担持された電子伝導性を有する導電助剤14(第1の導電助剤)のみで構成されている。また、アノード20は、カソード10と同様に、実質的にアノード活物質粒子22(第2の活物質粒子)及び該アノード活物質粒子22上に担持された電子伝導性を有する導電助剤24(第2の導電助剤)のみで構成されている。
Here, as shown in FIG. 2, the
そして、カソード10とアノード20との間にはイオン伝導性を有する電解質層30が配置され、蓄電素子1が形成されている。なお、カソード10とアノード20とは、それらの間に電解質層30が介在していることにより、非接触状態に保たれている。
An
カソード10を構成するカソード活物質粒子12は特に限定されず、公知の電極活物質を使用することができる。かかるカソード活物質粒子12としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixMnyCozO2(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物、V2O5、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe又はそれらを複数含む金属を示す)等の金属リン酸化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等が挙げられる。
The cathode
カソード10を構成する導電助剤14は特に限定されず、公知の導電助剤を使用することができる。かかる導電助剤14としては、例えば、カーボンブラック類、高結晶性の人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、上記炭素材料及び金属微粉の混合物、ITOのような導電性酸化物等が挙げられる。
The conductive
アノード20を構成するアノード活物質粒子22は特に限定されず、公知の電極活物質を使用することができる。かかるアノード活物質粒子22としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出(インターカレート、或いはドーピング・脱ドーピング)可能な黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、Al、Si、Sn等のリチウムと化合することのできる金属、SiO2、SnO2等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等が挙げられる。
The anode
アノード20を構成する導電助剤24としては、カソード10を構成する導電助剤14と同様の物質を使用することができる。
As the conductive
また、蓄電素子1において、アノードは、上述した炭素材料からなる粒子のみで構成されていてもよい。更に、蓄電素子1が金属リチウム二次電池の場合、そのアノードは、金属リチウム又はリチウム合金からなる粒子のみで構成されていてもよい。リチウム合金は特に限定されず、例えば、Li−Al、LiSi、LiSn等の合金(ここでは、LiSiも合金として取り扱うものとする)が挙げられる。こうした場合、カソードは、上述した導電助剤14を担持したカソード活物質粒子12で構成されるカソード10であることが好ましい。
Moreover, in the
また、蓄電素子1においては、より優れたエネルギー密度を得る観点から、カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22のいずれか一方が、リチウム複合酸化物からなるものであることが好ましく、カソード活物質粒子12がリチウム複合酸化物からなり、且つ、アノード活物質粒子22が黒鉛からなるものであることがより好ましい。
Moreover, in the
また、蓄電素子1が電気化学キャパシタの場合、カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22としては、例えば、粒状又は繊維状の賦活処理済みの活性炭や金属酸化物等を用いることができ、特に、ヤシガラ活性炭、ピッチ系活性炭、フェノール樹脂系活性炭等の電気二重層容量の高いものを好ましく用いることができる。
Moreover, when the
ここで、カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22の粒径は、0.1〜50μmであることが好ましく、1〜30μmであることがより好ましい。また、蓄電素子が電気化学キャパシタである場合、カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22の粒径は、0.1〜50μmであることが好ましく、1〜30μmであることがより好ましい。カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22の粒径を上記範囲内とすることにより、蓄電素子1の十分な小型化及び軽量化を図ることができるため、これを用いた紐状電気化学デバイスの十分な小型化及び軽量化を実現することができる。
Here, the particle diameters of the cathode
また、カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22の一方又は双方は、単一の粒子であることが好ましく、一次粒子であることがより好ましい。カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22が複数の粒子で構成されている場合、その粒子間の接着や電気的接続が不十分となりやすい。カソード活物質粒子12及びアノード活物質粒子22が、単一粒子又は一次粒子であることにより、複数の粒子からなる場合の上記問題点を解消することができるとともに、蓄電素子1及びそれを用いた紐状電気化学デバイスの小型化及び軽量化をより効率的に実現することができる。
Further, one or both of the cathode
また、導電助剤14,24の平均一次粒子径は、0.01〜10μmであることが好ましく、0.02〜3μmであることがより好ましい。この平均一次粒子径が0.01μm未満であると、電子伝導パスが充分確保できなくなる傾向があり、10μmを超えると、導電助剤が活物質粒子に比して大きすぎるため蓄電素子のエネルギー密度を低下させる傾向がある。
Moreover, it is preferable that the average primary particle diameter of the
また、カソード10及びアノード20において、活物質粒子の粒径と導電助剤の平均一次粒子径との比(活物質粒子の粒径/導電助剤の平均一次粒子径)は、5〜5000であることが好ましく、10〜1000であることがより好ましい。この粒径比が5000を超えると、電子伝導パスが充分確保できなくなる傾向があり、5未満であると、導電助剤が活物質粒子に比して大きすぎるため蓄電素子のエネルギー密度を低下させる傾向がある。
Further, in the
更に、カソード10及びアノード20において、活物質粒子と導電助剤との含有量の比は、質量比で100:1〜2:1であることが好ましく、60:1〜5:1であることがより好ましい。この含有量の比を上記範囲内とすることにより、エネルギー密度を低下させること無く電子伝導パスを充分に確保できるようになる傾向がある。
Furthermore, in the
また、カソード10及びアノード20において、導電助剤による活物質粒子表面の被覆率は、20〜90%であることが好ましく、30〜80%であることがより好ましく、40〜70%であることが特に好ましい。ここで、上記被覆率は、導電助剤が活物質粒子を被覆する割合であり、具体的には以下の方法で求められるものである。すなわち、導電助剤を担持させた活物質粒子のSEM(Scanning Electron Micro Scope:走査型電子顕微鏡)写真を30000倍の倍率で撮影し、その写真中において、活物質粒子及びそれに付着している導電助剤の合計の面積のうち、導電助剤の占める面積の割合を被覆率として求める。この被覆率が上記範囲内であることにより、蓄電素子1を構成した場合に、インピーダンスをより十分に低減することができ、より優れたエネルギー密度を得ることができる。
Moreover, in the
カソード10及びアノード20の導電率は、1×10−1S/m以上であることが好ましく、1×10−2〜6.2×107S/mであることがより好ましく、1×10−4〜6.2×107S/mであることが特に好ましい。この導電率が1×10−1S/m未満であると、蓄電素子の内部抵抗が大きくなり、実質的な入出力特性が低下する傾向がある。
The conductivity of the
また、カソード10及びアノード20の形状は特に限定されず、例えば、略球状であってもよい。
Moreover, the shape of the
電解質層30は、電解液からなる層であってもよく、固体電解質(セラミックス固体電解質、固体高分子電解質)からなる層であってもよく、セパレータと該セパレータ中に含浸された電解液及び/又は固体電解質とからなる層であってもよい。
The
電解液は、リチウム含有電解質を非水溶媒に溶解して調製する。リチウム含有電解質としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6等から適宜選択すればよく、また、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2Nのようなリチウムイミド塩や、LiB(C2O4)2などを使用することもできる。非水溶媒としては、例えば、エーテル類、ケトン類、カーボネート類等、特開昭63−121260号公報などに例示される有機溶媒から選択することができるが、本発明では特にカーボネート類を用いることが好ましい。カーボネート類のうちでは、特にエチレンカーボネートを主成分とし他の溶媒を1種類以上添加した混合溶媒を用いることが好ましい。混合比率は、通常、エチレンカーボネート:他の溶媒=5〜70:95〜30(体積比)とすることが好ましい。エチレンカーボネートは凝固点が36.4℃と高く、常温では固化しているため、エチレンカーボネート単独では電池の電解液としては使用できないが、凝固点の低い他の溶媒を1種類以上添加することにより、混合溶媒の凝固点が低くなり、使用可能となる。 The electrolytic solution is prepared by dissolving a lithium-containing electrolyte in a non-aqueous solvent. The lithium-containing electrolyte may be appropriately selected from, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 and the like, and Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, etc. and lithium imide salt, LiB (C 2 O 4) may be used 2 or the like. The non-aqueous solvent can be selected from, for example, ethers, ketones, carbonates and the like, and organic solvents exemplified in JP-A No. 63-121260, but in the present invention, carbonates are particularly used. Is preferred. Among carbonates, it is particularly preferable to use a mixed solvent in which ethylene carbonate is the main component and one or more other solvents are added. Usually, the mixing ratio is preferably ethylene carbonate: other solvent = 5 to 70:95 to 30 (volume ratio). Since ethylene carbonate has a high freezing point of 36.4 ° C and is solidified at room temperature, ethylene carbonate alone cannot be used as a battery electrolyte, but it can be mixed by adding one or more other solvents having a low freezing point. The freezing point of the solvent is lowered and it can be used.
この場合の他の溶媒としてはエチレンカーボネートの凝固点を低くするものであれば特に制限されない。かかる他の溶媒としては、例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−パレロラクトン、γ−オクタノイックラクトン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−エトキシメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、1,3−ジオキソラナン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、4,4−ジメチル−1,3−ジオキサン、ブチレンカーボネート、蟻酸メチルなどが挙げられる。アノード活物質粒子として炭素質材料を用い、且つ上記混合溶媒を用いることにより、電池容量が著しく向上し、不可逆容量率を十分に低くすることができる。 The other solvent in this case is not particularly limited as long as it lowers the freezing point of ethylene carbonate. Examples of such other solvents include diethyl carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-parerolactone, γ-octanoic lactone, 1,2-diethoxy. Ethane, 1,2-ethoxymethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, 1,3-dioxolanane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 4,4-dimethyl-1,3-dioxane, butylene carbonate, methyl formate, etc. Can be mentioned. By using a carbonaceous material as the anode active material particles and using the above mixed solvent, the battery capacity is remarkably improved and the irreversible capacity ratio can be sufficiently lowered.
固体高分子電解質としては、例えば、イオン伝導性を有する導電性高分子が挙げられる。かかる導電性高分子としては、リチウムイオンの伝導性を有していれば特に限定されず、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリエーテル化合物の架橋体高分子、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリル等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl、LiBr、Li(CF3SO2)2N、LiN(C2F5SO2)2リチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤又は熱重合開始剤が挙げられる。 Examples of the solid polymer electrolyte include a conductive polymer having ionic conductivity. Such a conductive polymer is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity. For example, a polymer compound (polyether-based polymer compound such as polyethylene oxide or polypropylene oxide, or a crosslinked polymer compound having a high molecular weight) Molecules, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polysiloxane, polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile, etc.) monomers, and LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN (C 2 F 5 SO 2) and alkali metal salt composed mainly of 2 lithium salt or lithium, those were complexed and the like. Examples of the polymerization initiator used for the combination include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator that is compatible with the above-described monomer.
更に、高分子固体電解質を構成する支持塩としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)及びLiN(CF3CF2CO)2等の塩、又は、これらの混合物が挙げられる。 Furthermore, as the supporting salt constituting the polymer solid electrolyte, for example, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CF 2 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN A salt such as (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) and LiN (CF 3 CF 2 CO) 2 , or These mixtures can be mentioned.
電解質層30にセパレータを使用する場合、その構成材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフイン類の一種又は二種以上(二種以上の場合、二層以上のフィルムの張り合わせ物等がある)、ポリエチレンテレフタレートのようなポリエステル類、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体のような熱可塑性フッ素樹脂類、セルロース類等がある。シートの形態はJIS−P8117に規定する方法で測定した通気度が5〜2000秒/100cc程度、厚さが5〜100μm程度の微多孔膜フィルム、織布、不織布等がある。なお、固体電解質のモノマーをセパレータに含浸、硬化させて高分子化して使用してもよい。また、先に述べた電解液を多孔質のセパレータ中に含有させて使用してもよい。
In the case of using a separator for the
蓄電素子1の大きさは、体積が2×10−12〜2×10−4mm3であることが好ましい。蓄電素子を必要以上に大きくすることは、イオン導電パスを実質的に減少させることとなり、インピーダンスを増大させる傾向がある。
As for the magnitude | size of the
上述した蓄電素子1は、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、活物質粒子(カソード活物質粒子12又はアノード活物質粒子22)上に導電助剤(第1の導電助剤14又は第2の導電助剤24)を担持させ、カソード10及びアノード20を作製する。
The
ここで、活物質粒子上に導電助剤を担持させる方法としては特に制限されないが、例えば以下の方法を用いることができる。すなわち、活物質粒子と導電助剤とをボールミル等のメディアミル中で攪拌し、その際の物理吸着現象により活物質粒子表面に導電助剤を固着させる方法を用いることができる。また、活物質粒子と導電助剤とをボールミル等で乾式処理した後、不活性雰囲気下で熱処理することが好ましい。熱処理により、活物質粒子表面に導電助剤をより十分に固着させることができる。 Here, the method for supporting the conductive additive on the active material particles is not particularly limited, and for example, the following method can be used. That is, it is possible to use a method in which the active material particles and the conductive auxiliary agent are stirred in a media mill such as a ball mill and the conductive auxiliary agent is fixed to the surface of the active material particles by a physical adsorption phenomenon at that time. Moreover, it is preferable to heat-process in an inert atmosphere, after carrying out dry processing of the active material particle and the conductive support agent with a ball mill or the like. By conducting the heat treatment, the conductive additive can be more sufficiently fixed on the surface of the active material particles.
また、活物質粒子上に導電助剤を担持させる他の方法として、例えば、活物質粒子に対し流動床反応装置等を用いた化学蒸着処理により導電助剤(炭素等)を付着させる方法、活物質粒子と導電助剤(炭素等)の前駆体溶液とを混合し、次いで不活性雰囲気下で熱処理する方法等を用いることができる。 In addition, as another method of supporting the conductive auxiliary agent on the active material particles, for example, a method of attaching a conductive auxiliary agent (carbon or the like) to the active material particles by chemical vapor deposition using a fluidized bed reactor or the like, A method of mixing substance particles and a precursor solution of a conductive additive (carbon or the like) and then heat-treating under an inert atmosphere can be used.
次に、カソード10とアノード20との間に電解質層30を形成する。ここで、電解質層30が高分子電解質を用いた層である場合、光又は熱硬化型のモノマーを用いてカソード10とアノード20とを固化接続することにより、蓄電素子1を形成することができる。また、電解質層30が電解液を用いた層である場合、ガラスキャピラリー等の容器内に電解液を入れ、その容器内でカソード10とアノード20とを電解液を挟んで対向配置させることで、蓄電素子1を形成することができる。なお、いずれの場合においても、カソード10とアノード20との間にはセパレータを介在させていてもよい。
Next, the
こうして作製された蓄電素子1において、外部との電気的接続は、カソード10及びアノード20における電解質層30とは反対側の露出した部位により行われる。
In the
以上、本発明の紐状電気化学デバイスを構成する蓄電素子について、蓄電素子における第1の電極及び第2の電極のいずれか一方又は双方が、実質的に活物質粒子及び該活物質粒子上に担持された電子伝導性を有する導電助剤からなる電極である場合について説明したが、本発明に用いられる蓄電素子は上述のものに限定されない。 As described above, for the electricity storage element constituting the string-like electrochemical device of the present invention, either one or both of the first electrode and the second electrode in the electricity storage element are substantially on the active material particles and the active material particles. Although the description has been given of the case where the electrode is composed of a supported conductive agent having electron conductivity, the power storage element used in the present invention is not limited to the above.
すなわち、本発明の紐状電気化学デバイスを構成する蓄電素子は、当該蓄電素子における第1の電極及び第2の電極のいずれか一方又は双方が、活物質粒子と、電子伝導性を有する導電助剤と、それらを結着させることが可能な結着剤と、を含む複合粒子からなる電極であることも好ましい。また、本発明の紐状電気化学デバイスを構成する蓄電素子は、従来公知の電極を用いて形成されたものであってもよい。以下、上記複合粒子を電極に用いた場合の蓄電素子について説明する。 That is, in the electricity storage element constituting the string-like electrochemical device of the present invention, either one or both of the first electrode and the second electrode in the electricity storage element are active material particles and a conductive assistant having electronic conductivity. It is also preferable that the electrode be composed of composite particles containing an agent and a binder capable of binding them. Moreover, the electrical storage element which comprises the string-like electrochemical device of this invention may be formed using the conventionally well-known electrode. Hereinafter, a power storage device in the case where the composite particle is used for an electrode will be described.
図3は、本発明の紐状電気化学デバイスを構成する蓄電素子における電極に使用される複合粒子の基本構成の一例を示す模式断面図である。更に、図4は、複合粒子からなる電極の内部構造を概略的に示す模式断面図である。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of the composite particles used for the electrodes in the electricity storage element constituting the string-like electrochemical device of the present invention. Further, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view schematically showing the internal structure of the electrode made of composite particles.
図3及び図4に示すように、複合粒子P10は、電極活物質からなる粒子(活物質粒子)P1と、導電助剤からなる粒子P2と、結着剤からなる粒子P3とから構成されている。この複合粒子P10の平均粒子径は特に限定されない。この複合粒子P10は、電極活物質からなる粒子P1と導電助剤からなる粒子P2とが孤立せずに電気的に結合した構造を有している。そのため、電極においても、電極活物質からなる粒子P1と導電助剤からなる粒子P2とが孤立せずに電気的に結合した構造が形成されている。かかる構造を有する複合粒子を用いた電極中には、極めて良好な電子伝導パス(電子伝導ネットワーク)が3次元的に構築されることとなる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the composite particle P10 is composed of particles (active material particles) P1 made of an electrode active material, particles P2 made of a conductive additive, and particles P3 made of a binder. Yes. The average particle size of the composite particles P10 is not particularly limited. The composite particle P10 has a structure in which particles P1 made of an electrode active material and particles P2 made of a conductive additive are electrically coupled without being isolated. Therefore, also in the electrode, a structure is formed in which the particles P1 made of the electrode active material and the particles P2 made of the conductive auxiliary agent are electrically isolated without being isolated. An extremely good electron conduction path (electron conduction network) is three-dimensionally constructed in an electrode using composite particles having such a structure.
蓄電素子のカソードに用いられる複合粒子P10を構成する活物質粒子は特に限定されず公知の電極活物質を使用することができる。かかる活物質粒子としては、先に説明した蓄電素子1におけるカソード10を構成するカソード活物質粒子12と同様の物質を使用することができる。
The active material particles constituting the composite particles P10 used for the cathode of the energy storage device are not particularly limited, and known electrode active materials can be used. As such active material particles, the same material as the cathode
蓄電素子のカソードに用いられる複合粒子P10を構成する導電助剤は特に限定されず公知の導電助剤を使用することができる。かかる導電助剤としては、先に説明した蓄電素子1におけるカソード10を構成する導電助剤14と同様の物質を使用することができる。
The conductive aid constituting the composite particle P10 used for the cathode of the electricity storage device is not particularly limited, and a known conductive aid can be used. As such a conductive additive, the same material as the
蓄電素子のカソードに用いられる複合粒子P10を構成する結着剤は、上記の活物質粒子と導電助剤とを結着可能なものであれば特に限定されない。かかる結着剤としては、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)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂が挙げられる。 The binder constituting the composite particle P10 used for the cathode of the energy storage device is not particularly limited as long as it can bind the above active material particles and the conductive additive. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer ( Fluororesin such as PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), and the like. .
また、上記の他に、結着剤は、例えば、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴムを用いてもよい。 In addition to the above, the binder may be, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF- HFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber) ), Vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine rubber It may be used vinylidene fluoride fluoroelastomer of the VDF-CTFE-based fluorine rubber) and the like.
更に、上記の他に、結着剤は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等を用いてもよい。また、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子を用いてもよい。更に、シンジオタクチック1、2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等を用いてもよい。また、導電性高分子を用いてもよい。 In addition to the above, as the binder, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, cellulose, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, or the like may be used. Also, thermoplastic elastomeric polymers such as styrene / butadiene / styrene block copolymers, hydrogenated products thereof, styrene / ethylene / butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers, and hydrogenated products thereof. May be used. Further, syndiotactic 1,2-polybutadiene, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin (carbon number 2 to 12) copolymer and the like may be used. Further, a conductive polymer may be used.
また、複合粒子P10には、導電性高分子からなる粒子を当該複合粒子P10の構成成分として更に添加してもよい。 Moreover, you may further add to the composite particle P10 the particle | grains which consist of an electroconductive polymer as a structural component of the said composite particle P10.
例えば、導電性高分子は、リチウムイオンの伝導性を有していれば特に限定されない。例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリエーテル化合物の架橋体高分子、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリル等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl、LiBr、Li(CF3SO2)2N、LiN(C2F5SO2)2リチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。 For example, the conductive polymer is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity. For example, polymer compounds (polyether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, crosslinked polymers of polyether compounds, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polysiloxane, polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile, etc.) Monomer and LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 lithium salt or an alkali metal salt mainly composed of lithium And the like. Examples of the polymerization initiator used for the combination include a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator that is compatible with the above-described monomer.
蓄電素子のアノードに用いられる複合粒子P10を構成する活物質粒子は特に限定されず公知の電極活物質を使用することができる。かかる活物質粒子としては、先に説明した蓄電素子1におけるアノード20を構成するカソード活物質粒子22と同様の物質を使用することができる。
The active material particles constituting the composite particles P10 used for the anode of the electricity storage device are not particularly limited, and known electrode active materials can be used. As such active material particles, the same material as the cathode
更に、蓄電素子のアノードに用いられる複合粒子P10を構成する活物質粒子以外の各構成要素は、カソードに用いられる複合粒子P10を構成するものと同様の物質を使用することができる。 Further, each constituent element other than the active material particles constituting the composite particles P10 used for the anode of the electricity storage device can use the same materials as those constituting the composite particles P10 used for the cathode.
また、蓄電素子において、アノードは、上述した炭素材料からなる粒子のみで構成されていてもよい。更に、蓄電素子が金属リチウム二次電池の場合、そのアノードは、金属リチウム又はリチウム合金からなる粒子のみで構成されていてもよい。リチウム合金は特に限定されず、例えば、Li−Al、LiSi、LiSn等の合金(ここでは、LiSiも合金として取り扱うものとする)が挙げられる。こうした場合、カソードは、上述した複合粒子P10で構成されることが好ましい。 Further, in the electricity storage device, the anode may be composed only of particles made of the carbon material described above. Furthermore, when the storage element is a metal lithium secondary battery, the anode may be composed only of particles made of metal lithium or a lithium alloy. The lithium alloy is not particularly limited, and examples thereof include alloys such as Li—Al, LiSi, and LiSn (here, LiSi is also handled as an alloy). In such a case, the cathode is preferably composed of the composite particles P10 described above.
また、蓄電素子においては、より優れたエネルギー密度を得る観点から、カソードを構成する活物質粒子及びアノードを構成する活物質粒子のいずれか一方が、リチウム複合酸化物からなるものであることが好ましく、カソードを構成する活物質粒子がリチウム複合酸化物からなり、且つ、アノードを構成する活物質粒子が黒鉛からなるものであることがより好ましい。 In the electric storage element, from the viewpoint of obtaining a superior energy density, it is preferable that either one of the active material particles constituting the cathode and the active material particles constituting the anode is made of a lithium composite oxide. More preferably, the active material particles constituting the cathode are made of a lithium composite oxide, and the active material particles constituting the anode are made of graphite.
また、蓄電素子が電気化学キャパシタの場合、カソードを構成する活物質粒子及びアノードを構成する活物質粒子としては、先に説明した蓄電素子1が電気化学キャパシタである場合に用いられるものと同様の物質を使用することができる。
Further, when the power storage element is an electrochemical capacitor, the active material particles constituting the cathode and the active material particles constituting the anode are the same as those used when the
ここで、導電助剤、活物質粒子及び電解質層との接触界面を3次元的にかつ十分な大きさで形成する観点から、上記のアノード及びカソードにそれぞれ含まれる各電極活物質からなる粒子P1のBET比表面積は、カソードの場合、0.1〜1.0m2/gであることが好ましく、0.1〜0.6m2/gであることがより好ましい。また、アノードの場合、0.1〜10m2/gであることが好ましく、0.1〜5m2/gであることがより好ましい。なお、電気化学キャパシタの場合には、カソード及びアノードともに500〜3000m2/gであることが好ましい。 Here, from the viewpoint of forming a contact interface with the conductive auxiliary agent, the active material particles, and the electrolyte layer in a three-dimensional and sufficient size, the particles P1 made of the electrode active materials respectively included in the anode and the cathode. In the case of a cathode, the BET specific surface area is preferably 0.1 to 1.0 m 2 / g, and more preferably 0.1 to 0.6 m 2 / g. Further, when the anode is preferably from 0.1 to 10 m 2 / g, more preferably 0.1 to 5 m 2 / g. In the case of an electrochemical capacitor, both the cathode and the anode are preferably 500 to 3000 m 2 / g.
更に、同様の観点から、各電極活物質からなる粒子P1の平均粒子径は、カソードの場合、5〜20μmであることが好ましく、5〜15μmであることがより好ましい。また、アノードの場合、1〜50μmであることが好ましく、1〜30μmであることがより好ましい。更に、同様の観点から、電極活物質に付着する導電助剤及び結着剤の量は、100×(導電助剤の質量+結着剤の質量)/(電極活物質の質量)の値で表現した場合、1〜30質量%であることが好ましく、3〜15質量%であることがより好ましい。 Further, from the same viewpoint, the average particle diameter of the particles P1 made of each electrode active material is preferably 5 to 20 μm, more preferably 5 to 15 μm in the case of the cathode. Moreover, in the case of an anode, it is preferable that it is 1-50 micrometers, and it is more preferable that it is 1-30 micrometers. Furthermore, from the same point of view, the amount of the conductive assistant and the binder adhering to the electrode active material is a value of 100 × (mass of conductive assistant + mass of binder) / (mass of electrode active material). When expressed, it is preferably 1 to 30% by mass, and more preferably 3 to 15% by mass.
また、上記複合粒子P10を用いた場合の蓄電素子において、電極以外の構成は、先に説明した蓄電素子1と同様の構成とすることができる。
Further, in the electricity storage device using the composite particle P10, the configuration other than the electrodes can be the same as that of the
上述した複合粒子P10は、例えば、以下の方法で製造することができる。複合粒子P10は、電極活物質からなる粒子P1に導電助剤と結着剤とを密着させて一体化することにより、電極活物質と、導電助剤と、結着剤とを含む複合粒子を形成する造粒工程を経て形成される。この造粒工程について説明する。 The composite particle P10 described above can be manufactured, for example, by the following method. The composite particle P10 is a composite particle containing an electrode active material, a conductive assistant, and a binder by bringing the conductive assistant and the binder into close contact with the particle P1 made of an electrode active material. It forms through the granulation process to form. This granulation process will be described.
図5を用いて造粒工程をより具体的に説明する。図5は、複合粒子を製造する際の造粒工程の一例を示す説明図である。 The granulation process will be described more specifically with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a granulating step when producing composite particles.
造粒工程は、結着剤と導電助剤と溶媒とを含む原料液を調製する原料液調製工程と、流動槽中に気流を発生させ、該気流中に電極活物質からなる粒子を投入し、電極活物質からなる粒子を流動層化させる流動層化工程と、電極活物質からなる粒子を含む流動層中に原料液を噴霧することにより、原料液を電極活物質からなる粒子に付着、乾燥させ、電極活物質からなる粒子の表面に付着した原料液から溶媒を除去し、結着剤により電極活物質からなる粒子と導電助剤からなる粒子とを密着させる噴霧乾燥工程と、とを含む。 The granulation step includes a raw material solution preparation step for preparing a raw material solution containing a binder, a conductive additive, and a solvent, an air flow is generated in the fluidized tank, and particles made of an electrode active material are introduced into the air flow. A fluidized bed forming step of fluidizing the particles made of the electrode active material, and spraying the raw material liquid into the fluidized bed containing the particles made of the electrode active material, thereby attaching the raw material liquid to the particles made of the electrode active material, A spray drying step of drying, removing the solvent from the raw material liquid adhering to the surface of the particles made of the electrode active material, and bringing the particles made of the electrode active material and the particles made of the conductive auxiliary agent into close contact with each other by a binder; Including.
先ず、原料液調製工程では、結着剤を溶解可能な溶媒を用い、この溶媒中に結着剤を溶解させる。次に得られた溶液に、導電助剤を分散させて原料液を得る。なお、この原料液調製工程では、結着剤を分散可能な溶媒(分散媒)であってもよい。 First, in the raw material liquid preparation step, a solvent capable of dissolving the binder is used, and the binder is dissolved in this solvent. Next, a conductive additive is dispersed in the obtained solution to obtain a raw material liquid. In addition, in this raw material liquid preparation process, the solvent (dispersion medium) which can disperse | distribute a binder may be sufficient.
次に、流動層化工程においては、図5に示すように、流動槽5内において、気流を発生させ、該気流中に電極活物質からなる粒子P1を投入することにより、電極活物質からなる粒子を流動層化させる。
Next, in the fluidized bed forming step, as shown in FIG. 5, an air flow is generated in the
次に、噴霧乾燥工程では、図5に示すように、流動槽5内において、原料液の液滴6を噴霧することにより、原料液の液滴6を流動層化した電極活物質からなる粒子P1に付着させ、同時に流動槽5内において乾燥させ、電極活物質からなる粒子P1の表面に付着した原料液の液滴6から溶媒を除去し、結着剤により電極活物質からなる粒子P1と導電助剤からなる粒子P2とを密着させ、複合粒子P10を得る。
Next, in the spray drying step, as shown in FIG. 5, particles made of an electrode active material in which the
より具体的には、この流動槽5は、例えば、筒状の形状を有する容器であり、その底部には、温風(又は熱風)L5を外部から流入させ、流動槽5内で電極活物質からなる粒子を対流させるための開口部52が設けられている。また、この流動槽5の側面には、流動槽5内で対流させた電極活物質からなる粒子P1に対して、噴霧される原料液の液滴6を流入させるための開口部54が設けられている。流動槽5内で対流させた電極活物質からなる粒子P1に対してこの結着剤と導電助剤と溶媒とを含む原料液の液滴6を噴霧する。
More specifically, the
このとき、電極活物質からなる粒子P1の置かれた雰囲気の温度を、例えば温風(又は熱風)の温度を調節する等して、原料液の液滴6中の溶媒を速やかに除去可能な所定の温度{好ましくは、50℃から結着剤の融点を大幅に超えない温度、より好ましくは50℃から結着剤の融点以下の温度(例えば、200℃)}に保持しておき、電極活物質からなる粒子P1の表面に形成される原料液の液膜を、原料液の液滴6の噴霧とほぼ同時に乾燥させる。これにより、電極活物質からなる粒子の表面に結着剤と導電助剤とを密着させ、複合粒子P10を得る。
At this time, the temperature of the atmosphere in which the particles P1 made of the electrode active material are placed can be quickly removed by adjusting the temperature of the hot air (or hot air), for example. The electrode is kept at a predetermined temperature (preferably a temperature not exceeding the melting point of the binder substantially from 50 ° C., more preferably a temperature not higher than the melting point of the binder (eg, 200 ° C.)). The liquid film of the raw material liquid formed on the surface of the particles P1 made of the active material is dried almost simultaneously with the spraying of the
ここで、結着剤を溶解可能な溶媒は、結着剤を溶解可能であり導電助剤を分散可能であれば特に限定されるものではないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等を用いることができる。 Here, the solvent capable of dissolving the binder is not particularly limited as long as the binder can be dissolved and the conductive auxiliary agent can be dispersed. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, N , N-dimethylformamide and the like can be used.
電極活物質からなる粒子P1の種類を変えて、アノード用の複合粒子P10、カソード用の複合粒子P10をそれぞれ形成する。 The anode composite particles P10 and the cathode composite particles P10 are formed by changing the kind of the particles P1 made of the electrode active material.
以上説明した方法により形成された複合粒子P10中においては、図3に模式的に示す内部構造が形成されている。すなわち、複合粒子P10においては、結着剤からなる粒子P3が使用されているにもかかわらず、電極活物質からなる粒子P1と導電助剤からなる粒子P2とが孤立せずに電気的に結合した構造が形成されている。 In the composite particle P10 formed by the method described above, the internal structure schematically shown in FIG. 3 is formed. That is, in the composite particle P10, although the particle P3 made of the binder is used, the particle P1 made of the electrode active material and the particle P2 made of the conductive auxiliary agent are electrically coupled without being isolated. The structure is formed.
こうして得られて複合粒子P10によりアノード及びカソードを構成し、先に説明した蓄電素子1の場合と同様の方法で、カソードとアノードとの間に電解質層を形成し、蓄電素子を得ることができる。
The thus obtained composite particles P10 constitute an anode and a cathode, and an electrolyte layer can be formed between the cathode and the anode in the same manner as in the case of the
次に、上述した蓄電素子を用いた本発明の紐状電気化学デバイスについて説明する。図6は、本発明の紐状電気化学デバイスの好適な一実施形態を示す模式断面図である。また、図7は、図6に示した紐状電気化学デバイスを長手方向に対して垂直に切断した場合の模式断面図である。 Next, the string-like electrochemical device of the present invention using the above-described power storage element will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of the string-like electrochemical device of the present invention. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view when the string-like electrochemical device shown in FIG. 6 is cut perpendicular to the longitudinal direction.
図6及び図7に示すように、紐状電気化学デバイス100においては、可とう性を有する絶縁性のチューブ状ケース40内に、電子伝導性を有する端子部材として、2本の線状のカソード端子16と、2本の線状のアノード端子26とが、チューブ状ケース40の内壁に沿って所定の間隔を空けて配設されている。そして、チューブ状ケース40内には、多数の上述した蓄電素子1が、該蓄電素子1のカソード10と2本のカソード端子16とが電気的に接触し、且つ、アノード20と2本のアノード端子26とが電気的に接触するように、並列に配置されている。更に、チューブ状ケース40の両端は絶縁性の封止材42により封止され、蓄電素子1はチューブ状ケース40の内部に密閉されている。また、2本のカソード端子16及び2本のアノード端子26は、封止材42を貫通してチューブ状ケース40の外部にまで取り出されており、外部に取り出された端子16,26の表面は絶縁性の保護材44により被覆されている。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the string-like
ここで、チューブ状ケース40は、可とう性を有する絶縁性の材料からなるものであれば特に制限されない。かかるチューブ状ケース40の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンやポリビニリデンフルオライド(PVdF)等のフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニル、シリコン樹脂、アクリロニトリル樹脂等が挙げられる。
Here, the
また、チューブ状ケース40の曲げ弾性率は、200〜2000MPaであることが好ましく、500〜1300MPaであることがより好ましい。この曲げ弾性率が200MPa未満であると、変形時に端子と蓄電素子との接触が不安定となる傾向があり、2000MPaを超えると、変形が困難となるため形状自由度が低下する傾向がある。
Moreover, it is preferable that the bending elastic modulus of the
また、チューブ状ケース40の直径(外径)は、1〜2000μmであることが好ましく、30〜500μmであることがより好ましい。直径が1μm未満であると、チューブを長くした場合に端子が細くなり抵抗が増加する傾向があり、2000μmを超えると、内部の蓄電素子の電極が厚くなりインピーダンスが増加する傾向がある。
Moreover, it is preferable that the diameter (outer diameter) of the
更に、チューブ状ケース40の厚さは、蓄電素子の直径の1/20〜1/4であることが好ましく、1/10〜1/5であることがより好ましい。厚さが蓄電素子の直径の1/20未満であると、変形時にチューブの破損が生じやすくなる傾向があり、蓄電素子の直系の1/4を超えると、紐状電気化学デバイス100の形状自由度が低下する傾向がある。
Furthermore, the thickness of the
また、チューブ状ケース40の形状は特に限定されず、その長手方向に対して垂直に切断した断面形状は、略円形、楕円形、多角形等であってもよいが、図7に示すように略円形であることが好ましい。
The shape of the
カソード端子16及びアノード端子26は、電子伝導性を有する材料からなるものであれば特に限定されない。かかるカソード端子16及びアノード端子26の材質としては、例えば、ステンレス、金、銀、銅、白金、アルミニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
The
また、カソード端子16及びアノード端子26の直径は、蓄電素子の直径の1/100〜1/1であることが好ましく、1/50〜1/2であることがより好ましい。直径が蓄電素子の直径の1/100未満であると、紐状電気化学デバイス100の折り曲げ時にカソード端子16及びアノード端子26の破断が生じやすくなる傾向があり、蓄電素子の直径の1/1を超えると、紐状電気化学デバイス100の形状自由度が低下する傾向がある。
The diameters of the
また、カソード端子16及びアノード端子26の形状は特に限定されないが、線状又は帯状であることが好ましい。また、カソード端子16及びアノード端子26の長手方向に対して垂直に切断した断面形状は、略円形、楕円形、多角形等であってもよいが、図7に示すような略円形、又は、楕円形であることが好ましい。
The shapes of the
更に、カソード端子16及びアノード端子26の数は、それぞれ1本以上であれば特に限定されない。なお、紐状電気化学デバイス100の折り曲げ時や長期間使用時において、カソード端子16及びアノード端子26と蓄電素子1との電気的接続をより安定して確保する観点から、図7に示すようにそれぞれ2本又はそれ以上であることが好ましい。但し、紐状電気化学デバイス100の小型化及び軽量化の観点からは、カソード端子16及びアノード端子26の数は、それぞれ160本以下であることが好ましい。
Further, the number of
封止材42としては、絶縁性の材料からなるものであれば特に制限されない。かかる封止材42の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やPVdF等のフッ素樹脂、エポキシ樹脂、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニリデン(PVC)、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合合成樹脂(ABS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、シリコン樹脂等が挙げられる。
The sealing
また、保護材44としては、絶縁性の材料からなるものであれば特に制限されない。かかる保護材44の材質としては、例えば、PTFEやPVdF等のフッ素樹脂、エポキシ樹脂、PP、PE、PVC、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル、ABS、PET、ポリカーボネート、シリコン樹脂等が挙げられる。
The
なお、紐状電気化学デバイス100において、チューブ状ケース40、封止材42及び保護材44は、電気化学デバイスを構成する上で十分な電気絶縁性を有するものであればよいが、それらの具体的な比抵抗としては、1×1014Ω・cm以上であることが好ましい。
In the string-like
更に、紐状電気化学デバイス100において、チューブ状ケース40内の空隙には、必要に応じて絶縁性樹脂(熱硬化性又は光硬化性の高分子等)を充填してもよい。これにより、蓄電素子1やカソード端子16、アノード端子26等をより安定して固定することができる。
Furthermore, in the string-like
かかる紐状電気化学デバイス100によれば、急角度の折り曲げを加えても、その応力が複数の蓄電素子1間の接続部分(蓄電素子1間の空隙等)で吸収されるため、蓄電素子1部分が破壊されることを十分に抑制することができ、優れた形状自由度(折り曲げ自由度)を得ることができる。また、上述した蓄電素子1を用いて構成されているため、小型化及び軽量化が可能であるとともに、優れたエネルギー密度を得ることができる。また、蓄電素子1を並列に接続しているため、高い容量を得ることができる。
According to the string-like
図8は、本発明の紐状電気化学デバイスの他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。図8に示す紐状電気化学デバイス200においては、可とう性を有する絶縁性のチューブ状ケース40内に、多数の上述した蓄電素子1が直列に配置されている。また、蓄電素子1同士間には集電体35が配置されている。更に、チューブ状ケース40の両端には外部出力端子としてカソード端子18及びアノード端子28が設けられている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment of the string-like electrochemical device of the present invention. In the string-like
ここで、集電体35としては、電荷の移動を十分に行うことができる良導体であれば特に限定されず、公知の集電体を使用することができる。例えば、集電体35としては、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属箔が挙げられる。紐状電気化学デバイス200において、集電体35の直径は、チューブ状ケース40の内径と同程度であってもよく、それより小さくてもよい。また、蓄電素子1同士の短絡を十分に防止することが可能であれば、紐状電気化学デバイス200は、集電体35を有していなくてもよい。
Here, the
また、カソード端子18及びアノード端子28としては、電子伝導性を有する材料からなるものであれば特に限定されない。かかるカソード端子16及びアノード端子26の材質としては、例えば、ステンレス、金、銀、銅、白金、アルミニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
Further, the
また、チューブ状ケース40としては、先に説明した紐状電気化学デバイス100におけるチューブ状ケース40と同様のものを使用することができる。
Moreover, as the
更に、紐状電気化学デバイス200において、チューブ状ケース40内の空隙には、必要に応じて絶縁性樹脂(熱硬化性又は光硬化性の高分子等)を充填してもよい。これにより、蓄電素子1及び集電体35をより安定して固定することができる。
Furthermore, in the string-like
かかる紐状電気化学デバイス200によれば、急角度の折り曲げを加えても、その応力が複数の蓄電素子1間の接続部分(蓄電素子1間の空隙等)で吸収されるため、蓄電素子1部分が破壊されることを十分に抑制することができ、優れた形状自由度(折り曲げ自由度)を得ることができる。また、上述した蓄電素子1を用いて構成されているため、小型化及び軽量化が可能であるとともに、優れたエネルギー密度を得ることができる。また、蓄電素子1を並列に接続しているため、高い電圧を得ることができる。
According to the string-like
なお、本発明の紐状電気化学デバイスは、上述した紐状電気化学デバイス100及び200に限定されるものではない。また、紐状電気化学デバイス100及び200において、蓄電素子は先に説明した蓄電素子1に限定されず、複合粒子を電極に用いた蓄電素子や、従来公知の電極を用いた蓄電素子であってもよい。
The string-like electrochemical device of the present invention is not limited to the string-like
また、本発明の紐状電気化学デバイスは、上述した紐状電気化学デバイス100及び200のごとく、あらかじめ形成された蓄電素子をチューブ状ケースに封入する形態に限定されるものではない。例えば、2つの集電体を用意し、それぞれの集電体の表面にカソードとアノードのいずれかを直線状に、あるいは両方を交互に、それぞれ設けておき、別々の集電体のカソードとアノードとが、電解質層を挟んで対向するように張り合わせ、チューブ状ケースに収めて紐状電気化学デバイスを形成してもよい。集電体上へのカソードとアノードとの形成は、カソードとアノードとの粒子を集電体上に直接載置してもよいし、カソードとアノードとの粒子を一旦溶媒中に展開して、集電体上に吹き付けてもよい。このとき、集電体はチューブ状ケースに封入されるようなひも状やリボン状のものであってもよいし、大面積の集電体にアノードとカソードとを設けてから切り出して用いてもよい。大面積の集電体を用いる場合は、大面積の集電体上にカソードとアノードとを各々直線状に、あるいは交互に配列させ、集電体を切断後、上述のように張り合わせることができる。この場合、位置制御性に富んだ噴霧方法、例えば、インクジェット法を用いることが好ましい。
Further, the string-like electrochemical device of the present invention is not limited to a form in which a power storage element formed in advance is enclosed in a tube-like case as in the string-like
本発明の紐状電気化学デバイスは、複数の蓄電素子が連続的に配置された構成を有しているため、例えば、予め十分な長さの紐状電気化学デバイスを作製しておき、そこから必要な長さを切り出して使用することも可能である。このとき、蓄電素子を並列に接続している場合には、切り出す長さによって容量を調節することができ、蓄電素子を直列に接続している場合には、切り出す長さによって電圧を調節することができる。 Since the string-shaped electrochemical device of the present invention has a configuration in which a plurality of power storage elements are continuously arranged, for example, a string-shaped electrochemical device having a sufficient length is prepared in advance, and from there It is also possible to cut out and use the necessary length. At this time, when the power storage elements are connected in parallel, the capacity can be adjusted by the length to be cut out, and when the power storage elements are connected in series, the voltage can be adjusted by the length to be cut out. Can do.
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
活物質粒子である平均粒子径20μmのLiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2と、導電助剤である平均一次粒子径80nmのアセチレンブラックとを、質量比95:5の混合割合でボールミルにより1時間乾式処理し、更にAr雰囲気下、500℃で1時間の熱処理を行い、活物質粒子上に導電助剤を付与した。
(Example 1)
A mixing ratio of LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 with an average particle diameter of 20 μm as active material particles and acetylene black with an average primary particle diameter of 80 nm as a conductive auxiliary agent at a mass ratio of 95: 5. Then, it was dry-treated with a ball mill for 1 hour, and further subjected to heat treatment at 500 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere to give a conductive aid on the active material particles.
また、電解質層となるリチウムイオン伝導性を有する導電性高分子を以下の条件のもとで合成した。すなわち、LiN(C2F5SO2)2(商品名:LiBETI、3M社製)と末端アクリロイル変性アルキレンオキシドマクロモノマー(商品名:エレクセル、第一工業製薬社製、以下、「マクロモノマー」という)とをアセトニトリル中に入れて混合することにより、LiN(C2F5SO2)2とマクロモノマーとを含む混合液を調製した。なお、このときのLiN(C2F5SO2)2とマクロモノマーとの混合比は、LiN(C2F5SO2)2を構成するLi原子とマクロモノマー中のO(酸素)原子とのモル比で表現した場合に1:10となるように調節した。次に、この混合液に、光重合開始剤(ベンゾフェノン系の光重合開始剤)を更に混合させた。なお、この工程での光重合開始剤の投入量は、光重合開始剤の質量:エレクセルの質量=1:100となるように調節した。次に、エバポレータを使用し、上記の工程の後に得られた混合液からアセトニトリルを除去して粘度を増大させた液(以下、「Li塩マクロモノマー溶液」という)を得た。 Moreover, the conductive polymer which has lithium ion conductivity used as an electrolyte layer was synthesize | combined on the following conditions. That is, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 (trade name: LiBETI, manufactured by 3M) and terminal acryloyl-modified alkylene oxide macromonomer (trade name: Elexcel, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., hereinafter referred to as “macromonomer”. ) Was mixed in acetonitrile to prepare a mixed solution containing LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and the macromonomer. The mixing ratio of the LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and the macromonomer in this case, the O (oxygen) atoms Li atom and macromonomer constituting a LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 When expressed in terms of a molar ratio, it was adjusted to be 1:10. Next, a photopolymerization initiator (benzophenone-based photopolymerization initiator) was further mixed into this mixed solution. In addition, the input amount of the photopolymerization initiator in this step was adjusted so that the mass of the photopolymerization initiator: the mass of Elexel = 1: 100. Next, using an evaporator, a liquid (hereinafter referred to as “Li salt macromonomer solution”) in which the viscosity was increased by removing acetonitrile from the mixed liquid obtained after the above-described step was obtained.
次に、内径20μmのガラス管に、上述の導電助剤を付与した直径20μmの活物質粒子(一次粒子)一粒を挿入し、それを第1の電極(カソード)とした。この活物質粒子表面の導電助剤による被覆率をSEM写真(倍率3万倍)により確認したところ、45%であった。このカソード上に、上述のLi塩マクロモノマー溶液を5pl滴下し、電解質前駆体層を形成した。次いで、電解質前駆体層上に、直径20μmの黒鉛粒子一粒を挿入し、それを第2の電極(アノード)とした。その後、紫外線照射によりLi塩マクロモノマーを重合させ、アノード及びカソード間にこれらの最短距離が10μmとなるように高分子電解質層を形成した。これにより、アノード、カソード及び電解質を有する、蓄電能力のある略円柱状の蓄電素子(直径20μm、厚さ50μm)を得た。
Next, one active material particle (primary particle) having a diameter of 20 μm to which the above-described conductive auxiliary agent was applied was inserted into a glass tube having an inner diameter of 20 μm, and this was used as a first electrode (cathode). The coverage of the active material particle surface with the conductive auxiliary agent was confirmed by SEM photography (magnification of 30,000 times) and found to be 45%. On the cathode, 5 pl of the above Li salt macromonomer solution was dropped to form an electrolyte precursor layer. Next, one graphite particle having a diameter of 20 μm was inserted on the electrolyte precursor layer, and this was used as a second electrode (anode). Thereafter, the Li salt macromonomer was polymerized by ultraviolet irradiation to form a polymer electrolyte layer so that the shortest distance between the anode and the cathode was 10 μm. As a result, a substantially cylindrical power storage element (
次に、図6及び7に示すように、内径100μmのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)チューブ内に、直径10μmのステンレス線をPTFEチューブの内壁に沿って4本配設し、更に上述の蓄電素子1000個を、蓄電素子のカソード及びアノードがそれぞれ2本のステンレス線と接触するようにして並列に配置した。次いで、PTFEチューブの両端からステンレス線を取り出して、蓄電素子のカソードに接触している2本のステンレス線をカソード端子、アノードに接触している2本のステンレス線をアノード端子とし、これらの端子を取り出した状態でPTFEチューブの両端をエポキシ樹脂により封止した。これにより、端子電圧3.7V、長さ3cm、直径100μmの繊維状(紐状)のリチウムイオン二次電池を得た。 Next, as shown in FIGS. 6 and 7, four stainless steel wires having a diameter of 10 μm are disposed along the inner wall of the PTFE tube in a PTFE (polytetrafluoroethylene) tube having an inner diameter of 100 μm, and the above-described electricity storage device. 1000 pieces were arranged in parallel so that the cathode and anode of the electricity storage element were in contact with two stainless steel wires, respectively. Next, stainless steel wires are taken out from both ends of the PTFE tube, and the two stainless steel wires in contact with the cathode of the electricity storage element are used as cathode terminals, and the two stainless steel wires in contact with the anode are used as anode terminals. In a state in which the PTFE tube was taken out, both ends of the PTFE tube were sealed with epoxy resin. As a result, a fibrous (string-like) lithium ion secondary battery having a terminal voltage of 3.7 V, a length of 3 cm, and a diameter of 100 μm was obtained.
得られたリチウムイオン二次電池は、急角度(270°)の折り曲げを加えても電気化学素子部分の破壊が生じず、折り曲げ自由度に優れていることが確認された。 It was confirmed that the obtained lithium ion secondary battery did not break the electrochemical element portion even when it was bent at a steep angle (270 °), and was excellent in bending flexibility.
(電池特性の評価)
実施例1で得られたリチウムイオン二次電池について、北斗電工(株)製の電気化学測定システム(商品名:HZ3000)を用い、四端子法で定電流充放電測定を行った。その結果、容量は2.5μAhであった。また、0.2Cにおける充放電測定の可逆容量と平均作動電圧との積を電池体積で除した値から、エネルギー密度を求めた。その結果、実施例1で得られたリチウムイオン二次電池のエネルギー密度は、1kWh/Lであり、優れたエネルギー密度を有していることが確認された。
(Evaluation of battery characteristics)
The lithium ion secondary battery obtained in Example 1 was subjected to constant current charge / discharge measurement by a four-terminal method using an electrochemical measurement system (trade name: HZ3000) manufactured by Hokuto Denko Corporation. As a result, the capacity was 2.5 μAh. Moreover, the energy density was calculated | required from the value which remove | divided the product of the reversible capacity | capacitance of the charging / discharging measurement in 0.2C, and an average operating voltage by the battery volume. As a result, the energy density of the lithium ion secondary battery obtained in Example 1 was 1 kWh / L, and it was confirmed that the energy density was excellent.
1…蓄電素子、10…カソード、12…カソード活物質粒子、14…導電助剤、16,18…カソード端子、20…アノード、22…アノード活物質粒子、24…導電助剤、26,28…アノード端子、30…電解質層、35…集電体、40…チューブ状ケース、100,200…紐状電気化学デバイス。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
The string-like electrochemical device according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of power storage elements are electrically connected in parallel by a terminal member having linear or belt-like electronic conductivity. .
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