JP2022033831A - Graphene oxide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化グラフェンに関する。なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定さ
れない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法
に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ
、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、よ
り具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装
置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、また
は、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
The present invention relates to graphene oxide. It should be noted that one aspect of the present invention is not limited to the above technical fields. The technical field of one aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). Therefore, more specifically, the technical fields of one aspect of the present invention disclosed in the present specification include semiconductor devices, display devices, liquid crystal displays, light emitting devices, lighting devices, power storage devices, storage devices, and driving methods thereof. Alternatively, those manufacturing methods can be given as an example.
近年の携帯電話、スマートフォン、電子書籍(電子ブック)、携帯型ゲーム機等の携帯型
電子機器の著しい普及に伴い、その駆動電源である二次電池の小型化・大容量化の要求が
高まっている。携帯型電子機器に用いられる二次電池として、高いエネルギー密度、大容
量といった利点を有するリチウム二次電池に代表される二次電池が広く利用されている。
With the remarkable spread of portable electronic devices such as mobile phones, smartphones, electronic books (electronic books), and portable game machines in recent years, there is an increasing demand for smaller and larger capacity secondary batteries, which are the driving power sources for them. There is. As a secondary battery used in a portable electronic device, a secondary battery typified by a lithium secondary battery having advantages such as high energy density and large capacity is widely used.
二次電池の中でも高エネルギー密度を有することで広く普及しているリチウム二次電池は
、コバルト酸リチウム(LiCoO2)やリン酸鉄リチウム(LiFePO4)などの活
物質を含む正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からなる負極
と、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、LiBF4やLi
PF6等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成される。リ
チウム二次電池の充放電は、二次電池中のリチウムイオンが非水電解液を介して正極-負
極間を移動し、正極負極の活物質にリチウムイオンが挿入脱離することにより行われる。
Among secondary batteries, lithium secondary batteries, which are widely used due to their high energy density, are positive electrodes containing active materials such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium iron oxide (LiFePO 4 ), and lithium ions. A negative electrode made of a carbon material such as graphite that can be stored and released, and an organic solvent such as ethylene carbonate or diethyl carbonate, LiBF 4 or Li
It is composed of a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte composed of a lithium salt such as PF 6 is dissolved. Charging and discharging of the lithium secondary battery is performed by the lithium ions in the secondary battery moving between the positive electrode and the negative electrode via the non-aqueous electrolytic solution, and the lithium ions are inserted into and desorbed from the active material of the positive electrode and the negative electrode.
正極又は負極には、活物質と活物質や活物質と集電体とを結着させるために、結着剤(バ
インダともいう。)を混入する。結着剤は、絶縁性のPVdF(ポリフッ化ビニリデン)
等の高分子有機化合物が一般的であるため電気伝導性が極めて低い。このため、活物質量
に対して結着剤の混入量の割合を増加させると、電極中の活物質量が相対的に低下するた
め、結果として二次電池の放電容量が低下してしまう。
A binder (also referred to as a binder) is mixed in the positive electrode or the negative electrode in order to bind the active material to the active material or the active material to the current collector. The binder is an insulating PVdF (polyvinylidene fluoride).
Since high molecular weight organic compounds such as these are common, their electrical conductivity is extremely low. Therefore, if the ratio of the amount of the binder mixed in to the amount of the active material is increased, the amount of the active material in the electrode is relatively reduced, and as a result, the discharge capacity of the secondary battery is reduced.
そこで、アセチレンブラック(AB)やグラファイト(黒鉛)粒子などの導電助剤を混合
することで活物質間又は活物質-集電体間の電気伝導性を向上させている。これにより電
気伝導性の高い正極活物質の提供を可能としている(特許文献1参照)。また、グラフェ
ンを導電助剤として用いる報告もある。
Therefore, by mixing a conductive auxiliary agent such as acetylene black (AB) or graphite particles, the electrical conductivity between the active materials or between the active material and the current collector is improved. This makes it possible to provide a positive electrode active material having high electrical conductivity (see Patent Document 1). There are also reports of using graphene as a conductive aid.
溶媒への分散性が充分な酸化グラフェンであり、且つ当該酸化グラフェンを還元したグラ
フェンの電気伝導性が高い酸化グラフェンを提供することを目的の一とする。または、溶
媒への分散性が充分な酸化グラフェンを提供することを目的の一とする。または、酸化グ
ラフェンを還元したグラフェンの電子伝導性が高い酸化グラフェンを提供することを目的
の一とする。または、新規な酸化グラフェンを提供することを目的の一とする。または、
新規な材料を提供することを目的の一とする。または、新規な蓄電装置を提供することを
目的の一とする。なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。
なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。なお、
これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるもので
あり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能で
ある。
One of the purposes of the present invention is to provide graphene oxide having sufficient dispersibility in a solvent and having high electrical conductivity of graphene obtained by reducing the graphene oxide. Alternatively, one of the purposes is to provide graphene oxide having sufficient dispersibility in a solvent. Another object of the present invention is to provide graphene oxide having high electron conductivity of graphene obtained by reducing graphene oxide. Alternatively, one of the purposes is to provide a novel graphene oxide. or,
One of the purposes is to provide new materials. Alternatively, one of the purposes is to provide a new power storage device. The description of these issues does not preclude the existence of other issues.
It should be noted that one aspect of the present invention does not necessarily have to solve all of these problems. note that,
Issues other than these are self-evident from the description of the description, drawings, claims, etc., and it is possible to extract problems other than these from the description of the specification, drawings, claims, etc. ..
本発明の一態様はX線光電子分光分析における炭素原子と酸素原子の比(C/O)が2.
5以上4以下である酸化グラフェンである。
One aspect of the present invention is that the ratio (C / O) of carbon atom to oxygen atom in X-ray photoelectron spectroscopy is 2.
Graphene oxide of 5 or more and 4 or less.
本発明の他の一態様は、上記構成において、炭素原子と酸素原子の比(C/O)が3以上
4以下である酸化グラフェンである。
Another aspect of the present invention is graphene oxide having a carbon atom to oxygen atom ratio (C / O) of 3 or more and 4 or less in the above configuration.
本発明の他の一態様は、上記構成において、炭素原子と酸素原子の比(C/O)が3以上
3.7以下である酸化グラフェンである。
Another aspect of the present invention is graphene oxide having a carbon atom to oxygen atom ratio (C / O) of 3 or more and 3.7 or less in the above configuration.
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異
なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態
及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は
、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it is easily understood by those skilled in the art that embodiments can be implemented in many different embodiments and that the embodiments and details can be varied in various ways without departing from the spirit and scope thereof. .. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the following embodiments.
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ又は領域は、明瞭化
のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されるもので
はない。
In each of the figures described herein, the size, film thickness or region of each configuration may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale.
(実施の形態1)
本実施の形態では本発明一態様の酸化グラフェンの概要について説明する。グラフェンは
、炭素が形成する六角形の骨格を平面状に延ばした結晶構造をもつ炭素材料である。グラ
フェンはグラファイト結晶の一原子面を取り出したものであり、電気的、機械的又は化学
的な性質に驚異的な特徴を有することから、グラフェンを利用した高移動度の電界効果ト
ランジスタや高感度のセンサ、高効率な太陽電池、次世代向けの透明導電膜など、様々な
分野での応用が期待され注目を浴びている。
(Embodiment 1)
In this embodiment, the outline of graphene oxide according to one aspect of the present invention will be described. Graphene is a carbon material having a crystalline structure in which a hexagonal skeleton formed by carbon is extended in a plane. Graphene is an atomic surface of a graphite crystal, and has amazing characteristics in electrical, mechanical, or chemical properties. Therefore, graphene is used for high mobility field effect transistors and high sensitivity. It is expected to be applied in various fields such as sensors, highly efficient solar cells, and transparent conductive films for the next generation, and is attracting attention.
本明細書において、グラフェンは単層のグラフェン、又は2層以上100層以下の多層グ
ラフェンを含むものである。単層グラフェンとは、π結合を有する1原子層の炭素分子の
シートのことをいう。また、酸化グラフェンとは、上記グラフェンが酸化された状態の化
合物のことをいう。なお、酸化グラフェンを還元してグラフェンを形成する場合、酸化グ
ラフェンに含まれる酸素は全て脱離されずに、一部の酸素はグラフェンに残存する事があ
る。
As used herein, graphene includes single-layer graphene or multi-layer graphene having two or more layers and 100 or less layers. Single-layer graphene refers to a sheet of carbon molecules in a monoatomic layer having a π bond. Further, graphene oxide refers to a compound in which the graphene is oxidized. When graphene oxide is reduced to form graphene, all oxygen contained in graphene oxide may not be desorbed, and some oxygen may remain in graphene.
ここで、グラフェンが多層グラフェンである場合、酸化グラフェンを還元したグラフェン
(以下、RGO(Reduced Graphene Oxideの略記としてRGOと
呼ぶ)であることで、グラフェンの層間距離は0.34nm以上0.5nm以下、好まし
くは0.38nm以上0.42nm以下、さらに好ましくは0.39nm以上0.41n
m以下である。通常のグラファイトは、単層グラフェンの層間距離が0.34nmであり
、本発明の一態様に係る二次電池に用いるグラフェンの方が、その層間距離が長いため、
多層グラフェンの層間におけるキャリアイオンの移動が容易となる。
Here, when the graphene is a multilayer graphene, the graphene is a graphene obtained by reducing graphene oxide (hereinafter referred to as RGO (hereinafter referred to as RGO as an abbreviation for Redicated Graphene Oxide)), and the interlayer distance of graphene is 0.34 nm or more and 0.5 nm or less. It is preferably 0.38 nm or more and 0.42 nm or less, and more preferably 0.39 nm or more and 0.41 n.
It is less than m. In ordinary graphite, the interlayer distance of single-layer graphene is 0.34 nm, and the graphene used in the secondary battery according to one aspect of the present invention has a longer interlayer distance.
It facilitates the transfer of carrier ions between layers of multilayer graphene.
グラフェンを導電助剤として用いる二次電池用正極は、グラフェンが正極活物質層中で重
なり合い、複数の正極活物質粒子と接するよう分散させる。別言すると、正極活物質層中
に、グラフェンによる電気伝導のためのネットワークを形成するともいえる。これにより
、複数の正極活物質粒子の結合が維持された状態となり、結果として電気伝導性の高い正
極活物質層を形成することができる。
In the positive electrode for a secondary battery using graphene as a conductive auxiliary agent, graphene is dispersed in the positive electrode active material layer so as to be in contact with a plurality of positive electrode active material particles. In other words, it can be said that a network for electrical conduction by graphene is formed in the positive electrode active material layer. As a result, the bonding of the plurality of positive electrode active material particles is maintained, and as a result, a positive electrode active material layer having high electrical conductivity can be formed.
グラフェンを導電助剤として加えた正極活物質層は、以下の方法で作製することができる
。まずにグラフェン及び正極活物質に分散媒(溶媒ともいう。)を添加し、混練すること
で混合物を作製する。この混合物に結着剤(バインダともいう。)を添加して混練するこ
とで正極スラリーを作製する。最後に正極スラリーを正極集電体に塗布した後分散媒を揮
発させ、グラフェンを導電助剤として加えた正極活物質層が作製される。
The positive electrode active material layer to which graphene is added as a conductive auxiliary agent can be produced by the following method. First, a dispersion medium (also referred to as a solvent) is added to graphene and the positive electrode active material, and the mixture is kneaded to prepare a mixture. A binder (also referred to as a binder) is added to this mixture and kneaded to prepare a positive electrode slurry. Finally, after applying the positive electrode slurry to the positive electrode current collector, the dispersion medium is volatilized, and graphene is added as a conductive auxiliary agent to prepare a positive electrode active material layer.
しかし、グラフェンを導電助剤に用いて正極活物質層中に電気伝導のネットワークを形成
するためには、まずグラフェンが分散媒に均一に分散されなければならない。分散媒への
分散性が直接正極活物質層へのグラフェンの分散性に依存するためであり、グラフェンの
分散性が低い場合には、グラフェンが正極活物質層内で凝集し、局在化することで該ネッ
トワークの形成に至らない。従って、導電助剤に用いるグラフェンの分散媒への分散性は
、正極活物質層の電気伝導性を高めるための極めて重要なファクタであるといえる。
However, in order to use graphene as a conductive additive to form a network of electrical conduction in the positive electrode active material layer, graphene must first be uniformly dispersed in the dispersion medium. This is because the dispersibility in the dispersion medium depends directly on the dispersibility of graphene in the positive electrode active material layer, and when the dispersibility of graphene is low, the graphene aggregates and localizes in the positive electrode active material layer. This does not lead to the formation of the network. Therefore, it can be said that the dispersibility of graphene used as a conductive additive in a dispersion medium is an extremely important factor for enhancing the electrical conductivity of the positive electrode active material layer.
しかし、導電助剤としてグラフェンを活物質及び結着剤とともに分散媒に入れて作製した
正極活物質層は、グラフェンの分散性が十分でなく、結果として正極活物質層内に電気伝
導のためのネットワークの形成が難しい。さらに導電助剤としてグラフェンに替えて、R
GOを分散媒に入れて作製した正極活物質層においてもRGOの分散性が充分でないため
同様である。
However, the positive electrode active material layer prepared by putting graphene as a conductive auxiliary agent in a dispersion medium together with an active material and a binder does not have sufficient dispersibility of graphene, and as a result, for electrical conduction in the positive electrode active material layer. It is difficult to form a network. Furthermore, instead of graphene as a conductive auxiliary agent, R
The same applies to the positive electrode active material layer prepared by putting GO in a dispersion medium because the dispersibility of RGO is not sufficient.
一方で、酸化グラフェン(GO(Graphene Oxideの略記としてGOと呼ぶ
。)を活物質及び結着剤とともに分散媒に入れて正極ペーストを作製した後、分散された
酸化グラフェンを加熱処理により還元してRGOとした正極活物質層においては、活物質
層内に電気伝導のネットワークが形成され、優れた電気伝導性を示す。
On the other hand, graphene oxide (GO (abbreviated as GO for Graphene Oxide) is referred to as GO) is put into a dispersion medium together with an active material and a binder to prepare a positive electrode paste, and then the dispersed graphene oxide is reduced by heat treatment. In the positive electrode active material layer as RGO, a network of electric conduction is formed in the active material layer, and excellent electric conductivity is exhibited.
これらのことは、導電助剤の原料としてグラフェン又はRGOを分散させた正極活物質層
では分散性が低いのに対し、酸化グラフェンを加えて正極ペースト化した後に還元したグ
ラフェンは分散性が高いことを示している。
These facts are that the dispersibility is low in the positive electrode active material layer in which graphene or RGO is dispersed as a raw material of the conductive auxiliary agent, whereas the dispersibility of graphene reduced after adding graphene oxide to form a positive electrode paste is high. Is shown.
以上のことから、グラフェンを導電助剤として用い、正極活物質層中に高い電気伝導性を
有するネットワークを構築するためには、正極ペーストの作製時において、分散媒に分散
性の高い酸化グラフェンを用いることが効果的である。分散媒内の酸化グラフェンの分散
性は、エポキシ基等の酸素を有する官能基の多寡(酸化度とと表現する。)に依存すると
考えられる。
From the above, in order to use graphene as a conductive auxiliary agent and to construct a network having high electrical conductivity in the positive electrode active material layer, graphene oxide having high dispersibility is used as a dispersion medium at the time of preparing the positive electrode paste. It is effective to use. The dispersibility of graphene oxide in the dispersion medium is considered to depend on the amount of oxygen-bearing functional groups such as epoxy groups (expressed as the degree of oxidation).
ここで、酸化グラフェンは黒鉛を酸化させることによって合成されるが、その際に使用す
る酸化剤の量により酸化グラフェンの酸化度を調節することが可能である。酸化度の高い
酸化グラフェンは分散性に優れ、活物質の導電助剤として用いられるRGOの原料として
好適である。しかし、本発明者らは、分散性が損なわれない程度に酸化度を落とした酸化
グラフェンを原料としたRGOが良好な導電率を有し、有用な材料であることを見出した
。
Here, graphene oxide is synthesized by oxidizing graphite, and the degree of oxidation of graphene oxide can be adjusted by the amount of the oxidizing agent used at that time. Graphene oxide, which has a high degree of oxidation, has excellent dispersibility and is suitable as a raw material for RGO used as a conductive auxiliary agent for active substances. However, the present inventors have found that RGO made from graphene oxide whose degree of oxidation is reduced to the extent that dispersibility is not impaired has good conductivity and is a useful material.
このため、本発明の一態様は、炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下の酸化グラ
フェンである。
Therefore, one aspect of the present invention is graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less.
ここで、炭素に対する酸素の重量比とは、酸化度を示す指標であり、酸化グラフェンの構
成元素のうち炭素と酸素の重量を、炭素を基準とした比率としてみたものである。なお、
酸化グラフェンを構成する元素の重量は、例えばX線光電子分光法(XPS:X-ray
Photoelectron Spectroscopy)で測定することができる。
Here, the weight ratio of oxygen to carbon is an index showing the degree of oxidation, and the weights of carbon and oxygen among the constituent elements of graphene oxide are viewed as a ratio with respect to carbon. note that,
The weight of the elements constituting graphene oxide is, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray).
It can be measured by Photoemission Spectroscopy).
炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンは、エポキシ基、カ
ルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基等の官能基が電極の作製に充分な分散性を
備える程度に結合した状態であることを意味する。なお、分散性という観点からは炭素に
対する酸素の重量比が3以上であることが好ましく、RGOの導電率の観点からは炭素に
対する酸素の重量比は3.7以下であることが好ましい。すなわち、分散性とRGOにし
た際の導電率との両方を鑑みると炭素に対する酸素の重量比が3以上3.7以下である酸
化グラフェンがより好ましい。
Graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less is in a state in which functional groups such as an epoxy group, a carbonyl group, a carboxyl group and a hydroxyl group are bonded to such an extent that they have sufficient dispersibility for forming an electrode. Means that From the viewpoint of dispersibility, the weight ratio of oxygen to carbon is preferably 3 or more, and from the viewpoint of the conductivity of RGO, the weight ratio of oxygen to carbon is preferably 3.7 or less. That is, graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 3 or more and 3.7 or less is more preferable in consideration of both dispersibility and conductivity in the case of RGO.
よって、炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンを、正極活
物質及び結着剤とともに分散媒に分散させて混練し、正極集電体上に塗布して加熱するこ
とにより、分散性が高く電気伝導のネットワークを有するグラフェンを含んだ電極を形成
することができる。
Therefore, graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less is dispersed in a dispersion medium together with a positive electrode active material and a binder, kneaded, coated on a positive electrode current collector, and heated. This makes it possible to form an electrode containing graphene, which is highly dispersible and has a network of electrical conduction.
酸化グラフェンは、一辺の長さが50nm以上100μm以下、好ましくは800nm以
上20μm以下であると好ましい。
The graphene oxide preferably has a side length of 50 nm or more and 100 μm or less, preferably 800 nm or more and 20 μm or less.
既に述べたように、当該酸化グラフェンは、電極を作製するという観点において充分に酸
素を含む官能基を有するため、1-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の極性溶媒中に
おいて酸化グラフェン同士が凝集することなく、均一に分散する。分散した酸化グラフェ
ンは複数の粒状の正極活物質と均一に混ざり合う。このため分散媒の揮発と該酸化グラフ
ェンの還元処理とにより、酸化グラフェンから形成されたグラフェンは、他のグラフェン
と面接触する程度に正極活物質層中に分散される。グラフェンはシート状であり、互いに
部分的な面接触により電気的な接続を果たしているため、各グラフェンを一つの集合とし
て捉えると、電気伝導のネットワークが形成されていると考えられる。またグラフェンど
うしの接続が面接触であるため、接触抵抗を低く抑えることができ、電気伝導性の高いネ
ットワークを構築す事ができる。
As described above, since the graphene oxide has a functional group sufficiently containing oxygen from the viewpoint of producing an electrode, the graphene oxide aggregates with each other in a polar solvent such as 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Disperse evenly without doing. The dispersed graphene oxide is uniformly mixed with a plurality of granular positive electrode active materials. Therefore, by the volatilization of the dispersion medium and the reduction treatment of the graphene oxide, the graphene formed from the graphene oxide is dispersed in the positive electrode active material layer to the extent that it comes into surface contact with other graphene. Since graphene is in the form of a sheet and is electrically connected to each other by partial surface contact, it is considered that a network of electrical conduction is formed when each graphene is regarded as one set. Moreover, since the graphenes are connected to each other by surface contact, the contact resistance can be suppressed to a low level, and a network with high electrical conductivity can be constructed.
一方、それぞれのグラフェンは一辺の長さが50nm以上100μm以下、好ましくは8
00nm以上20μm以下のシートであり、粒状の正極活物質の平均粒径よりも大きいた
め、一枚のシート状のグラフェンが複数の粒状の正極活物質と接続することができる。特
にグラフェンがシート状であるため、粒状の正極活物質の表面を覆うように面接触するこ
とができる。このため、導電助剤の量を増加させることなく、粒状の正極活物質とグラフ
ェンとの接触抵抗を低減することができる。
On the other hand, each graphene has a side length of 50 nm or more and 100 μm or less, preferably 8
Since the sheet is 00 nm or more and 20 μm or less and is larger than the average particle size of the granular positive electrode active material, one sheet-shaped graphene can be connected to a plurality of granular positive electrode active materials. In particular, since graphene is in the form of a sheet, it can be surface-contacted so as to cover the surface of the granular positive electrode active material. Therefore, the contact resistance between the granular positive electrode active material and graphene can be reduced without increasing the amount of the conductive auxiliary agent.
なお、粒状の正極活物質としては、リン酸鉄リチウム等のキャリアイオンの挿入脱離が可
能な材料を用いることができる。
As the granular positive electrode active material, a material capable of inserting and removing carrier ions such as lithium iron phosphate can be used.
続いて、上記酸化グラフェンを用いた電極の製造方法を説明する。まず、炭素に対する酸
素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンと正極活物質を分散媒に分散させ、
混練する。この混合物に結着剤を添加して混練することで正極スラリーを作製し、正極ス
ラリーを正極集電体に塗布する。塗布した正極スラリーに含まれる分散媒を揮発させた後
又は揮発させると同時に、酸化グラフェンを還元して、グラフェン(RGO)を含む正極
活物質層を前記正極集電体上に形成し、電極を製造することができる。
Subsequently, a method for manufacturing an electrode using the graphene oxide will be described. First, graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less and a positive electrode active material are dispersed in a dispersion medium.
Knead. A positive electrode slurry is prepared by adding a binder to this mixture and kneading, and the positive electrode slurry is applied to the positive electrode current collector. After or at the same time as volatilizing the dispersion medium contained in the applied positive electrode slurry, graphene oxide is reduced to form a positive electrode active material layer containing graphene (RGO) on the positive electrode current collector to form an electrode. Can be manufactured.
上記製造方法において、正極ペーストは還元雰囲気又は減圧下において乾燥させる。これ
により、正極ペーストに含まれる分散媒を揮発させ、正極ペーストに含まれる酸化グラフ
ェンを還元させることができる。
In the above production method, the positive electrode paste is dried in a reducing atmosphere or under reduced pressure. This makes it possible to volatilize the dispersion medium contained in the positive electrode paste and reduce graphene oxide contained in the positive electrode paste.
また、上記製造方法において、混合物に結着剤を添加して混練する際に、さらに分散媒を
添加することで、正極ペーストの粘度を調整することができる。
Further, in the above-mentioned production method, when the binder is added to the mixture and kneaded, the viscosity of the positive electrode paste can be adjusted by further adding a dispersion medium.
正極活物質は、炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンが分
散された分散媒中に添加する。これを混練することでグラフェンの分散性の高い正極活物
質層を形成する。酸化グラフェンは、正極活物質、導電助剤及び結着剤の混合物である正
極ペーストの総重量に対して、少なくとも2wt%(重量パーセント)の割合で含まれて
いればよい。一方、正極ペーストを集電体に塗布し、還元した後のグラフェンは、正極活
物質層の総重量に対して、少なくとも1wt%の割合で含まれていればよい。これは、酸
化グラフェンの還元により、グラフェンの重量がほぼ半減するためである。
The positive electrode active material is added to a dispersion medium in which graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less is dispersed. By kneading this, a positive electrode active material layer with high dispersibility of graphene is formed. Graphene oxide may be contained in a proportion of at least 2 wt% (weight percent) with respect to the total weight of the positive electrode paste which is a mixture of the positive electrode active material, the conductive auxiliary agent and the binder. On the other hand, graphene after the positive electrode paste is applied to the current collector and reduced may be contained in a ratio of at least 1 wt% with respect to the total weight of the positive electrode active material layer. This is because the reduction of graphene oxide almost halves the weight of graphene.
具体的には、正極ペーストの段階で、正極ペーストの総量に対して、酸化グラフェンを2
wt%以上10wt%以下添加し、正極活物質を85wt%以上93wt%以下添加し、
結着剤を1wt%以上5wt%以下添加することが好ましい。また、正極ペーストを集電
体に塗布して酸化グラフェンを還元した正極活物質層の段階では、正極活物質層の総量に
対して、グラフェンを1wt%以上5wt%以下添加し、正極活物質を90wt%以上9
4wt%以下添加し、結着剤を1wt%以上5wt%以下添加することが好ましい。
Specifically, at the stage of the positive electrode paste, 2 graphene oxide is added to the total amount of the positive electrode paste.
Add wt% or more and 10 wt% or less, and add positive electrode active material of 85 wt% or more and 93 wt% or less.
It is preferable to add the binder in an amount of 1 wt% or more and 5 wt% or less. Further, at the stage of the positive electrode active material layer in which the positive electrode paste is applied to the current collector to reduce graphene oxide, graphene is added in an amount of 1 wt% or more and 5 wt% or less with respect to the total amount of the positive electrode active material layer, and the positive electrode active material is added. 90 wt% or more 9
It is preferable to add 4 wt% or less and add 1 wt% or more and 5 wt% or less of the binder.
正極ペーストを正極集電体に塗布した後、還元雰囲気又は減圧下で乾燥させることにより
、酸化グラフェンに含まれる酸素を脱離させることで、グラフェンを含む正極活物質層を
形成することができる。なお、酸化グラフェンに含まれる酸素は全て脱離されず、一部の
酸素はグラフェンに残存していてもよい。
After applying the positive electrode paste to the positive electrode current collector, it is dried in a reducing atmosphere or under reduced pressure to desorb oxygen contained in graphene oxide, whereby a positive electrode active material layer containing graphene can be formed. It should be noted that all the oxygen contained in graphene oxide is not desorbed, and some oxygen may remain in graphene.
以上のように製造された正極と、負極と、電解液と、セパレータとを用いることにより、
二次電池を製造することができる。なお、本発明の一態様は、様々な蓄電装置に対して適
用させることができる。例えば、蓄電装置の一例としては、電池、一次電池、二次電池、
リチウムイオン二次電池、リチウム空気電池、などがあげられる。さらに、蓄電装置の別
の例として、キャパシタに適用することもできる。また、酸化グラフェンは、容量が非常
に大きいキャパシタであるスーパーキャパシタのための電極として用いたり、酸素還元電
極触媒として用いたり、潤滑油より低摩擦な分散水の材料として用いたり、表示装置や太
陽電池などのための透明電極として用いたり、ガスバリア材として用いたり、機械的強度
が高くて軽量なポリマー材料として用いたり、放射能汚染水に含まれるウランやプルトニ
ウムを検出するための高感度ナノセンサの材料として用いたり、放射性物質を取りのぞく
ための材料として用いたり、することができる。
By using the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, and the separator manufactured as described above,
A secondary battery can be manufactured. It should be noted that one aspect of the present invention can be applied to various power storage devices. For example, as an example of a power storage device, a battery, a primary battery, a secondary battery,
Examples include lithium-ion secondary batteries and lithium-air batteries. Further, as another example of the power storage device, it can be applied to a capacitor. In addition, graphene oxide can be used as an electrode for a supercapacitor, which is a capacitor with a very large capacity, as an oxygen reduction electrode catalyst, as a material for dispersed water with lower friction than lubricating oil, a display device, and the sun. A high-sensitivity nanosensor for detecting uranium and plutonium contained in radioactively contaminated water, as a transparent electrode for batteries, as a gas barrier material, as a lightweight polymer material with high mechanical strength, etc. It can be used as a material or as a material for removing radioactive substances.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る酸化グラフェンを用いて作製した二次電池用の
電極について、図1を参照して説明する。図1に電極の斜視図を示す。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, an electrode for a secondary battery manufactured by using graphene oxide according to one aspect of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a perspective view of the electrodes.
図1は、正極200の斜視図である。図1では正極200を矩形のシート形状で示してい
るが、正極200の形状はこれに限らず、任意の形状を適宜選択することができる。正極
200は、正極ペーストを正極集電体201上に塗布した後、還元雰囲気又は減圧下で乾
燥させることで、正極活物質層202を形成することにより作製される。図1においては
、正極活物質層202は正極集電体201の一方の面にのみ形成しているが、正極活物質
層202は正極集電体201の両面に形成してもよい。また、正極活物質層202は正極
集電体201の全面に形成する必要はなく、正極タブと接続するための領域等、非塗布領
域を適宜設ける。
FIG. 1 is a perspective view of the
正極集電体201は、蓄電装置内で顕著な化学変化を引き起こさずに高い導電性を示す限
り、特別な制限はない。例えば、アルミニウム、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、ニッ
ケル、銅、チタン、タンタル、マンガン等の金属、及びこれらの合金、焼結した炭素など
を用いることができる。また、銅またはステンレス鋼を炭素、ニッケル、チタン等で被覆
してもよい。また、シリコン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上
させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応
してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを
形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、
タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。また、正
極集電体201は、箔状、板状(シート状)、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタ
ル状、エキスパンドメタル状、多孔質状および不織布を包括する様々な形態等の形状を適
宜用いることができる。さらに、活物質層との密着性を上げるために正極集電体201は
表面に細かい凹凸を有していてもよい。接触抵抗の低減や密着性の向上のために被覆層(
アンダーコート)を設けてもよい。アンダーコートは炭素や金属、或いはそれらと高分子
との混合層で形成する事ができる。また、正極集電体201は、厚みが5μm以上30μ
m以下のものを用いるとよい。
The positive electrode
There are tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, etc. Further, the positive electrode
An undercoat) may be provided. The undercoat can be formed of carbon or metal, or a mixed layer of them and a polymer. Further, the positive electrode
It is preferable to use the one of m or less.
活物質層202は、正極活物質を含む。活物質とは、キャリアであるイオンの挿入・脱離
に関わる物や粒子のみを指すが、本明細書等では、本来「活物質」である材料に加えて、
導電助剤やバインダーなどを含めたものも、活物質層と呼ぶ。
The
A layer containing a conductive additive or a binder is also called an active material layer.
正極活物質としては、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な材料を用いることができ、
例えば、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、又はスピネル型の結晶構造、N
ASICON型結晶構造を有する材料が挙げられる。
As the positive electrode active material, a material capable of inserting and removing lithium ions can be used.
For example, olivine-type crystal structure, layered rock salt-type crystal structure, or spinel-type crystal structure, N.
Examples thereof include materials having an ASICON type crystal structure.
例えば、正極活物質として、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O
4、V2O5、Cr2O5、MnO2等の化合物を材料として用いることができる。
For example, as the positive electrode active material, LiFeO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O
4 , V 2 O 5 , Cr 2 O 5 , MnO 2 , and other compounds can be used as materials.
オリビン型構造のリチウム含有化合物としては遷移金属リン酸リチウム、例えば一般式L
iMPO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上
)で表される複合酸化物が挙げられる。一般式LiMPO4の代表例としては、LiFe
PO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFeaNibPO4、
LiFeaCobPO4、LiFeaMnbPO4、LiNiaCobPO4、LiNi
aMnbPO4(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFecNidCoe
PO4、LiFecNidMnePO4、LiNicCodMnePO4(c+d+eは
1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFefNigCohMniPO4
(f+g+h+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等が挙
げられる。
Examples of the lithium-containing compound having an olivine structure include transition metal lithium phosphate, for example, the general formula L.
Examples thereof include composite oxides represented by iMPO 4 (M is one or more of Fe (II), Mn (II), Co (II), and Ni (II)). As a typical example of the general formula LiMPO 4 , LiFe
PO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiFe a Ni b PO 4 ,
LiFe a Co b PO 4 , LiFe a Mn b PO 4 , LiNi a Co b PO 4 , LiNi
a Mn b PO 4 (a + b is 1 or less, 0 <a <1, 0 < b <1), LiFe c Nid Coe
PO 4 , LiFe c Ni d Mn e PO 4 , LiNi c Co d Mn e PO 4 (c + d + e is 1 or less, 0 <c <1, 0 <d <1, 0 <e <1), LiFe f Ni g Co h Mn i PO 4
(F + g + h + i is 1 or less, 0 <f <1, 0 <g <1, 0 <h <1, 0 <i <1) and the like.
特にLiFePO4は、安全性、安定性、高容量密度、高電位、初期酸化(充電)時に引
き抜けるリチウムイオンの存在等、正極活物質に求められる事項をバランスよく満たして
いるため、好ましい。
In particular, LiFePO 4 is preferable because it satisfies the requirements for the positive electrode active material in a well-balanced manner, such as safety, stability, high capacity density, high potential, and the presence of lithium ions extracted during initial oxidation (charging).
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有化合物としては、例えば、コバルト酸リチウ
ム(LiCoO2)、LiNiO2、LiMnO2、Li2MnO3、LiNi0.8C
o0.2O2等のNiCo系(一般式は、LiNixCo1-xO2(0<x<1))、
LiNi0.5Mn0.5O2等のNiMn系(一般式は、LiNixMn1-xO2(
0<x<1))、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等のNiMnCo系(NMC
ともいう。一般式は、LiNixMnyCo1-x-yO2(x>0、y>0、x+y<
1))が挙げられる。さらに、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、Li
2MnO3-LiMO2(M=Co、Ni、Mn)等も挙げられる。
Examples of the lithium-containing compound having a layered rock salt type crystal structure include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), LiNiO 2 , LiMnO 2 , Li 2 MnO 3 , and LiNi 0.8 C.
o 0.2 O 2 etc. NiCo system (general formula is LiNi x Co 1-x O 2 (0 <x <1)),
NiMn system such as LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 (general formula is LiNi x Mn 1-x O 2 (general formula is LiNi x Mn 1-x O 2)
0 <x <1)), LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 and other NiMnCo-based (NMC)
Also called. The general formula is LiNi x Mn y Co 1-x-y O 2 (x> 0, y> 0, x + y <
1)) can be mentioned. Furthermore, Li (Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05 ) O 2 and Li
2 MnO 3 -LiMO 2 (M = Co, Ni, Mn) and the like can also be mentioned.
特に、LiCoO2は、容量が大きい、LiNiO2に比べて大気中で安定である、Li
NiO2に比べて熱的に安定である等の利点があるため、好ましい。
In particular, LiCoO 2 has a large capacity and is more stable in the atmosphere than LiNiO 2 , Li.
It is preferable because it has advantages such as thermal stability as compared with NiO 2 .
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有化合物としては、例えば、LiMn2O4、
Li1+xMn2-xO4、Li(MnAl)2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等
が挙げられる。
Examples of the lithium-containing compound having a spinel-type crystal structure include LiMn 2 O 4 and the like.
Examples thereof include Li 1 + x Mn 2-x O 4 , Li (MnAl) 2 O 4 , LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 .
LiMn2O4等のマンガンを含むスピネル型の結晶構造を有するリチウム含有化合物に
、少量のニッケル酸リチウム(LiNiO2やLiNi1-xMO2(M=Co、Al等
))を混合すると、マンガンの溶出を抑制する、電解液の分解を抑制する等の利点があり
好ましい。
When a small amount of lithium nickelate (LiNiO 2 or LiNi 1-x MO 2 (M = Co, Al, etc.)) is mixed with a lithium-containing compound having a spinel-type crystal structure containing manganese such as LiMn 2 O 4 , manganese is produced. It is preferable because it has advantages such as suppressing the elution of lithium and suppressing the decomposition of the electrolytic solution.
また、正極活物質として、一般式Li(2-j)MSiO4(Mは、Fe(II)、Mn
(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上、0≦j≦2)で表される化合物を用い
ることができる。一般式Li(2-j)MSiO4の代表例としては、Li(2-j)F
eSiO4、Li(2-j)NiSiO4、Li(2-j)CoSiO4、Li(2-j
)MnSiO4、Li(2-j)FekNilSiO4、Li(2-j)FekColS
iO4、Li(2-j)FekMnlSiO4、Li(2-j)NikColSiO4、
Li(2-j)NikMnlSiO4(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、L
i(2-j)FemNinCoqSiO4、Li(2-j)FemNinMnqSiO4
、Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+qは1以下、0<m<1、0<
n<1、0<q<1)、Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t
+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等が挙げられる。
Further, as the positive electrode active material, the general formula Li (2-j) MSiO 4 (M is Fe (II), Mn.
(II), one or more of Co (II) and Ni (II), and a compound represented by 0 ≦ j ≦ 2) can be used. As a typical example of the general formula Li (2-j) MSiO 4 , Li (2-j) F
eSiO 4 , Li (2-j) NiSiO 4 , Li (2-j) CoSiO 4 , Li ( 2-j)
) MnSiO 4 , Li (2-j) Fe k Ni l SiO 4 , Li (2-j) Fe k Col S
iO 4 , Li (2-j) Fe k Mn l SiO 4 , Li (2-j) Ni k Core SiO 4 ,
Li (2-j) Nik Mn l SiO 4 ( k + l is 1 or less, 0 <k <1, 0 <l <1), L
i (2-j) Fe m Ni n Co q SiO 4 , Li (2-j) Fe m Ni n Mn q SiO 4
, Li (2-j) Ni m Con n Mn q SiO 4 (m + n + q is 1 or less, 0 <m <1, 0 <
n <1, 0 <q <1), Li (2-j) Ferr Nis Cot Mn u SiO 4 ( r + s + t )
Examples of + u include 1 or less, 0 <r <1, 0 <s <1, 0 <t <1, 0 <u <1), and the like.
また、正極活物質として、AxM2(XO4)3(A=Li、Na、Mg、M=Fe、M
n、Ti、V、Nb、Al、X=S、P、Mo、W、As、Si)の一般式で表されるナ
シコン型化合物を用いることができる。ナシコン型化合物としては、Fe2(MnO4)
3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3等が挙げられる。また、正極活物質
として、Li2MPO4F、Li2MP2O7、Li5MO4(M=Fe、Mn)の一般
式で表される化合物、NaF3、FeF3等のペロブスカイト型フッ化物、TiS2、M
oS2等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物、テルル化物)、LiMVO4等の
逆スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合材料、バナジウム酸化物(V2O5、
V6O13、LiV3O8等)、マンガン酸化物、有機硫黄等の材料を用いることができ
る。
Further, as the positive electrode active material, A x M 2 (XO 4 ) 3 (A = Li, Na, Mg, M = Fe, M).
A Nashicon type compound represented by the general formula of n, Ti, V, Nb, Al, X = S, P, Mo, W, As, Si) can be used. As a pear-con type compound, Fe 2 (MnO 4 )
3 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 , and the like can be mentioned. Further, as the positive electrode active material, a compound represented by the general formula of Li 2 MPO 4 F, Li 2 MP 2 O 7 , Li 5 MO 4 (M = Fe, Mn), NaF 3 , FeF 3 , etc. Fluoride, TiS 2 , M
Metallic chalcogenides (sulfides, seleniums, tellurides) such as oS 2 , lithium-containing composite materials having a reverse spinel-type crystal structure such as LiMVO 4 , vanadium oxide (V 2 O 5 ,
Materials such as V 6 O 13 , LiV 3 O 8 ), manganese oxide, and organic sulfur can be used.
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属
イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、正極活物質として、上記
リチウム化合物において、リチウムの代わりに、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカ
リウム等)、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウ
ム、バリウム等)を用いてもよい。
When the carrier ion is an alkali metal ion other than lithium ion, an alkaline earth metal ion, a beryllium ion, or a magnesium ion, the above lithium compound is used as a positive electrode active material in place of an alkali metal (for example, sodium). , Potassium, etc.), alkaline earth metals (berylium, magnesium, calcium, strontium, barium, etc.) may be used.
また、導電助剤として正極活物質層202に添加するグラフェンは、炭素に対する酸素の
重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンに還元処理を行うことによって形成され
る。
Further, graphene added to the positive electrode
炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンは、黒鉛を酸化する
ことにより作製することができる。
Graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less can be produced by oxidizing graphite.
グラファイト粉末に、過マンガン酸カリウムの硫酸溶液、過酸化水素水等を加えて酸化反
応させて酸化グラファイトを含む分散液を作製する。酸化グラファイトは、グラファイト
の炭素の酸化により、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基等の
官能基が結合する。このため、複数のグラフェンの層間距離がグラファイトと比較して長
くなり、層間の分離による薄片化が容易となる。次に、酸化グラファイトを含む分散液に
、超音波振動を加えることで、層間距離が長い酸化グラファイトを劈開し、酸化グラフェ
ンを分離するとともに、酸化グラフェンを含む分散液を作製することができる。そして、
酸化グラフェンを含む分散液から溶媒を取り除くことで、粉末状の酸化グラフェンを得る
ことができる。
A sulfuric acid solution of potassium permanganate, a hydrogen peroxide solution, or the like is added to the graphite powder to cause an oxidation reaction to prepare a dispersion containing graphite oxide. In graphite oxide, functional groups such as epoxy group, carbonyl group, carboxyl group and hydroxyl group are bonded by oxidation of carbon of graphite. Therefore, the interlayer distance of the plurality of graphenes is longer than that of graphite, and it becomes easy to slice the graphene by separating the layers. Next, by applying ultrasonic vibration to the dispersion liquid containing graphite oxide, graphite oxide having a long interlayer distance can be cleaved to separate graphene oxide, and a dispersion liquid containing graphene oxide can be produced. and,
By removing the solvent from the dispersion liquid containing graphene oxide, powdered graphene oxide can be obtained.
ここで、炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンは、過マン
ガン酸カリウム等の酸化剤の量を適宜調整することで形成することができる。すなわち、
グラファイト粉末に対して酸化剤の量を増加させることで、酸化グラフェンの酸化度(炭
素に対する酸素の重量比)を高めることができる。従って、製造する酸化グラフェンの量
に合わせて、原料となるグラファイト粉末に対する酸化剤の量を決定すればよい。
Here, graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less can be formed by appropriately adjusting the amount of an oxidizing agent such as potassium permanganate. That is,
By increasing the amount of the oxidant with respect to the graphite powder, the degree of oxidation of graphene oxide (weight ratio of oxygen to carbon) can be increased. Therefore, the amount of the oxidizing agent with respect to the graphite powder as a raw material may be determined according to the amount of graphene oxide to be produced.
なお、酸化グラフェンの作製は過マンガン酸カリウムの硫酸溶液を用いる方法に限られず
、例えば硝酸、塩素酸カリウム、硝酸ナトリウム等を使用する方法、又はこれら以外の酸
化グラフェンの作製方法を適宜用いてもよい。
The production of graphene oxide is not limited to the method using a sulfuric acid solution of potassium permanganate, and for example, a method using nitric acid, potassium chlorate, sodium nitrate or the like, or a method for producing graphene oxide other than these may be appropriately used. good.
また、酸化グラファイトの薄片化は、超音波振動の付加の他、マイクロ波やラジオ波、又
は熱プラズマの照射や、物理的応力の付加により行ってもよい。
Further, the fragmentation of graphite oxide may be performed by addition of ultrasonic vibration, irradiation with microwaves, radio waves, or thermal plasma, or addition of physical stress.
作製した酸化グラフェンは、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル
基等を有する。当該酸化グラフェンは適度にこれら置換基を有するためNMPに代表され
る極性溶媒の中においては、官能基中の酸素がマイナスに帯電し、NMPと相互作用する
一方で異なる酸化グラフェンどうしとは反発し、凝集しにくい。このため、極性溶媒中に
おいては、酸化グラフェンが均一に分散しやすい。
The produced graphene oxide has an epoxy group, a carbonyl group, a carboxyl group, a hydroxyl group and the like. Since the graphene oxide has these substituents moderately, oxygen in the functional group is negatively charged in a polar solvent typified by NMP, interacts with NMP, and repels different graphene oxides. , Hard to aggregate. Therefore, graphene oxide tends to be uniformly dispersed in the polar solvent.
また、酸化グラフェンの一辺の長さ(フレークサイズともいう。)は50nm以上100
μm以下、好ましくは800nm以上20μm以下である。特にフレークサイズが粒状の
正極活物質の平均粒径よりも小さい場合、複数の正極活物質との面接触がしにくくなると
ともに、グラフェン相互の接続が難しくなるため、正極活物質層202の電気伝導性を向
上させることが困難となる。
The length of one side of graphene oxide (also referred to as flake size) is 50 nm or more and 100.
It is μm or less, preferably 800 nm or more and 20 μm or less. In particular, when the flake size is smaller than the average particle size of the granular positive electrode active material, it becomes difficult to make surface contact with a plurality of positive electrode active materials and it becomes difficult to connect the graphenes to each other. It becomes difficult to improve the sex.
複数の粒状の正極活物質は、複数のグラフェンによって被覆される。一枚のシート状のグ
ラフェンは、複数の粒状の正極活物質と接続する。特に、グラフェンがシート状であるた
め、粒状の正極活物質の表面の一部を包むように面接触することができる。正極活物質と
点接触するアセチレンブラック等の粒状の導電助剤と異なり、グラフェンは接触抵抗の低
い面接触を可能とするものであるから、導電助剤の量を増加させることなく、粒状の正極
活物質とグラフェンとの電気伝導性を向上させるができる。
The plurality of granular positive electrode active materials are coated with a plurality of graphenes. A single sheet of graphene connects to a plurality of granular positive electrode active materials. In particular, since graphene is in the form of a sheet, it can be surface-contacted so as to wrap a part of the surface of the granular positive electrode active material. Unlike granular conductive auxiliaries such as acetylene black, which make point contact with the positive electrode active material, graphene enables surface contact with low contact resistance, so the granular positive electrode does not increase the amount of conductive auxiliaries. It is possible to improve the electrical conductivity between the active material and graphene.
また、複数のグラフェンどうしも面接触する。これはグラフェンの形成に、極性溶媒中で
の分散性が充分な酸化グラフェンを用いるためである。均一に分散した酸化グラフェンを
含有する分散媒から溶媒を揮発除去し、酸化グラフェンを還元してグラフェンとするため
、正極活物質層202に残留するグラフェンは部分的に重なり合い、互いに面接触する程
度に分散していることで電気伝導の経路を形成している。
In addition, multiple graphenes come into surface contact with each other. This is because graphene oxide, which has sufficient dispersibility in a polar solvent, is used for the formation of graphene. Since the solvent is volatilized and removed from the dispersion medium containing uniformly dispersed graphene oxide and the graphene oxide is reduced to graphene, the graphene remaining in the positive electrode
グラフェンは必ずしも正極活物質層202の表面でのみ他のグラフェンと重なり合うもの
ではなく、グラフェンの一部は正極活物質層202の内部へ潜りこむ等、三次元的に配置
されるように形成されている。また、グラフェンは炭素分子の単層又はこれらの積層で構
成される極めて薄い膜(シート)であるため、個々の粒状の正極活物質の表面をなぞるよ
うにその表面の一部を覆って接触しており、正極活物質と接していない部分は複数の粒状
の正極活物質の間で撓み、皺となり、あるいは引き延ばされて張った状態を呈する。
Graphene does not necessarily overlap with other graphene only on the surface of the positive electrode
正極活物質層202の縦断面においては、正極活物質層202の内部において概略均一に
シート状のグラフェンが分散する。正極活物質層202の上面についての説明と同様に、
複数のグラフェンは、複数の粒状の正極活物質を包むように、あるいは覆うように形成さ
れているため、互いに面接触する。また、グラフェンどうしも互いに面接触することで複
数のグラフェンにより電気伝導のネットワークを形成する。
In the vertical cross section of the positive electrode
Since the plurality of graphenes are formed so as to enclose or cover the plurality of granular positive electrode active materials, they come into surface contact with each other. In addition, graphenes come into surface contact with each other to form a network of electrical conduction by a plurality of graphenes.
シート状の複数のグラフェンは正極活物質層202の内部において三次元的に分散し、こ
れらが互いに面接触することで、三次元の電気伝導性のネットワークを形成する。また、
それぞれのグラフェンは、複数の粒状の正極活物質を被覆し面接触する。このため正極活
物質どうしの結合が維持される。さらに炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下で
ある酸化グラフェンを還元したグラフェンは高い導電率を有する。以上のことから、炭素
に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンを原料とし、ペーストの
形成後に還元したグラフェンを導電助剤として用いることで、高い電気伝導性を有する正
極活物質層202を形成することができる。
The plurality of sheet-shaped graphenes are three-dimensionally dispersed inside the positive electrode
Each graphene is coated with a plurality of granular positive electrode active materials and comes into surface contact with each other. Therefore, the bond between the positive electrode active materials is maintained. Further, graphene obtained by reducing graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less has high conductivity. From the above, by using graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less as a raw material and using graphene reduced after forming a paste as a conductive auxiliary agent, positive electrode activity having high electrical conductivity can be obtained. The
また、正極活物質とグラフェンとの接触点を増やすために、導電助剤の添加量を増加させ
なくてもよいため、正極活物質の正極活物質層202における比率を増加させることがで
きる。これにより、二次電池の放電容量を増加させることができる。
Further, since it is not necessary to increase the amount of the conductive auxiliary agent added in order to increase the contact points between the positive electrode active material and graphene, the ratio of the positive electrode active material in the positive electrode
粒状の正極活物質の一次粒子の平均粒径は、500nm以下、好ましくは50nm以上5
00nm以下のものを用いるとよい。この粒状の正極活物質の複数と面接触するために、
グラフェンは一辺の長さが50nm以上100μm以下、好ましくは800nm以上20
μm以下であると好ましい。
The average particle size of the primary particles of the granular positive electrode active material is 500 nm or less, preferably 50 nm or more 5
It is preferable to use one having a diameter of 00 nm or less. In order to make surface contact with multiple of these granular positive electrode active materials,
Graphene has a side length of 50 nm or more and 100 μm or less, preferably 800 nm or more and 20.
It is preferably μm or less.
また、正極活物質層202に含まれる結着剤(バインダ)には、代表的なポリフッ化ビニ
リデン(PVdF)の他、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロラ
イド、エチレンプロピレンジエンポリマー、スチレン-ブタジエンゴム、アクリロニトリ
ル-ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエ
チレン、ニトロセルロース等を用いることができる。
The binder contained in the positive electrode
本実施の形態に示すように、粒状の正極活物質の平均粒径よりも大きいグラフェンが、正
極活物質層202中において、隣接する他のグラフェンの一以上と互いに面接触する程度
に分散し、粒状の正極活物質の表面の一部を包むように面接触していることで、少量の導
電助剤で、充填量が高く高密度化された正極活物質層を含む二次電池用正極を提供するこ
とができる。
As shown in the present embodiment, graphene having a particle size larger than the average particle size of the granular positive electrode active material is dispersed in the positive electrode
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
(実施の形態3)
次に、上述した正極活物質、導電助剤、結着剤、分散媒を用いて、正極ペーストを作製し
、該正極ペーストを正極集電体201上に塗布して、還元雰囲気又は減圧下で乾燥させる
ことで、正極活物質層202を含む正極200を製造する方法について説明する。
(Embodiment 3)
Next, a positive electrode paste is prepared using the above-mentioned positive electrode active material, conductive auxiliary agent, binder, and dispersion medium, and the positive electrode paste is applied onto the positive electrode
分散媒としてNMPを用意し、NMP中に実施の形態1及び実施の形態2で説明した炭素
に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンと正極活物質としてリン
酸鉄リチウムとを分散させる。正極ペーストの総量に対して、酸化グラフェンの量が2w
t%未満であると、正極活物質層202が形成された際に導電性が低下する。また、酸化
グラフェンの量が10wt%を超えると、正極活物質の粒径にもよるが、正極ペーストの
粘度が高くなる。また、正極ペーストを正極集電体201に塗布した後の乾燥工程の際に
、加熱により正極ペースト中で対流が生じ、軽くて薄い酸化グラフェンが移動・凝集する
ことで、正極活物質層202がひび割れたり、正極活物質層202が正極集電体201か
ら剥がれたりするおそれがある。したがって、酸化グラフェンの量は、正極ペースト(正
極活物質、導電助剤、及び結着剤の総重量)に対して2wt%以上10wt%以下とする
とよい。なお、酸化グラフェンは、後の熱処理工程によって還元されてグラフェンとなり
重量がほぼ半減するため、正極活物質層202中の重量比は1wt%以上5wt%以下と
なる。
NMP is prepared as a dispersion medium, and graphene oxide having an oxygen weight ratio of 2.5 or more and 4 or less to carbon described in the first and second embodiments and lithium iron phosphate as a positive electrode active material are used in the NMP. Disperse. The amount of graphene oxide is 2w with respect to the total amount of positive electrode paste.
If it is less than t%, the conductivity is lowered when the positive electrode
リン酸鉄リチウムの一次粒子の平均粒径は、20nm以上500nm以下のものを用いる
とよい。添加するリン酸鉄リチウムの量は、正極ペーストの総量に対して、85wt%以
上とすればよく、例えば、85wt%以上93wt%以下とすればよい。
The average particle size of the primary particles of lithium iron phosphate should be 20 nm or more and 500 nm or less. The amount of lithium iron phosphate to be added may be 85 wt% or more, and may be, for example, 85 wt% or more and 93 wt% or less with respect to the total amount of the positive electrode paste.
なお、リン酸鉄リチウムの焼成時にグルコース等の炭水化物を混合して、リン酸鉄リチウ
ムの粒子にカーボンを被覆してもよい。この処理により導電性が高まる。
In addition, carbohydrates such as glucose may be mixed at the time of firing of lithium iron phosphate, and the particles of lithium iron phosphate may be coated with carbon. This treatment enhances conductivity.
次に、これらの混合物ペーストに固練り(高粘度の状態での混練)を行うことで、酸化グ
ラフェン及びリン酸鉄リチウムの凝集をほどくことができる。また、酸化グラフェンは、
官能基を有するため、極性溶媒中においては、官能基中の酸素がマイナスに帯電するため
、異なる酸化グラフェンどうしで凝集しにくい。また、酸化グラフェンは、リン酸鉄リチ
ウムとの相互作用が強い。このため、リン酸鉄リチウム中に酸化グラフェンをより均一に
分散させることができる。
Next, by kneading these mixture pastes (kneading in a highly viscous state), graphene oxide and lithium iron phosphate can be unaggregated. Also, graphene oxide is
Since it has a functional group, oxygen in the functional group is negatively charged in a polar solvent, so that it is difficult for different graphene oxides to aggregate with each other. In addition, graphene oxide has a strong interaction with lithium iron phosphate. Therefore, graphene oxide can be more uniformly dispersed in lithium iron phosphate.
次に、これらの混合物に、結着剤としてPVdFを添加する。PVdFの量は、酸化グラ
フェン及びリン酸鉄リチウムの量によって設定すればよく、正極ペーストに対して、1w
t%以上5wt%以下添加すればよい。酸化グラフェンが、複数の正極活物質粒子と面接
触するように均一に分散されている状態で、結着剤を添加することにより、分散状態を維
持したまま、正極活物質と酸化グラフェンとを結着することができる。また、リン酸鉄リ
チウムと酸化グラフェンの割合によっては、結着剤を添加しなくてもよいが、結着剤を添
加した場合には正極の強度を向上させることができる。
Next, PVdF is added as a binder to these mixtures. The amount of PVdF may be set according to the amount of graphene oxide and lithium iron phosphate, and is 1w with respect to the positive electrode paste.
It may be added in an amount of t% or more and 5 wt% or less. By adding a binder in a state where graphene oxide is uniformly dispersed so as to be in surface contact with a plurality of positive electrode active material particles, the positive electrode active material and graphene oxide are bound while maintaining the dispersed state. You can wear it. Further, depending on the ratio of lithium iron phosphate and graphene oxide, it is not necessary to add a binder, but when a binder is added, the strength of the positive electrode can be improved.
次に、これらの混合物に、所定の粘度になるまでNMPを添加し、混練することで正極ス
ラリーを作製することができる。以上の工程で、正極スラリーを作製することによって、
酸化グラフェン、正極活物質、及び結着剤の混練状態が均一な正極スラリーを作製するこ
とができる。
Next, NMP can be added to these mixtures until they have a predetermined viscosity and kneaded to prepare a positive electrode slurry. By producing a positive electrode slurry in the above steps,
It is possible to prepare a positive electrode slurry in which the kneaded state of graphene oxide, the positive electrode active material, and the binder is uniform.
次に、正極集電体201上に、正極ペーストを塗布する。
Next, the positive electrode paste is applied onto the positive electrode
次に、正極集電体201上に塗布された正極ペーストを乾燥させる。乾燥工程は、60℃
~170℃、1分~10時間加熱することにより、NMPを蒸発させることによって行う
。なお、雰囲気は特に限定されない。
Next, the positive electrode paste applied on the positive electrode
This is done by evaporating NMP by heating at ~ 170 ° C. for 1 minute to 10 hours. The atmosphere is not particularly limited.
次に、正極ペーストに対して還元雰囲気または減圧下にて乾燥を行う。還元雰囲気又は減
圧下とし、温度を130℃~200℃、10時間~30時間加熱することにより、正極ペ
ーストに残ったNMPや水を蒸発させ、酸化グラフェンに含まれる酸素を脱離させる。こ
れにより、酸化グラフェンをグラフェンとすることができる。なお、酸化グラフェンに含
まれる酸素は全て脱離されず、一部の酸素は、グラフェンに残存してもよい。
Next, the positive electrode paste is dried in a reducing atmosphere or under reduced pressure. By heating in a reducing atmosphere or under reduced pressure at a temperature of 130 ° C. to 200 ° C. for 10 hours to 30 hours, NMP and water remaining in the positive electrode paste are evaporated, and oxygen contained in graphene oxide is desorbed. As a result, graphene oxide can be converted into graphene. All oxygen contained in graphene oxide is not desorbed, and some oxygen may remain in graphene.
以上の工程により、正極活物質にグラフェンが均一に分散された正極活物質層202を含
む正極200を作製することができる。なお、乾燥工程の後、正極200に対して、加圧
(プレス)工程を行っても良い。
By the above steps, the
本実施の形態で説明したように、炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸
化グラフェンが分散された分散媒に、正極活物質を添加し、混練することで、正極活物質
中に酸化グラフェンを均一に分散することができる。酸化グラフェンが、複数の正極活物
質粒子と接するように分散された状態で、結着剤を添加することで、酸化グラフェンと複
数の正極活物質粒子との接触を阻害することなく、結着剤を均一に分散させることができ
る。また、炭素に対する酸素の重量比が2.5以上4以下である酸化グラフェンを還元し
たグラフェンは導電率が高い。このようにして作製された正極ペーストを用いることで、
正極活物質の充填量が高く、高密度化された正極活物質層を含む正極を作製することがで
きる。また、該正極を用いて、電池を作製することで、高容量の二次電池を製造すること
ができる。さらに、結着剤によって、シート状のグラフェンが、複数の正極活物質と接し
た状態を維持させることができるため、正極活物質とグラフェンとの剥離を抑制すること
ができるため、サイクル特性の良好な二次電池を製造することができる。
As described in the present embodiment, the positive electrode active material is added to the dispersion medium in which graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less is dispersed, and kneaded to obtain the positive electrode active material. Graphene oxide can be uniformly dispersed therein. By adding the binder in a state where the graphene oxide is dispersed so as to be in contact with the plurality of positive electrode active material particles, the binder is added without inhibiting the contact between the graphene oxide and the plurality of positive electrode active material particles. Can be uniformly dispersed. Further, graphene obtained by reducing graphene oxide having a weight ratio of oxygen to carbon of 2.5 or more and 4 or less has high conductivity. By using the positive electrode paste produced in this way,
It is possible to produce a positive electrode containing a high-density positive electrode active material layer with a high filling amount of the positive electrode active material. Further, by manufacturing a battery using the positive electrode, a high-capacity secondary battery can be manufactured. Furthermore, since the sheet-shaped graphene can be maintained in contact with a plurality of positive electrode active materials by the binder, peeling between the positive electrode active material and graphene can be suppressed, so that the cycle characteristics are good. It is possible to manufacture various secondary batteries.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
(実施の形態4)
本実施の形態では、二次電池の構造及びその製造方法について、図2及び図3を参照して
説明する。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, the structure of the secondary battery and the method for manufacturing the secondary battery will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
図2(A)は、コイン型(単層偏平型)の二次電池の外観図であり、図2(B)は、その
断面図である。
FIG. 2A is an external view of a coin-type (single-layer flat type) secondary battery, and FIG. 2B is a cross-sectional view thereof.
コイン型の二次電池300は、正極端子を兼ねた正極缶301と負極端子を兼ねた負極缶
302とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット303で絶縁シールされている。
正極304は、正極集電体305と、これと接するように設けられた正極活物質層306
により形成される。また、負極307は、負極集電体308と、これに接するように設け
られた負極活物質層309により形成される。正極活物質層306と負極活物質層309
との間には、セパレータ310と、電解質(図示せず)とを有する。
In the coin-type
The
Is formed by. Further, the
There is a
正極304は、実施の形態2及び実施の形態3に示す正極200を用いることができる。
As the
負極307は、負極集電体308上に、CVD法、スパッタリング法、または塗布法によ
り、負極活物質層309を形成することで、形成される。
The
負極集電体308は、蓄電装置内で顕著な化学変化を引き起こさずに高い導電性を示す限
り、特別な制限はない。例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、
ニッケル、チタン、タンタル、マンガン等の金属、及びこれらの合金、焼結した炭素など
を用いることができる。また、銅またはステンレス鋼を炭素、ニッケル、チタン等で被覆
してもよい。また、シリコン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上
させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応
してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを
形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、
タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。また、集
電体308は、箔状、板状(シート状)、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタル状
、エキスパンドメタル状、多孔質状および不織布を包括する様々な形態等の形状を適宜用
いることができる。さらに、活物質層との密着性を上げるために負極集電体308は表面
に細かい凹凸を有していてもよい。接触抵抗の低減や密着性の向上のために被覆層(アン
ダーコート)を設けてもよい。アンダーコートは炭素や金属、或いはそれらと高分子との
混合層で形成する事ができる。また、負極集電体308は、厚みが5μm以上30μm以
下のものを用いるとよい。
The negative electrode
Metals such as nickel, titanium, tantalum and manganese, alloys thereof, sintered carbon and the like can be used. Further, copper or stainless steel may be coated with carbon, nickel, titanium or the like. Further, an aluminum alloy to which an element for improving heat resistance such as silicon, neodymium, scandium, and molybdenum is added can be used. Further, it may be formed of a metal element that reacts with silicon to form silicide. Metallic elements that react with silicon to form silicides include zirconium, titanium, hafnium, vanadium, niobium, and so on.
There are tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, etc. Further, the
負極活物質としては、リチウムの溶解・析出、又はリチウムイオンの挿入・脱離が可能な
材料を用いることができ、例えば、リチウム金属、炭素系材料、合金系材料等が挙げられ
る。
As the negative electrode active material, a material capable of dissolving / precipitating lithium or inserting / removing lithium ions can be used, and examples thereof include lithium metal, carbon-based materials, and alloy-based materials.
リチウム金属は、酸化還元電位が低く(標準水素電極に対して-3.045V)、重量及
び体積当たりの比容量が大きい(それぞれ3860mAh/g、2062mAh/cm3
)ため、好ましい。
Lithium metal has a low redox potential (-3.405V with respect to standard hydrogen electrode) and a large specific capacity per weight and volume (3860mAh / g and 2062mAh / cm 3 respectively).
) Therefore, it is preferable.
炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハー
ドカーボン)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等が挙げられる。
Examples of the carbon-based material include graphite, graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), carbon nanotubes, graphene, carbon black and the like.
黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス系人造黒鉛、ピッチ
系人造黒鉛等の人造黒鉛や、球状化天然黒鉛等の天然黒鉛が挙げられる。
Examples of graphite include artificial graphite such as mesocarbon microbeads (MCMB), coke-based artificial graphite, and pitch-based artificial graphite, and natural graphite such as spheroidized natural graphite.
黒鉛はリチウムイオンが黒鉛に挿入したとき(リチウム-黒鉛層間化合物の生成時)にリ
チウム金属と同程度に卑な電位を示す(0.1~0.3V vs.Li/Li+)。これ
により、リチウムイオン電池は高い作動電圧を示すことができる。さらに、黒鉛は、単位
体積当たりの容量が比較的高い、体積膨張が小さい、安価である、リチウム金属に比べて
安全性が高い等の利点を有するため、好ましい。
Graphite exhibits as low a potential as lithium metal when lithium ions are inserted into graphite (during the formation of a lithium-graphite intercalation compound) (0.1-0.3 V vs. Li / Li + ). This allows the lithium-ion battery to exhibit a high operating voltage. Further, graphite is preferable because it has advantages such as relatively high capacity per unit volume, small volume expansion, low cost, and high safety as compared with lithium metal.
負極活物質として、リチウム金属との合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うこと
が可能な合金系材料も用いることができる。例えば、Al、Si、Ge、Sn、Pb、S
b、Bi、Ag、Zn、Cd、In、Ga等のうち少なくとも一つを含む材料が挙げられ
る。このような元素は炭素に対して容量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200m
Ah/gと飛躍的に高い。このため、負極活物質にシリコンを用いることが好ましい。こ
のような元素を用いた合金系材料としては、例えば、SiO、Mg2Si、Mg2Ge、
SnO、SnO2、Mg2Sn、SnS2、V2Sn3、FeSn2、CoSn2、Ni
3Sn2、Cu6Sn5、Ag3Sn、Ag3Sb、Ni2MnSb、CeSb3、La
Sn3、La3Co2Sn7、CoSb3、InSb、SbSn等が挙げられる。
As the negative electrode active material, an alloy-based material capable of performing a charge / discharge reaction by an alloying / dealloying reaction with a lithium metal can also be used. For example, Al, Si, Ge, Sn, Pb, S
Examples thereof include materials containing at least one of b, Bi, Ag, Zn, Cd, In, Ga and the like. Such elements have a large capacity with respect to carbon, and silicon in particular has a theoretical capacity of 4200 m.
It is dramatically higher at Ah / g. Therefore, it is preferable to use silicon as the negative electrode active material. Examples of alloy-based materials using such elements include SiO, Mg 2 Si, Mg 2 Ge, and the like.
SnO, SnO 2 , Mg 2 Sn, SnS 2 , V 2 Sn 3 , FeSn 2 , CoSn 2 , Ni
3 Sn 2 , Cu 6 Sn 5 , Ag 3 Sn, Ag 3 Sb, Ni 2 MnSb, CeSb 3 , La
Examples thereof include Sn 3 , La 3 Co 2 Sn 7 , CoSb 3 , InSb, and SbSn.
また、負極活物質として、二酸化チタン(TiO2)、リチウムチタン酸化物(Li4T
i5O12)、リチウム-黒鉛層間化合物(LixC6)、五酸化ニオブ(Nb2O5)
、酸化タングステン(WO2)、酸化モリブデン(MoO2)等の酸化物を用いることが
できる。
Further, as the negative electrode active material, titanium dioxide (TiO 2 ) and lithium titanium oxide (Li 4 T) are used.
i 5 O 12 ), Lithium-graphite intercalation compound (Li x C 6 ), Niobium pentoxide (Nb 2 O 5 )
, Tungsten oxide (WO 2 ), molybdenum oxide (MoO 2 ) and other oxides can be used.
また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の複窒化物である、Li3N型構造をもつ
Li3-xMxN(M=Co、Ni、Cu)を用いることができる。例えば、Li2.6
Co0.4N3は大きな充放電容量(900mAh/g)を示し好ましい。
Further, as the negative electrode active material, Li 3 -x M x N (M = Co, Ni, Cu) having a Li 3N type structure, which is a double nitride of lithium and a transition metal, can be used. For example, Li 2.6
Co 0.4 N 3 shows a large charge / discharge capacity (900 mAh / g) and is preferable.
リチウムと遷移金属の複窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、
正極活物質としてリチウムイオンを含まないV2O5、Cr3O8等の材料と組み合わせ
ることができ好ましい。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも
、あらかじめリチウムイオンを脱離させることでリチウムと遷移金属の複窒化物を用いる
ことができる。
When lithium and transition metal compound nitrides are used, lithium ions are contained in the negative electrode active material.
As the positive electrode active material, it is preferable because it can be combined with a material such as V 2 O 5 and Cr 3 O 8 which does not contain lithium ions. Even when a material containing lithium ions is used as the positive electrode active material, a double nitride of lithium and a transition metal can be used by desorbing the lithium ions in advance.
また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば
、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)等の、リチウム
と合金化反応を行わない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反
応が生じる材料としては、さらに、Fe2O3、CuO、Cu2O、RuO2、Cr2O
3等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn3N2、Cu3N、G
e3N4等の窒化物、NiP2、FeP2、CoP3等のリン化物、FeF3、BiF3
等のフッ化物等がある。なお、上記フッ化物の電位は高いため、正極活物質として用いて
もよい。
Further, a material that causes a conversion reaction can also be used as a negative electrode active material. For example, a transition metal oxide that does not alloy with lithium, such as cobalt oxide (CoO), nickel oxide (NiO), and iron oxide (FeO), may be used as the negative electrode active material. Further, as the material in which the conversion reaction occurs, Fe 2 O 3 , CuO, Cu 2 O, RuO 2 , Cr 2 O
Oxides such as 3 mag, sulfides such as CoS 0.89 , NiS, CuS, Zn 3 N 2 , Cu 3 N, G
Nitrides such as e 3 N 4 and phosphides such as NiP 2 , FeP 2 and CoP 3 , FeF 3 and BiF 3
There are fluorides and the like. Since the potential of the fluoride is high, it may be used as a positive electrode active material.
塗布法を用いて負極活物質層309を形成する場合は、負極活物質に、導電助剤や結着剤
を添加して、負極ペーストを作製し、負極集電体308上に塗布して乾燥させればよい。
When the negative electrode
また、負極活物質として、シリコンを用いて負極活物質層309を形成する場合は、負極
活物質層309の表面に、グラフェンを形成することが好ましい。シリコンは、充放電サ
イクルにおけるキャリアイオンの吸蔵・放出に伴う体積の変化が大きいため、負極集電体
308と負極活物質層309との密着性が低下し、充放電により電池特性が劣化してしま
う。そこで、シリコンを含む負極活物質層309の表面にグラフェンを形成することによ
り、充放電サイクルにおいて、シリコンの体積が変化したとしても、負極集電体308と
負極活物質層309との密着性の低下を抑制することができ、電池特性の劣化が低減され
るため好ましい。
When the negative electrode
負極活物質層309表面に形成するグラフェンは、正極の作製方法と同様に、酸化グラフ
ェンを還元することによって形成することができる。該酸化グラフェンは、実施の形態1
で説明した酸化グラフェンを用いることができる。
The graphene formed on the surface of the negative electrode
Graphene oxide described in the above can be used.
負極活物質層309に、電気泳動法を用いて酸化グラフェンを形成する方法について、図
3(A)を参照して説明する。
A method of forming graphene oxide on the negative electrode
図3(A)は電気泳動法を説明するための断面図である。容器401には、実施の形態1
で説明した酸化グラフェンを分散媒に分散させた分散液(以下、酸化グラフェン分散液4
02という。)が入っている。また、酸化グラフェン分散液402中に被形成物403を
設けて、これを陽極とする。また、酸化グラフェン分散液402中に陰極となる導電体4
04を設ける。なお、被形成物403は、負極集電体308及びその上に形成された負極
活物質層309とする。また、導電体404は、導電性を有する材料、例えば、金属材料
又は合金材料とすればよい。
FIG. 3A is a cross-sectional view for explaining the electrophoresis method. In the
Dispersion liquid in which graphene oxide described in the above is dispersed in a dispersion medium (hereinafter referred to as graphene oxide dispersion liquid 4).
It's called 02. ) Is included. Further, the object to be formed 403 is provided in the graphene
04 is provided. The object to be formed 403 is a negative electrode
陽極と陰極の間に適切な電圧を加えることで、被形成物403の表面、すなわち、負極活
物質層309の表面に酸化グラフェンの層が形成される。これは、酸化グラフェンは、上
記したように極性溶媒中において負に帯電するため、電圧を加えることで負に帯電した酸
化グラフェンは陽極に引き寄せられ、被形成物403に付着するからである。酸化グラフ
ェンの負の帯電は、酸化グラフェンが有するヒドロキシル基、カルボキシル基等の置換基
から水素イオンが離脱していることに由来し、物体と当該置換基とが結合することで中性
化する。なお、加える電圧は一定でなくてもよい。また、陽極と陰極の間を流れる電荷量
を測定することで、物体に付着した酸化グラフェンの層の厚さを見積もることができる。
By applying an appropriate voltage between the anode and the cathode, a layer of graphene oxide is formed on the surface of the object to be formed 403, that is, the surface of the negative electrode
陽極と陰極の間に加える電圧は、0.5V乃至2.0Vの範囲とすると良い。より好まし
くは、0.8V乃至1.5Vである。例えば陽極と陰極の間に加える電圧を1Vとすると
、被形成物と酸化グラフェンの層との間に陽極酸化の原理により生じうる酸化膜が、形成
されにくい。
The voltage applied between the anode and the cathode is preferably in the range of 0.5V to 2.0V. More preferably, it is 0.8 V to 1.5 V. For example, when the voltage applied between the anode and the cathode is 1 V, it is difficult to form an oxide film which can be formed by the principle of anodization between the object to be formed and the graphene oxide layer.
必要な厚さの酸化グラフェンが得られたら、被形成物403を酸化グラフェン分散液40
2から引き上げ、乾燥させる。
Once the graphene oxide of the required thickness is obtained, the
Pull up from 2 and dry.
電気泳動法による酸化グラフェンの電着において、酸化グラフェンで既に覆われている部
分にさらに酸化グラフェンが積層することは少ない。これは、酸化グラフェンの導電率が
十分に低いためである。一方、まだ酸化グラフェンに覆われていない部分には、酸化グラ
フェンが優先的に積層される。このため、被形成物403の表面に形成される酸化グラフ
ェンの厚さは実用的に均一な厚さになる。
In the electrodeposition of graphene oxide by electrophoresis, it is rare that graphene oxide is further laminated on the portion already covered with graphene oxide. This is because the conductivity of graphene oxide is sufficiently low. On the other hand, graphene oxide is preferentially laminated on the portion not yet covered with graphene oxide. Therefore, the thickness of graphene oxide formed on the surface of the object to be formed 403 is practically uniform.
電気泳動を行う時間(電圧を加える時間)は、被形成物403の表面が酸化グラフェンに
覆われるのにかかる時間より長時間行えばよく、例えば、0.5分以上30分以下、好ま
しくは5分以上20分以下とすればよい。
The time for electrophoresis (time for applying voltage) may be longer than the time required for the surface of the object to be formed 403 to be covered with graphene oxide, for example, 0.5 minutes or more and 30 minutes or less, preferably 5. It may be more than 20 minutes and less than 20 minutes.
電気泳動法を用いると、イオン化した酸化グラフェンを電気的に活物質まで移動させるこ
とができるため、負極活物質層309の表面に凹凸を有していても、酸化グラフェンを均
一に設けることが可能である。
By using the electrophoresis method, the ionized graphene oxide can be electrically transferred to the active material, so that the graphene oxide can be uniformly provided even if the surface of the negative electrode
次に、還元処理を行い、形成された酸化グラフェンから酸素の一部を脱離させる。還元処
理としてはグラフェンを用いた実施の形態2で説明した、加熱による還元処理等を行って
も良いが、ここでは電気化学的な還元処理(以下、電気化学還元という。)について説明
する。
Next, a reduction treatment is performed to desorb a part of oxygen from the formed graphene oxide. As the reduction treatment, the reduction treatment by heating described in the second embodiment using graphene may be performed, but here, the electrochemical reduction treatment (hereinafter referred to as electrochemical reduction) will be described.
酸化グラフェンの電気化学還元は、加熱処理による還元とは異なり、電気エネルギーを用
いた還元である。図3(B)に示すように負極活物質層309上に設けた酸化グラフェン
を有する負極を導電体407として用いて閉回路を構成し、この導電体407に当該酸化
グラフェンの還元反応が生じる電位、又は当該酸化グラフェンが還元される電位を供給し
、当該酸化グラフェンをグラフェンに還元する。なお、本明細書では、酸化グラフェンの
還元反応が生じる電位、又は当該酸化グラフェンが還元される電位を還元電位という。
The electrochemical reduction of graphene oxide is a reduction using electric energy, unlike the reduction by heat treatment. As shown in FIG. 3B, a negative electrode having graphene oxide provided on the negative electrode
図3(B)を用いて酸化グラフェンの還元方法を具体的に記述する。容器405に電解液
406を満たし、そこに酸化グラフェンを有する導電体407と、対極408とを挿入し
、浸漬させる。次に、酸化グラフェンを有する導電体407を作用極とし、他に少なくと
も対極408及び電解液406を用いて電気化学セル(開回路)を組み、当該導電体40
7(作用極)の電位に酸化グラフェンの還元電位を供給し、当該酸化グラフェンをグラフ
ェンに還元する。なお、供給する還元電位は、対極408を基準にした場合の還元電位、
又は電気化学セルに参照極を設けて、当該参照極を基準にした場合の還元電位とする。例
えば、対極408及び参照極をリチウム金属とする場合、供給する還元電位はリチウム金
属の酸化還元電位を基準とした還元電位(vs.Li/Li+)となる。本工程によって
、電気化学セル(閉回路)には、酸化グラフェンが還元される際に還元電流が流れる。そ
のため、酸化グラフェンの還元を確認するには、当該還元電流を連続的に確認すればよく
、還元電流が一定値を下回った状態(還元電流に対応するピークが消失した状態)を、酸
化グラフェンが還元された状態(還元反応が終了した状態)とすればよい。
The reduction method of graphene oxide will be specifically described with reference to FIG. 3 (B). The
The reduction potential of graphene oxide is supplied to the potential of 7 (working electrode), and the graphene oxide is reduced to graphene. The reduction potential to be supplied is the reduction potential when the
Alternatively, a reference electrode is provided in the electrochemical cell, and the reduction potential is used with the reference electrode as a reference. For example, when the
また、当該導電体407の電位を制御する際は、酸化グラフェンの還元電位以下に固定す
るだけではなく、酸化グラフェンの還元電位を含んで掃引してもよく、さらに当該掃引は
、サイクリックボルタンメトリのように周期的に繰り返してもよい。また、当該導電体4
07の電位の掃引速度に限定はない。なお、当該導電体407の電位の掃引を行う場合は
、高電位側から低電位側に掃引してもよいし、低電位側から高電位側に掃引してもよい。
Further, when controlling the potential of the
There is no limit to the sweep speed of the potential of 07. When sweeping the potential of the
酸化グラフェンの還元電位は、その酸化グラフェンの構成(官能基の有無など)、及び電
位制御の仕方(掃引速度など)によって値が多少異なるが、約2.0V(vs.Li/L
i+)程度である。具体的には、1.6V以上2.4V以下(vs.Li/Li+)の範
囲で上記導電体407の電位を制御すればよい。
The reduction potential of graphene oxide varies slightly depending on the composition of graphene oxide (presence or absence of functional groups, etc.) and the potential control method (sweep speed, etc.), but is approximately 2.0 V (vs. Li / L).
i + ). Specifically, the potential of the
以上の工程により、導電体407上にグラフェンを形成することができる。電気化学的還
元処理を行った場合、加熱処理によって形成したグラフェンに比べてsp2結合である二
重結合の炭素-炭素結合を有する割合が増大するため、導電性の高いグラフェンを負極活
物質層309上に形成することができる。
By the above steps, graphene can be formed on the
なお、導電体407上にグラフェンを形成した後、負極活物質層309にグラフェンを介
してリチウムをプレドープしてもよい。リチウムのプレドープ方法としては、スパッタリ
ング法により負極活物質層309表面にリチウム層を形成してもよい。または、負極活物
質層309の表面にリチウム箔を設けることで、負極活物質層309にリチウムをプレド
ープすることができる。
After forming graphene on the
セパレータ310は、セルロース(紙)、または空孔が設けられたポリプロピレン、ポリ
エチレン等の絶縁体を用いることができる。
As the
電解液は、電解質として、キャリアイオンを有する材料を用いる。電解質の代表例として
は、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、Li(C2F5SO2)2
N等のリチウム塩がある。
As the electrolytic solution, a material having carrier ions is used as the electrolyte. Typical examples of electrolytes include LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 .
There are lithium salts such as N.
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属
イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、電解質として、上記リチ
ウム塩において、リチウムの代わりに、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカリウム等
)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等)、ベリリウ
ム、またはマグネシウムを用いてもよい。
When the carrier ion is an alkali metal ion other than lithium ion, alkaline earth metal ion, beryllium ion, or magnesium ion, the above lithium salt as an electrolyte uses an alkali metal (for example, sodium or potassium) instead of lithium. Etc.), alkaline earth metals (eg, calcium, strontium, barium, etc.), beryllium, or magnesium may be used.
また、電解液の溶媒としては、キャリアイオンの移送が可能な材料を用いる。電解液の溶
媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては
、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジ
エチルカーボネート(DEC)、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタ
ン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。また
、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性等に対する安全性
が高まる。また、二次電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の
代表例としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレン
オキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等がある。また、電解液の溶
媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体(常温溶融塩)を一つまたは複数用いる
ことで、二次電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、二次電池の破
裂や発火などを防ぐことができる。
Further, as the solvent of the electrolytic solution, a material capable of transferring carrier ions is used. As the solvent of the electrolytic solution, an aprotic organic solvent is preferable. Typical examples of the aprotic organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate (DEC), γ-butyrolactone, acetonitrile, dimethoxyethane, tetrahydrofuran and the like, and one or more of them may be used. Can be used. Further, by using a gelled polymer material as the solvent of the electrolytic solution, the safety against liquid leakage and the like is enhanced. In addition, the secondary battery can be made thinner and lighter. Typical examples of the polymer material to be gelled include silicone gel, acrylic gel, acrylonitrile gel, polyethylene oxide, polypropylene oxide, and a fluorine-based polymer. In addition, by using one or more flame-retardant and flame-retardant ionic liquids (normal temperature molten salt) as the solvent of the electrolytic solution, the internal temperature rises due to internal short circuit of the secondary battery, overcharging, etc. However, it is possible to prevent the secondary battery from exploding or catching fire.
また、電解液の代わりに、硫化物系や酸化物系等の無機物材料を有する固体電解質や、P
EO(ポリエチレンオキシド)系等の高分子材料を有する固体電解質を用いることができ
る。固体電解質を用いる場合には、セパレータやスペーサの設置が不要となる。また、電
池全体を固体化できるため、漏液のおそれがなくなり安全性が飛躍的に向上する。
Further, instead of the electrolytic solution, a solid electrolyte having an inorganic material such as a sulfide type or an oxide type, or P.
A solid electrolyte having a polymer material such as EO (polyethylene oxide) can be used. When a solid electrolyte is used, it is not necessary to install a separator or a spacer. In addition, since the entire battery can be solidified, there is no risk of liquid leakage and safety is dramatically improved.
正極缶301、負極缶302には、二次電池の充放電時において電解液などの液体に対し
て耐腐食性を有するニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、当該金属の合金、当該金
属と他の金属との合金(例えば、ステンレスなど)、当該金属の積層、当該金属と前掲し
た合金との積層(例えば、ステンレス\アルミニウムなど)、当該金属と他の金属との積
層(例えば、ニッケル\鉄\ニッケルなど)を用いることができる。正極缶301は正極
304と、負極缶302は負極307とそれぞれ電気的に接続する。
The positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 include metals such as nickel, aluminum, and titanium, which have corrosion resistance against liquids such as electrolytic solutions during charging and discharging of the secondary battery, alloys of the metals, and the metals and others. Alloys with metals (eg, stainless steel, etc.), laminates of the metal, laminates of the metal with the alloys mentioned above (eg, stainless steel \ aluminum, etc.), laminates of the metal with other metals (eg, nickel \ iron \). Nickel, etc.) can be used. The positive electrode can 301 is electrically connected to the
これら負極307、正極304及びセパレータ310を電解質に含浸させ、図2(B)に
示すように、正極缶301を下にして正極304、セパレータ310、負極307、負極
缶302をこの順で積層し、正極缶301と負極缶302とをガスケット303を介して
圧着してコイン形の二次電池300を製造する。
The
次に、ラミネート型の二次電池の一例について、図4を参照して説明する。 Next, an example of the laminated type secondary battery will be described with reference to FIG.
図4に示すラミネート型の二次電池500は、正極集電体501および正極活物質層50
2を有する正極503と、負極集電体504および負極活物質層505を有する負極50
6と、セパレータ507と、電解液508と、外装体509と、を有する。外装体509
内に設けられた正極503と負極506との間にセパレータ507が設置されている。ま
た、外装体509内は、電解液508で満たされている。
The laminated type
A
It has 6, a
A
図4に示すラミネート型の二次電池500において、正極集電体501および負極集電体
504は、外部との電気的接触を得る端子の役割も兼ねている。そのため、正極集電体5
01および負極集電体504の一部は、外装体509から外側に露出するように配置され
る。
In the laminated type
The 01 and a part of the negative electrode
ラミネート型の二次電池500において、外装体509には、例えばポリエチレン、ポリ
プロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、ア
ルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金
属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹
脂膜を設けた三層構造のラミネートフィルムを用いることができる。このような三層構造
とすることで、電解液や気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解
液性を有する。
In the laminated
次に、円筒型の二次電池の一例について、図5を参照して説明する。円筒型の二次電池6
00は図5(A)に示すように、上面に正極キャップ(電池蓋)601を有し、側面及び
底面に電池缶(外装缶)602を有している。これら正極キャップと電池缶(外装缶)6
02とは、ガスケット(絶縁パッキン)610によって絶縁されている。
Next, an example of a cylindrical secondary battery will be described with reference to FIG. Cylindrical
As shown in FIG. 5A, 00 has a positive electrode cap (battery lid) 601 on the upper surface and a battery can (outer can) 602 on the side surface and the bottom surface. These positive electrode caps and battery cans (exterior cans) 6
02 is insulated by a gasket (insulating packing) 610.
図5(B)は、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶
602の内側には、帯状の正極604と負極606とがセパレータ605を間に挟んで捲
回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲
回されている。電池缶602は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶602には
、二次電池の充放電時において電解液などの液体に対して耐腐食性を有するニッケル、ア
ルミニウム、チタン等の金属、当該金属の合金、当該金属と他の金属との合金(例えば、
ステンレスなど)、当該金属の積層、当該金属と前掲した合金との積層(例えば、ステン
レス\アルミニウムなど)、当該金属と他の金属との積層(例えば、ニッケル\鉄\ニッ
ケルなど)を用いることができる。電池缶602の内側において、正極、負極及びセパレ
ータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板608、609により挟まれている
。また、電池素子が設けられた電池缶602の内部は、非水電解液(図示せず)が注入さ
れている。非水電解液は、コイン形やラミネート型の二次電池と同様のものを用いること
ができる。
FIG. 5B is a diagram schematically showing a cross section of a cylindrical secondary battery. Inside the hollow cylindrical battery can 602, a battery element in which a band-shaped
It is possible to use a laminate of the metal (eg, stainless steel, etc.), a laminate of the metal and the alloy described above (eg, stainless steel \ aluminum, etc.), a laminate of the metal and another metal (eg, nickel \ iron \ nickel, etc.). can. Inside the battery can 602, the battery element in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are wound is sandwiched between a pair of insulating
正極604及び負極606は、上述したコイン形の二次電池の正極及び負極と同様に製造
すればよいが、円筒型の二次電池に用いる正極及び負極は捲回するため、集電体の両面に
活物質を形成する点において異なる。正極604には正極端子(正極集電リード)603
が接続され、負極606には負極端子(負極集電リード)607が接続される。正極端子
603及び負極端子607は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる
。正極端子603は安全弁機構612に、負極端子607は電池缶602の底にそれぞれ
抵抗溶接される。安全弁機構612は、PTC素子(Positive Tempera
ture Coefficient)611を介して正極キャップ601と電気的に接続
されている。安全弁機構612は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キ
ャップ601と正極604との電気的な接続を切断するものである。また、PTC素子6
11は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流
量を制限して異常発熱を防止するものである。PTC素子には、チタン酸バリウム(Ba
TiO3)系半導体セラミックス等を用いることができる。
The
Is connected, and a negative electrode terminal (negative electrode current collector lead) 607 is connected to the
It is electrically connected to the
Reference numeral 11 denotes a heat-sensitive resistance element whose resistance increases when the temperature rises, and the increase in resistance limits the amount of current to prevent abnormal heat generation. The PTC element is barium titanate (Ba).
TiO 3 ) -based semiconductor ceramics and the like can be used.
なお、本実施の形態では、二次電池として、コイン形、ラミネート型及び円筒型の二次電
池を示したが、その他の封止型二次電池、角型二次電池等様々な形状の二次電池を用いる
ことができる。また、正極、負極、及びセパレータが複数積層された構造、正極、負極、
及びセパレータが捲回された構造であってもよい。
In the present embodiment, as the secondary battery, a coin-shaped, laminated-type, and cylindrical secondary battery is shown, but other sealed secondary batteries, square secondary batteries, and other secondary batteries having various shapes are shown. The next battery can be used. In addition, a structure in which a plurality of positive electrodes, negative electrodes, and separators are laminated, positive electrodes, negative electrodes,
And the structure may be such that the separator is wound.
本実施の形態で示す二次電池300、二次電池500、二次電池600の正極には、本発
明の一態様に係る正極が用いられている。そのため、二次電池300、二次電池500、
二次電池600の放電容量を高めることができる。
As the positive electrode of the
The discharge capacity of the
[薄型二次電池]
図6(A)に、蓄電装置の一例として、薄型の二次電池について示す。図6(A)は、薄
型の二次電池の一例を示す。薄型の二次電池は、可撓性を有する構成とすれば、可撓性を
有する部位を少なくとも一部有する電子機器に実装すれば、電子機器の変形に合わせて二
次電池も曲げることもできる。
[Thin secondary battery]
FIG. 6A shows a thin secondary battery as an example of the power storage device. FIG. 6A shows an example of a thin secondary battery. If the thin secondary battery is configured to have flexibility, the secondary battery can also be bent according to the deformation of the electronic device if it is mounted on an electronic device having at least a part of the flexible portion. ..
図6は薄型の二次電池500の外観図を示す。また、図7(A)および図7(B)は、図
6に一点鎖線で示すA1-A2断面およびB1-B2断面を示す。薄型の二次電池500
は、正極集電体501および正極活物質層502を有する正極503と、負極集電体50
4および負極活物質層505を有する負極506と、セパレータ507と、電解液508
と、外装体509と、を有する。外装体509内に設けられた正極503と負極506と
の間にセパレータ507が設置されている。また、外装体509内は、電解液508で満
たされている。
FIG. 6 shows an external view of the thin
Is a
A
And an
負極506または正極503の少なくとも一方には、本発明の一態様である酸化グラフェ
ンが含まれている。
At least one of the
図6(B)は、リード電極に集電体を溶接する例を示す。例として、正極集電体501を
正極リード電極510に溶接する例を示す。正極集電体501は、超音波溶接などを用い
て溶接領域512で正極リード電極510に溶接される。また、正極集電体501は、図
6(B)に示す湾曲部513を有することにより、二次電池500の作製後に外から力が
加えられて生じる応力を緩和することができ、二次電池500の信頼性を高めることがで
きる。
FIG. 6B shows an example of welding a current collector to a lead electrode. As an example, an example of welding the positive electrode
図6および図7に示す薄型の二次電池500において、正極リード電極510および負極
リード電極511を用いて正極集電体501、或いは負極集電体504と超音波接合させ
て正極リード電極510および負極リード電極511を外側に露出している。また、外部
との電気的接触を得る端子の役割を正極集電体501および負極集電体504で兼ねるこ
ともできる。その場合は、リード電極を用いずに、正極集電体501および負極集電体5
04の一部を外装体509から外側に露出するように配置してもよい。
In the thin
A part of 04 may be arranged so as to be exposed to the outside from the
また、図6では正極リード電極510と負極リード電極511は同じ辺に配置されている
が、図7に示すように、正極リード電極510と負極リード電極511を異なる辺に配置
してもよい。このように、本発明の一態様の二次電池は、リード電極を自由に配置するこ
とができるため、設計自由度が高い。よって、本発明の一態様の二次電池を用いた製品の
設計自由度を高めることができる。また、本発明の一態様の二次電池を用いた製品の生産
性を高めることができる。
Further, although the positive
薄型の二次電池500において、外装体509には、例えばポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる内面の上に、アルミ
ニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄
膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜
を設けた三層構造のフィルムを用いることができる。
In the thin
また図6では、一例として、向かい合う正極と負極の組の数を5組としているが、勿論、
電極の組は5組に限定されず、多くてもよいし、少なくてもよい。電極層数が多い場合に
は、より多くの容量を有する二次電池とすることができる。また、電極層数が少ない場合
には、薄型化でき、可撓性に優れた二次電池とすることができる。
Further, in FIG. 6, as an example, the number of pairs of positive electrodes and negative electrodes facing each other is set to 5, but of course.
The set of electrodes is not limited to five, and may be large or small. When the number of electrode layers is large, a secondary battery having a larger capacity can be used. Further, when the number of electrode layers is small, the thickness can be reduced and the secondary battery having excellent flexibility can be obtained.
上記構成において、二次電池の外装体509は、曲率半径10mm以上好ましくは曲率半
径30mm以上の範囲で変形することができる。二次電池の外装体であるフィルムは、1
枚または2枚で構成されており、積層構造の二次電池である場合、湾曲させた電池の断面
構造は、外装体であるフィルムの2つの曲線で挟まれた構造となる。
In the above configuration, the
In the case of a secondary battery having a laminated structure, which is composed of one or two batteries, the cross-sectional structure of the curved battery is a structure sandwiched between two curves of a film which is an exterior body.
面の曲率半径について、図8を用いて説明する。図8(A)において、曲面1700を切
断した平面1701において、曲面の形状である曲線1702の一部を円の弧に近似して
、その円の半径を曲率半径1703とし、円の中心を曲率中心1704とする。図8(B
)に曲面1700の上面図を示す。図8(C)に、平面1701で曲面1700を切断し
た断面図を示す。曲面を平面で切断するとき、切断する平面により、曲面の形状である曲
線の曲率半径は異なるものとなるが、曲面を、最も曲率半径の小さい曲線を有する平面で
切断したときにおいて、曲面の断面形状である曲線の曲率半径を面の曲率半径とする。
The radius of curvature of the surface will be described with reference to FIG. In FIG. 8A, in the
) Shows a top view of the
2枚のフィルムを外装体として電極・電解液など1805を挟む二次電池を湾曲させた場
合には、二次電池の曲率中心1800に近い側のフィルム1801の曲率半径1802は
、曲率中心1800から遠い側のフィルム1803の曲率半径1804よりも小さい(図
9(A))。二次電池を湾曲させて断面を円弧状とすると曲率中心1800に近いフィル
ムの表面には圧縮応力がかかり、曲率中心1800から遠いフィルムの表面には引っ張り
応力がかかる(図9(B))。外装体の表面に凹部または凸部で形成される模様を形成す
ると、このように圧縮応力や引っ張り応力がかかったとしても、ひずみによる影響を許容
範囲内に抑えることができる。そのため、二次電池は、曲率中心に近い側の外装体の曲率
半径が10mm以上好ましくは30mm以上となる範囲で変形することができる。
When a secondary battery sandwiching 1805 such as an electrode and an electrolytic solution is curved using two films as an exterior body, the radius of
なお、二次電池の断面形状は、単純な円弧状に限定されず、一部が円弧を有する形状にす
ることができ、例えば図9(C)に示す形状や、波状(図9(D))、S字形状などとす
ることもできる。二次電池の曲面が複数の曲率中心を有する形状となる場合は、複数の曲
率中心それぞれにおける曲率半径の中で、最も曲率半径が小さい曲面において、2枚の外
装体の曲率中心に近い方の外装体の曲率半径が、10mm以上好ましくは30mm以上と
なる範囲で二次電池が変形することができる。
The cross-sectional shape of the secondary battery is not limited to a simple arc shape, and can be a shape having an arc in part, for example, the shape shown in FIG. 9 (C) or the wavy shape (FIG. 9 (D)). ), S-shaped, etc. When the curved surface of the secondary battery has a shape having a plurality of centers of curvature, the curved surface having the smallest radius of curvature among the radii of curvature at each of the plurality of centers of curvature is closer to the center of curvature of the two exterior bodies. The secondary battery can be deformed within a range in which the radius of curvature of the exterior body is 10 mm or more, preferably 30 mm or more.
なお、本実施の形態では、二次電池として、コイン型、円筒型および薄型の二次電池を示
したが、その他の封止型二次電池、角型二次電池等様々な形状の二次電池を用いることが
できる。
In the present embodiment, as the secondary battery, a coin-type, a cylindrical-type, and a thin-type secondary battery are shown, but other sealed-type secondary batteries, square-type secondary batteries, and other secondary batteries having various shapes are shown. Batteries can be used.
(実施の形態5)
[二次電池の構成例]
図10及び図11に、薄型の二次電池の構成例を示す。図10(A)に示す捲回体993
は、負極994と、正極995と、セパレータ996と、を有する。
(Embodiment 5)
[Example of secondary battery configuration]
10 and 11 show a configuration example of a thin secondary battery. Winding
Has a
捲回体993は、セパレータ996を挟んで負極994と、正極995とが重なり合って
積層され、該積層シートを捲回したものである。この捲回体993を角型の封止容器など
で覆うことにより角型の二次電池が作製される。
The
なお、負極994、正極995及びセパレータ996からなる積層の積層数は、必要な容
量と素子体積に応じて適宜設計すればよい。負極994はリード電極997及びリード電
極998の一方を介して負極集電体(図示せず)に接続され、正極995はリード電極9
97及びリード電極998の他方を介して正極集電体(図示せず)に接続される。
The number of layers of the
It is connected to a positive electrode current collector (not shown) via the other of 97 and the
図10(B)及び(C)に示す二次電池990は、外装体となるフィルム981と、凹部
を有するフィルム982とを熱圧着などにより貼り合わせて形成される空間に上述した捲
回体993を収納したものである。捲回体993は、リード電極997及びリード電極9
98を有し、フィルム981と、凹部を有するフィルム982との内部で電解液に含浸さ
れる。
The
The electrolytic solution is impregnated inside the
フィルム981と、凹部を有するフィルム982は、例えばアルミニウムなどの金属材料
や樹脂材料を用いることができる。フィルム981及び凹部を有するフィルム982の材
料として樹脂材料を用いれば、外部から力が加わったときにフィルム981と、凹部を有
するフィルム982を変形させることができ、可撓性を有する二次電池を作製することが
できる。
As the
また、図10(B)及び(C)では2枚のフィルムを用いる例を示しているが、1枚のフ
ィルムを折り曲げることによって空間を形成し、その空間に上述した捲回体993を収納
してもよい。
Further, although FIGS. 10B and 10C show an example in which two films are used, a space is formed by bending one film, and the above-mentioned winding
また、薄型の二次電池のみが可撓性を有する蓄電装置ではなく、外装体や、封止容器を樹
脂材料などにすることによって可撓性を有する蓄電装置を作製することができる。ただし
、外装体や、封止容器を樹脂材料にする場合、外部に接続を行う部分は導電材料とする。
Further, it is possible to manufacture a flexible power storage device by using a resin material or the like for the exterior body or the sealing container, instead of the power storage device in which only the thin secondary battery has flexibility. However, when the exterior body or the sealing container is made of a resin material, the part to be connected to the outside is made of a conductive material.
例えば、可撓性を有する別の薄型二次電池の例を図11に示す。図11(A)の捲回体9
93は、図10(A)に示したものと同一であるため、詳細な説明は省略することとする
。
For example, FIG. 11 shows an example of another thin secondary battery having flexibility. Winding body 9 in FIG. 11 (A)
Since 93 is the same as that shown in FIG. 10 (A), detailed description thereof will be omitted.
図11(B)及び(C)に示す二次電池990は、外装体991の内部に上述した捲回体
993を収納したものである。捲回体993は、リード電極997及びリード電極998
を有し、外装体991、992の内部で電解液に含浸される。外装体991、992は、
例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることができる。外装体991、9
92の材料として樹脂材料を用いれば、外部から力が加わったときに外装体991、99
2を変形させることができ、可撓性を有する薄型二次電池を作製することができる。
[蓄電システムの構造例]
また、蓄電システムの構造例について、図12、図13、図14を用いて説明する。ここ
で蓄電システムとは、例えば、蓄電装置を搭載した機器を指す。
The
And is impregnated with the electrolytic solution inside the
For example, a metal material such as aluminum or a resin material can be used.
If a resin material is used as the material of 92, the
2 can be deformed, and a thin secondary battery having flexibility can be produced.
[Structural example of power storage system]
Further, a structural example of the power storage system will be described with reference to FIGS. 12, 13, and 14. Here, the power storage system refers to, for example, a device equipped with a power storage device.
図12(A)及び図12(B)は、蓄電システムの外観図を示す図である。蓄電システム
は、回路基板900と、二次電池913と、を有する。二次電池913には、ラベル91
0が貼られている。さらに、図12(B)に示すように、蓄電システムは、端子951と
、端子952と、を有し、ラベル910の裏にアンテナ914と、アンテナ915と、を
有する。
12 (A) and 12 (B) are views showing an external view of the power storage system. The power storage system includes a
0 is pasted. Further, as shown in FIG. 12B, the power storage system has a terminal 951 and a terminal 952, and has an
回路基板900は、端子911と、回路912と、を有する。端子911は、端子951
、端子952、アンテナ914、アンテナ915、及び回路912に接続される。なお、
端子911を複数設けて、複数の端子911のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子
などとしてもよい。
The
,
A plurality of
回路912は、回路基板900の裏面に設けられていてもよい。なお、アンテナ914及
びアンテナ915は、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、
平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、EHアンテナ、磁界アンテナ、誘電体
アンテナ等のアンテナを用いてもよい。又は、アンテナ914若しくはアンテナ915は
、平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体の一つとして機能する
ことができる。つまり、コンデンサの有する2つの導体のうちの一つの導体として、アン
テナ914若しくはアンテナ915を機能させてもよい。これにより、電磁界、磁界だけ
でなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。
The
Antennas such as a plane antenna, an open surface antenna, a traveling wave antenna, an EH antenna, a magnetic field antenna, and a dielectric antenna may be used. Alternatively, the
アンテナ914の線幅は、アンテナ915の線幅よりも大きいことが好ましい。これによ
り、アンテナ914により受電する電力量を大きくできる。
The line width of the
蓄電システムは、アンテナ914及びアンテナ915と、二次電池913との間に層91
6を有する。層916は、例えば二次電池913による電磁界の遮蔽を防止することがで
きる機能を有する。層916としては、例えば磁性体を用いることができる。層916を
遮蔽層としてもよい。
The power storage system includes a layer 91 between the
Has 6. The
なお、蓄電システムの構造は、図12に限定されない。 The structure of the power storage system is not limited to FIG.
例えば、図13(A-1)及び図13(A-2)に示すように、図12(A)及び図12
(B)に示す二次電池913のうち、対向する一対の面のそれぞれにアンテナを設けても
よい。図13(A-1)は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図13(
A-2)は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図12(A)及び
図12(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図12(A)及び図12(B)
に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。
For example, as shown in FIGS. 13 (A-1) and 13 (A-2), FIGS. 12 (A) and 12 (A).
Of the
A-2) is an external view seen from the other side of the pair of surfaces. The same parts as the power storage system shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B) are shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B).
The description of the power storage system shown in the above can be appropriately referred to.
図13(A-1)に示すように、二次電池913の一対の面の一方に層916を挟んでア
ンテナ914が設けられ、図13(A-2)に示すように、二次電池913の一対の面の
他方に層917を挟んでアンテナ915が設けられる。層917は、例えば二次電池91
3による電磁界の遮蔽を防止することができる機能を有する。層917としては、例えば
磁性体を用いることができる。層917を遮蔽層としてもよい。
As shown in FIG. 13 (A-1), the
It has a function of preventing the shielding of the electromagnetic field by 3. As the
上記構造にすることにより、アンテナ914及びアンテナ915の両方のサイズを大きく
することができる。
With the above structure, the sizes of both the
又は、図13(B-1)及び図13(B-2)に示すように、図12(A)及び図12(
B)に示す二次電池913のうち、対向する一対の面のそれぞれに別のアンテナを設けて
もよい。図13(B-1)は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図13
(B-2)は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図12(A)及
び図12(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図12(A)及び図12(B
)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。
Alternatively, as shown in FIGS. 13 (B-1) and 13 (B-2), FIGS. 12 (A) and 12 (
Of the
(B-2) is an external view seen from the other side of the pair of surfaces. The same parts as the power storage system shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B) are shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B).
) Can be appropriately referred to in the description of the power storage system.
図13(B-1)に示すように、二次電池913の一対の面の一方に層916を挟んでア
ンテナ914及びアンテナ915が設けられ、図13(A-2)に示すように、二次電池
913の一対の面の他方に層917を挟んでアンテナ918が設けられる。アンテナ91
8は、例えば、外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナ91
8には、例えばアンテナ914及びアンテナ915に適用可能な形状のアンテナを適用す
ることができる。アンテナ918を介した蓄電システムと他の機器との通信方式としては
、NFCなど、蓄電システムと他の機器の間で用いることができる応答方式などを適用す
ることができる。
As shown in FIG. 13 (B-1), the
Reference numeral 8 has, for example, a function capable of performing data communication with an external device. Antenna 91
For example, an antenna having a shape applicable to the
又は、図14(A)に示すように、図12(A)及び図12(B)に示す二次電池913
に表示装置920を設けてもよい。表示装置920は、端子919を介して端子911に
電気的に接続される。なお、表示装置920が設けられる部分にラベル910を設けなく
てもよい。なお、図12(A)及び図12(B)に示す蓄電システムと同じ部分について
は、図12(A)及び図12(B)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。
Or, as shown in FIG. 14 (A), the
May be provided with a
表示装置920には、例えば充電中であるか否かを示す画像、蓄電量を示す画像などを表
示してもよい。表示装置920としては、例えば電子ペーパー、液晶表示装置、エレクト
ロルミネセンス(ELともいう)表示装置などを用いることができる。例えば、電子ペー
パーを用いることにより表示装置920の消費電力を低減することができる。
The
又は、図14(B)に示すように、図12(A)及び図12(B)に示す二次電池913
にセンサ921を設けてもよい。センサ921は、端子922を介して端子911に電気
的に接続される。なお、センサ921は、ラベル910の裏側に設けられてもよい。なお
、図12(A)及び図12(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図12(A
)及び図12(B)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。
Or, as shown in FIG. 14 (B), the
The
) And the description of the power storage system shown in FIG. 12 (B) can be appropriately referred to.
センサ921としては、例えば、力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離
、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線
、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むものを用いることが
できる。センサ921を設けることにより、例えば、蓄電システムが置かれている環境を
示すデータ(温度など)を検出し、回路912内のメモリに記憶しておくこともできる。
The
本実施の形態で示す二次電池や蓄電システムには、本発明の一態様に係る電極が用いられ
ている。そのため、二次電池や蓄電システムの容量の大きくすることができる。また、エ
ネルギー密度を高めることができる。また、信頼性を高めることができる。また、寿命を
長くすることができる。
An electrode according to one aspect of the present invention is used in the secondary battery and the power storage system shown in the present embodiment. Therefore, the capacity of the secondary battery or the power storage system can be increased. In addition, the energy density can be increased. In addition, reliability can be improved. In addition, the life can be extended.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
(実施の形態6)
本発明の一態様に係る二次電池は、電力により駆動する様々な電気機器の電源として用い
ることができる。
(Embodiment 6)
The secondary battery according to one aspect of the present invention can be used as a power source for various electric devices driven by electric power.
本発明の一態様に係る二次電池を用いた電気機器の具体例として、テレビ、モニタ等の表
示装置、照明装置、デスクトップ型あるいはノート型のパーソナルコンピュータ、ワード
プロセッサ、DVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体
に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルCDプレーヤ、ラジオ
、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、置き時計、壁掛け時計、コードレス
電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、電卓、
携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタ
ルスチルカメラ、玩具、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電
気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコンディショナ、加湿器、除
湿器などの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、
電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、懐中電灯、チェーンソー等の電動工
具、煙感知器、透析装置等の医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベル
トコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電力の平
準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、二次電池か
らの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものと
する。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と電動機を併せ持った
ハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)、これらのタイヤ車
輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車
、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロ
ケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが挙げられる。
Specific examples of the electric device using the secondary battery according to one aspect of the present invention include a television, a display device such as a monitor, a lighting device, a desktop or notebook personal computer, a word processor, a DVD (Digital Versaille Disc), and the like. Image playback devices, portable CD players, radios, tape recorders, headphone stereos, stereos, table clocks, wall clocks, cordless telephone handsets, transceivers, portable radios, mobile phones, etc. Car phones, mobile game machines, computers,
Mobile information terminals, electronic notebooks, electronic books, electronic translators, voice input devices, video cameras, digital still cameras, toys, electric shavers, high-frequency heating devices such as microwave ovens, electric rice cookers, electric washing machines, electric vacuum cleaners, Air conditioners such as water heaters, electric fans, hair dryers, air conditioners, humidifiers, dehumidifiers, dishwashers, dish dryers, clothes dryers, duvet dryers, electric refrigerators,
Examples thereof include electric freezers, electric refrigerators and freezers, freezers for storing DNA, flashlights, electric tools such as chainsaws, smoke detectors, medical devices such as dialysis machines, and the like. Further examples include industrial equipment such as guide lights, traffic lights, conveyor belts, elevators, escalator, industrial robots, power storage systems, power leveling and power storage devices for smart grids. In addition, moving objects propelled by electric motors using electric power from secondary batteries are also included in the category of electrical equipment. Examples of the moving body include an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV) having both an internal combustion engine and an electric motor, a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a tracked vehicle in which these tire wheels are changed to an infinite track, and an electric assist. Examples include motorized bicycles including bicycles, motorcycles, electric wheelchairs, golf carts, small or large vessels, submarines, helicopters, aircraft, rockets, artificial satellites, space explorers and planetary explorers, and spacecraft.
なお、上記電気機器は、消費電力の殆ど全てを賄うための主電源として、本発明の一態様
に係る二次電池を用いることができる。あるいは、上記電気機器は、上記主電源や商用電
源からの電力の供給が停止した場合に、電気機器への電力の供給を行うことができる無停
電電源として、本発明の一態様に係る二次電池を用いることができる。あるいは、上記電
気機器は、上記主電源や商用電源からの電気機器への電力の供給と並行して、電気機器へ
の電力の供給を行うための補助電源として、本発明の一態様に係る二次電池を用いること
ができる。
The electric device can use the secondary battery according to one aspect of the present invention as a main power source for covering almost all of the power consumption. Alternatively, the electric device is a secondary power supply according to one aspect of the present invention as an uninterruptible power supply capable of supplying electric power to the electric device when the supply of electric power from the main power source or the commercial power source is stopped. Batteries can be used. Alternatively, the electric device according to one aspect of the present invention is used as an auxiliary power source for supplying electric power to the electric device in parallel with the supply of electric power from the main power source or the commercial power source to the electric device. The next battery can be used.
図15に、上記電気機器の具体的な構成を示す。図15において、表示装置700は、本
発明の一態様に係る二次電池704を用いた電気機器の一例である。具体的に、表示装置
700は、TV放送受信用の表示装置に相当し、筐体701、表示部702、スピーカ部
703、二次電池704等を有する。本発明の一態様に係る二次電池704は、筐体70
1の内部に設けられている。表示装置700は、商用電源から電力の供給を受けることも
できるし、二次電池704に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などに
より商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る二次電池70
4を無停電電源として用いることで、表示装置700の利用が可能となる。
FIG. 15 shows a specific configuration of the electric device. In FIG. 15, the
It is provided inside 1. The
By using 4 as an uninterruptible power supply, the
表示部702には、液晶表示装置、有機EL素子などの発光素子を各画素に備えた発光装
置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Devic
e)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field E
mission Display)などの、半導体表示装置を用いることができる。
The
e), PDP (Plasma Display Panel), FED (Field E)
A semiconductor display device such as a mission Display) can be used.
なお、表示装置には、TV放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など
、全ての情報表示用表示装置が含まれる。
The display device includes all information display devices such as those for receiving TV broadcasts, those for personal computers, and those for displaying advertisements.
図15において、据え付け型の照明装置710は、本発明の一態様に係る二次電池713
を用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置710は、筐体711、光源712
、二次電池713等を有する。図15では、二次電池713が、筐体711及び光源71
2が据え付けられた天井714の内部に設けられている場合を例示しているが、二次電池
713は、筐体711の内部に設けられていても良い。照明装置710は、商用電源から
電力の供給を受けることもできるし、二次電池713に蓄積された電力を用いることもで
きる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の
一態様に係る二次電池713を無停電電源として用いることで、照明装置710の利用が
可能となる。
In FIG. 15, the
It is an example of an electric device using. Specifically, the
,
Although the case where the
なお、図15では天井714に設けられた据え付け型の照明装置710を例示しているが
、本発明の一態様に係る二次電池は、天井714以外、例えば側壁715、床716、窓
717等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型の照明装置
などに用いることもできる。
Although FIG. 15 illustrates the
また、光源712には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる
。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、LEDや有機EL素子などの発光素
子が、上記人工光源の一例として挙げられる。
Further, as the
図15において、室内機720及び室外機724を有するエアコンディショナは、本発明
の一態様に係る二次電池723を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機720
は、筐体721、送風口722、二次電池723等を有する。図15では、二次電池72
3が、室内機720に設けられている場合を例示しているが、二次電池723は室外機7
24に設けられていても良い。あるいは、室内機720と室外機724の両方に、二次電
池723が設けられていても良い。エアコンディショナは、商用電源から電力の供給を受
けることもできるし、二次電池723に蓄積された電力を用いることもできる。特に、室
内機720と室外機724の両方に二次電池723が設けられている場合、停電などによ
り商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る二次電池723
を無停電電源として用いることで、エアコンディショナの利用が可能となる。
In FIG. 15, the air conditioner having the
Has a
Although the case where 3 is provided in the
It may be provided in 24. Alternatively, a
The air conditioner can be used by using the as an uninterruptible power supply.
なお、図15では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナを例
示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを1つの筐体に有する一体型のエアコンデ
ィショナに、本発明の一態様に係る二次電池を用いることもできる。
Although FIG. 15 illustrates a separate type air conditioner composed of an indoor unit and an outdoor unit, it is an integrated air conditioner battery having the functions of an indoor unit and an outdoor unit in one housing. A secondary battery according to one aspect of the present invention can also be used as the shoulder.
図15において、電気冷凍冷蔵庫730は、本発明の一態様に係る二次電池734を用い
た電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫730は、筐体731、冷蔵室用扉
732、冷凍室用扉733、二次電池734等を有する。図15では、二次電池734が
、筐体731の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫730は、商用電源から電力の供
給を受けることもできるし、二次電池734に蓄積された電力を用いることもできる。よ
って、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に
係る二次電池734を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷蔵庫730の利用が可
能となる。
In FIG. 15, the electric refrigerator-
なお、上述した電気機器のうち、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器などの電気
機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助
するための補助電源として、本発明の一態様に係る二次電池を用いることで、電気機器の
使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。
Among the above-mentioned electric devices, high-frequency heating devices such as microwave ovens and electric devices such as electric rice cookers require high electric power in a short time. Therefore, by using the secondary battery according to one aspect of the present invention as an auxiliary power source for assisting the electric power that cannot be covered by the commercial power source, it is possible to prevent the breaker of the commercial power source from being tripped when the electric device is used. ..
また、電気機器が使用されない時間帯、特に、商用電源の供給元が供給可能な総電力量の
うち、実際に使用される電力量の割合(電力使用率と呼ぶ)が低い時間帯において、二次
電池に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑える
ことができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫730の場合、気温が低く、冷蔵室用扉732、
冷凍室用扉733の開閉が行われない夜間において、二次電池734に電力を蓄える。そ
して、気温が高くなり、冷蔵室用扉732、冷凍室用扉733の開閉が行われる昼間にお
いて、二次電池734を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率を低く抑えるこ
とができる。
Also, during times when electrical equipment is not used, especially during times when the ratio of the amount of power actually used (called the power usage rate) to the total amount of power that can be supplied by the commercial power supply source is low. By storing power in the next battery, it is possible to suppress an increase in the power usage rate outside the above time zone. For example, in the case of the electric refrigerator /
Electric power is stored in the
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
(実施の形態7)
次に、電気機器の一例である携帯情報端末について、図16を用いて説明する。
(Embodiment 7)
Next, a mobile information terminal, which is an example of an electric device, will be described with reference to FIG.
図16(A)及び図16(B)に2つ折り可能なタブレット型端末800を示す。図16
(A)は、開いた状態であり、タブレット型端末800は、筐体801、表示部802a
、表示部802b、表示モード切り替えスイッチ803、電源スイッチ804、省電力モ
ード切り替えスイッチ805、操作スイッチ807、を有する。
16 (A) and 16 (B) show a
(A) is an open state, and the
It has a
表示部802aは、一部をタッチパネルの領域808aとすることができ、表示された操
作キー809にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部802aにお
いては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチ
パネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部802aの全て
の領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部802aの全面
をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部802bを表示画面として用い
ることができる。
A part of the
また、表示部802bにおいても表示部802aと同様に、表示部802bの一部をタッ
チパネルの領域808bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り
替えボタン810が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部80
2bにキーボードボタン表示することができる。
Further, in the
A keyboard button can be displayed on 2b.
また、タッチパネルの領域808aとタッチパネルの領域808bに対して同時にタッチ
入力することもできる。
Further, touch input can be simultaneously performed on the
また、表示モード切り替えスイッチ803は、縦表示または横表示などの表示の向きを切
り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイ
ッチ805は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光
量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだ
けでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵
させてもよい。
Further, the display
また、図16(A)では表示部802bと表示部802aの表示面積が同じ例を示してい
るが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品
質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとし
てもよい。
Further, FIG. 16A shows an example in which the display areas of the
図16(B)は、閉じた状態であり、タブレット型端末800は、筐体801、太陽電池
811、充放電制御回路850、バッテリー851、DCDCコンバータ852を有する
。なお、図16(B)では充放電制御回路850の一例としてバッテリー851、DCD
Cコンバータ852を有する構成について示しており、バッテリー851は、上記実施の
形態で説明した二次電池を有している。
FIG. 16B shows a closed state, and the
The configuration having the
なお、タブレット型端末800は2つ折り可能なため、未使用時に筐体801を閉じた状
態にすることができる。従って、表示部802a、表示部802bを保護できるため、耐
久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末800を提供するこ
とができる。
Since the
また、この他にも図16(A)及び図16(B)に示したタブレット型端末は、様々な情
報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻など
を表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入
力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有するこ
とができる。
In addition to this, the tablet-type terminals shown in FIGS. 16A and 16B have a function of displaying various information (still images, moving images, text images, etc.), a calendar, a date, a time, and the like. It can have a function of displaying on a display unit, a touch input function of performing a touch input operation or editing information displayed on the display unit, a function of controlling processing by various software (programs), and the like.
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池811によって、電力をタッチパネル、表
示部、または映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池811は、筐体
801の片面又は両面に設けることができ、バッテリー851の充電を効率的に行う構成
とすることができるため好適である。なおバッテリー851としては、本発明の一態様に
係る二次電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
The
また、図16(B)に示す充放電制御回路850の構成、及び動作について図16(C)
にブロック図を示し説明する。図16(C)には、太陽電池811、バッテリー851、
DCDCコンバータ852、コンバータ853、スイッチSW1乃至SW3、表示部80
2について示しており、バッテリー851、DCDCコンバータ852、コンバータ85
3、スイッチSW1乃至SW3が、図16(B)に示す充放電制御回路850に対応する
箇所となる。
Further, the configuration and operation of the charge /
A block diagram will be shown and explained in. In FIG. 16C, the
2 is shown,
3. The switches SW1 to SW3 correspond to the charge /
まず、外光により太陽電池811により発電がされる場合の動作の例について説明する。
太陽電池で発電した電力は、バッテリー851を充電するための電圧となるようDCDC
コンバータ852で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部802の動作に太陽電池
811からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ853で表
示部802に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部802での表
示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにしてバッテリー851の充電を
行う構成とすればよい。
First, an example of operation when power is generated by the
The power generated by the solar cell is DCDC so that it becomes the voltage for charging the
The
なお、太陽電池811については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧
電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段によるバッ
テリー851の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受信
して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成と
してもよい。
The
また、上記実施の形態で説明した二次電池を具備していれば、図16に示した電気機器に
特に限定されないことは言うまでもない。
Further, it goes without saying that the electric device shown in FIG. 16 is not particularly limited as long as the secondary battery described in the above embodiment is provided.
(実施の形態8)
さらに、電気機器の一例である移動体の例について、図17を用いて説明する。
(Embodiment 8)
Further, an example of a moving body, which is an example of an electric device, will be described with reference to FIG.
先の実施の形態で説明した二次電池を制御用のバッテリーに用いることができる。制御用
のバッテリーは、プラグイン技術や非接触給電による外部からの電力供給により充電をす
ることができる。なお、移動体が鉄道用電気車両の場合、架線や導電軌条からの電力供給
により充電をすることができる。
The secondary battery described in the previous embodiment can be used as the control battery. The control battery can be charged by external power supply using plug-in technology or contactless power supply. If the moving body is an electric vehicle for railways, it can be charged by supplying electric power from an overhead wire or a conductive rail.
図17(A)及び(B)は、電気自動車の一例を示している。電気自動車860には、バ
ッテリー861が搭載されている。バッテリー861の電力は、制御回路862により出
力が調整されて、駆動装置863に供給される。制御回路862は、図示しないROM、
RAM、CPU等を有する処理装置864によって制御される。
17 (A) and 17 (B) show an example of an electric vehicle. The
It is controlled by a
駆動装置863は、直流電動機若しくは交流電動機単体、又は電動機と内燃機関と、を組
み合わせて構成される。処理装置864は、電気自動車860の運転者の操作情報(加速
、減速、停止など)や走行時の情報(上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報
など)の入力情報に基づき、制御回路862に制御信号を出力する。制御回路862は、
処理装置864の制御信号により、バッテリー861から供給される電気エネルギーを調
整して駆動装置863の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示してい
ないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。
The
The control signal of the
バッテリー861は、プラグイン技術による外部からの電力供給により充電することがで
きる。例えば、商用電源から電源プラグを通じてバッテリー861に充電する。充電は、
AC/DCコンバータ等の変換装置を介して、一定の電圧値を有する直流定電圧に変換し
て行うことができる。バッテリー861として、本発明の一態様に係る二次電池を搭載す
ることで、電池の高容量化などに寄与することができ、利便性を向上させることができる
。また、バッテリー861の特性の向上により、バッテリー861自体を小型軽量化でき
れば、車両の軽量化に寄与するため、燃費を向上させることができる。
The
It can be converted into a DC constant voltage having a constant voltage value via a conversion device such as an AC / DC converter. By mounting the secondary battery according to one aspect of the present invention as the
なお、本発明の一態様の二次電池を具備していれば、上記で示した電子機器に特に限定さ
れないことは言うまでもない。
Needless to say, the secondary battery of one aspect of the present invention is not particularly limited to the electronic devices shown above.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
(実施の形態9)
本実施の形態では、可撓性を有する二次電池を電子機器に実装する例について説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, an example of mounting a flexible secondary battery in an electronic device will be described.
実施の形態3に示す可撓性を有する二次電池を電子機器に実装する例を図18に示す。フ
レキシブルな形状を備える蓄電装置を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装
置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタ
ルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携
帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機など
の大型ゲーム機などが挙げられる。
FIG. 18 shows an example of mounting the flexible secondary battery shown in the third embodiment on an electronic device. Electronic devices to which a power storage device with a flexible shape is applied include, for example, television devices (also referred to as televisions or television receivers), monitors for computers, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones. (Also referred to as a mobile phone or a mobile phone device), a portable game machine, a mobile information terminal, a sound reproduction device, a large game machine such as a pachinko machine, and the like can be mentioned.
また、フレキシブルな形状を備える蓄電装置を、家屋やビルの内壁または外壁や、自動車
の内装または外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。
It is also possible to incorporate a power storage device having a flexible shape along the inner or outer wall of a house or building, or along the curved surface of the interior or exterior of an automobile.
図18(A)は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機7400は、筐体7401
に組み込まれた表示部7402の他、操作ボタン7403、外部接続ポート7404、ス
ピーカ7405、マイク7406などを備えている。なお、携帯電話機7400は、蓄電
装置7407を有している。
FIG. 18A shows an example of a mobile phone. The
In addition to the
図18(B)は、携帯電話機7400を湾曲させた状態を示している。携帯電話機740
0を外部の力により変形させて全体を湾曲させると、その内部に設けられている蓄電装置
7407も湾曲される。また、その時、曲げられた蓄電装置7407の状態を図18(C
)に示す。蓄電装置7407は薄型の二次電池である。蓄電装置7407は曲げられた状
態で固定されている。なお、蓄電装置7407は集電体7409と電気的に接続されたリ
ード電極7408を有している。例えば、集電体7409は銅箔であり、一部ガリウムと
合金化させて、集電体7409と接する活物質層との密着性を向上し、蓄電装置7407
が曲げられた状態での信頼性が高い構成となっている。
FIG. 18B shows a state in which the
When 0 is deformed by an external force to bend the whole, the
). The
It has a highly reliable configuration in the bent state.
図18(D)は、バングル型の表示装置の一例を示している。携帯表示装置7100は、
筐体7101、表示部7102、操作ボタン7103、及び蓄電装置7104を備える。
また、図18(E)に曲げられた蓄電装置7104の状態を示す。蓄電装置7104は曲
げられた状態で使用者の腕への装着時に、筐体が変形して蓄電装置7104の一部または
全部の曲率が変化する。なお、曲線の任意の点における曲がり具合を相当する円の半径の
値で表したものを曲率半径であり、曲率半径の逆数を曲率と呼ぶ。具体的には、曲率半径
が40mm以上150mm以下の範囲内で筐体または蓄電装置7104の主表面の一部ま
たは全部が変化する。蓄電装置7104の主表面における曲率半径が40mm以上150
mm以下の範囲であれば、高い信頼性を維持できる。
FIG. 18D shows an example of a bangle type display device. The
It includes a
Further, FIG. 18 (E) shows the state of the
High reliability can be maintained if the range is mm or less.
図18(F)は、腕時計型の携帯情報端末の一例を示している。携帯情報端末7200は
、筐体7201、表示部7202、バンド7203、バックル7204、操作ボタン72
05、入出力端子7206などを備える。
FIG. 18F shows an example of a wristwatch-type personal digital assistant. The
05, input /
携帯情報端末7200は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インタ
ーネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができ
る。
The personal
表示部7202はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うこ
とができる。また、表示部7202はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に
触れることで操作することができる。例えば、表示部7202に表示されたアイコン72
07に触れることで、アプリケーションを起動することができる。
The
You can start the application by touching 07.
操作ボタン7205は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ
動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持
たせることができる。例えば、携帯情報端末7200に組み込まれたオペレーションシス
テムにより、操作ボタン7205の機能を自由に設定することもできる。
In addition to setting the time, the
また、携帯情報端末7200は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能で
ある。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで
通話することもできる。
Further, the
また、携帯情報端末7200は入出力端子7206を備え、他の情報端末とコネクターを
介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子7206を介して充電
を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子7206を介さずに無線給電により行
ってもよい。
Further, the
携帯情報端末7200の表示部7202には、本発明の一態様の電極部材を備える蓄電装
置を有している。例えば、図18(E)に示した蓄電装置7104を、筐体7201の内
部に湾曲した状態で、またはバンド7203の内部に湾曲可能な状態で組み込むことがで
きる。
The
図18(G)は、腕章型の表示装置の一例を示している。表示装置7300は、表示部7
304を有し、本発明の一態様の蓄電装置を有している。また、表示装置7300は、表
示部7304にタッチセンサを備えることもでき、また、携帯情報端末として機能させる
こともできる。
FIG. 18G shows an example of an armband-shaped display device. The
It has 304 and has a power storage device of one aspect of the present invention. Further, the
表示部7304はその表示面が湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことが
できる。また、表示装置7300は、通信規格された近距離無線通信などにより、表示状
況を変更することができる。
The display surface of the
また、表示装置7300は入出力端子を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接デ
ータのやりとりを行うことができる。また入出力端子を介して充電を行うこともできる。
なお、充電動作は入出力端子を介さずに無線給電により行ってもよい。
Further, the
The charging operation may be performed by wireless power supply without going through the input / output terminals.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である This embodiment can be implemented in combination with other embodiments as appropriate.
以下、本発明の一態様について実施例を用いて具体的に説明する。
<酸化グラフェンの合成>
まず、以下の方法により酸化グラフェンを合成した。はじめに、4gのグラファイト(株
式会社中越黒鉛工業所製、BF-40AK)と138mLの濃硫酸(関東化学株式会社製
、96%)を混合した。次に、氷浴中で撹拌しながら18gの過マンガン酸カリウム(キ
シダ化学株式会社製、99%)を加えた。更に、氷浴を取り除き、25℃で2.5時間撹
拌して、混合液を得た。
Hereinafter, one aspect of the present invention will be specifically described with reference to examples.
<Synthesis of graphene oxide>
First, graphene oxide was synthesized by the following method. First, 4 g of graphite (manufactured by Chuetsu Graphite Industry Co., Ltd., BF-40AK) and 138 mL of concentrated sulfuric acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., 96%) were mixed. Next, 18 g of potassium permanganate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., 99%) was added while stirring in an ice bath. Further, the ice bath was removed and the mixture was stirred at 25 ° C. for 2.5 hours to obtain a mixed solution.
次に、得られた混合液を氷浴中で撹拌しながら276mLの純水をゆっくり加えて希釈し
た。次に、およそ95℃のオイルバス中で15分撹拌して反応させた後、400mLの純
水で希釈し、更に54mLの過酸化水素水(三菱ガス化学株式会社製、濃度31wt%)
を加えて未反応の過マンガン酸カリウムを失活させ、混合液を得た。目の粗さが0.45
μmのメンブレンフィルターで得られた混合液を吸引濾過して沈殿物を回収した。
Next, the obtained mixture was slowly added with 276 mL of pure water while stirring in an ice bath to dilute it. Next, the mixture was stirred and reacted in an oil bath at about 95 ° C. for 15 minutes, diluted with 400 mL of pure water, and further diluted with 54 mL of hydrogen peroxide solution (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc., concentration 31 wt%).
Was added to inactivate unreacted potassium permanganate to obtain a mixed solution. The roughness of the eyes is 0.45
The mixed solution obtained with a μm membrane filter was suction-filtered to collect the precipitate.
得られた沈殿物を3.5%塩酸(和光純薬工業株式会社)で洗浄した後、沈殿物およそ5
g当たり500mLの純水を加えた後に遠心分離し、沈殿物を回収するという操作を複数
回行ない、沈殿物である酸化グラフェンを洗浄した。その後、エバポレートし、乾燥させ
て酸化グラフェンを得た。これをGO1-6とする。
After washing the obtained precipitate with 3.5% hydrochloric acid (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), the precipitate is approximately 5
After adding 500 mL of pure water per g, the mixture was centrifuged to collect the precipitate multiple times, and the graphene oxide, which was the precipitate, was washed. Then, it was evaporated and dried to obtain graphene oxide. This is referred to as GO1-6.
GO1-6と同様に、原料グラファイト4gに対して過マンガン酸カリウム12gを濃硫
酸138mL中で25℃4.5時間反応させ、希釈後に過酸化水素水36mLで失活して
得られた酸化グラフェンをGO2-6とする。
Similar to GO1-6, 12 g of potassium permanganate was reacted with 4 g of raw material graphite in 138 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 4.5 hours, diluted and then deactivated with 36 mL of hydrogen peroxide solution to obtain graphene oxide. Is GO2-6.
GO1-6と同様に、原料グラファイト4gに対して過マンガン酸カリウム8gを濃硫酸
138mL中で25℃4.5時間反応させ、希釈後に過酸化水素水24mLで失活して得
られた酸化グラフェンをGO3-6とする。
Similar to GO1-6, 8 g of potassium permanganate was reacted with 4 g of raw material graphite in 138 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 4.5 hours, diluted and then deactivated with 24 mL of hydrogen peroxide solution to obtain graphene oxide. Is GO3-6.
GO1-6と同様に、原料グラファイト2gに対して過マンガン酸カリウム12gを濃硫
酸92mL中で25℃2時間および35℃0.5時間反応させ、希釈後に過酸化水素水3
6mLで失活して得られた酸化グラフェンをGO4-6とする。
Similar to GO1-6, 12 g of potassium permanganate was reacted with 2 g of raw material graphite in 92 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C for 2 hours and 35 ° C for 0.5 hours, and after dilution,
The graphene oxide obtained by deactivating with 6 mL is referred to as GO4-6.
<XPS>
上記の酸化グラフェンをX線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelec
tron Spectroscopy)により測定した。測定は、X線源として単色光
Al(1486.6eV)を用い、測定面積100μm径、取り出し角45°として行な
った。測定結果の元素比を表1に、結合状態の解析結果を表2に示す。なお、酸化グラフ
ェンにはHが含まれるがXPSでは検出されない事に留意されたい。また組成の誤差は±
1atm%程度である。
<XPS>
The above graphene oxide is subjected to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron).
It was measured by tron spectroscopy). The measurement was performed using monochromatic light Al (1486.6 eV) as an X-ray source with a measurement area of 100 μm and a take-out angle of 45 °. Table 1 shows the element ratios of the measurement results, and Table 2 shows the analysis results of the bond state. It should be noted that graphene oxide contains H but is not detected by XPS. The composition error is ±
It is about 1 atm%.
表1に於いて、C/Oは単にCとOの元素比を数値化したものになる。例えば、GO3-
6では誤差を含めて考えると、C/Oは3.4~3.8となるが、考慮しない数値で記載
した。表2は波形分離解析結果によるものであり、通常誤差は±3%程度であるが、C=
Cのピークのケミカルシフトは小さいので誤差は大きくなる。
In Table 1, C / O is simply a numerical value of the element ratio of C and O. For example, GO3-
In No. 6, the C / O is 3.4 to 3.8 when the error is included, but the values are not taken into consideration. Table 2 is based on the results of waveform separation analysis, and the error is usually about ± 3%, but C =
Since the chemical shift of the peak of C is small, the error is large.
GO3-6では組成比C/Oは他条件とは明らかに異なる値となった。また結合状態から
sp2結合が10%以上検出され、未反応部位が多く残されている事が分かる。
In GO3-6, the composition ratio C / O was clearly different from other conditions. Further, it can be seen that 10% or more of sp2 bonds are detected from the bound state, and many unreacted sites remain.
<滴定>
上記反応における酸化剤のKMnO4(濃硫酸下ではMn2O7)の反応量について調べ
た結果について示す。即ち、反応中の溶液を多量の純水に滴下し、得られた上澄み液を過
酸化水素水を用いて比色滴定した。反応条件はグラファイト4g、濃硫酸138mL、温
度25℃に固定して、過マンガン酸カリウム量を8g、10g、12g、15g、18g
と条件振りした。基質グラファイト重量当たりに消費された過マンガン酸カリウム量と反
応時間の関係を図19に示す。なお、図中白抜きで表した測定点は、過マンガン酸カリウ
ムが検出できなかったことを表す。なお、酸化剤18gの系においてはすべての測定点に
おいて過マンガン酸カリウムが検出されている。
<Titration>
The results of investigating the reaction amount of the oxidizing agent KMnO 4 (Mn 2O 7 under concentrated sulfuric acid) in the above reaction are shown below. That is, the solution being reacted was dropped onto a large amount of pure water, and the obtained supernatant was colorimetrically titrated using hydrogen peroxide solution. The reaction conditions were fixed at 4 g of graphite, 138 mL of concentrated sulfuric acid, and a temperature of 25 ° C., and the amount of potassium permanganate was 8 g, 10 g, 12 g, 15 g, and 18 g.
I shook the condition. The relationship between the amount of potassium permanganate consumed per weight of the substrate graphite and the reaction time is shown in FIG. The measurement points shown in white in the figure indicate that potassium permanganate could not be detected. In the system of 18 g of oxidizing agent, potassium permanganate was detected at all the measuring points.
図19で、酸化剤濃度は変化しているが、酸化剤消費速度には変化は見られず、反応速度
は黒鉛に依存すると考えられる。また黒鉛4gに対して過マンガン酸カリウム15g以下
の場合、反応時間4.5時間で溶液中には過マンガン酸カリウム(反応液中のMn2O7
)は検出されなかった。なお、滴定時には沈殿物を除去しているため、グラファイト中、
或いはグラファイトに結合している酸化剤は検出されない事に留意されたい。
In FIG. 19, although the oxidant concentration has changed, no change has been observed in the oxidant consumption rate, and it is considered that the reaction rate depends on graphite. When potassium permanganate is 15 g or less with respect to 4 g of graphite, the reaction time is 4.5 hours and potassium permanganate (Mn 2 O 7 in the reaction solution) is contained in the solution.
) Was not detected. In addition, since the precipitate is removed at the time of titration, in graphite,
Alternatively, note that no oxidant bound to graphite is detected.
<FT-IR>
次に、赤外線吸収スペクトル法(FT-IR)により分析した。即ちフーリエ変換赤外分
光器(Nicolet製 Nexus670)を用い、一回反射ATR法(プリズム:
Ge)にて酸化グラフェン膜を測定した。
<FT-IR>
Next, it was analyzed by infrared absorption spectroscopy (FT-IR). That is, a single reflection ATR method (prism:
The graphene oxide film was measured with Ge).
GO1-6と同様に、原料グラファイト4gに対して過マンガン酸カリウム18gを濃硫
酸138mL中で25℃4.5時間反応させ、希釈後に過酸化水素水54mLで失活して
得られた酸化グラフェンをGO1-6aとする。更にGO1-6aに1-メチル-2-ピ
ロリドン(NMP)を加え、混練して分散させたスラリーをポリイミドフィルム(カプト
ン(登録商標)Hタイプ)にブレード法にて塗工、乾燥させた膜をGO1-7とする。
Similar to GO1-6, 18 g of potassium permanganate was reacted with 4 g of raw material graphite in 138 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 4.5 hours, diluted and then deactivated with 54 mL of hydrogen peroxide solution to obtain graphene oxide. Is GO1-6a. Further, 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to GO1-6a, and the slurry that was kneaded and dispersed was coated on a polyimide film (Kapton (registered trademark) H type) by a blade method and dried. It is GO1-7.
GO3-6にNMPを加え、混練して分散させたスラリーをポリイミドフィルムにブレー
ド法にて塗工、乾燥させた膜をGO3-7とする。
NMP is added to GO3-6, and the slurry that has been kneaded and dispersed is coated on a polyimide film by a blade method, and the dried film is designated as GO3-7.
原料グラファイト4gに対して過マンガン酸カリウム18gを濃硫酸138mL中で25
℃4.5時間反応させ、希釈後に過酸化水素水54mLで失活して得られた酸化グラフェ
ンをGO5-6とする。更にGO5-6にNMPを加え、混練して分散させたスラリーを
ポリイミドフィルムにブレード法にて塗工、乾燥させた膜をGO5-7とする。
25 g of potassium permanganate in 138 mL of concentrated sulfuric acid for 4 g of raw material graphite
The graphene oxide obtained by reacting at ° C. for 4.5 hours and deactivating with 54 mL of hydrogen peroxide solution after dilution is designated as GO5-6. Further, NMP is added to GO5-6, and the slurry which has been kneaded and dispersed is coated on a polyimide film by a blade method, and the dried film is designated as GO5-7.
原料グラファイト4gに対して過マンガン酸カリウム21gを濃硫酸138mL中で25
℃24時間反応させ、希釈後に過酸化水素水63mLで失活して得られた酸化グラフェン
をGO6-6とする。更にGO6-6にNMPを加え、混練して分散させたスラリーをポ
リイミドフィルムにブレード法にて塗工、乾燥させた膜をGO6-7とする。
25 g of potassium permanganate in 138 mL of concentrated sulfuric acid for 4 g of raw material graphite
The graphene oxide obtained by reacting at ° C. for 24 hours and deactivating with 63 mL of hydrogen peroxide solution after dilution is designated as GO6-6. Further, NMP is added to GO6-6, and the slurry which has been kneaded and dispersed is coated on a polyimide film by a blade method, and the dried film is referred to as GO6-7.
以上のGO1-7、GO3-7、GO5-7、GO6-7のFT-IR測定結果にベース
ライン補正で解析した結果を図20に示す。XPSで明らかな未酸化部位の存在が示唆さ
れたGO3-7は3000~1300cm-1に幅広くなだらかなピークを持ち、散乱成
分が疑われるスペクトルとなった。希釈して95℃15分撹拌する際に溶液中の過マンガ
ン酸カリウムが全て消費されていた6-7は1570cm-1にピークを持たず、過マン
ガン酸カリウム存在下で95℃15分の撹拌を行なったGO1-7、GO5-7は157
0cm-1にピークを持つ結果となった。
FIG. 20 shows the results of baseline correction analysis of the above FT-IR measurement results of GO1-7, GO3-7, GO5-7, and GO6-7. GO3-7, which was suggested by XPS to have a clear unoxidized site, had a wide and gentle peak in the range of 3000 to 1300 cm -1 , and the spectrum was suspected to have a scattering component. 6-7, which had consumed all of the potassium permanganate in the solution when diluted and stirred at 95 ° C for 15 minutes, did not have a peak at 1570 cm -1 , and was stirred at 95 ° C for 15 minutes in the presence of potassium permanganate. GO1-7 and GO5-7 were 157
The result was that it had a peak at 0 cm -1 .
<比抵抗測定>
上記のGO1-6を真空下にて170℃10時間加熱する事で酸化グラフェンの還元を行
なった。更に5mm径のペレットダイスに得られた試料を詰め、油圧式ポンプで10分加
圧し、解放後、再度10分加圧してRGOペレット1-8を作製した。この時、粉体に加
わる単位面積当たりの圧力は約7.5Mgf/cm2であった。同様にGO2-6からR
GOペレット2-8を、GO3-6からRGOペレット3-8を、GO5-6からRGO
ペレット5-8を作製した。
<Measurement of resistivity>
Graphene oxide was reduced by heating the above GO1-6 under vacuum at 170 ° C. for 10 hours. Further, the obtained sample was packed in a pellet die having a diameter of 5 mm, pressurized with a hydraulic pump for 10 minutes, released, and then pressed again for 10 minutes to prepare RGO pellets 1-8. At this time, the pressure per unit area applied to the powder was about 7.5 Mgf / cm 2 . Similarly, GO2-6 to R
GO pellets 2-8, GO3-6 to RGO pellets 3-8, GO5-6 to RGO
Pellets 5-8 were made.
得られたRGOペレット1-8、RGOペレット2-8、RGOペレット3-8、RGO
ペレット5-9の比抵抗を、直流四端子van der Pauw 法により測定した。
比抵抗測定には、ResiTest8300(東陽テクニカ社製)を用いた。
Obtained RGO pellets 1-8, RGO pellets 2-8, RGO pellets 3-8, RGO
The specific resistance of pellets 5-9 was measured by the DC four-terminal van der Pauw method.
A Resist8300 (manufactured by Toyo Corporation) was used for the resistivity measurement.
比抵抗の測定結果を表3に示す。 Table 3 shows the measurement results of resistivity.
同じ還元条件であるが、得られたグラフェン(RGO)の抵抗率には大きな差が見られた
。即ち、未酸化部位を残したRGOペレット3-9では明らかに比抵抗が低くなった。グ
ラフェンの導電性は構成する炭素(C)のC=Cによるsp2結合の割合に強い相関があ
り、C=Cによるsp2結合の割合が多いほど導電性は高くなる傾向にあることが知られ
ている。XPS分析結果やFT-IR分析と相関のある結果となった。これらからGO3
-6は電気伝導度の高いグラフェンを得られやすい酸化グラフェンであると言える。
Under the same reduction conditions, there was a large difference in the resistivity of the obtained graphene (RGO). That is, the resistivity was clearly low in the RGO pellets 3-9 in which the unoxidized portion was left. It is known that the conductivity of graphene has a strong correlation with the proportion of sp2 bonds due to C = C of the constituent carbon (C), and that the greater the proportion of sp2 bonds due to C = C, the higher the conductivity tends to be. There is. The results were correlated with the XPS analysis results and the FT-IR analysis. From these GO3
It can be said that -6 is graphene oxide in which graphene having high electrical conductivity can be easily obtained.
(分散性評価)
未酸化部位を多く残した場合、剥離や溶媒への分散が悪くなる事が懸念材料として挙げら
れる。これらについて評価するため、二次電池の導電助剤に用いて電池特性を評価した。
(Dispersity evaluation)
If a large amount of unoxidized sites are left, peeling and dispersion in a solvent may be deteriorated, which is a cause for concern. In order to evaluate these, the battery characteristics were evaluated using the conductive auxiliary agent of the secondary battery.
電池特性評価のために新たに合成した酸化グラフェン試料の合成条件について記載する。
GO5-6同様に原料グラファイト4gに対して過マンガン酸カリウム18gを濃硫酸1
38mL中で25℃4.5時間反応させ、希釈後に過酸化水素水54mLで失活して得ら
れた酸化グラフェンをGO5-6aとする。また、原料グラファイト4gに対して過マン
ガン酸カリウム15gを濃硫酸138mL中で25℃4.5時間反応させ、希釈後に過酸
化水素水45mLで失活して得られた酸化グラフェンをGO6-6とする。原料グラファ
イト4gに対して過マンガン酸カリウム10gを濃硫酸138mL中で25℃4.5時間
反応させ、希釈後に過酸化水素水30mLで失活して得られた酸化グラフェンをGO7-
6とする。即ち、GO5-6a、GO6-6、GO2-6、GO7-6、GO3-6は過
マンガン酸カリウム量とそれに比例した失活剤の過酸化水素水量のみを変えた合成条件と
なる。
The synthesis conditions of the graphene oxide sample newly synthesized for battery characteristic evaluation are described.
Similar to GO5-6, 18 g of potassium permanganate is added to 4 g of raw material graphite and 1 of concentrated sulfuric acid.
The graphene oxide obtained by reacting in 38 mL at 25 ° C. for 4.5 hours and deactivating with 54 mL of hydrogen peroxide solution after dilution is designated as GO5-6a. Further, the graphene oxide obtained by reacting 4 g of raw material graphite with 15 g of potassium permanganate in 138 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 4.5 hours and deactivating with 45 mL of hydrogen peroxide solution after dilution was referred to as GO6-6. do. 10 g of potassium permanganate was reacted with 4 g of raw material graphite in 138 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 4.5 hours, diluted and then deactivated with 30 mL of hydrogen peroxide solution to obtain graphene oxide.
It is set to 6. That is, GO5-6a, GO6-6, GO2-6, GO7-6, and GO3-6 are synthetic conditions in which only the amount of potassium permanganate and the proportional amount of hydrogen peroxide solution of the deactivating agent are changed.
(二次電池の作製)
二次電池の作製方法について説明する。まず、固相法で作製された、炭素被覆されていな
いLiFePO4に酸化グラフェンを加えたものに、溶媒としてNMPを添加して固練り
を行なった。固練りとは高粘度での混練を指し、酸化グラフェン及び活物質の凝集をほぐ
しやすい方法の一つである。次に、その酸化グラフェンとLiFePO4の混合物に、バ
インダとしてPVdF(株式会社クレハ製#7300)のNMP溶液を添加した後、極性
溶媒としてNMPをさらに添加して混練することでスラリーを作製した。上記の方法で作
製したスラリーを、集電体の上に塗布し、大気雰囲気下、80℃、40分乾燥させること
により、集電体上に活物質層が形成された電極を作製した。なお、集電体には膜厚20μ
mのアルミニウムにカーボンブラックが約1μmコートされたものを用いた。また、Li
FePO4は比表面積ca.11m2/g、結晶子サイズ110nmであった。電極層の
割合は重量比でLiFePO4:GO:PVdF=93:2:5となるようにした。ここ
でLiFePO4は炭素被覆されていない場合、電気伝導性が悪く容量がかなり出にくい
が、分散被覆される酸化グラフェンを用いると少量の添加で容量が出る事が知られている
。言い換えれば余り剥離されていない酸化グラフェンや活物質に分散しにくい酸化グラフ
ェンでは容量は出にくいため、分散性を評価可能だと言える。
(Making a secondary battery)
A method for manufacturing a secondary battery will be described. First, graphene oxide was added to LiFePO 4 which was not coated with carbon and was prepared by the solid phase method, and NMP was added as a solvent and kneaded. Kneading refers to kneading with high viscosity, and is one of the methods for easily loosening the aggregation of graphene oxide and active substances. Next, an NMP solution of PVdF (# 7300 manufactured by Kureha Corporation) was added as a binder to the mixture of graphene oxide and LiFePO 4 , and then NMP was further added as a polar solvent and kneaded to prepare a slurry. The slurry prepared by the above method was applied onto the current collector and dried at 80 ° C. for 40 minutes in an air atmosphere to prepare an electrode having an active material layer formed on the current collector. The current collector has a film thickness of 20 μm.
The aluminum of m coated with carbon black by about 1 μm was used. Also, Li
FePO 4 has a specific surface area of ca. The crystallite size was 11 m 2 / g and the crystallite size was 110 nm. The ratio of the electrode layers was set to LiFePO 4 : GO: PVdF = 93: 2: 5 in terms of weight ratio. Here, when LiFePO 4 is not carbon-coated, its electrical conductivity is poor and its capacity is considerably difficult to obtain, but it is known that when graphene oxide coated with dispersion is used, the capacity can be increased by adding a small amount. In other words, it can be said that dispersibility can be evaluated because the volume is difficult to obtain with graphene oxide that is not so peeled off or graphene oxide that is difficult to disperse in the active material.
更に真空雰囲気にて170℃10時間加熱して電極内の酸化グラフェンの還元を行ない、
電極密度が約2.0g/cm2となるようにプレスした。直径12mmに打ち抜いたもの
を正極として、対極にリチウム金属を、電解液にはエチレンカーボネート(EC)とジエ
チルカーボネート(DEC)の混合液(体積比1:1)に六フッ化リン酸リチウム(Li
PF6)を溶解させたもの(濃度1M)を、セパレータには多孔質ポリプロピレン(PP
)を用いて、2032型コイン電池を作製した。なお1MのLiPF6を含むEC/DE
C溶液としてキシダ化学株式会社製、コードLBG-96533を用いた。
Further, the graphene oxide in the electrode was reduced by heating at 170 ° C. for 10 hours in a vacuum atmosphere.
Pressing was performed so that the electrode density was about 2.0 g / cm 2 . The positive electrode is punched to a diameter of 12 mm, lithium metal is used as the counter electrode, and the electrolytic solution is a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (volume ratio 1: 1) and lithium hexafluorophosphate (Li).
A solution of PF 6 ) (concentration 1M) is used, and the separator is porous polypropylene (PP).
) Was used to manufacture a 2032 type coin battery. EC / DE including 1M LiPF 6
Code LBG-96533 manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. was used as the C solution.
以上の要領でGO5-6aから正極5-9及びそれを用いた電池5-aを、GO6-6か
ら正極6-9及び電池6-aを、GO2-6から正極2-9及び2-aを、GO7-6か
ら正極7-9及び電池7-aを、GO3-6から正極3-9及び電池3-aを得た。正極
6-9、正極2-9、正極7-9、正極3-9の活物質担持量はいずれも6.5~7.0
mg/cm2であった。
From GO5-6a to the positive electrode 5-9 and the battery 5a using the same, GO6-6 to the positive electrode 6-9 and the battery 6-a, and GO2-6 to the positive electrode 2-9 and 2-a. , The positive electrode 7-9 and the battery 7-a were obtained from GO7-6, and the positive electrode 3-9 and the battery 3-a were obtained from GO3-6. The amount of active material supported by the positive electrode 6-9, the positive electrode 2-9, the positive electrode 7-9, and the positive electrode 3-9 is 6.5 to 7.0.
It was mg / cm 2 .
さらに、同じ活物質を用いて、電導度は良いが活物質との相互作用が弱く、分散性の悪い
直接剥離法によるグラフェン(Cheap Tubes社製)でも同様に電極を作製した
。なお、配合比は重量比でLiFePO4:グラフェン:PVdF=90:5:5となる
ようにした。上記同様に正極および電池を作製した。得られた正極を正極G、電池を電池
Gとする。正極Gの活物質担持量は6.0mg/cm2であった。また、アセチレンブラ
ック(電気化学工業株式会社製、デンカブラック(登録商標)、ABと略記する)を使用
して電極を作製した。なお、配合比は重量比でLiFePO4:AB:PVdF=80:
15:5となるようにした。上記同様に正極および電池を作製した。得られた正極を正極
AB、電池を電池ABとする。
Further, using the same active material, an electrode was similarly produced using graphene (manufactured by Cheap Tubes) by a direct peeling method having good conductivity but weak interaction with the active material and poor dispersibility. The blending ratio was set to LiFePO 4 : graphene: PVdF = 90: 5: 5 by weight. A positive electrode and a battery were manufactured in the same manner as described above. The obtained positive electrode is referred to as a positive electrode G, and the battery is referred to as a battery G. The amount of active material supported by the positive electrode G was 6.0 mg / cm 2 . Further, an electrode was produced using acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., Denka Black (registered trademark), abbreviated as AB). The compounding ratio is LiFePO 4 : AB: PVdF = 80: by weight.
It was set to 15: 5. A positive electrode and a battery were manufactured in the same manner as described above. The obtained positive electrode is referred to as a positive electrode AB, and the battery is referred to as a battery AB.
(電池の容量測定)
得られた電池の放電容量を測定した。充電はCCCV、即ち定電流0.2Cで4.3Vと
なるまで印加した後、電流値が0.05Cとなるまで定電圧4.3Vで保持する事で行な
った。放電はCC、即ち定電流1Cで2.0Vとなるまで印加する事で行なった。1Cで
の放電曲線を図21(A)(B)に示す。図21(B)は図21(A)における電池5-
a、電池6-a、電池2-a、電池7-a及び電池3-aの測定値の縦軸及び横軸を拡大
して示した図である。
(Battery capacity measurement)
The discharge capacity of the obtained battery was measured. Charging was performed by applying CCCV, that is, at a constant current of 0.2 C until it became 4.3 V, and then holding it at a constant voltage of 4.3 V until the current value became 0.05 C. Discharge was performed by applying CC, that is, a constant current of 1 C until the voltage reached 2.0 V. The discharge curve at 1C is shown in FIGS. 21 (A) and 21 (B). 21 (B) shows the battery 5- in FIG. 21 (A).
It is a figure which enlarged and showed the vertical axis and the horizontal axis of the measured value of a, battery 6-a, battery 2-a, battery 7-a and battery 3-a.
図21(B)で電池3-aは他と同等の容量を示した。また、放電電位のPlateau
(平坦部位)から外れ始める点に大きな差異は見られず、放電電位は他に比べてむしろ高
くなっている。ここで分散性はPlateauからの外れやすさ(分極の起こり易さ)に
関係し、放電電位は導電助剤の導電パスの抵抗(つながり具合と電気伝導率)に関係する
と考えられる。故に図21(B)から未酸化部位を残すGO3-9は特に問題ない分散性
を有すると示唆された。
In FIG. 21B, the battery 3-a showed the same capacity as the others. In addition, the discharge potential PLATEau
There is no big difference in the point where it starts to deviate from the (flat part), and the discharge potential is rather higher than the others. Here, it is considered that the dispersibility is related to the easiness of disengagement from PLATEau (the susceptibility of polarization), and the discharge potential is related to the resistance (connection degree and electrical conductivity) of the conductive path of the conductive auxiliary agent. Therefore, it was suggested from FIG. 21 (B) that GO3-9, which leaves an unoxidized site, has a dispersibility without any particular problem.
一方で図21(A)より、グラフェンを用いた電池Gは十分高い電気伝導性を持つものの
、初期からPlateauから外れやすいという結果となった。活物質への分散性が悪い
事が原因として挙げられる。
On the other hand, from FIG. 21 (A), it was found that the battery G using graphene has sufficiently high electrical conductivity, but is easily detached from PLATEau from the initial stage. The cause is poor dispersibility in active materials.
以上のように十分な剥離、分散性と、高い電気伝導率を持つグラフェンを生成しやすいと
いう二つを兼ね備えた酸化グラフェンであると示された。
As described above, it was shown that graphene oxide has both sufficient exfoliation and dispersibility and easy formation of graphene having high electrical conductivity.
200 正極
201 正極集電体
202 正極活物質層
300 二次電池
301 正極缶
302 負極缶
303 ガスケット
304 正極
305 正極集電体
306 正極活物質層
307 負極
308 負極集電体
309 負極活物質層
310 セパレータ
401 容器
402 酸化グラフェン分散液
403 被形成物
404 導電体
405 容器
406 電解液
407 導電体
408 対極
500 二次電池
501 正極集電体
502 正極活物質層
503 正極
504 負極集電体
505 負極活物質層
506 負極
507 セパレータ
508 電解液
509 外装体
510 正極リード電極
511 負極リード電極
512 溶接領域
513 湾曲部
600 二次電池
601 正極キャップ
602 電池缶
603 正極端子
604 正極
605 セパレータ
606 負極
607 負極端子
608 絶縁板
609 絶縁板
610 ガスケット(絶縁パッキン)
611 PTC素子
612 安全弁機構
700 表示装置
701 筐体
702 表示部
703 スピーカ部
704 二次電池
710 照明装置
711 筐体
712 光源
713 二次電池
714 天井
715 側壁
716 床
717 窓
720 室内機
721 筐体
722 送風口
723 二次電池
724 室外機
730 電気冷凍冷蔵庫
731 筐体
732 冷蔵室用扉
733 冷凍室用扉
734 二次電池
800 タブレット型端末
801 筐体
802 表示部
802a 表示部
802b 表示部
803 表示モード切り替えスイッチ
804 電源スイッチ
805 省電力モード切り替えスイッチ
807 操作スイッチ
808a 領域
808b 領域
809 操作キー
810 キーボード表示切り替えボタン
811 太陽電池
850 充放電制御回路
851 バッテリー
852 DCDCコンバータ
853 コンバータ
860 電気自動車
861 バッテリー
862 制御回路
863 駆動装置
864 処理装置
900 回路基板
910 ラベル
911 端子
912 回路
913 二次電池
914 アンテナ
915 アンテナ
916 層
917 層
918 アンテナ
919 端子
920 表示装置
921 センサ
922 端子
951 端子
952 端子
981 フィルム
982 フィルム
990 二次電池
991 外装体
994 負極
995 正極
996 セパレータ
997 リード電極
998 リード電極
1700 曲面
1701 平面
1702 曲線
1703 曲率半径
1704 曲率中心
1800 曲率中心
1801 フィルム
1802 曲率半径
1803 フィルム
1804 曲率半径
7100 携帯表示装置
7101 筐体
7102 表示部
7103 操作ボタン
7104 蓄電装置
7200 携帯情報端末
7201 筐体
7202 表示部
7203 バンド
7204 バックル
7205 操作ボタン
7206 入出力端子
7207 アイコン
7300 表示装置
7304 表示部
7400 携帯電話機
7401 筐体
7402 表示部
7403 操作ボタン
7404 外部接続ポート
7405 スピーカ
7406 マイク
7407 蓄電装置
7408 リード電極
7409 集電体
200
611 PTC element 612 Safety valve mechanism 700 Display device 701 Housing 702 Display unit 703 Speaker unit 704 Secondary battery 710 Lighting device 711 Housing 712 Light source 713 Secondary battery 714 Ceiling 715 Side wall 716 Floor 717 Window 720 Indoor unit 721 Housing 722 Blower Mouth 723 Rechargeable battery 724 Outdoor unit 730 Electric refrigerator / freezer 731 Housing 732 Refrigerating room door 733 Freezing room door 734 Secondary battery 800 Tablet type terminal 801 Housing 802 Display unit 802a Display unit 802b Display unit 803 Display mode changeover switch 804 Power switch 805 Power saving mode changeover switch 807 Operation switch 808a Area 808b Area 809 Operation key 810 Keyboard display changeover button 81 Solar battery 850 Charge / discharge control circuit 851 Battery 852 DCDC converter 853 Converter 860 Electric vehicle 861 Battery 862 Control circuit 863 Drive unit 864 processing device 900 circuit board 910 label 911 terminal 912 circuit 913 secondary battery 914 antenna 915 antenna 916 layer 917 layer 918 antenna 919 terminal 920 display device 921 sensor 922 terminal 951 terminal 952 terminal 981 film 982 film 990 secondary battery 991 exterior 994 Negative 995 Positive 996 Separator 997 Lead electrode 998 Lead electrode 1700 Curved surface 1701 Flat surface 1702 Curve 1703 Curved radius 1704 Curvature center 1800 Curvature center 1801 Film 1802 Curvature radius 1803 Film 1804 Curved radius 7100 Portable display device 7101 Housing 7102 Display unit 7103 Operation button 7104 Power storage device 7200 Mobile information terminal 7201 Housing 7202 Display unit 7203 Band 7204 Buckle 7205 Operation button 7206 Input / output terminal 7207 Icon 7300 Display device 7304 Display unit 7400 Mobile phone 7401 Housing 7402 Display unit 7403 Operation button 7404 External connection port 7405 Speaker 7406 Mike 7407 Power storage device 7408 Lead electrode 7409 Current collector
Claims (3)
Priority Applications (3)
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