JP2019114777A - Active material, electrode, and power storage element - Google Patents
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Abstract
【課題】高いエネルギー密度を有し、かつ、高い出力特性が得られる蓄電素子に用いられる活物質を提供する。
【解決手段】三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する多孔質炭素と、導電性ポリマーと、を有し、多孔質炭素における複数の細孔の少なくとも一部が導電性ポリマーを含む活物質であり、導電性ポリマーが、ポリチオフェン誘導体で、前記多孔質炭素と前記導電性ポリマーとの質量比(多孔質炭素/導電性ポリマー)が、20/80以上95/5以下である。
【選択図】図2The present invention provides an active material used for a storage element having high energy density and high output characteristics.
An active material has porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, and a conductive polymer, and at least a part of the plurality of pores in the porous carbon includes the conductive polymer. The conductive polymer is a polythiophene derivative, and the mass ratio of the porous carbon to the conductive polymer (porous carbon / conductive polymer) is 20/80 or more and 95/5 or less.
[Selected figure] Figure 2
Description
本発明は、活物質、電極、及び蓄電素子に関する。 The present invention relates to an active material, an electrode, and a storage element.
近年、エネルギー密度を高くすることが可能な蓄電素子は、携帯機器の小型化、高性能化に伴い、特性が向上して普及し、更には、より放電容量が大きく安全性に優れた蓄電素子の開発も進められ、電気自動車等への搭載も始まっている。このような蓄電素子としては、リチウムイオン二次電池が多く使用されている。 In recent years, the storage element capable of increasing the energy density has been improved and spread with improved characteristics along with the miniaturization and high performance of portable devices, and further, the storage element has a larger discharge capacity and is excellent in safety. Development is also in progress, and mounting on electric vehicles etc. is also beginning. A lithium ion secondary battery is often used as such a storage element.
一方、ハイブリット自動車等の蓄電素子としては、化学反応を必要とせず高速で充放電可能な電気二重層キャパシタが使用されている。しかし、前記電気二重層キャパシタは、前記リチウムイオン二次電池と比べると、エネルギー密度が数十分の1であるため、十分な放電容量を確保するには重い蓄電素子が必要となり、自動車に搭載した場合には燃費向上を妨げていた。
前記リチウムイオン二次電池の高いエネルギー密度と前記電気二重層キャパシタの高い出力特性とを併せ持つ蓄電素子として、活性炭を含む正極と、グラファイトを含む負極とを用い、リチウムイオンをキャリアイオンとしたリチウムイオンキャパシタが注目されている。
On the other hand, an electric double layer capacitor that can be charged and discharged at high speed without using a chemical reaction is used as a storage element of a hybrid car or the like. However, since the electric double layer capacitor has an energy density of 1 as compared to the lithium ion secondary battery, a heavy storage element is required to secure a sufficient discharge capacity, and is mounted in an automobile If that happens, it has been a hindrance to improving fuel efficiency.
As a storage element having both the high energy density of the lithium ion secondary battery and the high output characteristics of the electric double layer capacitor, a lithium ion is used as a carrier ion, using a positive electrode containing activated carbon and a negative electrode containing graphite Capacitors are attracting attention.
前記リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極材料に対して、化学的方法などでリチウムイオンを予めドーピングし、負極電位を下げることにより、耐電圧を向上させ、エネルギー密度を前記電気二重層キャパシタよりも高めることができる。前記リチウムイオンキャパシタの正極内に高分子ラジカル材料を混合することにより、更なるエネルギー密度の向上を目的とした技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、正極活物質として、三次元網目構造の連通した孔径2nm以上のメソ孔を有する非晶質の多孔質炭素を用いた非水電解液蓄電素子が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
The lithium ion capacitor is prepared by doping lithium ions in advance with a chemical method or the like to a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium ions, and lowering the negative electrode potential, thereby improving the withstand voltage and the energy density It can be higher than a double layer capacitor. A technique has been proposed for the purpose of further improving the energy density by mixing a polymer radical material in the positive electrode of the lithium ion capacitor (see, for example, Patent Document 1).
In addition, a non-aqueous electrolytic solution storage element using amorphous porous carbon having mesopores with a pore diameter of 2 nm or more connected in a three-dimensional network structure has been proposed as a positive electrode active material (see, for example, Patent Document 2) ).
本発明は、高いエネルギー密度を有し、かつ高い出力特性が得られる蓄電素子に用いられる活物質を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an active material used for a storage element having high energy density and high output characteristics.
前記課題を解決するための手段としての本発明の活物質は、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する多孔質炭素と、導電性ポリマーとを有し、前記多孔質炭素における複数の細孔の少なくとも一部が前記導電性ポリマーを含む。 The active material of the present invention as means for solving the above problems has porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, and a conductive polymer, and the plurality of porous carbons in the porous carbon At least a portion of the pores contain the conductive polymer.
本発明によると、高いエネルギー密度を有し、かつ高い出力特性が得られる蓄電素子に用いられる活物質を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an active material used for a storage element having high energy density and high output characteristics.
(活物質)
本発明の活物質は、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する多孔質炭素と、導電性ポリマーとを有し、前記多孔質炭素における複数の細孔の少なくとも一部が前記導電性ポリマーを含み、更に必要に応じてその他の材料を有する。
(Active material)
The active material of the present invention has a porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, and a conductive polymer, and at least a part of the plurality of pores in the porous carbon is the conductive It contains a polymer, and further contains other materials as required.
以下、本発明において電極材料とは、活物質、導電助剤、バインダ、増粘剤、集電体等の電極を構成する材料を意味する。また、本発明において活物質とは、蓄電素子における容量の発現に直接関与する物質を指し、即ち、蓄電素子内においてイオンを吸蔵乃至放出する機能を有している物質を意味する。また、本明細書においては、「吸蔵」とは材料内にイオンを取り込むことを広く表し、材料表面にイオンを物理吸着させる「吸着」や材料の持つ結晶構造内にイオンを挿入する「インターカレーション」、材料の持つ細孔内へイオンを挿入する「インサーション」等もこれに含まれる。 Hereinafter, in the present invention, the electrode material means a material constituting an electrode such as an active material, a conductive additive, a binder, a thickener, a current collector and the like. Further, in the present invention, the active material refers to a substance directly involved in the expression of capacity in the storage element, that is, a substance having a function of storing or releasing ions in the storage element. Moreover, in the present specification, “storage” broadly refers to taking in ions in the material, “adsorption” that physically adsorbs the ions on the material surface, and “intercalation” in which the ions are inserted in the crystal structure of the material. These include “insertion” which inserts ions into the pores of the material, and the like.
本発明の活物質は、従来技術では、高い容量を有するポリマーを活物質として使用する場合には、ポリマー自体の導電性が低いので、多量の導電助剤を添加することが必要となる。すると、電極を構成する材料である活性炭、ポリマー、導電助剤、及びバインダを混合する際に、それぞれの構成材料を均一に分散させることが難しくなり、ポリマーや導電助剤の凝集が発生してしまう。ポリマーや導電助剤の凝集が発生すると、ポリマー粒子間、ポリマーと他材料間、又はポリマーと集電体間の電子移動が抑制されてしまい、電極中を電子が通る経路(導電パス)の形成が不十分となり、出力特性の低下を招いてしまうという知見に基づくものである。
更に、従来技術では、多量に添加する導電助剤は、イオンを吸蔵乃至放出する能力が備わっていないため、容量の発現には関与しない。したがって、多量の導電助剤を混合することは、電極中の活物質として機能する活性炭とポリマーの割合を相対的に低下させることに繋がり、蓄電素子のエネルギー密度の低下をも引き起こすという知見に基づくものである。
In the prior art, when using a polymer having a high capacity as the active material, the active material of the present invention requires the addition of a large amount of a conductive aid because the conductivity of the polymer itself is low. Then, when mixing the activated carbon, the polymer, the conductive aid, and the binder, which are materials constituting the electrode, it becomes difficult to uniformly disperse the respective constituent materials, and the aggregation of the polymer and the conductive aid occurs. I will. When aggregation of the polymer or the conductive aid occurs, electron transfer between the polymer particles, between the polymer and the other material, or between the polymer and the current collector is suppressed, and a path (electron conductive path) through which electrons pass in the electrode is formed. Is insufficient, which results in the deterioration of output characteristics.
Furthermore, in the prior art, the conductive aid added in a large amount does not contribute to the development of capacity because it has no ability to insert and extract ions. Therefore, it is based on the finding that mixing a large amount of conductive support leads to relatively reducing the ratio of activated carbon and polymer functioning as an active material in the electrode, and also causes a reduction in the energy density of the storage element. It is a thing.
本発明の活物質は、導電性ポリマーを電気伝導性の良好な多孔質炭素の三次元網目構造を形成する複数の細孔の少なくとも一部に含むことにより、電極中の導電パスを十分に形成することができる。更に、前記多孔質炭素自身もイオンを吸蔵乃至放出する能力を備えているため、容量の発現に寄与することから、エネルギー密度の低下を招く恐れもなくなる。したがって、本発明の活物質を含む電極を用いることにより、高いエネルギー密度を有し、かつ高い出力特性が得られる蓄電素子を提供することができる。 The active material of the present invention sufficiently forms the conductive path in the electrode by including the conductive polymer in at least a part of the plurality of pores forming the three-dimensional network structure of the well-conductive porous carbon. can do. Furthermore, since the porous carbon itself also has the ability to insert and extract ions, it contributes to the expression of capacity, and hence there is no risk of lowering the energy density. Therefore, by using the electrode including the active material of the present invention, a storage element having high energy density and high output characteristics can be provided.
<多孔質炭素>
前記多孔質炭素としては、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する多孔質炭素を用いる。
前記多孔質炭素が「三次元網目構造を形成する複数の細孔を有している」ということは、前記多孔質炭素粒子の表面及び内部に複数の細孔を有し、隣接する細孔が互いにつながって三次元的に連結し、表面に開孔部を有する連通孔が形成されている状態を意味する。
<Porous carbon>
As the porous carbon, porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure is used.
The phrase “the porous carbon has“ a plurality of pores forming a three-dimensional network structure ”” means that the porous carbon particles have a plurality of pores on the surface and inside, and adjacent pores are It means the state where it was connected mutually and connected three-dimensionally, and the communicating hole which has an opening part in the surface is formed.
前記多孔質炭素が三次元網目構造を形成する複数の細孔を有していることを確認する方法としては、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope)、TEM(Transmission Electron Microscope)などを用いて観察する方法などが挙げられる。
前記「三次元網目構造を形成する複数の細孔」を有している前記多孔質炭素の断面は、TEMによる写真に基づいて作成した図1の概略断面図のように示すことができる。なお、図1中101は細孔、100は炭素粒子を示す。
前記多孔質炭素が「三次元網目構造を形成する複数の細孔」を有していると、前記導電性ポリマーを内包する際に、前記多孔質炭素粒子内部に導電性ポリマーを均一に含有させることができるという点で有利である。
As a method of confirming that the porous carbon has a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, for example, observation is performed using SEM (Scanning Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscope), etc. Methods etc.
The cross section of the porous carbon having the “a plurality of pores forming a three-dimensional network structure” can be shown as a schematic cross sectional view of FIG. 1 created based on a photograph by TEM. In addition, in FIG. 1, 101 shows a pore and 100 shows a carbon particle.
When the porous carbon has "a plurality of pores forming a three-dimensional network structure", when the conductive polymer is contained, the conductive carbon is uniformly contained in the porous carbon particles. It is advantageous in that it can be done.
前記多孔質炭素の「三次元網目構造を形成する複数の細孔を有している」構造について更に説明する。
前記多孔質炭素には、最小径が2nm未満の「ミクロ孔」及び最小径が2nm以上(好ましくは2nm以上50nm以下)の「メソ孔」のいずれの細孔も存在してよいが、比率としてメソ孔の割合が25%以上であることが好ましい。ミクロ孔よりもメソ孔の方が、細孔径が大きいため、前記三次元網目構造を形成する細孔の25%以上がメソ孔であると、細孔内に前記導電性ポリマーを含有させる工程において、導電性ポリマーが入りやすいという点で有利である。
メソ孔の割合は吸着等温線から算出することが可能であり、吸着等温線は材料を一定温度にし、圧力を変化させた際のガス分子の吸着量を測定することで作成することでき、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(Tri StarII3020、株式会社島津製作所製)で測定することができる。
The structure of the porous carbon “having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure” will be further described.
In the porous carbon, any of micropores having a minimum diameter of less than 2 nm and mesopores having a minimum diameter of 2 nm or more (preferably 2 nm or more and 50 nm or less) may be present. The proportion of mesopores is preferably 25% or more. In the process of containing the conductive polymer in pores, if 25% or more of the pores forming the three-dimensional network structure are mesopores, since the mesopores are larger in pore diameter than the micropores It is advantageous in that the conductive polymer easily enters.
The proportion of mesopores can be calculated from the adsorption isotherm, and the adsorption isotherm can be created by measuring the adsorption amount of gas molecules when the material is kept at a constant temperature and the pressure is changed, for example It can be measured by an automatic specific surface area / pore distribution measuring apparatus (Tri Star II 3020, manufactured by Shimadzu Corporation).
前記吸着等温線の相対圧(p/p0)0.3以下のガス分子吸着量がミクロ孔に起因するガス分子吸着量であり、相対圧0.3以上0.96以下がメソ孔に起因するガス分子吸着量となっていることから、下記数式1よりメソ孔の割合を算出することができる。 The adsorption amount of gas molecules at a relative pressure (p / p 0 ) of 0.3 or less of the adsorption isotherm is the adsorption amount of gas molecules attributable to micropores, and the relative pressure of 0.3 to 0.96 is attributable to mesopores Since the gas molecule adsorption amount is obtained, the ratio of mesopores can be calculated by the following equation 1.
[数式1]
前記多孔質炭素における細孔の開孔の向きとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、開孔がランダムな方向に形成される方がより好ましい。
前記ランダムとは、多孔質炭素に前記導電性ポリマーが含有される方向に対して特定の規則性あるいは法則性を持たない状態を示している。多孔質炭素に細孔が規則性を持って形成されると、様々な角度から導電性ポリマーを混入することが難しくなってしまう。
There is no restriction | limiting in particular as direction of the opening of the pore in the said porous carbon, Although it can select suitably according to the objective, it is more preferable to form an opening in a random direction.
The term "random" indicates that the porous carbon has no specific regularity or rule with respect to the direction in which the conductive polymer is contained. If the pores are formed regularly in porous carbon, it will be difficult to mix the conductive polymer from various angles.
多孔質炭素に細孔が形成されている状態を判別する方法としては、表面に吸着占有面積のわかっているガス分子を吸着させ、当該分子の吸着量から試料の比表面積を求める方法、ガス分子の凝縮から細孔分布を測定するBET(Brunauer Emmett Teller)法と呼ばれる方法などが知られている。
前記多孔質炭素のBET比表面積は、800m2/g以上1,800m2/g以下が好ましく、900m2/g以上1,500m2/g以下がより好ましい。前記BET比表面積が前記好ましい範囲内であると、前記細孔の形成量が十分となり、アニオンの吸蔵及び放出が十分に行われて放電容量を大きくすることができる点で有利である。一方、活性炭のようにBET比表面積が2,000m2/g程度と大きすぎる場合には、電解液との反応が容易に進みすぎるために、充放電の繰り返しによって電解液の分解が促進され長期的には放電容量が低下してしまうおそれがある。
前記活物質のBET比表面積が既に述べたような範囲内であると、細孔を十分な量形成しつつも、電解液との反応を低減して電解液の分解が促進されにくくなり、充放電の繰り返しによる放電容量の低下が抑制される。
前記BET比表面積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(Tri StarII3020、株式会社島津製作所製)による吸着等温線の測定結果から、BET(Brunauer Emmett Teller)法を用いて求めることができる。
As a method for determining the state in which pores are formed in porous carbon, there is a method of adsorbing gas molecules whose adsorption occupancy area is known on the surface and determining the specific surface area of the sample from the amount of adsorption of the molecules, gas molecules A method called BET (Brunauer Emmett Teller) method for measuring pore distribution from condensation of is known.
The BET specific surface area of the porous carbon is preferably 800 m 2 / g or more and 1,800 m 2 / g or less, and more preferably 900 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is in the above-mentioned preferable range, the amount of the pores formed is sufficient, and it is advantageous in that the storage and discharge of anions can be sufficiently performed to increase the discharge capacity. On the other hand, when the BET specific surface area is too large, such as activated carbon, to about 2,000 m 2 / g, the reaction with the electrolyte proceeds too easily, and the decomposition of the electrolyte is promoted by repetition of charge and discharge and the long-term In fact, the discharge capacity may be reduced.
When the BET specific surface area of the active material is within the range as described above, the reaction with the electrolytic solution is reduced while the pores are formed in a sufficient amount, and the decomposition of the electrolytic solution is less likely to be promoted. A decrease in discharge capacity due to repeated discharges is suppressed.
The BET specific surface area can be determined, for example, using the BET (Brunauer Emmett Teller) method from the measurement results of the adsorption isotherm with an automatic specific surface area / pore distribution measuring apparatus (Tri Star II 3020, manufactured by Shimadzu Corporation) .
前記多孔質炭素の嵩密度は、0.1g/cc以上1.0g/cc以下が好ましく、0.1g/cc以上0.6g/cc以下がより好ましい。嵩密度が0.1g/cc以上であると、細孔を形成する炭素質壁の厚さが適切であり、良好な細孔構造が得られ、かつ、電極化した際に電極密度を高めることができるため、単位体積当たりの放電容量を増大させることができる。
一方、嵩密度が1.0g/ccよりも大きくなると、メソ孔の形成が不十分となり、独立したメソ孔の存在比率が増加してしまうため、アニオンの吸蔵量が減少し、大きい放電容量を得ることができなくなる。
前記嵩密度は、例えば、多機能型粉体物性測定器(マルチテスター MT−1001K、株式会社セイシン企業製)により測定することができる。
The bulk density of the porous carbon is preferably 0.1 g / cc or more and 1.0 g / cc or less, and more preferably 0.1 g / cc or more and 0.6 g / cc or less. If the bulk density is 0.1 g / cc or more, the thickness of the carbonaceous wall forming the pores is appropriate, a favorable pore structure is obtained, and the electrode density is increased when the electrode is formed. Thus, the discharge capacity per unit volume can be increased.
On the other hand, when the bulk density is higher than 1.0 g / cc, formation of mesopores becomes insufficient and the existing ratio of mesopores increases, so the anion storage amount decreases and a large discharge capacity is obtained. You can not get it.
The bulk density can be measured, for example, by a multifunctional powder physical property measuring instrument (Multitester MT-1001K, manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.).
前記多孔質炭素の細孔容積は、0.2mL/g以上2.3mL/g以下が好ましく、0.5mL/g以上2.3mL/g以下がより好ましい。前記細孔容積が0.2mL/g以上であると、メソ孔が独立した細孔になることが稀になり、アニオンの移動が阻害されることもなく大きい放電容量を得ることができる。一方、前記炭素粒子の細孔容積が2.3mL/g以下であれば、炭素構造が嵩高くならずに電極としてエネルギー密度が高められ、単位体積当たりの放電容量を増大させることができる。また、前記細孔を形成している炭素質壁が薄くならずに、アニオンの吸蔵及び放出を繰り返しても炭素質壁の形状が保つことができ、長期サイクル性が向上する点で有利である。 The pore volume of the porous carbon is preferably 0.2 mL / g or more and 2.3 mL / g or less, and more preferably 0.5 mL / g or more and 2.3 mL / g or less. When the pore volume is 0.2 mL / g or more, mesopores rarely become independent pores, and a large discharge capacity can be obtained without inhibition of anion migration. On the other hand, if the pore volume of the carbon particles is 2.3 mL / g or less, the carbon structure does not become bulky, the energy density as an electrode can be increased, and the discharge capacity per unit volume can be increased. In addition, the carbonaceous wall forming the pores is not thin, and the shape of the carbonaceous wall can be maintained even after repeated insertion and extraction of anions, which is advantageous in that long-term cycleability is improved. .
前記炭素質壁には層状構造をなす部分が存在することが好ましい。前記炭素質壁の電気抵抗率は1.0Ω・cm以下が好ましく、1.0×10−1Ω・cm以下がより好ましい。前記電気抵抗率が1.0Ω・cm以下であると、電極内の電気伝導性が良好となるため、高い出力特性を得ることができる。なお、電気抵抗率は小さいほど好ましいが、1.0×10−1Ω・cm以下である必要は必ずしもなく、電気抵抗率が1.0Ω・cm以下であれば電極内の導電パスは十分に形成することができる。
前記電気抵抗率は、例えば、粉体抵抗測定システム(MCP−PD51型、三菱化学アナリテック株式会社製)により測定することができる。
It is preferable that a portion having a layered structure be present in the carbonaceous wall. The electrical resistivity of the carbonaceous wall is preferably 1.0 Ω · cm or less, and more preferably 1.0 × 10 −1 Ω · cm or less. Since the electrical conductivity in an electrode becomes favorable in the said electrical resistivity being 1.0 ohm * cm or less, a high output characteristic can be obtained. The smaller the electrical resistivity, the better. However, the electrical resistivity does not have to be 1.0 × 10 -1 Ω · cm or less. If the electrical resistivity is 1.0 Ω · cm or less, the conductive path in the electrode is sufficiently It can be formed.
The electrical resistivity can be measured, for example, by a powder resistance measurement system (MCP-PD51, manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.).
前記多孔質炭素の細孔容積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(Tri StarII3020、株式会社島津製作所製)による吸着等温線の測定結果から、BJH(Barrett Joyner Hallender)法を用いて求めることができる。 The pore volume of the porous carbon can be determined, for example, using the BJH (Barrett Joyner Hallender) method from the measurement results of the adsorption isotherm with an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (Tri Star II 3020, manufactured by Shimadzu Corporation). It can be asked.
前記多孔質炭素の体積基準粒度分布によるメジアン径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1μm以上20μm以下が好ましく、1μm以上10μm以下がより好ましい。多孔質炭素のメジアン径が前記好ましい範囲内であると、電極の体積密度が大きく低下することを抑制できる点で有利である。
前記メジアン径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定することができる。
There is no restriction | limiting in particular as a median diameter by the volume based particle size distribution of the said porous carbon, Although it can select suitably according to the objective, 1 micrometer or more and 20 micrometers or less are preferable, and 1 micrometer or more and 10 micrometers or less are more preferable. It is advantageous at the point which can suppress that the volume density of an electrode falls large that the median diameter of porous carbon is in the said preferable range.
The median diameter can be measured, for example, by a laser diffraction scattering particle size distribution measurement method.
前記多孔質炭素は結晶性を有することが好ましい。
前記多孔質炭素の結晶性としては、炭素質のすべてが結晶性を有する結晶構造となっている必要はなく、一部に結晶性を有さない非晶質構造が存在してもよく、また、すべてが非晶質構造であってもよい。
前記「結晶性を有する」ということは、炭素間がsp2混成軌道により結合された六角板状の単一結晶が層状に形成された状態(黒鉛層)を意味する。前記多孔質炭素が結晶性を有していることを確認する方法としては、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて黒鉛の層状構造を観察する方法や、X線回折によりスペクトルのピークとして確認する方法などが挙げられる。特に、X線回折スペクトルにおいて、ブラッグ角度2θの25.00以上27.00以下の領域において回折ピークを有していることから確認することが好ましく、前記ブラッグ角度2θの領域において2つの回折ピークを有することを確認することがより好ましい。
The porous carbon preferably has crystallinity.
As the crystallinity of the porous carbon, it is not necessary that all the carbonaceous matter has a crystalline structure having crystallinity, and an amorphous structure having no crystallinity may exist in part. , All may have an amorphous structure.
The term "having crystallinity" means a state (graphite layer) in which a hexagonal plate-like single crystal in which carbons are bonded by an sp2 hybrid orbital is formed in a layer. As a method of confirming that the porous carbon has crystallinity, for example, a method of observing a layered structure of graphite using a transmission electron microscope (TEM) or a peak of a spectrum by X-ray diffraction The method of confirmation etc. are mentioned. In particular, in the X-ray diffraction spectrum, it is preferable to confirm that it has a diffraction peak in the region of 25.00 or more and 27.00 or less of the Bragg angle 2θ, and in the region of the Bragg angle 2θ It is more preferable to confirm having.
ここで、X線回折スペクトルについて説明する。X線回折スペクトルは、例えば、X線回折装置(XRD:X−ray diffraction)を用いた測定結果から入手することができる。 Here, the X-ray diffraction spectrum will be described. The X-ray diffraction spectrum can be obtained, for example, from measurement results using an X-ray diffraction apparatus (XRD: X-ray diffraction).
原子が規則正しく配列している物質に、原子の間隔と同程度の波長を持つX線が入射すると、各原子に所属する電子によりX線が散乱される。散乱したX線は干渉し合い、特定の方向で強め合うことで、X線の回折現象が生じる。入射するX線の波長を変化させながら回折スペクトルを測定することで、物質の結晶構造の格子間距離を測定することができる。このとき、測定対象が非晶質(アモルファス)であれば、格子間距離に規則性がなく、回折スペクトルは測定波長全般において緩やかな山状か、平坦になってしまうに過ぎない。しかしながら、結晶化した部分については、格子間距離が規則性を示すので、格子間距離に対応する特定の波長において回折スペクトルにピーク(極大値)が現われる。以降の説明ではかかる特定の極大値を特に回折ピークという。即ち、前記ブラッグ角度2θの領域において回折ピークを有していることは、多孔質炭素の炭素粒子内において、少なくとも一部が結晶構造化していることを示している。言い換えると炭素粒子内の一部が黒鉛化していることを示している。 When X-rays having a wavelength similar to the distance between atoms are incident on a material in which atoms are regularly arranged, the X-rays are scattered by electrons belonging to each atom. The scattered X-rays interfere with each other, and the reinforcement in a specific direction causes an X-ray diffraction phenomenon. By measuring the diffraction spectrum while changing the wavelength of the incident X-ray, the interstitial distance of the crystal structure of the substance can be measured. At this time, if the object to be measured is amorphous (amorphous), there is no regularity in the lattice distance, and the diffraction spectrum is only a gentle mountain or a flat in the entire measurement wavelength. However, in the crystallized portion, since the lattice distance shows regularity, a peak (maximum value) appears in the diffraction spectrum at a specific wavelength corresponding to the lattice distance. In the following description, such a specific maximum value is particularly referred to as a diffraction peak. That is, having a diffraction peak in the region of the Bragg angle 2θ indicates that at least a part of the carbon particles of porous carbon is crystallized. In other words, it indicates that a part of carbon particles is graphitized.
また、回折ピークが2つあることは、格子間距離の異なる2つの結晶構造が現われていることを示している。ここで2つのピークのうち低角側の回折ピーク強度をIl、高角側の回折ピーク強度をIhとした場合に、強度比(Il/Ih)>1であることがより好ましい。低角側の回折ピーク強度Ilの割合が大きいことは、黒鉛化している領域の炭素層間距離dが大きいことを意味する。強度比(Il/Ih)が1より大きければ、正極電位(vs.Li/Li+)が4.0V以上の領域に達した際に、多孔質炭素の黒鉛層間にアニオンのインターカレーションが発生した場合でも、黒鉛層の層間距離が広いため炭素層構造を壊すことがなく、炭素粒子の崩壊を防ぐことができる。 Also, the fact that there are two diffraction peaks indicates that two crystal structures having different lattice distances appear. Here, it is more preferable that the intensity ratio (Il / Ih)> 1 when the diffraction peak intensity on the low angle side among the two peaks is Il and the diffraction peak intensity on the high angle side is Ih. A large proportion of the low-angle-side diffraction peak intensity Il means that the carbon interlayer distance d in the graphitized region is large. If the strength ratio (Il / Ih) is larger than 1, anion intercalation occurs between porous carbon graphite layers when the positive electrode potential (vs. Li / Li + ) reaches a region of 4.0 V or more. Even in this case, since the interlayer distance of the graphite layer is wide, the carbon layer structure is not broken and the carbon particles can be prevented from being broken.
前記多孔質炭素の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、粒子状乃至塊状が好ましい。前記多孔質炭素の形状が粒子状乃至塊状であれば、電極化した際に最密充填構造を形成しやすくなり、電極密度を高めることができるため、単位体積当たりの放電容量を増大させることができる。 There is no restriction | limiting in particular as a shape of the said porous carbon, Although it can select suitably according to the objective, Particulate form or lump form is preferable. If the shape of the porous carbon is particulate or massive, it is easy to form a close-packed structure when made into an electrode, and the electrode density can be increased, so that the discharge capacity per unit volume can be increased. it can.
前記多孔質炭素は、特に制限はなく、適宜製造したものを使用してもよいし、市販品を使用してもよい。
前記市販品としては、例えば、クノーベル(登録商標)(東洋炭素株式会社製)などが挙げられる。
The porous carbon is not particularly limited, and one produced appropriately may be used, or a commercially available product may be used.
As said commercial item, Knobel (trademark) (made by Toyo Carbon Co., Ltd.) etc. are mentioned, for example.
前記多孔質炭素の製造方法としては、例えば、三次元網目構造を有する筋材と、炭素材料形成源としての有機物である出発原料を成形し、2,000℃以上で焼成することにより炭化させる。前記有機物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリイミド、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ピッチ系の熱硬化性樹脂などが挙げられる。
その後、酸又はアルカリで筋材を溶解することで、前記筋材を溶解した痕が三次元網目構造を形成する複数のメソ孔となり、意図的に形成することができる。
前記筋材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸又はアルカリ可溶性の金属、金属酸化物、金属塩、金属含有有機物などが挙げられる。
出発原料としては、炭化させることができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
なお、前記出発原料は一般に有機物であり、炭化時に揮発性物質を放出するため、放出跡としてミクロ孔が形成されるため、前記ミクロ孔が全く存在しない炭素粒子を製造することは困難である。
As a method of producing the porous carbon, for example, a reinforcing material having a three-dimensional network structure and a starting material which is an organic substance as a carbon material forming source are formed and carbonized by firing at 2,000 ° C. or more. There is no restriction | limiting in particular as said organic substance, According to the objective, it can select suitably, For example, a polyimide, a phenol resin, an acrylic resin, the thermosetting resin of a pitch system etc. are mentioned.
Thereafter, by dissolving the muscle material with an acid or alkali, the trace in which the muscle material is dissolved becomes a plurality of mesopores forming a three-dimensional network structure, and can be formed intentionally.
There is no restriction | limiting in particular as said reinforcing material, According to the objective, it can select suitably, For example, acid or alkali-soluble metal, metal oxide, metal salt, metal containing organic substance etc. are mentioned.
The starting material is not particularly limited as long as it can be carbonized, and can be appropriately selected according to the purpose.
In addition, since the said starting material is an organic substance generally and discharge | releases a volatile substance at the time of carbonization, since a micropore is formed as an emission mark, it is difficult to manufacture the carbon particle in which the said micropore does not exist at all.
<導電性ポリマー>
前記導電性ポリマーとしては、酸化還元反応においてカチオン乃至アニオンを吸蔵乃至放出可能なポリマーが好ましい。
前記導電性ポリマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリチオフェン又はその誘導体、ポリアニリン又はその誘導体、ポリピロール又はその誘導体、ポリアセチレン又はその誘導体、ポリカルバゾール又はその誘導体、ポリビニルピリジン又はその誘導体、ポリ(n−ビニルカルバゾール)又はその誘導体、ポリフルオレン又はその誘導体、ポリフェニレン又はその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)又はその誘導体、ポリ(ピリジンビニレン)又はその誘導体、ポリキノキサリン又はその誘導体、ポリキノリン又はその誘導体、ポリオキサジアゾール誘導体、ポリバソフェナントロリン誘導体、ポリトリアゾール誘導体、又はこれらのポリマーを適宜、アミン基、ヒドロキシ基、ニトリル基、カルボニル基等の置換基で置換したものなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、高いエネルギー密度を有する点から、ポリチオフェン誘導体が好ましい。
<Conductive polymer>
The conductive polymer is preferably a polymer capable of storing or releasing a cation or an anion in a redox reaction.
There is no restriction | limiting in particular as said conductive polymer, According to the objective, it can select suitably, For example, polythiophene or its derivative (s), polyaniline or its derivative, polypyrrole or its derivative, polyacetylene or its derivative, polycarbazole or its derivative Polyvinylpyridine or derivatives thereof, poly (n-vinylcarbazole) or derivatives thereof, polyfluorene or derivatives thereof, polyphenylene or derivatives thereof, poly (p-phenylenevinylene) or derivatives thereof, poly (pyridinevinylene) or derivatives thereof, poly An amine group, a hydroxy group, a nitrile, or the like, as appropriate, quinoxaline or a derivative thereof, polyquinoline or a derivative thereof, a polyoxadiazole derivative, a polyvasophenanthroline derivative, a polytriazole derivative, or a polymer thereof , Like those substituted with a substituent such as a carbonyl group. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, polythiophene derivatives are preferable because they have high energy density.
前記ポリチオフェン誘導体としては、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリマーが好ましい。
前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体は、安定化された酸化還元化合物であり、充電反応及び放電反応の少なくともいずれかの過程で酸化還元反応を伴うポリマーである。
As said polythiophene derivative, the polymer which has a repeating unit represented by following General formula (1) is preferable.
The polythiophene derivative having a repeating unit represented by the general formula (1) is a stabilized redox compound, and is a polymer accompanied by a redox reaction in at least one of a charge reaction and a discharge reaction.
前記一般式(1)において、Zは、S元素、O元素、又はSe元素を環員として含む5〜9員の複素環を形成する原子群を表す。S元素、O元素、又はSe元素は多数の酸化数を取り得るため、S元素、O元素、又はSe元素を環員として含むことにより、酸化及び還元反応に伴う電子の授受が多電子反応で進行することが期待できる。その結果、活物質あたり高容量を得ることができるようになり、蓄電素子の活物質としてポリチオフェン誘導体が含まれる場合には、高いエネルギー密度を得ることができる。 In the general formula (1), Z represents an atomic group forming a 5- to 9-membered heterocyclic ring containing an S element, an O element, or an Se element as a ring member. Since the S element, the O element or the Se element can have a large number of oxidation numbers, by including the S element, the O element or the Se element as a ring member, the transfer of electrons involved in the oxidation and reduction reactions is a multielectron reaction. It can be expected to progress. As a result, a high capacity per active material can be obtained, and a high energy density can be obtained when a polythiophene derivative is included as an active material of the storage element.
Arは、芳香環、又は芳香族複素環を表す。
前記芳香環としては、例えば、ベンゼン、ビフェニル、ナフタレン、アントラセン、フルオレン、ピレン、又はこれらの誘導体などが挙げられる。
前記芳香族複素環としては、例えば、ピリジン、キノリン、チオフェン、フラン、オキサゾール、オキサジアゾール、カルバゾール、又はこれらの誘導体などが挙げられる。これらの中でも、チオフェン、チオフェン誘導体が好ましい。
Ar represents an aromatic ring or an aromatic heterocycle.
Examples of the aromatic ring include benzene, biphenyl, naphthalene, anthracene, fluorene, pyrene, and derivatives thereof.
Examples of the aromatic heterocycle include pyridine, quinoline, thiophene, furan, oxazole, oxadiazole, carbazole, and derivatives thereof. Among these, thiophene and thiophene derivatives are preferable.
芳香環又は芳香族複素環の置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子などが挙げられる。
前記アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、又はブチル基などが挙げられる。
前記アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、又はブトキシ基などが挙げられる。
前記ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子などが挙げられる。
As a substituent of an aromatic ring or an aromatic heterocyclic ring, an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom etc. are mentioned, for example.
As said alkyl group, a methyl group, an ethyl group, isopropyl group, or a butyl group etc. are mentioned, for example.
As said alkoxy group, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, or a butoxy group etc. are mentioned, for example.
As said halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom etc. are mentioned, for example.
nは、2以上の自然数が好ましく、10〜100の自然数がより好ましい。
mは、0又は2以上の自然数が好ましく、0又は10〜100の自然数がより好ましい。
n is preferably a natural number of 2 or more, more preferably a natural number of 10 to 100.
0 is preferably a natural number of 0 or more, and more preferably a natural number of 0 or 10 to 100.
前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体としては、下記一般式(2)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体であることが好ましい。 The polythiophene derivative having a repeating unit represented by the general formula (1) is preferably a polythiophene derivative having a repeating unit represented by the following general formula (2).
Rは置換もしくは無置換のアルキレン基、又は置換もしくは無置換の分岐アルキレン基を表す。前記アルキレン基に置換する基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、チオアルキル基、アリールチオ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基、又はハロゲン原子などが挙げられる。 R represents a substituted or unsubstituted alkylene group or a substituted or unsubstituted branched alkylene group. As a group substituted by the said alkylene group, an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, an aryloxy group, a thioalkyl group, an arylthio group, an alkylamino group, an arylamino group, or a halogen atom etc. are mentioned, for example.
前記アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、又はブチル基などが挙げられる。
前記アルコキシ基としては、アルキル部分が前記アルキル基であるものが挙げられる。
前記アリール基としては、例えば、フェニル基、4−トルイル基、4−ヒドロキシフェニル基、1−ナフチル基、又は2−ナフチル基などが挙げられる。
前記アリールオキシ基としては、例えば、アリール部分が前記アリール基であるものが挙げられる。
前記チオアルキル基としては、例えば、メチルチオ基、エチルチオ基、又はブチルチオ基などが挙げられる。
前記アリールチオ基としては、例えば、フェニルチオ基などが挙げられる。
前記アルキルアミノ基としては、例えば、ジエチルアミノ基、ジメチルアミノ基、又はヒドロキシアミノ基などが挙げられる。
前記アリールアミノ基としては、例えば、ジフェニルアミノ基、又はフェニルナフチルアミノ基などが挙げられる。
前記ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、又は臭素原子などが挙げられる。
pは、繰り返し単位数を表す1以上の自然数であり、1〜3の自然数を表す。
Ar、m、nは、上記一般式(1)と同じ意味を表す。
As said alkyl group, a methyl group, an ethyl group, isopropyl group, or a butyl group etc. are mentioned, for example.
As said alkoxy group, that whose alkyl part is the said alkyl group is mentioned.
As said aryl group, a phenyl group, 4-toluyl group, 4-hydroxyphenyl group, 1-naphthyl group, or 2-naphthyl group etc. are mentioned, for example.
As said aryloxy group, that whose aryl part is said aryl group is mentioned, for example.
As said thioalkyl group, a methylthio group, an ethylthio group, or a butylthio group etc. are mentioned, for example.
As said arylthio group, a phenylthio group etc. are mentioned, for example.
Examples of the alkylamino group include diethylamino group, dimethylamino group, and hydroxyamino group.
Examples of the arylamino group include diphenylamino group and phenylnaphthylamino group.
As said halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, or a bromine atom etc. are mentioned, for example.
p is a natural number of 1 or more representing the number of repeating units, and represents a natural number of 1 to 3.
Ar, m and n have the same meaning as in the above general formula (1).
前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体は、下記一般式(3)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体であることが好ましい。 It is preferable that the polythiophene derivative which has a repeating unit represented by said General formula (1) is a polythiophene derivative which has a repeating unit represented by following General formula (3).
Ar、m、nは、上記一般式(1)と同じ意味を表し、R、pは、上記一般式(2)と同じ意味を表す。
Ar, m and n have the same meaning as the above general formula (1), and R and p have the same meaning as the above general formula (2).
ここで、前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。ただし、下記式中、nは2以上の自然数を表し、mは0又は2以上の自然数を表す。 Here, specific examples of the polythiophene derivative having a repeating unit represented by the general formula (1) will be shown below, but it is not limited thereto. However, in the following formula, n represents a natural number of 2 or more, and m represents a natural number of 0 or 2 or more.
上記例示されているポリチオフェン誘導体の例示化合物中でも、放電容量の大きさ及び合成のし易さの点から、例示化合物(2)、(3)、(4)、(5)、(8)、(10)、(11)、(16)、(26)、(32)、(36)、及び(44)が特に好ましい。 Among the exemplified compounds of the polythiophene derivative exemplified above, the exemplified compounds (2), (3), (4), (5), (5), (8), (E) from the viewpoint of the magnitude of discharge capacity and ease of synthesis. 10), (11), (16), (26), (32), (36) and (44) are particularly preferred.
前記ポリチオフェン誘導体としては、下記一般式(61)で表される繰り返し単位を有するポリマーが好ましい。
前記導電性ポリマーとしては、繰り返し単位中に下記一般式(4)で表される構造を有するポリマーであることが好ましい。
前記芳香環としては、例えば、ベンゼン、ビフェニル、ナフタレン、アントラセン、フルオレン、ピレン、又はこれらの誘導体などが挙げられる。
前記芳香族複素環としては、例えば、ピリジン、キノリン、チオフェン、フラン、オキサゾール、オキサジアゾール、カルバゾール、又はこれらの誘導体などが挙げられる。これらの中でも、チオフェン、チオフェン誘導体が好ましい。
芳香環又は芳香族複素環の置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子などが挙げられる。
前記アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、又はブチル基などが挙げられる。
前記アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、又はブトキシ基などが挙げられる。
前記ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子などが挙げられる。
The conductive polymer is preferably a polymer having a structure represented by the following general formula (4) in a repeating unit.
Examples of the aromatic ring include benzene, biphenyl, naphthalene, anthracene, fluorene, pyrene, and derivatives thereof.
Examples of the aromatic heterocycle include pyridine, quinoline, thiophene, furan, oxazole, oxadiazole, carbazole, and derivatives thereof. Among these, thiophene and thiophene derivatives are preferable.
As a substituent of an aromatic ring or an aromatic heterocyclic ring, an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom etc. are mentioned, for example.
As said alkyl group, a methyl group, an ethyl group, isopropyl group, or a butyl group etc. are mentioned, for example.
As said alkoxy group, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, or a butoxy group etc. are mentioned, for example.
As said halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom etc. are mentioned, for example.
ここで、繰り返し単位中に上記一般式(4)で表される構造を有する導電性ポリマーとしては、以下の例示化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ただし、下記式中、nは2以上の自然数を表す。 Here, as the conductive polymer having a structure represented by the above general formula (4) in the repeating unit, the following exemplified compounds may be mentioned, but it is not limited thereto. However, in the following formula, n represents a natural number of 2 or more.
前記導電性ポリマーとしては、下記一般式(5)で表される繰り返し単位を有するポリマーが好ましい。
R1、R2、及びR3におけるアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などが挙げられる。
R1、R2、及びR3における分岐アルキル基としては、例えば、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。
Ar1、Ar2、及びAr3における芳香環としては、例えば、ベンゼン、ビフェニル、ナフタレン、アントラセン、フルオレン、ピレン、又はこれらの誘導体などが挙げられる。
Ar1、Ar2、及びAr3における芳香族複素環としては、例えば、ピリジン、キノリン、チオフェン、フラン、オキサゾール、オキサジアゾール、カルバゾール、又はこれらの誘導体などが挙げられる。これらの中でも、チオフェン、チオフェン誘導体が好ましい。
As an alkyl group in R 1 , R 2 and R 3 , for example, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group and the like can be mentioned.
As a branched alkyl group in R < 1 >, R < 2 > and R < 3 >, an isopropyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert- butyl group etc. are mentioned, for example.
As an aromatic ring in Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 , for example, benzene, biphenyl, naphthalene, anthracene, fluorene, pyrene or derivatives thereof can be mentioned.
Examples of the aromatic heterocyclic ring in Ar 1 , Ar 2 and Ar 3 include pyridine, quinoline, thiophene, furan, oxazole, oxadiazole, carbazole, and derivatives thereof. Among these, thiophene and thiophene derivatives are preferable.
アルキル基、分岐アルキル基、芳香環又は芳香族複素環の置換基としては、例えば、アルキル基、アルコキシ基、又はハロゲン原子などが挙げられる。
前記アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、又はブチル基などが挙げられる。
前記アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、又はブトキシ基などが挙げられる。
前記ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子などが挙げられる。
nは、2以上の自然数が好ましく、100〜5,000の自然数がより好ましい。
As a substituent of an alkyl group, a branched alkyl group, an aromatic ring or an aromatic heterocyclic ring, an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom etc. are mentioned, for example.
As said alkyl group, a methyl group, an ethyl group, isopropyl group, or a butyl group etc. are mentioned, for example.
As said alkoxy group, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, or a butoxy group etc. are mentioned, for example.
As said halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom etc. are mentioned, for example.
n is preferably a natural number of 2 or more, more preferably a natural number of 100 to 5,000.
上記一般式(5)で表される導電性ポリマーとしては、以下の例示化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ただし、下記式中、nは2以上の自然数を表す。 Although the following exemplary compounds are mentioned as a conductive polymer represented by the said General formula (5), It is not limited to these. However, in the following formula, n represents a natural number of 2 or more.
前記導電性ポリマーとしては、下記一般式(63)で表される繰り返し単位を有するポリマーが好ましい。
前記導電性ポリマーとしては、下記一般式(65)で表される繰り返し単位を有するポリマーが好ましい。
ここで、前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体は、下記の反応で得られる一般式(1A)又は一般式(1B)のチオフェン誘導体を重合させることにより得ることができる。 Here, the polythiophene derivative having a repeating unit represented by the general formula (1) can be obtained by polymerizing a thiophene derivative of the general formula (1A) or the general formula (1B) obtained by the following reaction .
前記一般式(1A)で表されるチオフェン誘導体は、Synthetic Communications 28(12)、2237−2244(1998)に記載の方法で合成できる。即ち、3,4−ジメトキシチオフェンのようなアルコキシ置換チオフェンとジチオール類やジオール類などのカルコゲン元素源との酸触媒を用いた求核置換反応によって得ることができる。
反応温度は0℃〜150℃が好ましく、50℃〜130℃がより好ましい。
前記酸触媒としては、例えば、硫酸、塩酸、リン酸、メタンスルホン酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、p−トルエンスルホン酸などの酸(ブレンステッド酸)などが挙げられる。
反応溶媒しては、例えば、トルエン、キシレン、アニソール、テトラリン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼンなどが挙げられる。
The thiophene derivative represented by the general formula (1A) can be synthesized by the method described in Synthetic Communications 28 (12), 2237-2244 (1998). That is, it can be obtained by a nucleophilic substitution reaction using an acid catalyst of an alkoxy-substituted thiophene such as 3,4-dimethoxythiophene and a chalcogen element source such as dithiols and diols.
The reaction temperature is preferably 0 ° C to 150 ° C, and more preferably 50 ° C to 130 ° C.
Examples of the acid catalyst include acids (Brensted acid) such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, methanesulfonic acid, trichloroacetic acid, trifluoroacetic acid, p-toluenesulfonic acid and the like.
Examples of the reaction solvent include toluene, xylene, anisole, tetralin, methylcyclohexane, ethylcyclohexane, chlorobenzene, ortho-dichlorobenzene and the like.
前記一般式(1B)で表されるチオフェン誘導体は、Journal of Materials Chemistry 8(8)、1719−1724(1998)に記載の方法で合成できる。即ち、チオンのジブロモ体を、硫化ナトリウム9水和物を用いて環化させた後、2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノ−1,4−ベンゾキノン(DDQ)を用いて酸化させることにより得ることができる。
環化の際の反応温度は0℃〜100℃が好ましく、10℃〜40℃がより好ましい。
酸化の際の反応温度は0℃〜150℃が好ましく、80℃〜130℃がより好ましい。
The thiophene derivative represented by the general formula (1B) can be synthesized by the method described in Journal of Materials Chemistry 8 (8), 1719 to 1724 (1998). That is, by cyclizing the dibromo form of thione with sodium sulfide nonahydrate and oxidizing it with 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) You can get it.
0 to 100 degreeC is preferable and, as for the reaction temperature in the case of cyclization, 10 to 40 degreeC is more preferable.
0 to 150 degreeC is preferable and, as for the reaction temperature in the case of oxidation, 80 to 130 degreeC is more preferable.
ポリチオフェン誘導体の重合は、酸化剤を用いた酸化カップリング重合により行うことができる。
前記酸化剤としては、例えば、塩化鉄(III)、芳香族スルホン酸金属塩などが挙げられる。
The polymerization of the polythiophene derivative can be carried out by oxidative coupling polymerization using an oxidizing agent.
Examples of the oxidizing agent include iron (III) chloride and metal salts of aromatic sulfonic acids.
前記芳香族スルホン酸金属塩としては、例えば、o−トルエンスルホン酸第2鉄、m−トルエンスルホン酸第2鉄、p−トルエンスルホン酸第2鉄、o−トルエンスルホン酸第2銅、m−トルエンスルホン酸第2銅、p−トルエンスルホン酸第2銅、o−トルエンスルホン酸コバルト、m−トルエンスルホン酸コバルト、p−トルエンスルホン酸コバルト、o−トルエンスルホン酸マンガン、m−トルエンスルホン酸マンガン、p−トルエンスルホン酸マンガン、o−エチルベンゼンスルホン酸第2鉄、m−エチルベンゼンスルホン酸第2鉄、p−エチルベンゼンスルホン酸第2鉄、ナフタレンスルホン酸第2鉄、又はこれらの誘導体などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 Examples of the metal salts of aromatic sulfonic acids include ferric o-toluenesulfonic acid, ferric m-toluenesulfonic acid, ferric p-toluenesulfonic acid, cupric o-toluenesulfonic acid, and m- Cupric toluene sulfonate, cupric p-toluene sulfonate, cobalt o-toluene sulfonate, cobalt m-toluene sulfonate, cobalt p-toluene sulfonate, manganese o-toluene sulfonate, manganese m-toluene sulfonate And p-toluenesulfonic acid manganese, ferric o-ethylbenzenesulfonic acid, ferric m-ethylbenzenesulfonic acid, ferric p-ethylbenzenesulfonic acid, ferric naphthalenesulfonic acid, derivatives thereof and the like. . These may be used alone or in combination of two or more.
重合を行う際の溶媒としては、例えば、アルコール系溶媒、ハロゲン化炭化水素、芳香族系炭化水素、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノールなどが挙げられる。
前記ハロゲン化炭化水素としては、例えば、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタンなどが挙げられる。
前記芳香族系炭化水素としては、例えば、トルエン、キシレン、アニソール、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン、ニトロベンゼンなどが挙げられる。
Examples of the solvent for polymerization include alcohol solvents, halogenated hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, acetonitrile, benzonitrile and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
As said alcohol solvent, methanol, ethanol, butanol etc. are mentioned, for example.
As said halogenated hydrocarbon, chloroform, a dichloromethane, 1, 2- dichloroethane etc. are mentioned, for example.
Examples of the aromatic hydrocarbon include toluene, xylene, anisole, chlorobenzene, orthodichlorobenzene, nitrobenzene and the like.
前記導電性ポリマーとしてのポリチオフェン誘導体は、リチウム金属極基準(vs.Li/Li+)で3V以上5V以下に酸化電位を有するものが好ましく、3V以上4.5V以下に酸化電位を有するものがより好ましい。
蓄電素子の正極活物質として本発明の活物質を用いる場合、前記多孔質炭素はリチウム金属極基準(vs.Li/Li+)で3V以上の電位において、アニオンの吸蔵を開始する。そのため、ポリチオフェン誘導体の酸化電位(vs.Li/Li+)が3V以上であれば、多孔質炭素と同様の動作電圧で駆動させることができることから、多孔質炭素及びポリチオフェン誘導体粒子両方の容量を活用することができる。その結果、活物質としてより大きな容量を得ることができる。
また、リチウム金属極基準(vs.Li/Li+)で5V以上の電位では、非水電解液に用いられる非水溶媒が酸化分解してしまうため、ポリチオフェン誘導体の酸化電位(vs.Li/Li+)が5V以上にある場合は、その電位での容量を活用することはできない。そのため、ポリチオフェン誘導体のリチウム金属極基準(vs.Li/Li+)での酸化電位は3V以上5V以下であることが好ましい。なお、上記酸化電位は、例えば、サイクリックボルタンメトリ(CV)の手法によって測定することができる。
The polythiophene derivative as the conductive polymer preferably has an oxidation potential at 3 V or more and 5 V or less in lithium metal electrode standard (vs. Li / Li + ), and more preferably one having an oxidation potential at 3 V or more and 4.5 V or less preferable.
When the active material of the present invention is used as a positive electrode active material of a storage element, the porous carbon starts to absorb anions at a potential of 3 V or more on a lithium metal electrode basis (vs. Li / Li + ). Therefore, if the oxidation potential (vs. Li / Li + ) of the polythiophene derivative is 3 V or more, it can be driven at the same operating voltage as porous carbon, so the capacity of both porous carbon and polythiophene derivative particles is used can do. As a result, a larger capacity can be obtained as an active material.
Further, at a potential of 5 V or more based on the lithium metal electrode (vs. Li / Li + ), the non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte is oxidized and decomposed, so the oxidation potential of the polythiophene derivative (vs. Li / Li) When + ) is 5 V or more, the capacity at that potential can not be utilized. Therefore, the oxidation potential of the polythiophene derivative based on the lithium metal electrode (vs. Li / Li + ) is preferably 3 V or more and 5 V or less. The oxidation potential can be measured, for example, by a method of cyclic voltammetry (CV).
前記導電性ポリマーとしてのポリチオフェン誘導体は、前記三次元網目構造を形成する複数の細孔に少なくとも一部含まれた状態で存在しており、複数の細孔の大部分に含まれていることが好ましく、複数の細孔のすべてに含まれていることがより好ましい。
前記導電性ポリマーとしてのポリチオフェン誘導体自体の抵抗は高いため、電気伝導性の高い材料を間に介していないと、ポリチオフェン誘導体の酸化還元に伴う電子の受け渡しが円滑に行われないため、大きな容量低下を招く。しかしながら、上記のように、高い電気伝導性を有する前記多孔質炭素における複数の細孔の少なくとも一部にポリチオフェン誘導体が含まれることにより、ポリチオフェン誘導体の電気伝導性は多孔質炭素によって補われる。したがって、ポリチオフェン誘導体の酸化還元に伴う電子の受け渡しが円滑に行われるため、活物質中に含まれる多くのポリチオフェン誘導体の容量が発現し、エネルギー密度が高められる。
更に、前記多孔質炭素の複数の細孔が三次元網目構造を形成していることで、ポリチオフェン誘導体が多孔質炭素内部まで含有されるため、活物質中のより多くのポリチオフェン誘導体が有効活用されるため、よりエネルギー密度が高められるという点で有利である。また、多孔質炭素1粒子に対して、より多くのポリチオフェン誘導体を含有させることができるため、活物質1粒子の密度を高めることにつながり、エネルギー密度の向上に更に寄与する。
The polythiophene derivative as the conductive polymer is present in a state at least partially contained in the plurality of pores forming the three-dimensional network structure, and is contained in most of the plurality of pores Preferably, it is more preferably contained in all of the plurality of pores.
Since the resistance of the polythiophene derivative itself as the conductive polymer is high, the transfer of electrons accompanying the redox of the polythiophene derivative can not be carried out smoothly if there is no intervening material with high electrical conductivity, so the capacity is greatly reduced. Cause. However, as described above, the electrical conductivity of the polythiophene derivative is compensated by the porous carbon by including the polythiophene derivative in at least a part of the plurality of pores in the porous carbon having high electrical conductivity. Therefore, the electron transfer accompanying the oxidation-reduction of the polythiophene derivative is performed smoothly, so that the capacity of many polythiophene derivatives contained in the active material is expressed, and the energy density is enhanced.
Furthermore, since the polythiophene derivative is contained to the inside of porous carbon by the plurality of pores of the porous carbon forming a three-dimensional network structure, more polythiophene derivatives in the active material are effectively utilized. Therefore, it is advantageous in that the energy density can be further increased. Moreover, since more polythiophene derivatives can be contained in one porous carbon particle, it leads to an increase in the density of the active material 1 particles, which further contributes to the improvement of the energy density.
前記多孔質炭素と前記導電性ポリマーとの質量比(多孔質炭素/導電性ポリマー)は、20/80以上95/5以下が好ましく、30/70以上80/20以下がより好ましい。多孔質炭素と導電性ポリマーの質量比をこの範囲にすることにより、エネルギー密度と出力特性のバランスを取ることができる。 20/80 or more and 95/5 or less are preferable, and, as for mass ratio (porous carbon / conductive polymer) of the said porous carbon and the said conductive polymer, 30/70 or more and 80/20 or less are more preferable. By setting the mass ratio of the porous carbon to the conductive polymer in this range, it is possible to balance the energy density and the output characteristics.
<活物質の製造方法>
前記活物質は、前記多孔質炭素と前記導電性ポリマーとを、粒子複合化装置を用いて、所定条件でせん断力をかけることにより製造することができる。
前記粒子複合化装置としては、例えば、ホソカワミクロン株式会社製のノビルタ(登録商標)やメカノフュージョン(登録商標)、浅田鉄工株式会社製のペイントシェーカー装置、ミラクルK.C.K(混練分散機)、アシザワ・ファインテック株式会社製のドライスター(登録商標)、シグマドライ(登録商標)、奈良機械製作所製のMIRALO(登録商標)、日本コークス株式会社製のCOMPOSI(登録商標)などが挙げられる。
<Method of manufacturing active material>
The active material can be produced by applying shear force under predetermined conditions using the particle composite apparatus to the porous carbon and the conductive polymer.
Examples of the particle composite apparatus include Nobilta (registered trademark) and Mechanofusion (registered trademark) manufactured by Hosokawa Micron Corporation, a paint shaker apparatus manufactured by Asada Iron Works Co., Ltd., Miracle K. C. K (kneading and dispersing machine), Dry Star (registered trademark) made by Ashizawa Finetech Co., Ltd., Sigma Dry (registered trademark), MIRALO (registered trademark) made by Nara Machinery Co., Ltd., COMPOSI (registered trademark) made by Nippon Coke Co., Ltd. And the like.
前記導電性ポリマーが三次元網目構造を形成する複数の細孔の少なくとも一部に含有されていることを確認する方法としては、例えば、SEM、TEM、EDS(Energy Dispersive X−ray Spectrometry)などを用いて観察する方法などが挙げられる。前記活物質の断面は、SEMによる写真及びEDSによる元素マッピング画像に基づいて作成した図2の活物質粒子の断面の一部を表した概略断面図のように示すことができる。なお、図2中101は細孔、102は導電性ポリマーを示す。 As a method for confirming that the conductive polymer is contained in at least a part of the plurality of pores forming the three-dimensional network structure, for example, SEM, TEM, EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometry), etc. The method of using and observing etc. are mentioned. The cross section of the active material can be shown as a schematic cross sectional view showing a part of the cross section of the active material particle of FIG. 2 created based on a photograph by SEM and an elemental mapping image by EDS. In FIG. 2, reference numeral 101 denotes a pore, and reference numeral 102 denotes a conductive polymer.
このように、本発明の活物質は、多孔質炭素の複数の細孔の少なくとも一部に導電性ポリマーを含むことにより、導電性ポリマー自体が良好な電気伝導性を有することとなる。したがって、活物質中のより多くの導電性ポリマーが有効に活用されるため、導電性ポリマーが本来備えている高い容量を効率よく使用することができる。その結果、活物質は、高いエネルギー密度を有することができる。 Thus, in the active material of the present invention, by including the conductive polymer in at least a part of the plurality of pores of porous carbon, the conductive polymer itself has good electric conductivity. Therefore, since the more conductive polymers in the active material are effectively utilized, it is possible to efficiently use the high capacity that the conductive polymers originally have. As a result, the active material can have a high energy density.
本発明の活物質は、正極活物質及び負極活物質のいずれにも用いることができるが、高いエネルギー密度と高い出力特性を両立した特性を有する蓄電素子が得られる点から、正極活物質であることが好ましい。
以下に説明するように、本発明の活物質は、蓄電素子の電極として好適に用いることができる。
The active material of the present invention can be used as either a positive electrode active material or a negative electrode active material, but is a positive electrode active material from the viewpoint of obtaining an electricity storage element having characteristics of high energy density and high output characteristics. Is preferred.
As described below, the active material of the present invention can be suitably used as an electrode of a storage element.
(電極)
本発明の電極は、本発明の活物質を含み、更に必要に応じてその他の部材を有する。
前記電極としては、正極及び負極のいずれであってもよいが、高いエネルギー密度と高い出力特性を両立した特性を有する蓄電素子が得られる点から、正極が好ましい。
(electrode)
The electrode of the present invention contains the active material of the present invention and further has other members as required.
The electrode may be any of a positive electrode and a negative electrode, but a positive electrode is preferable from the viewpoint of obtaining a storage element having characteristics of achieving both high energy density and high output characteristics.
<正極>
正極は、正極集電体と、正極材と、を備えた平板状の電極部である。
正極材は、正極活物質、バインダ、導電助剤、増粘剤、及び導電助剤を含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有する。
<Positive electrode>
The positive electrode is a flat electrode portion provided with a positive electrode current collector and a positive electrode material.
The positive electrode material contains a positive electrode active material, a binder, a conductive auxiliary, a thickener, and a conductive auxiliary, and further contains other components as needed.
−正極活物質−
正極活物質としては、アニオンを吸蔵乃至放出可能であり、本発明の活物質を用いることが好ましいが、本発明の活物質以外の正極活物質を用いる場合には、安全性とコストの点から、炭素質材料が好ましい。
炭素質材料としては、例えば、黒鉛(グラファイト)、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物、活性炭などが挙げられる。
黒鉛(グラファイト)としては、例えば、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素などが挙げられる。
正極活物質は上記の材料を1種単独で使用してもよいし、2種以上併用してもよい。また、上記以外の物質、例えば、リチウム金属酸化物を併用してもよい。
前記リチウム金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、LipNixCoyMnzO2の組成式で表すことができるマンガン−コバルト−ニッケル三元系酸化物リチウム(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)などが挙げられる。
-Positive electrode active material-
As a positive electrode active material, an anion can be stored or released, and it is preferable to use the active material of the present invention, but when using a positive electrode active material other than the active material of the present invention, from the viewpoint of safety and cost. And carbonaceous materials are preferred.
Examples of the carbonaceous material include graphite (graphite), thermal decomposition products of organic substances under various thermal decomposition conditions, activated carbon and the like.
Examples of graphite (graphite) include coke, artificial graphite, natural graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon and the like.
The positive electrode active material may be used singly or in combination of two or more. Moreover, you may use together the substance of that excepting the above, for example, a lithium metal oxide.
Examples of the lithium metal oxide include lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and Li p Ni Manganese-cobalt-nickel ternary oxide lithium (for example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and the like that can be represented by a composition formula of x Co y Mn z O 2 can be mentioned.
−バインダ及び増粘剤−
バインダは、正極活物質同士、又は正極活物質と正極集電体とを結着させ、電極構造を維持するためのバインダである。
バインダの材料としては、例えば、フッ素系バインダ、アクリレート系ラテックス、及びカルボキシメチルセルロース(CMC)のいずれかを用いることが好ましい。
前記フッ素系バインダとしては、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)などが挙げられる。
バインダの材料としては、上記以外にも、例えば、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼインなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
なお、バインダは、電極製造時に用いる溶媒、電解液、及び印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択される。
-Binder and thickener-
The binder is a binder for binding the positive electrode active materials, or between the positive electrode active material and the positive electrode current collector, to maintain the electrode structure.
As a material of the binder, for example, it is preferable to use any of a fluorine-based binder, an acrylate-based latex, and carboxymethylcellulose (CMC).
Examples of the fluorine-based binder include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
As materials for the binder, other than the above, for example, ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, acrylate latex, carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose, hydroxymethylcellulose, ethylcellulose And polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, alginic acid, oxidized starch, starch phosphate, casein and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
The binder is not particularly limited as long as it is a solvent, an electrolytic solution, and a material stable to an applied potential used at the time of electrode production, and may be appropriately selected depending on the purpose.
−導電助剤−
本発明において導電助剤とは、電極中に分散して電極の抵抗を低減するために使用される導電性材料を指し、電極材料間の導電性を補助する役割を担い、導電ネットワークの形成機能を有する。
前記導電助剤は、金属材料、又は正極活物質に合わせて炭素質材料を用いることが好ましい。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記導電助剤に用いられる金属材料としては、例えば、銅、アルミニウムなどが挙げられる。
前記導電助剤に用いられる炭素質材料としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、グラフェン、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブなどが挙げられる。これらの中でも、アセチレンブラック、ケッチェンブラックが好ましい。
-Conducting auxiliary agent-
In the present invention, the conductive aid refers to a conductive material which is dispersed in the electrode and used to reduce the resistance of the electrode, plays a role of assisting the conductivity between the electrode materials, and has a function of forming a conductive network. Have.
It is preferable that the said conductive support agent uses a carbonaceous material according to a metal material or a positive electrode active material. These may be used alone or in combination of two or more.
As a metal material used for the said conductive support agent, copper, aluminum, etc. are mentioned, for example.
As a carbonaceous material used for the said conductive support agent, acetylene black, ketjen black, artificial graphite, natural graphite, a graphene, a carbon nanofiber, a carbon nanotube etc. are mentioned, for example. Among these, acetylene black and ketjen black are preferable.
−正極集電体−
正極集電体は、蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタルなどが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、アルミニウムが好ましい。
前記正極集電体の種類(形状や加工の有無)としては、後述する正極の製造方法の工程において、使用可能な耐久性があれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、プレーン箔、孔空箔、エッジド箔、貫通箔、突起箔、エキスパンドメタルなどが挙げられる。これらの中でも、プレーン箔、孔空箔、エッジド箔、貫通箔、突起箔が好ましい。
前記正極集電体上に、前記導電助剤に用いられる炭素質材料があらかじめ塗布されているコーティング箔を正極集電体として使用してもよい。この際にコーティング層として使用される炭素質材料は導電助剤で既に説明した導電助剤として使用される炭素質材料と同様の炭素質材料を用いることができる。これらの中でも、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛が好ましい。
-Positive electrode current collector-
The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it can be used for the storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
The material of the positive electrode current collector is made of a conductive material and is not particularly limited as long as it is stable against the applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, nickel, aluminum, titanium, tantalum and the like can be mentioned. Among these, stainless steel and aluminum are preferable.
The type (shape and presence of processing) of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it can be used in the process of the positive electrode manufacturing method described later, and may be appropriately selected according to the purpose. For example, plain foil, hollow foil, edged foil, penetrating foil, projecting foil, expanded metal, etc. can be mentioned. Among these, plain foil, holey foil, edged foil, penetrating foil, and projecting foil are preferable.
A coating foil on which a carbonaceous material used for the conductive additive is applied in advance on the positive electrode current collector may be used as a positive electrode current collector. In this case, the carbonaceous material used as the coating layer may be the same carbonaceous material as the carbonaceous material used as the conductive aid described above for the conductive aid. Among these, acetylene black, ketjen black, artificial graphite and natural graphite are preferable.
<正極の製造方法>
正極の製造方法としては、正極活物質に、必要に応じて、バインダ、増粘剤、導電助剤、溶媒を加えてスラリー状とした正極材を、正極集電体上に塗布し、乾燥させる方法などが挙げられる。
前記溶媒としては、例えば、水、アルコール等水系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、トルエン等の有機系溶媒などが挙げられる。
なお、正極活物質をロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極としてもよい。
<Method of manufacturing positive electrode>
As a manufacturing method of a positive electrode, a binder, a thickener, a conductive support agent, and a solvent are added to the positive electrode active material as needed, and a positive electrode material in a slurry form is applied on the positive electrode current collector and dried. Methods etc.
Examples of the solvent include water, aqueous solvents such as alcohol, and organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and toluene.
The positive electrode active material may be formed into a sheet electrode by roll forming, or may be formed into a pellet electrode by compression forming.
<負極>
負極は、負極集電体と、負極材と、を備えた平板状の電極部である。
負極材は、負極活物質、バインダ、導電助剤、増粘剤、及び導電助剤を含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有する。
<Negative electrode>
The negative electrode is a flat electrode portion provided with a negative electrode current collector and a negative electrode material.
The negative electrode material contains a negative electrode active material, a binder, a conductive auxiliary, a thickener, and a conductive auxiliary, and further contains other components as needed.
−負極活物質−
負極活物質としては、本発明の活物質を用いることができるが、本発明の活物質以外の負極活物質を用いる場合には、安全性とコストの点から、炭素質材料が好ましい。
炭素質材料としては、例えば、黒鉛(グラファイト)、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物、リチウム金属酸化物などが挙げられる。
前記黒鉛(グラファイト)としては、例えば、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素などが挙げられる。
ただし、負極活物質は、非水溶媒系でカチオンを吸蔵及び放出可能であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
負極活物質に用いられる材料としては、例えば、カチオンとしてのリチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素質材料、金属酸化物、リチウムと合金化可能な金属又は金属合金、リチウムと合金化可能な金属とリチウムとを含む合金とリチウムとの複合合金化合物、チッ化金属リチウムなどが挙げられる。
金属酸化物としては、例えば、酸化アンチモン錫、一酸化珪素などが挙げられる。
リチウムと合金化可能な金属又は金属合金としては、例えば、リチウム、アルミニウム、錫、珪素、亜鉛などが挙げられる。
リチウムと合金化可能な金属とリチウムとを含む合金とリチウムとの複合合金化合物としては、例えば、チタン酸リチウムなどが挙げられる。
チッ化金属リチウムとしては、例えば、チッ化コバルトリチウムなどが挙げられる。
これらの負極活物質に用いられる材料は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、人造黒鉛、天然黒鉛、チタン酸リチウムが好ましい。
なお、カチオンとしては、リチウムイオンが汎用されている。
-Negative electrode active material-
The active material of the present invention can be used as the negative electrode active material, but when using a negative electrode active material other than the active material of the present invention, a carbonaceous material is preferable in terms of safety and cost.
As the carbonaceous material, for example, graphite (graphite), a thermal decomposition product of an organic substance under various thermal decomposition conditions, lithium metal oxide and the like can be mentioned.
Examples of the graphite (graphite) include coke, artificial graphite, natural graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon and the like.
However, the negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release cations in a non-aqueous solvent system, and can be appropriately selected according to the purpose.
As a material used for the negative electrode active material, for example, a carbonaceous material capable of absorbing and desorbing lithium ion as a cation, a metal oxide, a metal or metal alloy capable of alloying with lithium, and a metal capable of alloying with lithium Composite alloy compounds of lithium-containing alloys and lithium, lithium metal nitride and the like can be mentioned.
Examples of the metal oxide include antimony tin oxide and silicon monoxide.
Examples of metals or metal alloys which can be alloyed with lithium include lithium, aluminum, tin, silicon, zinc and the like.
Examples of a composite alloy compound of lithium and an alloy containing lithium and an alloyable metal include lithium titanate and the like.
Examples of the metal lithium nitride include lithium cobalt nitride and the like.
The material used for these negative electrode active materials may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. Among these, artificial graphite, natural graphite and lithium titanate are preferable.
In addition, as a cation, lithium ion is used widely.
−導電助剤−
負極に用いられる導電助剤としては、正極で既に説明した導電助剤と同様の導電助剤を用いることができる。
-Conducting auxiliary agent-
As a conductive support agent used for a negative electrode, the same conductive support agent as the conductive support agent already demonstrated by the positive electrode can be used.
−バインダ及び増粘剤−
負極に用いられるバインダ及び増粘剤としては、正極で既に説明したバインダと同様のバインダ及び増粘剤を用いることができる。
前記バインダ及び増粘剤としては、例えば、フッ素系バインダ、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
-Binder and thickener-
As the binder and the thickener used for the negative electrode, the same binder and thickener as those described above for the positive electrode can be used.
As said binder and a thickener, a fluorine-type binder, styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC) is preferable, for example.
<負極集電体>
負極集電体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたものであり、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、銅などが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、銅、アルミニウムが特に好ましい。
前記負極集電体の形状は、平板状の他、目的に応じて適宜選択してよい。
前記負極集電体の大きさは、蓄電素子に使用可能な大きさであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Negative current collector>
There is no restriction | limiting in particular as a negative electrode collector, According to the objective, it can select suitably.
The material of the negative electrode current collector is formed of a conductive material, and is not particularly limited as long as it is stable against an applied potential, and can be appropriately selected according to the purpose. Stainless steel, nickel, aluminum, copper and the like can be mentioned. Among these, stainless steel, copper and aluminum are particularly preferable.
The shape of the negative electrode current collector may be appropriately selected depending on the purpose other than flat plate shape.
The size of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it can be used for a storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
<<負極の製造方法>>
負極の製造方法としては、負極活物質に、必要に応じてバインダ、増粘剤、導電助剤、溶媒などを加えてスラリー状とした負極材を、負極集電体上に塗布して乾燥する方法が用いられる。
なお、スラリー状とした負極材をそのままロール成形してシート電極とする方法、圧縮成形によりペレット電極とする方法、蒸着、スパッタ、メッキ等により負極集電体上に負極活物質の薄膜を形成する方法などを用いてもよい。
負極の製造方法に用いる溶媒としては、正極の製造方法と同様の溶媒を用いることができる。
<< Method of manufacturing negative electrode >>
As a method of manufacturing the negative electrode, a negative electrode active material is optionally added with a binder, a thickener, a conductive auxiliary agent, a solvent, etc. to form a slurry, and the negative electrode material is applied onto the negative electrode current collector and dried. The method is used.
The negative electrode material in the form of a slurry is directly roll-formed to form a sheet electrode, the pellet electrode is formed by compression molding, a thin film of the negative electrode active material is formed on the negative electrode current collector by vapor deposition, sputtering, plating, etc. A method or the like may be used.
As a solvent used for the manufacturing method of a negative electrode, the solvent similar to the manufacturing method of a positive electrode can be used.
(蓄電素子)
本発明の蓄電素子は、正極と、負極と、電解液とを有し、前記正極と前記負極との間に配置され、前記電解液を保持するセパレータを有することが好ましく、更に必要に応じてその他の部材を有する。
前記正極及び前記負極の少なくともいずれかが、本発明の電極である。
(Storage element)
The storage element of the present invention preferably has a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, is disposed between the positive electrode and the negative electrode, and has a separator for holding the electrolytic solution, and further, as required, It has other members.
At least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode of the present invention.
<電解液>
前記電解液としては、非水溶媒に電解質塩を溶解してなる非水電解液であることが好ましい。
<Electrolyte solution>
The electrolytic solution is preferably a non-aqueous electrolytic solution obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent.
−非水溶媒−
前記非水溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。
前記非プロトン性有機溶媒としては、例えば、カーボネート系有機溶媒が挙げられ、低粘度な溶媒が好ましい。
前記カーボネート系有機溶媒としては、例えば、鎖状カーボネート、環状カーボネートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、鎖状カーボネートが、電解質塩の溶解力が高い点で好ましい。
前記鎖状カーボネートとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(EMC)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(EMC)が好ましい。
ジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)とを組み合わせた混合溶媒を用いる場合には、ジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)の混合割合は特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Non-aqueous solvent-
As said non-aqueous solvent, an aprotic organic solvent is preferable.
As said aprotic organic solvent, a carbonate type organic solvent is mentioned, for example, A low viscosity solvent is preferable.
Examples of the carbonate-based organic solvent include linear carbonates and cyclic carbonates. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, linear carbonates are preferable in that the solvency of the electrolyte salt is high.
Examples of the linear carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (EMC) and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, dimethyl carbonate (DMC) and methyl ethyl carbonate (EMC) are preferable.
When a mixed solvent of dimethyl carbonate (DMC) and methyl ethyl carbonate (EMC) is used, the mixing ratio of dimethyl carbonate (DMC) and methyl ethyl carbonate (EMC) is not particularly limited, and may be appropriately selected depending on the purpose. It can be selected.
環状カーボネートとしては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)が好ましい。
環状カーボネートとしてエチレンカーボネート(EC)と、鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネート(DMC)とを組み合わせた混合溶媒を用いる場合には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合割合は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
Examples of cyclic carbonates include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC) and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) are preferable.
When a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as cyclic carbonate and dimethyl carbonate (DMC) as chain carbonate is used, the mixing ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) is not particularly limited. Instead, it can be selected appropriately according to the purpose.
エステル系有機溶媒としては、例えば、環状エステル、鎖状エステルなどが挙げられる。環状エステルとしては、例えば、γ−ブチロラクトン(γBL)、2−メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどが挙げられる。
鎖状エステルとしては、例えば、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル、ギ酸アルキルエステルなどが挙げられる。
前記酢酸アルキルエステルとしては、例えば、酢酸メチル(MA)、酢酸エチルなどが挙げられる。
前記ギ酸アルキルエステルとしては、例えば、ギ酸メチル(MF)、ギ酸エチルなどが挙げられる。
Examples of ester-based organic solvents include cyclic esters and chain esters. Examples of the cyclic ester include γ-butyrolactone (γBL), 2-methyl-γ-butyrolactone, acetyl-γ-butyrolactone, γ-valerolactone and the like.
Examples of the chain ester include propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, acetic acid alkyl ester, formic acid alkyl ester and the like.
Examples of the acetic acid alkyl ester include methyl acetate (MA) and ethyl acetate.
Examples of the formic acid alkyl ester include methyl formate (MF) and ethyl formate.
エーテル系有機溶媒としては、例えば、環状エーテル、鎖状エーテルなどが挙げられる。
前記環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、アルキル−1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキソランなどが挙げられる。
前記鎖状エーテルとしては、例えば、1,2−ジメトシキエタン(DME)、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、テトラエチレングリコールジアルキルエーテルなどが挙げられる。
As an ether type organic solvent, cyclic ether, chain | strand-shaped ether etc. are mentioned, for example.
Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, alkyltetrahydrofuran, alkoxytetrahydrofuran, dialkoxytetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, alkyl-1,3-dioxolane and 1,4-dioxolane.
Examples of the chain ether include 1,2-dimethoxyethane (DME), diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, diethylene glycol dialkyl ether, triethylene glycol dialkyl ether, tetraethylene glycol dialkyl ether and the like.
−電解質塩−
非水電解液に用いる電解質塩としては、リチウム塩が好ましい。
前記リチウム塩としては、非水溶媒に溶解し、高いイオン伝導度を示すものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、塩化リチウム(LiCl)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)、六弗化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(C2F5SO2)2)、リチウムビスパーフルオロエチルスルホニルイミド(LiN(CF2F5SO2)2)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、電極中へのアニオンの吸蔵量の大きさの観点から、LiPF6、LiBF4が好ましい。
電解質塩の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、放電容量と出力の両立の点から、非水溶媒中で、0.5mol/L以上6mol/L以下が好ましく、1mol/L以上4mol/L以下がより好ましい。
-Electrolyte salt-
As an electrolyte salt used for a non-aqueous electrolyte solution, a lithium salt is preferable.
The lithium salt is not particularly limited as long as it dissolves in a non-aqueous solvent and exhibits high ion conductivity, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) Lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium chloride (LiCl), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistri fluoromethyl imide (LiN (C 2 F 5 SO 2) 2), lithium bis perfluoro ethyl imide (LiN (CF 2 F 5 SO 2) 2) , and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, LiPF 6 and LiBF 4 are preferable from the viewpoint of the size of the amount of occlusion of the anion in the electrode.
There is no restriction | limiting in particular as a density | concentration of electrolyte salt, Although it can select suitably according to the objective, It is 0.5 mol / L or more and 6 mol / L or less in nonaqueous solvent from the point of coexistence of discharge capacity and output. Is preferable, and 1 mol / L or more and 4 mol / L or less is more preferable.
<セパレータ>
前記セパレータは、正極と負極との短絡を防ぐために正極と負極との間に設けられる。
前記セパレータの材質、形状、大きさ、及び構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの材質としては、例えば、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙等の紙、セロハン、ポリエチレングラフト膜、ポリプロピレンメルトブロー不織布等のポリオレフィン不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布、マイクロポア膜などが挙げられる。これらの中でも、電解液保持の観点から、気孔率50%以上のものが好ましい。
前記セパレータの形状としては、微多孔(マイクロポア)を有する薄膜タイプよりも、気孔率が高い不織布系の方が好ましい。
前記セパレータの平均厚みは、短絡防止と電解液保持の観点から、20μm以上が好ましい。
前記セパレータの大きさは、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータとしては、単層構造であってもよく、複数のセパレータを重ね合わせた積層構造であってもよい。
<Separator>
The separator is provided between the positive electrode and the negative electrode in order to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said separator, a shape, a magnitude | size, and a structure, According to the objective, it can select suitably.
Examples of the material of the separator include paper such as kraft paper, vinylon mixed paper, synthetic pulp mixed paper, cellophane, polyethylene graft film, polyolefin nonwoven fabric such as polypropylene meltblown nonwoven fabric, polyamide nonwoven fabric, glass fiber nonwoven fabric, micropore film, etc. It can be mentioned. Among these, from the viewpoint of electrolyte retention, one having a porosity of 50% or more is preferable.
As a shape of the separator, a non-woven fabric having a high porosity is preferable to a thin film type having micropores (micropores).
The average thickness of the separator is preferably 20 μm or more from the viewpoint of short circuit prevention and electrolyte solution retention.
The size of the separator is not particularly limited as long as it can be used for the non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected according to the purpose.
The separator may have a single-layer structure or a laminated structure in which a plurality of separators are stacked.
<蓄電素子の製造方法>
蓄電素子の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極、負極、及びセパレータ、更に必要に応じて他の構成部材を、適切な形状に組み立て、容器に収め、電解液を充填する方法などが挙げられる。
<Method of Manufacturing Storage Element>
The method for producing the storage element is not particularly limited and may be appropriately selected according to the purpose. For example, the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and, if necessary, other component members are assembled into an appropriate shape A method of storing in a container and filling an electrolytic solution can be mentioned.
本発明の蓄電素子の形状については、特に制限はなく、図3に示すような形状の他にも、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。
前記形状としては、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプなどが挙げられる。
The shape of the storage element of the present invention is not particularly limited, and in addition to the shape as shown in FIG. 3, it may be appropriately selected from various commonly adopted shapes according to the application. it can.
Examples of the shape include a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are in a spiral shape, a cylinder type having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, and a coin type in which a pellet electrode and a separator are stacked.
本発明の蓄電素子は、図3に示すように、正極1と、正極1に対向して設けられた負極2と、正極1と負極2との間に配置されたセパレータ3と、非水電解液と、を有している。
蓄電素子10は、正極1と、負極2と、セパレータ3と、非水電解液とを囲繞して保持する外装缶としての容器5と、容器5を貫いて正極1と接続された正極線6と、同様に容器5を貫いて負極2と接続された負極線7と、を有している。なお、非水電解液は容器5内全体に広がっている。なお、図3では、蓄電素子10が二次電池である場合について説明するが、例えば、キャパシタ等であってもよい。
The storage element of the present invention, as shown in FIG. 3, includes a positive electrode 1, a negative electrode 2 provided opposite to the positive electrode 1, a separator 3 disposed between the positive electrode 1 and the negative electrode 2, and non-aqueous electrolysis. And a liquid.
The storage element 10 includes a container 5 as an outer can that encloses and holds the positive electrode 1, the negative electrode 2, the separator 3, and the non-aqueous electrolyte, and a positive electrode wire 6 connected to the positive electrode 1 through the container 5. And the negative electrode wire 7 connected to the negative electrode 2 through the container 5 in the same manner. The non-aqueous electrolyte spreads throughout the container 5. Although FIG. 3 illustrates the case where the storage element 10 is a secondary battery, for example, a capacitor or the like may be used.
<用途>
本発明の蓄電素子は、例えば、非水電解液二次電池、非水電解液キャパシタなどとして好適に用いることができる。
前記蓄電素子の用途には、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ等の電源、バックアップ電源などが挙げられる。
<Use>
The storage element of the present invention can be suitably used as, for example, a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte capacitor, and the like.
There is no restriction | limiting in particular in the use of the said electrical storage element, It can use for various uses, For example, a laptop computer, a pen input personal computer, a mobile personal computer, an e-book player, a mobile telephone, a mobile fax, a mobile copy, a mobile printer, a headphone Stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, mini disk, walkie-talkie, electronic notebook, calculator, memory card, portable tape recorder, radio, motor, lighting equipment, toy, game machine, watch, strobe, camera etc. Power supply, backup power supply etc. may be mentioned.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
各実施例及び比較例で正極活物質として用いる炭素質材料における細孔の形成状態を確認するために、以下に示すような評価を行った。 In order to confirm the formation state of the pore in the carbonaceous material used as a positive electrode active material in each Example and Comparative Example, the following evaluations were performed.
<多孔質炭素の細孔の形成状態>
各実施例及び比較例で正極活物質として用いる炭素質材料において、TEM(JEM−2100、日本電子株式会社製)により三次元網目構造を形成する細孔の有無を観察し、以下の基準で評価した。結果を表1−1〜表5−2に示す。
[評価基準]
○:図1に示すような三次元網目構造を形成する細孔101を確認できた
×:図1に示すような三次元網目構造を形成する細孔101が確認できない
<Formation state of pores of porous carbon>
In the carbonaceous material used as a positive electrode active material in each example and comparative example, the presence or absence of a pore forming a three-dimensional network structure is observed by TEM (JEM-2100, manufactured by Nippon Denshi Co., Ltd.), and evaluated according to the following criteria did. The results are shown in Tables 1-1 to 5-2.
[Evaluation criteria]
○: A pore 101 forming a three-dimensional network structure as shown in FIG. 1 could be confirmed ×: A pore 101 forming a three-dimensional network structure as shown in FIG. 1 could not be confirmed
<複合活物質の形成状態>
各実施例及び比較例で正極活物質として用いる活物質において、SEM及びEDS(SU8230、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)により元素マッピングされた画像を観察し、前記多孔質炭素の細孔内部に前記導電性ポリマーが含まれている複合活物質の有無を以下の基準で評価した。結果を表1−1〜表5−2に示す。
[評価基準]
○:図2に示すような三次元網目構造を形成する細孔101内部に導電性ポリマー102の存在が確認できた
×:図2に示すような三次元網目構造を形成する細孔101内部に導電性ポリマー102の存在が確認できない
<Formation state of composite active material>
In the active material used as a positive electrode active material in each example and comparative example, an image mapped by SEM and EDS (SU 8230, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) is observed, and the conductive material is formed in the pores of the porous carbon The following criteria evaluated the presence or absence of the composite active material in which the conductive polymer was contained. The results are shown in Tables 1-1 to 5-2.
[Evaluation criteria]
○: presence of the conductive polymer 102 in the pores 101 forming a three-dimensional network structure as shown in FIG. 2 ×: inside the pores 101 forming a three-dimensional network structure as shown in FIG. 2 The presence of the conductive polymer 102 can not be confirmed
(実施例1)
<活物質の調製>
導電性ポリマーとしてポリチオフェン誘導体である、下記式で表される例示化合物(2)を準備し、炭素質材料として三次元網目構造を形成する複数の細孔を内部に有する多孔質炭素(多孔質炭素A)(クノーベル:登録商標、東洋炭素株式会社製)を準備した。多孔質炭素A粒子の断面TEM画像を図4に示す。多孔質炭素A粒子のBET比表面積は1,000m2/g、細孔容積は0.6mL/g、細孔の平均直径は3nmであった。
Example 1
<Preparation of Active Material>
An exemplified compound (2) represented by the following formula, which is a polythiophene derivative as a conductive polymer, is prepared, and a porous carbon (porous carbon) having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure as a carbonaceous material A) (Knobel: registered trademark, manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) was prepared. A cross-sectional TEM image of porous carbon A particles is shown in FIG. The BET specific surface area of the porous carbon A particles was 1,000 m 2 / g, the pore volume was 0.6 mL / g, and the average diameter of the pores was 3 nm.
次に、多孔質炭素Aと化合物(2)を質量比が70/30の割合で混合し、ジルコニアビーズを入れたバイアル瓶に充填した。これをペイントシェーカー(浅田鉄工株式会社製)にセットし、4時間振とう処理を行った。処理後、活物質を回収し、粒子状の活物質を得た。得られた粒子状の活物質を正極活物質Aとした。 Next, porous carbon A and compound (2) were mixed at a mass ratio of 70/30, and filled in a vial containing zirconia beads. This was set in a paint shaker (manufactured by Asada Iron Works Co., Ltd.), and shaking was performed for 4 hours. After the treatment, the active material was recovered to obtain a particulate active material. The obtained particulate active material was designated as a positive electrode active material A.
<正極の作製>
−正極スラリーの調製−
正極活物質として正極活物質A、バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A、JSR株式会社製)、及び増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(ダイセル2200、株式会社ダイセル製)を、正極活物質Aを100とした場合の固形分の質量比で100:3:5となるようにプラネタリミキサー(ハイビスミックス3D−2型、プライミクス株式会社製)を用いて混合し、水を加えて適切な粘度に調製し、正極スラリーである正極材を得た。
<Fabrication of positive electrode>
-Preparation of positive electrode slurry-
When positive electrode active material A as a positive electrode active material, acrylate latex (TRD 202A, manufactured by JSR Corporation) as a binder, carboxymethyl cellulose (Daicel 2200, manufactured by Daicel Co., Ltd.) as a thickener, and the positive electrode active material A as 100 Mix using a planetary mixer (Hibismix 3D-2, made by Primix, Inc.) so that the mass ratio of solid content is 100: 3: 5, add water to prepare an appropriate viscosity, and prepare a positive electrode slurry The positive electrode material is obtained.
−正極の作製−
次に、得られた正極材を、正極集電体としての平均厚み20μmのプレーンアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付量(塗工された正極中の正極活物質Aの質量)の平均を3.0mg/cm2とした。これを直径16mmに打ち抜いて正極とした。正極の断面SEM画像を図5に示す。また、正極の断面をEDSによって元素マッピングした画像を図6及び図7に示す。図6は炭素(C)元素のマッピング画像であり、図7は硫黄(S)元素のマッピング画像であり、それぞれ各元素の正極内の分散状態を示す。
-Production of positive electrode-
Next, the obtained positive electrode material was apply | coated to the single side | surface using a doctor blade on plain aluminum foil with an average thickness of 20 micrometers as a positive electrode collector. The average of the basis weight after drying (the mass of the positive electrode active material A in the coated positive electrode) was 3.0 mg / cm 2 . This was punched out to a diameter of 16 mm to make a positive electrode. A cross-sectional SEM image of the positive electrode is shown in FIG. Moreover, the image which element-mapd the cross section of the positive electrode by EDS is shown in FIG.6 and FIG.7. FIG. 6 is a mapping image of a carbon (C) element, and FIG. 7 is a mapping image of a sulfur (S) element, each showing the dispersion state of each element in the positive electrode.
<セパレータ>
セパレータとしては、セルロース製不織布セパレータ(平均厚み40μm)を直径16mmに打ち抜いたものを2枚用意した。
<Separator>
As separators, two sheets of non-woven cellulose separator (average thickness 40 μm) punched into a diameter of 16 mm were prepared.
<負極>
負極としては、直径16mmに打ち抜いたリチウム金属箔(平均厚み100μm)を使用した。
<Negative electrode>
As a negative electrode, a lithium metal foil (average thickness 100 μm) punched to a diameter of 16 mm was used.
<非水電解液>
非水電解液としては、1.0mol/LのLiPF6電解質を含有するエチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:2(質量%)の混合溶液(キシダ化学株式会社製)を用いた。
<Non-aqueous electrolyte>
As a non-aqueous electrolytic solution, a mixed solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) of ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC) = 1: 2 (mass%) containing 1.0 mol / L of LiPF 6 electrolyte is used. It was.
<非水電解液蓄電素子の製造>
正極、負極、及びセパレータを150℃で4時間真空乾燥後、乾燥アルゴン雰囲気のグローブボックス中で、蓄電素子としての2032型コインセルを組み立てた。
前記2032型コインセルに、前記非水電解液を50μL注入した。以上により、実施例1の非水電解液蓄電素子を作製した。
<Manufacture of non-aqueous electrolyte storage element>
After vacuum drying the positive electrode, the negative electrode, and the separator at 150 ° C. for 4 hours, in a dry argon atmosphere glove box, a 2032 coin cell as a storage element was assembled.
50 μL of the non-aqueous electrolyte was injected into the 2032 coin cell. Thus, the non-aqueous electrolyte storage element of Example 1 was produced.
得られた実施例1の非水電解液蓄電素子について、以下のようにして、充放電試験を行った。結果を表1−1に示した。 About the obtained non-aqueous-electrolyte electrical storage element of Example 1, the charge / discharge test was done as follows. The results are shown in Table 1-1.
<充放電試験>
得られた実施例1の非水電解液蓄電素子を25℃の恒温槽中に保持し、自動電池評価装置(1024B−7V0.1A−4、株式会社エレクトロフィールド製)を用いて、以下のとおりの充放電試験を実施した。
初回の充放電はエージング処理として、まず、充放電レート0.2C換算の電流値において、充電終止電圧として4.4Vまで定電流充電した。
その後、24時間充電を休止した後、充放電レート1C換算の電流値において、放電終止電圧として1.7Vまで定電流放電を行った。
なお、0.2C換算の電流値とは、公称容量値の容量を有する非水電解液蓄電素子を定電流放電して、5時間で放電終了となる電流値のことである。また、1C換算の電流値とは、公称容量値の容量を有する非水電解液蓄電素子を定電流放電して、1時間で放電終了となる電流値のことである。
前記エージング処理の後、以下のステップに示す充放電を行った。
[1]:充放電レート0.2C換算の電流値において4.4Vまで定電流充電
[2]:5分間休止
[3]:充放電レート0.2C換算の電流値において1.7Vまで定電流放電
[4]:5分間休止
[5]:充放電レート10C換算の電流値において4.4Vまで定電流充電
[6]:5分間休止
[7]:充放電レート10C換算の電流値において1.7Vまで定電流放電
[8]:5分間休止
上記充放電試験を行う中で、ステップ[3]時の放電容量、ステップ[7]時の放電容量を測定した。実施例1における、0.2C時の放電曲線と10C時の放電曲線を図8に示した。
なお、放電容量は、正極活物質A 1g当たりの換算値(mAh/g)である。また、下記数式2を用いて非水電解液蓄電素子の体積当たりのエネルギー密度(Wh/L)を算出した。
<Charge / discharge test>
The obtained non-aqueous electrolyte storage element of Example 1 is held in a thermostatic chamber at 25 ° C., using an automatic battery evaluation apparatus (1024 B-7 V 0.1 A-4, manufactured by Electrofield Co., Ltd.) as follows: Charge-discharge test was conducted.
As the first charge and discharge process, first, constant current charge was performed to 4.4 V as a charge termination voltage at a current value in charge and discharge rate 0.2 C conversion.
Thereafter, charging was stopped for 24 hours, and then constant current discharge was performed up to 1.7 V as a discharge termination voltage at a current value in charge / discharge rate 1 C conversion.
In addition, the current value of 0.2 C conversion is a current value which discharges a non-aqueous electrolyte storage element having a capacity of a nominal capacity value at a constant current and ends the discharge in 5 hours. Further, a current value in 1 C conversion is a current value at which discharge is completed in one hour by constant current discharge of a non-aqueous electrolyte storage element having a capacity of a nominal capacity value.
After the aging process, charge and discharge shown in the following steps were performed.
[1]: Constant current charge up to 4.4 V at a current value of charge / discharge rate 0.2 C conversion [2]: Rest for 5 minutes [3]: Constant current up to 1.7 V at a current value of charge / discharge rate 0.2 C converted Discharge [4]: 5 minutes pause [5]: Charge / discharge rate 10 C constant current to 4.4 V Constant current charge [6]: 5 minutes pause [7]: Charge / discharge rate 10 C equivalent current In the above charge / discharge test, the discharge capacity at step [3] and the discharge capacity at step [7] were measured while performing the above-mentioned charge / discharge test. The discharge curve at 0.2 C and the discharge curve at 10 C in Example 1 are shown in FIG.
The discharge capacity is a conversion value (mAh / g) per 1 g of the positive electrode active material A. Further, the energy density per volume (Wh / L) of the non-aqueous electrolytic solution storage element was calculated using the following formula 2.
[数式2]
次に、出力特性を評価するために、下記数式3を用いて0.2C放電時の放電容量に対する10C放電時の放電容量の容量比率を求めた。容量比率がより100%に近い値を示すということは高いCレートに対しても、対応し得る良好な電気伝導性を有しているということを示しているため、出力特性が高いことを意味する。 Next, in order to evaluate the output characteristics, the capacity ratio of the discharge capacity at the time of 10 C discharge to the discharge capacity at the time of the 0.2 C discharge was determined using the following Equation 3. The fact that the capacity ratio shows a value closer to 100% means that the output characteristic is high because it indicates that the high C rate has a good electrical conductivity that can be handled. Do.
[数式3]
次に、高エネルギー密度性及び高出力性については、以下に示す評価基準に基づいて評価した。結果を表1−1に示した。 Next, high energy density and high power were evaluated based on the evaluation criteria shown below. The results are shown in Table 1-1.
<高エネルギー密度性>
[高エネルギー密度性の評価基準]
○:体積当たりのエネルギー密度が31Wh/L以上
△:体積当たりのエネルギー密度が29Wh/L以上31Wh/L未満
×:体積当たりのエネルギー密度が29Wh/L未満
High energy density
[Evaluation criteria for high energy density]
○: energy density per volume is 31 Wh / L or more Δ: energy density per volume is 29 Wh / L or more and less than 31 Wh / L ×: energy density per volume is less than 29 Wh / L
<高出力性>
[高出力性の評価基準]
○:0.2C放電時の放電容量に対する10C放電時の放電容量の容量比率が60%以上
△:0.2C放電時の放電容量に対する10C放電時の放電容量の容量比率が50%以上60%未満
×:0.2C放電時の放電容量に対する10C放電時の放電容量の容量比率が50%未満
<High output performance>
[High output evaluation criteria]
○: 60% or more of discharge capacity ratio at 10 C discharge to discharge capacity at 0.2 C discharge Δ: 50% to 60% capacity ratio of discharge capacity at 10 C discharge to discharge capacity at 0.2 C discharge Less than ×: The capacity ratio of discharge capacity at 10 C discharge to discharge capacity at 0.2 C discharge is less than 50%
(実施例2)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(3)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。
(Example 2)
The non-aqueous electrolytic solution of Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 was changed to the exemplified compound (3) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-1.
(実施例3)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(4)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。
(Example 3)
Non-aqueous electrolyte solution of Example 3 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as a conductive polymer in Example 1 is changed to Example Compound (4) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-1.
(実施例4)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(5)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例4の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。
(Example 4)
The non-aqueous electrolytic solution of Example 4 was carried out in the same manner as Example 1, except that in Example 1, the exemplified compound (2) as the conductive polymer was changed to the exemplified compound (5) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-1.
(実施例5)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(8)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例5の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。
(Example 5)
The non-aqueous electrolyte of Example 5 was carried out in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 was changed to Example Compound (8) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-1.
(実施例6)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(10)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例6の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Example 6)
The non-aqueous electrolyte of Example 6 was carried out in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 was changed to Example Compound (10) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(実施例7)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(11)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例7の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Example 7)
Non-aqueous electrolyte solution of Example 7 in the same manner as Example 1, except that in Example 1, the exemplified compound (2) as the conductive polymer is changed to the exemplified compound (11) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(実施例8)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(16)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例8の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Example 8)
The non-aqueous electrolyte of Example 8 in the same manner as in Example 1 except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the exemplified compound (16) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(実施例9)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(26)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例9の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Example 9)
The non-aqueous electrolyte of Example 9 was carried out in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 was changed to Example Compound (26) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(実施例10)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(32)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例10の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Example 10)
The non-aqueous electrolyte of Example 10 was carried out in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 was changed to Example Compound (32) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(実施例11)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(36)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例11の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−3に示した。
(Example 11)
The non-aqueous electrolytic solution of Example 11 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 was changed to the exemplified compound (36) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-3.
(実施例12)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される例示化合物(44)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例12の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−3に示した。
(Example 12)
The non-aqueous electrolyte of Example 12 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to Example Compound (44) represented by the following formula. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-3.
(実施例13)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(46)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例13の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−3に示した。
(Example 13)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 13 in the same manner as Example 1, except that in Example 1, the exemplified compound (2) as the conductive polymer is changed to a compound (46) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-3.
(実施例14)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(47)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例14の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−3に示した。
(Example 14)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 14 in the same manner as Example 1, except that in Example 1, the exemplified compound (2) as the conductive polymer is changed to the compound (47) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-3.
(実施例15)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(48)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例15の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−3に示した。
(Example 15)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 15 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (48) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-3.
(実施例16)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(49)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例16の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−4に示した。
(Example 16)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 16 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (49) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-4.
(実施例17)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(50)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例17の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−4に示した。
(Example 17)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 17 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (50) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-4.
(実施例18)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(51)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例18の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−4に示した。
(Example 18)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 18 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as a conductive polymer in Example 1 is changed to a compound (51) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-4.
(実施例19)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(52)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例19の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−4に示した。
(Example 19)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 19 in the same manner as Example 1 except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (52) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-4.
(実施例20)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(53)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例20の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−4に示した。
Example 20
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 20 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (53) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-4.
(実施例21)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(54)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例21の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−5に示した。
(Example 21)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 21 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as a conductive polymer in Example 1 is changed to a compound (54) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Tables 1-5.
(実施例22)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(55)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例22の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−5に示した。
(Example 22)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 22 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as a conductive polymer in Example 1 is changed to a compound (55) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Tables 1-5.
(実施例23)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(56)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例23の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−5に示した。
(Example 23)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 23 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (56) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Tables 1-5.
(実施例24)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(57)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例24の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−5に示した。
(Example 24)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 24 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (57) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Tables 1-5.
(実施例25)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(58)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例25の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−5に示した。
(Example 25)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 25 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (58) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Tables 1-5.
(実施例26)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(59)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例26の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−6に示した。
(Example 26)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 26 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (59) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-6.
(実施例27)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(60)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例27の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−6に示した。
(Example 27)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 27 in the same manner as in Example 1 except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (60) represented by the following formula The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-6.
(実施例28)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(61)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例28の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−6に示した。
(Example 28)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 28 in the same manner as Example 1, except that in Example 1, the exemplified compound (2) as the conductive polymer is changed to the compound (61) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-6.
(実施例29)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(62)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例29の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−6に示した。
(Example 29)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 29 in the same manner as Example 1, except that Example Compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (62) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-6.
(実施例30)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(63)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例30の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−6に示した。
(Example 30)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 30 in the same manner as Example 1 except that in Example 1, the exemplified compound (2) as the conductive polymer was changed to the compound (63) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-6.
(実施例31)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(64)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例31の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−7に示した。
(Example 31)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 31 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (64) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-7.
(実施例32)
実施例1において、導電性ポリマーとしての例示化合物(2)を、下記式で表される化合物(65)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例32の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−7に示した。
(Example 32)
Non-aqueous electrolyte storage battery of Example 32 in the same manner as Example 1, except that the exemplified compound (2) as the conductive polymer in Example 1 is changed to the compound (65) represented by the following formula. The device was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1-7.
(実施例33〜38)
−多孔質炭素と導電性ポリマーとの質量比の変更−
実施例1において、多孔質炭素Aと導電性ポリマーである例示化合物(2)の質量比(%)を、表2−1及び表2−2に示すようにそれぞれ変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例33〜38の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表2−1及び表2−2に示した。
(Examples 33 to 38)
-Change of mass ratio of porous carbon to conductive polymer-
Example 1 except that the mass ratio (%) of the porous carbon A and the exemplary compound (2) which is a conductive polymer in Example 1 is changed as shown in Table 2-1 and Table 2-2, respectively The nonaqueous electrolytic solution storage elements of Examples 33 to 38 were produced in the same manner as in Example 1 and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Tables 2-1 and 2-2.
(実施例39)
−多孔質炭素の変更−
実施例1において、多孔質炭素Aを多孔質炭素B(クノーベル:登録商標、東洋炭素株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例39の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表3に示した。なお、多孔質炭素Bは結晶性の高い多孔質炭素であり、その結晶性に関してはX線回折スペクトルを取得することで評価した。
(Example 39)
-Modification of porous carbon-
Non-aqueous electrolyte storage element of Example 39 in the same manner as Example 1 except that porous carbon A was changed to porous carbon B (Kunobel: registered trademark, manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) in Example 1. Were prepared and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 3. In addition, porous carbon B is porous carbon with high crystallinity, and the crystallinity was evaluated by acquiring an X-ray diffraction spectrum.
X線回折スペクトルの取得は、X線回折装置(XRD;Dicover8、Bruker社製)により、X線源にCuKα線を用いたX線回折法によって取得した。多孔質炭素BのX線回折スペクトルは、ブラッグ角度2θ=25.00以上27.00以下の間に、黒鉛の層構造の規則性に由来する回折ピークを有していたことから結晶性の高い(高結晶性)多孔質炭素であると言える。一方、多孔質炭素AのX線回折スペクトルは、上記2θの領域においては、緩やかな山状のスペクトルが確認された。このため、非晶質の多孔質炭素であると言える。また、多孔質炭素B粒子のBET比表面積は1,130m2/g、細孔容積は1.5mL/g、細孔の平均直径は5nmであった。 Acquisition of the X-ray diffraction spectrum was acquired by the X-ray-diffraction method which used the CuK alpha ray for X-ray source by X-ray-diffraction apparatus (XRD; Dicover8, product made by Bruker). The X-ray diffraction spectrum of porous carbon B has a high crystallinity because it has a diffraction peak derived from the regularity of the layer structure of graphite between Bragg angles 2θ = 25.00 and 27.00 or less It can be said that (high crystallinity) porous carbon. On the other hand, in the X-ray diffraction spectrum of the porous carbon A, a gentle mountain-like spectrum was confirmed in the region of 2θ. For this reason, it can be said that it is amorphous porous carbon. The BET specific surface area of porous carbon B particles was 1,130 m 2 / g, the pore volume was 1.5 mL / g, and the average diameter of the pores was 5 nm.
(実施例40〜44)
−他種活物質との併用−
実施例1において活物質の調製工程内の、正極活物質Aを第一正極活物質とし、第二正極活物質として活性炭(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)を用い、第一正極活物質及び第二正極活物質を表4に示す割合で混合したものをそれぞれ正極活物質B、C、D、E、Fとした。実施例1における正極スラリー調製工程内の正極活物質Aを正極活物質B、C、D、E、Fに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例40〜44の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表4に示した。なお、活性炭(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)のBET比表面積は1,730m2/gであった。
(Examples 40 to 44)
-Combined use with other species active materials-
In Example 1, the positive electrode active material A in the preparation process of the active material is used as a first positive electrode active material, and activated carbon (Bellfine AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.) is used as a second positive electrode active material. What mixed the substance and the 2nd positive electrode active material in the ratio shown in Table 4 was made into the positive electrode active materials B, C, D, E, and F, respectively. Nonaqueous electrolysis of Examples 40 to 44 in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material A in the positive electrode slurry preparation step in Example 1 was changed to positive electrode active materials B, C, D, E, and F. A liquid storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 4. The BET specific surface area of activated carbon (BELLFINE AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.) was 1,730 m 2 / g.
(比較例1)
実施例1において、多孔質炭素Aを、活性炭(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−1に示した。
(Comparative example 1)
In the same manner as in Example 1 except that porous carbon A is changed to activated carbon (BELLFINE AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.) in Example 1, a non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 1 is manufactured. And evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 5-1.
(比較例2)
実施例1において、多孔質炭素Aを、天然黒鉛(特CP、日本黒鉛工業株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例2の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−1に示した。
なお、天然黒鉛(特CP、日本黒鉛工業株式会社製)のBET比表面積は17m2/gであった。
(Comparative example 2)
In the same manner as in Example 1 except that porous carbon A was changed to natural graphite (special CP, manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) in Example 1, a non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 2 was manufactured. And evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 5-1.
The BET specific surface area of natural graphite (specially CP, manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) was 17 m 2 / g.
(比較例3)
実施例1において、多孔質炭素Aを、難黒鉛化性炭素(ベルファインLN、ATエレクトロード株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例3の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−1に示した。
なお、難黒鉛化性炭素(ベルファインLN、ATエレクトロード株式会社製)のBET比表面積は6m2/gであった。
(Comparative example 3)
Non-aqueous electrolyte solution of Comparative Example 3 in the same manner as Example 1 except that porous carbon A was changed to non-graphitizable carbon (Bellfine LN, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.) in Example 1. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 5-1.
The BET specific surface area of non-graphitizable carbon (Bellefine LN, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.) was 6 m 2 / g.
(比較例4)
実施例1において、多孔質炭素Aを、メソポーラスカーボン(カーボンメソポーラス、シグマアルドリッチ社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例4の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−2に示した。
なお、メソポーラスカーボン(カーボンメソポーラス、シグマアルドリッチ社製)のBET比表面積は250m2/g、細孔容積は0.3mL/g、細孔の平均直径は6nmであった。
(Comparative example 4)
A non-aqueous electrolytic solution storage element of Comparative Example 4 is manufactured in the same manner as in Example 1 except that porous carbon A is changed to mesoporous carbon (carbon mesoporous, manufactured by Sigma Aldrich) in Example 1. It evaluated similarly to Example 1. The results are shown in Table 5-2.
The BET specific surface area of mesoporous carbon (carbon mesoporous, manufactured by Sigma Aldrich) was 250 m 2 / g, the pore volume was 0.3 mL / g, and the average diameter of the pores was 6 nm.
(比較例5)
実施例1において、多孔質炭素Aを、アセチレンブラック(デンカブラック粉状、電気化学工業株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例5の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−2に示した。
なお、アセチレンブラック(デンカブラック粉状、電気化学工業株式会社製)のBET比表面積は70m2/gであった。
(Comparative example 5)
Non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 5 in the same manner as Example 1 except that porous carbon A was changed to acetylene black (denka black powder, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) in Example 1. Were prepared and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 5-2.
The BET specific surface area of acetylene black (Denka black powder, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was 70 m 2 / g.
(比較例6)
実施例1において、多孔質炭素Aを、ケッチェンブラック(EC600JD顆粒状、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製)に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例6の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−2に示した。
なお、ケッチェンブラック(EC600JD顆粒状、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製)のBET比表面積は1,300m2/gであった。
(Comparative example 6)
Non-aqueous electrolyte solution of Comparative Example 6 in the same manner as Example 1 except that porous carbon A was changed to ketjen black (EC 600 JD granular, made by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) in Example 1. A storage element was manufactured and evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 5-2.
The BET specific surface area of ketjen black (EC600 JD granular, manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) was 1,300 m 2 / g.
(比較例7)
実施例1において、正極活物質を多孔質炭素Aのみとした以外は、実施例1と同様にして、比較例7の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−2に示した。比較例7における、0.2C時の放電曲線と10C時の放電曲線を図9に示した。
(Comparative example 7)
A non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 7 was produced in the same manner as in Example 1 except that only the porous carbon A was used as the positive electrode active material in Example 1, and was evaluated in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 5-2. The discharge curve at 0.2 C and the discharge curve at 10 C in Comparative Example 7 are shown in FIG.
(比較例8)
実施例1において、正極活物質を活性炭(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)のみとした以外は、実施例1と同様にして、比較例8の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表5−2に示した。
(Comparative example 8)
A non-aqueous electrolytic solution storage element of Comparative Example 8 is manufactured in the same manner as Example 1 except that in Example 1, the positive electrode active material is only activated carbon (Bellfine AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.). It evaluated similarly to Example 1. The results are shown in Table 5-2.
表1−1から表1−7の結果から、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する多孔質炭素の複数の細孔の少なくとも一部に導電性ポリマーを含む活物質を正極活物質として使用している実施例1〜32は、いずれも高いエネルギー密度を有し、かつ高い出力特性を示すことがわかった。
特に、実施例1〜12で用いられている導電性ポリマーである例示化合物(1)〜(44)のポリチオフェン誘導体は電子が多い化合物であり、ポリチオフェン誘導体の分子骨格に含まれるチオフェン環は電子を放出した酸化状態で安定化されやすい。充電時には電子が引き抜かれてカチオンとなり、このカチオンを補うために電解液中のアニオンが近づき、この状態で安定化する。放電時にはその逆反応が進行するが、充電に伴う酸化状態及び放電に伴う還元状態時の安定性が高いことから、充電及び放電の繰り返し特性(サイクル特性)が良好である。このことは、充電及び放電時のCレートが高くなった場合でも同様であり、充電及び放電に伴う酸化還元反応が可逆的に進行する。
また、導電性ポリマーの例示化合物(1)〜(65)の中でも、上記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体は、酸化数を多数取り得る硫黄原子を複数含むため、酸化及び還元に伴い多電子反応が期待できることから、充電及び放電に伴い高容量を示す。
更に、ポリチオフェン誘導体は酸化電位(vs.Li/Li+)を高い電位で有しており、高電圧領域において充電及び放電を行うことができるため、蓄電素子の平均電圧が高まる。その結果、ポリチオフェン誘導体を含む非水電解液蓄電素子は高いエネルギー密度を示す。
また、ポリチオフェン誘導体の周りを非常に抵抗の低い多孔質炭素Aが覆っているため、ポリチオフェン誘導体粒子間において良好な電気伝導を行うことができるようになり、高いCレートにおいて放電を行っても大きな容量を得ることができる。その結果、高い出力特性を示す。この高い出力特性は実施例1〜32において、正極の構成材料の中に導電助剤が含まれていないにも関わらず発現していることから、多孔質炭素Aが導電助剤のような電極中の導電ネットワークを形成する機能を有していることを示しており、即ち実施例1〜32の複合活物質はそれ単体で活物質及び導電助剤の両方の機能を有している。
From the results of Tables 1-1 to 1-7, it is possible to use an active material containing a conductive polymer in at least a part of a plurality of pores of porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure as a positive electrode active material It has been found that Examples 1 to 32 used as each have high energy density and high output characteristics.
In particular, polythiophene derivatives of the exemplified compounds (1) to (44) which are conductive polymers used in Examples 1 to 12 are compounds having a large number of electrons, and the thiophene ring contained in the molecular skeleton of the polythiophene derivative has electrons It is easy to be stabilized in the released oxidation state. At the time of charge, electrons are drawn out to form cations, and in order to compensate for the cations, anions in the electrolytic solution approach and stabilize in this state. The reverse reaction proceeds at the time of discharge, but since the oxidation state accompanying charge and the stability at the reduction state accompanying discharge are high, the charge and discharge repetitive characteristics (cycle characteristics) are good. This is the same even when the C rate at the time of charge and discharge is high, and the redox reaction accompanying the charge and discharge proceeds reversibly.
Further, among the exemplified compounds (1) to (65) of the conductive polymer, the polythiophene derivative having the repeating unit represented by the above general formula (1) contains a plurality of sulfur atoms which can have a large number of oxidation numbers, so And since multiple electron reaction can be expected with reduction, it shows high capacity with charge and discharge.
Furthermore, since the polythiophene derivative has an oxidation potential (vs. Li / Li + ) at a high potential and can perform charging and discharging in a high voltage region, the average voltage of the storage element is increased. As a result, the non-aqueous electrolytic solution storage element containing the polythiophene derivative exhibits high energy density.
In addition, since a very low resistance porous carbon A covers the periphery of the polythiophene derivative, good electrical conduction can be performed between the polythiophene derivative particles, and a large discharge occurs even at a high C rate. Capacitance can be obtained. As a result, high output characteristics are exhibited. This high output characteristic is manifested in Examples 1 to 32 even though the conductive auxiliary agent is not contained in the constituent material of the positive electrode, so that the porous carbon A is an electrode such as the conductive auxiliary agent. The composite active materials of Examples 1 to 32 have the functions of both an active material and a conductive aid as they are alone.
実施例13〜15で使用している導電性ポリマーである化合物(46)、(47)及び(48)は、分子骨格内にS元素を含むため、活物質としての放電容量は大きな値を示すが、分子骨格内に含まれるジスルフィド結合(S−S結合)は酸化及び還元反応に伴い開裂及び再結合が進行するため、構造の安定性、可逆性がやや十分ではない。特に高いCレートにおける酸化及び還元に伴うジスルフィド結合の開裂及び再結合は、より不可逆な反応となるため、高いCレートでは放電容量がやや低下し、出力特性がやや低くなった。
一方、実施例16〜32で使用している導電性ポリマーである化合物(49)〜(65)は、有機エレクトロクロミック(EL)素子や、感光体ドラムのキャリア輸送材料として使用されている材料であるため、電気伝導及び酸化還元による構造安定性が高いためか、良好なエネルギー密度と高い出力特性を示した。
Compounds (46), (47) and (48), which are conductive polymers used in Examples 13 to 15, show a large value of discharge capacity as an active material because they contain S element in the molecular skeleton. However, because the disulfide bond (S-S bond) contained in the molecular skeleton proceeds with cleavage and recombination along with oxidation and reduction reactions, the stability and reversibility of the structure are somewhat insufficient. In particular, since the cleavage and recombination of the disulfide bond accompanying oxidation and reduction at high C rates is a more irreversible reaction, the discharge capacity slightly decreases and output characteristics slightly decrease at high C rates.
On the other hand, the compounds (49) to (65) which are conductive polymers used in Examples 16 to 32 are materials used as carrier transport materials of organic electrochromic (EL) elements and photosensitive drums. Due to its high electrical conductivity and high structural stability due to redox, it showed good energy density and high output characteristics.
次に、表2−1及び表2−2の結果から、実施例1及び実施例33〜38において、多孔質炭素Aの質量比の増加に伴い0.2C時の放電容量が低下することがわかった。これは、高容量を示す導電性ポリマーの比率が低下することによるものであり、特に多孔質炭素Aの質量比が95%を上回ると、エネルギー密度が急激に低下してしまう。このため、前記多孔質炭素Aの質量比は95%以下であることが好ましい。
また、実施例1及び実施例33〜38において、多孔質炭素Aの質量比の低下に伴い、0.2C放電時の放電容量に対する10C放電時の放電容量の容量比率が低下することがわかった。これは、多孔質炭素Aに対して導電性ポリマーの割合が増加したため、多孔質炭素Aの複数の細孔の少なくとも一部に導電性ポリマーを含む活物質の存在比率が低下したことによるものである。その結果、導電性ポリマーの電気伝導性が乏しくなり、特に多孔質炭素Aの質量比が20%を下回ると、0.2C放電時の放電容量に対する10C放電時の放電容量の容量比率が急激に低下してしまう。高い出力特性を得るためには、前記多孔質炭素Aの質量比は20%以上であることが好ましい。
Next, from the results of Tables 2-1 and 2-2, in Example 1 and Examples 33 to 38, the discharge capacity at 0.2 C decreases as the mass ratio of porous carbon A increases. all right. This is due to the decrease in the ratio of the conductive polymer exhibiting a high capacity, and in particular, when the mass ratio of the porous carbon A exceeds 95%, the energy density is sharply reduced. Therefore, the mass ratio of the porous carbon A is preferably 95% or less.
Further, in Example 1 and Examples 33 to 38, it was found that the capacity ratio of the discharge capacity at the time of 10 C discharge to the discharge capacity at the time of the 0.2 C discharge decreases with the decrease of the mass ratio of the porous carbon A . This is because the ratio of the conductive polymer to the porous carbon A is increased, and hence the proportion of the active material containing the conductive polymer in at least a part of the plurality of pores of the porous carbon A is decreased. is there. As a result, the electrical conductivity of the conductive polymer becomes poor, and in particular, when the mass ratio of porous carbon A is less than 20%, the capacity ratio of discharge capacity at 10 C discharge to discharge capacity at 0.2 C discharge is rapid. It will decrease. In order to obtain high output characteristics, the mass ratio of the porous carbon A is preferably 20% or more.
次に、表3の結果から、実施例1及び実施例39において、多孔質炭素の結晶構造が変化しても、高いエネルギー密度を有し、かつ高い出力特性を示すことがわかった。これは、多孔質炭素の結晶性が変化しても、炭素粒子内に三次元的に張り巡らされた細孔構造を維持し続けているためであり、その結果、非晶質の多孔質炭素を用いたとしても、結晶性の高い多孔質炭素を用いたとしても、導電性ポリマーと良好な複合化状態を形成することができている。 Next, from the results in Table 3, it was found that in Example 1 and Example 39, even if the crystal structure of porous carbon was changed, it had high energy density and exhibited high output characteristics. This is because, even if the crystallinity of the porous carbon changes, the three-dimensionally distributed pore structure in the carbon particles continues to be maintained, and as a result, amorphous porous carbon is obtained. Even if the porous carbon having high crystallinity is used, it is possible to form a good complexed state with the conductive polymer.
次に、表4の結果から、実施例40〜44において、本発明の複合活物質以外に、他の活物質種(活性炭)を併用したとしても、高いエネルギー密度を有し、かつ高い出力特性を示すことがわかった。これは、他の活物質種と前記複合活物質を混合利用したとしても、複合活物質の粒子構造は崩壊しないためであり、他の活物質種の存在下でも、複合活物質は単独利用時と同様の機能を充放電時に発現する。 Next, from the results in Table 4, in Examples 40 to 44, even if other active material species (activated carbon) are used in combination with the composite active material of the present invention, they have high energy density and high output characteristics. It turned out to indicate. This is because the particle structure of the composite active material does not collapse even if another active material type and the composite active material are mixed and used, and the composite active material is used alone even in the presence of other active material types. And express the same function during charge and discharge.
表5−1及び表5−2の結果から、実施例1と比較例1〜6を比較すると活物質内の炭素質材料として多孔質炭素Aを使用している実施例1がエネルギー密度及び出力特性において高い特性を有することがわかった。これは、多孔質炭素Aが三次元網目構造を形成する複数の細孔を有しているためであり、前記細孔構造を有していると、活物質の調製の際に、複数の細孔の少なくとも一部に導電性ポリマーを含有することができる。また、多孔質炭素Aも充電に伴いアニオンを吸蔵することができる。このため、他の炭素質材料と比較して多くの容量を発現することができることから、高いエネルギー密度を得ることができる。
導電性ポリマーが多孔質炭素Aの複数の細孔内に含有されていることは、図5〜7に示す正極の断面SEM画像及びEDSによる元素マッピング画像から確認することができる。図6は、C元素をマッピングした画像であり、図5に見られる正極内の粒子の位置と一致していることから、図5に見られる粒子は多孔質炭素Aであることがわかった。また、図7はS元素をマッピングした画像であり、図7内の輝点がS元素の存在位置を示している。正極材においてS元素を含む材料はポリチオフェン誘導体のみであるため、S元素が存在している位置にはポリチオフェン誘導体が存在していることは明白である。つまり、図5〜7より、多孔質炭素Aの細孔内部に導電性ポリマーが含有されていることがわかり、実施例1における正極内には活物質が含まれていることが確認できた。
From the results of Tables 5-1 and 5-2, comparing Example 1 with Comparative Examples 1 to 6, Example 1 using porous carbon A as a carbonaceous material in the active material has an energy density and an output of It turned out that it has high characteristics in characteristics. This is because the porous carbon A has a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, and when having the pore structure, a plurality of fine particles are formed in preparation of the active material. At least a portion of the pores can contain a conductive polymer. In addition, porous carbon A can also store anions as it is charged. For this reason, a high energy density can be obtained because a large amount of capacity can be developed as compared to other carbonaceous materials.
It can be confirmed from the cross-sectional SEM image of the positive electrode shown in FIGS. 5 to 7 and the elemental mapping image by EDS that the conductive polymer is contained in the plurality of pores of the porous carbon A. FIG. 6 is an image in which the C element is mapped, and it is found that the particle shown in FIG. 5 is porous carbon A, since it corresponds to the position of the particle in the positive electrode shown in FIG. Further, FIG. 7 is an image in which the S element is mapped, and the bright spot in FIG. 7 indicates the existence position of the S element. Since the material containing the S element in the positive electrode material is only the polythiophene derivative, it is obvious that the polythiophene derivative is present at the position where the S element is present. That is, from FIGS. 5-7, it turned out that the electroconductive polymer is contained in the inside of the pore of porous carbon A, and it has confirmed that the inside of the positive electrode in Example 1 contained the active material.
表5−2の結果から、実施例1と比較例7を比較すると、多孔質炭素内部の細孔に導電性ポリマーを含む実施例1の方が高いエネルギー密度を示している。これは、高い容量を発現する導電性ポリマーを含むことの要因だけではなく、多孔質炭素内部の細孔に導電性ポリマーを含有させることにより、正極活物質粒子の密度が増加するため、正極の体積密度が増加したことも要因に含まれる。また、正極活物質に導電性ポリマーのみを使用することも比較対象として考えられるが、導電性ポリマーのみでは電気伝導性が乏しいため、充電及び放電に伴う電子の授受が行われない。そのため、容量を発現することがないので、今回は比較例としては検証をしていない。 From the results in Table 5-2, when Example 1 and Comparative Example 7 are compared, Example 1 including the conductive polymer in the pores inside the porous carbon shows higher energy density. This is caused not only by the inclusion of the conductive polymer exhibiting high capacity, but also by the inclusion of the conductive polymer in the pores inside the porous carbon, the density of the positive electrode active material particles is increased. An increase in volume density is also a factor. Moreover, although it is considered as a comparison object to use only a conductive polymer for a positive electrode active material, since electrical conductivity is poor only with a conductive polymer, transfer of the electron accompanying charge and discharge is not performed. Therefore, since the capacity is not expressed, this example is not verified as a comparative example.
また、表5−2の結果から、実施例40〜44と比較例8を比較すると、多孔質炭素内部の細孔に導電性ポリマーを含む正極活物質Aを有する実施例40〜44の方が高いエネルギー密度を示している。これは、活性炭よりも高容量な導電性ポリマーを含有する正極活物質Aが電極中に含まれているためである。加えて、実施例40〜44の方が高い出力特性を示しており、電気伝導性が良好な多孔質炭素を含む正極活物質Aを他の活物質種(活性炭)に混ぜ合わせることで、電極全体の抵抗を低減させる効果もあることが示された。即ち、他の活物質種との併用時にも本発明の複合活物質は、活物質としての容量発現機能と導電助剤のような導電ネットワークの形成機能を発現するため、高いエネルギー密度と高い出力特性を実現することができる。 Moreover, when Examples 40-44 and Comparative Example 8 are compared from the result of Table 5-2, the direction of Examples 40-44 which have the positive electrode active material A which contains a conductive polymer in the pore inside porous carbon is It shows high energy density. This is because the positive electrode active material A containing a conductive polymer having a higher capacity than activated carbon is contained in the electrode. In addition, Examples 40 to 44 show higher output characteristics, and a positive electrode active material A containing porous carbon with good electrical conductivity is mixed with another active material type (activated carbon) to obtain an electrode. It has also been shown that it has the effect of reducing the overall resistance. That is, even when used in combination with other active material species, the composite active material of the present invention exhibits a high energy density and a high output since it exhibits the capacity development function as an active material and the formation function of a conductive network such as a conductive additive. Characteristics can be realized.
以上の結果から、本発明の活物質を蓄電素子に用いることにより、高いエネルギー密度を有し、かつ高レートの放電時にも容量の維持率が高いことから、高い出力特性を有することがわかった。 From the above results, it was found that by using the active material of the present invention for a storage element, it has high energy density and high capacity retention rate even at high rate discharge, so it has high output characteristics. .
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
<1> 三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する多孔質炭素と、
導電性ポリマーと、を有し、
前記多孔質炭素における複数の細孔の少なくとも一部が前記導電性ポリマーを含むことを特徴とする活物質である。
<2> 前記多孔質炭素が表面に開孔部を有する連通孔を有する前記<1>に記載の活物質である。
<3> 前記導電性ポリマーが、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体である前記<1>から<2>のいずれかに記載の活物質である。
<4> 前記一般式(1)で表される繰り返し単位が、下記一般式(2)で表される繰り返し単位である前記<3>に記載の活物質である。
<5> 前記一般式(2)で表される繰り返し単位が、下記一般式(3)で表される繰り返し単位である前記<4>に記載の活物質である。
<6> 前記導電性ポリマーが、繰り返し単位中に下記一般式(4)で表される構造を有する前記<1>から<2>のいずれかに記載の活物質である。
<7> 前記導電性ポリマーが、下記一般式(5)で表される繰り返し単位を有する前記<1>から<2>のいずれかに記載の活物質である。
<8> 前記導電性ポリマーが、下記一般式(63)で表される繰り返し単位を有する前記<1>から<2>のいずれかに記載の活物質である。
<9> 前記導電性ポリマーが、下記一般式(65)で表される繰り返し単位を有する前記<1>から<2>のいずれかに記載の活物質である。
<10> 前記導電性ポリマーが、下記一般式(61)で表される繰り返し単位を有するポリチオフェン誘導体である前記<1>から<2>のいずれかに記載の活物質である。
<11> 前記多孔質炭素と前記導電性ポリマーとの質量比(多孔質炭素/導電性ポリマー)が、20/80以上95/5以下である前記<1>から<10>のいずれかに記載の活物質である。
<12> 前記多孔質炭素の嵩密度が0.1g/cc以上1.0g/cc以下である前記<1>から<11>のいずれかに記載の活物質である。
<13> 前記多孔質炭素における複数の細孔が、最小径が2nm以上のメソ孔である前記<1>から<12>のいずれかに記載の活物質である。
<14> 前記多孔質炭素が粒子状乃至塊状の炭素からなる前記<1>から<13>のいずれかに記載の活物質である。
<15> アニオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質である前記<1>から<14>のいずれかに記載の活物質である。
<16> 前記<1>から<15>のいずれかに記載の活物質を含むことを特徴とする電極である。
<17> 正極と、負極と、電解液とを有し、
前記正極及び前記負極の少なくともいずれかが、前記<16>に記載の電極であることを特徴とする蓄電素子である。
<18> 前記電解液が、非水電解液である前記<17>に記載の蓄電素子である。
<19> 前記正極と前記負極との間に配置され、前記電解液を保持するセパレータを有する前記<17>から<18>のいずれかに記載の蓄電素子である。
The aspect of the present invention is, for example, as follows.
<1> porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure,
A conductive polymer,
It is an active material characterized in that at least a part of the plurality of pores in the porous carbon contains the conductive polymer.
<2> The active material according to <1>, wherein the porous carbon has a communicating hole having an opening on the surface.
<3> The active material according to any one of <1> to <2>, wherein the conductive polymer is a polythiophene derivative having a repeating unit represented by the following General Formula (1).
<4> The active material according to <3>, wherein the repeating unit represented by the general formula (1) is a repeating unit represented by the following general formula (2).
<5> The active material according to <4>, wherein the repeating unit represented by the general formula (2) is a repeating unit represented by the following general formula (3).
<6> The active material according to any one of <1> to <2>, wherein the conductive polymer has a structure represented by the following general formula (4) in a repeating unit.
<7> The active material according to any one of <1> to <2>, wherein the conductive polymer has a repeating unit represented by the following General Formula (5).
<8> The active material according to any one of <1> to <2>, wherein the conductive polymer has a repeating unit represented by the following general formula (63).
<9> The active material according to any one of <1> to <2>, wherein the conductive polymer has a repeating unit represented by the following general formula (65).
<10> The active material according to any one of <1> to <2>, wherein the conductive polymer is a polythiophene derivative having a repeating unit represented by the following general formula (61).
<11> The mass ratio (porous carbon / conductive polymer) of the porous carbon to the conductive polymer is 20/80 or more and 95/5 or less according to any one of <1> to <10>. Active material.
<12> The active material according to any one of <1> to <11>, wherein a bulk density of the porous carbon is 0.1 g / cc or more and 1.0 g / cc or less.
<13> The active material according to any one of <1> to <12>, wherein the plurality of pores in the porous carbon is a mesopore having a minimum diameter of 2 nm or more.
<14> The active material according to any one of <1> to <13>, wherein the porous carbon is composed of particulate or massive carbon.
<15> The active material according to any one of <1> to <14>, which is a positive electrode active material capable of inserting and extracting an anion.
<16> An electrode comprising the active material according to any one of <1> to <15>.
<17> a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution,
At least any one of the said positive electrode and the said negative electrode is an electrode as described in said <16>, It is an electrical storage element characterized by the above-mentioned.
<18> The storage element according to <17>, wherein the electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution.
<19> The storage element according to any one of <17> to <18>, further including a separator that is disposed between the positive electrode and the negative electrode and that holds the electrolytic solution.
前記<1>から<15>のいずれかに記載の活物質、前記<16>に記載の電極、及び前記<17>から<19>のいずれかに記載の蓄電素子は、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。 In the active material according to any one of <1> to <15>, the electrode according to <16>, and the storage element according to any one of <17> to <19>, the various problems in the related art can be obtained. To achieve the object of the present invention.
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 非水電解液
11 正極集電体
12 正極活物質
13 バインダ
14 導電助剤
21 負極集電体
22 負極活物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 positive electrode 2 negative electrode 3 separator 4 non-aqueous electrolyte 11 positive electrode collector 12 positive electrode active material 13 binder 14 conductive support agent 21 negative electrode collector 22 negative electrode active material
Claims (16)
導電性ポリマーと、を有し、
前記多孔質炭素における複数の細孔の少なくとも一部が前記導電性ポリマーを含むことを特徴とする活物質。 Porous carbon having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure,
A conductive polymer,
An active material, wherein at least a part of the plurality of pores in the porous carbon contains the conductive polymer.
前記正極及び前記負極の少なくともいずれかが、請求項15に記載の電極であることを特徴とする蓄電素子。 A positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte;
An electric storage device characterized in that at least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode according to claim 15.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2025026251A (en) * | 2023-08-08 | 2025-02-21 | 台湾中油股▲フン▼有限公司 | Manufacturing method of lithium ion capacitor |
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2018
- 2018-10-10 JP JP2018191369A patent/JP2019114777A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2025026251A (en) * | 2023-08-08 | 2025-02-21 | 台湾中油股▲フン▼有限公司 | Manufacturing method of lithium ion capacitor |
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