JP2017076628A - 蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
イオン二次電池を提供する。
【解決手段】負極は、粒子状あるいはウィスカ状のシリコンを含有し、シリコン粒子ある
いはウィスカの表面は酸化グラフェンを還元して作製された1層乃至50層のグラフェン
よりなるカーボン膜で覆われている。このようなカーボン膜は、分子間の結合力の強いs
p2結合がシリコン表面と概略平行であるため、シリコンが膨張する際においてもカーボ
ン膜が破断することがなく、シリコンの破砕を防止することができる。また、このように
して作製されたカーボン膜は、適度に隙間があり、シリコンが膨張する際に伸縮すること
ができ、さらに、リチウムイオンを透過させることができる。また、シリコンと電解液と
の反応を防止する効果もある。
【選択図】なし
Description
特に、粒子状合金系負極材料を用いる蓄電装置、中でもリチウムイオン二次電池用の負極
材料および当該負極材料を使用したリチウムイオン二次電池に関する。
かし、グラファイトの単位質量当たりの理論放電容量は、炭素原子6個に対してリチウム
原子1個が結合するため、372mAh/gしかない。リチウムイオンはグラファイトの
層間に挿入されることにより、グラファイトに吸蔵される。
マニウム、アルミニウムあるいはスズ(これらを合金系負極材料という)を用いることが
検討されている。シリコン系の負極材料の単位質量当たりの理論放電容量は、シリコン原
子1個に対してリチウム原子4個が結合するため、4210mAh/gと極めて大きい。
め、充放電に伴う粒子の体積変化がはなはだしく、電池特性を劣化させるという問題があ
る(例えば、特許文献1参照)。この問題を避けるためには平均粒径250nm以下、好
ましくは20nm以上100nm以下の合金系負極材料の微粒子を用いることが必要であ
る。なお、粒径は一次粒子のものである。
合物膜が形成されることが知られている。このような化合物膜はSEI(Solid E
lectrolyte Interface)と呼ばれ、電極と電解質の反応を和らげ、
安定化させるために必要であると考えられている。しかしながら、その厚さは電極と電解
質の組み合わせによって決定されるため、必要以上に厚くなることもある。
ン伝導性の低下、電解液の消耗などが挙げられる。
が、粒子を結合させるためにはバインダーを必要とする。通常のバインダーは高分子有機
化合物であり、導電性は著しく悪い。そのため、電池の内部抵抗を増大させる要因ともな
る。
れていた。電池の容量を向上させるには、活物質以外の重量や体積を減少させることが求
められる。また、活物質以外の材料(特にバインダー)では、電解液を吸収することによ
り膨潤して、電極が変形、破壊されることもあり、その対策も求められる。
系負極材料粒子や導電助剤を均等に分散させることが困難となり、より多くのバインダー
を必要とする。このため、電極に占める活物質の重量の比率が低下し、また、内部抵抗も
増加する。
料粒子は微粒子化すると凝集しやすくなり、バインダー中に均等に分散させることが困難
となる。そのため、合金系負極材料粒子の密な部分(合金系負極材料粒子が凝集した部分
)と疎な部分が生じ、電極に占める活物質の比率が低下する。また、合金系負極材料粒子
の密な部分では、導電助剤が存在しない部分があり、その部分での導電性が劣り、容量に
寄与できない合金系負極材料粒子が生じる。
材料粒子の体積変化に起因する電池特性の劣化の抑制された蓄電装置を提供することを目
的とする。また、本発明の一態様は、SEIの形成が抑制された蓄電装置を提供すること
を目的とする。
るいは、信頼性が高く、長期あるいは繰り返しの使用にも耐える蓄電装置を提供すること
を目的とする。本発明は上記の課題の少なくとも1つを解決する。
よりなるカーボン膜に覆われた合金系負極材料粒子あるいは合金系負極材料ウィスカを負
極として有し、前記カーボン膜は少なくとも1つの空孔を有することを特徴とする蓄電装
置である。ここで前記カーボン膜は、網目状のグラフェン(グラフェンネット)であって
もよい。
)に示す。ここでは、複数のグラフェンネットと多数の合金系負極材料粒子があり、グラ
フェンネットが合金系負極材料粒子にからまることで、合金系負極材料粒子を結合させる
ことができる。あるいは、グラフェンネットに合金系負極材料粒子が詰め込まれた状態と
する。
状となる。また、グラフェンネットは上述のように限られた層のグラフェンよりなるため
、極めて薄く、したがって、断面は線状になる。
粒子間の間隔を、通常のバインダーを用いた場合(図1(B))よりも狭めることができ
、電極体積を小さくできる。また、合金系負極材料粒子間には適当な空間が残るが、この
部分は、合金系負極材料粒子にリチウムが吸蔵された際に、合金系負極材料粒子が膨張す
るときの緩衝領域となる。
材料粒子とを結合させる。その際には、グラフェンネットは集電体と合金系負極材料粒子
間の電気伝導も担うことができる。
としても機能する。その結果、これまで必要であったバインダーの含有量を低減させるこ
とができる。また、場合によっては、これまで必要であったバインダーを用いることなく
電極を構成できる。このため、電極体積や電極重量に占める活物質の比率を向上させるこ
とができる。
、図1(A)に示すように、グラフェンネットが合金系負極材料粒子を包み込んでいるた
め、充電や放電に伴って合金系負極材料粒子の体積が増減しても、合金系負極材料粒子間
の結合を維持できる。
グラフェンネットが膨潤することはない。結果として電極が変形、破壊されることを抑制
できる。
セチレンブラック粒子や1次元の拡がりを有するカーボン粒子(カーボンナノファイバー
等)、公知のバインダーを有してもよい。
酸化グラフェンをその表面に形成した後、これを還元して得られたものとすることが好ま
しい。また、上記において、カーボン膜に含まれる炭素と水素以外の元素は15原子%以
下であることが好ましい。また、カーボン膜には炭素以外に30原子%以下の他の元素が
含まれていてもよい。
粒子間の結合性、粒子の分散性の少なくとも1つを改善させることができる。なお、本明
細書では、グラフェンとは、sp2結合を有する厚さ1原子層の炭素分子のシートのこと
をいう。なお、グラファイトは、複数のグラフェンがファンデルワールス力により結合し
たものである。
ン膜の前駆体(例えば、酸化グラフェン)を混合する工程と、この混合物を真空(100
Pa以下)中あるいは還元性雰囲気中で加熱する工程とを有する蓄電装置の作製方法であ
る。
子あるいは合金系負極材料ウィスカを浸漬する工程と、その後、合金系負極材料粒子ある
いは合金系負極材料ウィスカを真空(100Pa以下)中あるいは還元性雰囲気中で加熱
する工程とを有する蓄電装置の作製方法である。
子あるいは合金系負極材料ウィスカと電極を浸漬し、合金系負極材料粒子あるいは合金系
負極材料ウィスカと電極間に電圧を加える工程と、合金系負極材料粒子あるいは合金系負
極材料ウィスカを真空中(100Pa以下)あるいは還元性雰囲気中で加熱する工程とを
有する蓄電装置の作製方法である。
求められないが、加熱する過程において、前駆体同士が結合し、重合あるいは高分子化し
て、より広い立体的なカーボン膜のネットワーク(グラフェンネット)を形成する。
、部分的に立体構造を有してもよい。例えば、一のグラフェンのある場所に他のグラフェ
ンが結合して一体となったようなものもグラフェンネットと称する。
酸化グラフェンの大きさは1辺の長さが10μm以下のものを用いるとよい。このような
酸化グラフェンは上記の加熱の際に互いに結合して、大きな面積のカーボン膜となるが、
その際、適度な空孔や隙間が形成される。
カーボン膜とは異なる材料の層が単層あるいは複数層形成されていてもよい。そのような
材料の層には導電性のよいものを用いるとよい。また、合金系負極材料粒子あるいは合金
系負極材料ウィスカとの密着性およびカーボン膜との密着性がともに良好なものであって
もよい。
複数層形成されていてもよい。また、カーボン膜とは異なる材料の層の上にカーボン膜を
形成してもよい。その際、カーボン膜とは異なる材料の層は、カーボン膜が剥離すること
を防止するような応力緩和作用を有することが好ましい。
これを還元して別のカーボン膜を形成してもよい。
ウィスカの体積変化が発生しても、カーボン膜が合金系負極材料粒子あるいは合金系負極
材料ウィスカを覆っているため、合金系負極材料粒子あるいは合金系負極材料ウィスカの
破砕を防止でき、充放電に伴う合金系負極材料粒子の体積変化に起因する蓄電装置の劣化
が抑制される。
材料表面と概略平行であるため、合金系負極材料が膨張する際においても、カーボン膜が
破断することが防止できる。加えてカーボン膜は、適度に空孔や隙間があり、合金系負極
材料が膨張する際に伸縮することができ、さらに、このような空孔や隙間はリチウムイオ
ンを透過させることができる。
系負極材料表面と平行とならないため、機械的強度に問題があることがある。また、本発
明者の観察の結果、例えば、65層、および108層のグラフェンの層よりなるカーボン
膜は、合金系負極材料表面から剥離しやすいことが認められ、剥離の程度は108層のグ
ラフェンの層よりなるカーボン膜で大きかった。一方、17層、43層のグラフェンの層
よりなるカーボン膜では剥離は認められなかった。
する際において破断・剥離することがあり、そのような場合には、膨張した合金系負極材
料が破砕してしまうことがある。なお、合金系負極材料表面に別の材料の膜が形成されて
、カーボン膜との密着性が向上している場合にはこの限りではない。
を用いればよい。また、酸素の濃度のより高いものが好ましく、酸素濃度が5原子%以上
15原子%以下であるものを用いるとよい。なお、カーボン膜の導電性を重視する場合に
は、酸素濃度の低いものが望ましく、酸素濃度が1原子%以下であるものを用いるとよい
。
間の抵抗を低減させることができる。特に、電池では電極の抵抗(内部抵抗)が小さい方
が有利であり、これは、一時的に大電力が必要な用途に向いている。上記構成はその目的
に好適である。
。しかしながら、急加速するときや、坂を上るときは多くの電力を消費する。その際、電
源は多くの電流を流す必要があるが、内部抵抗が大きいと、電圧降下が著しくなり、また
、内部抵抗による損失も発生する。また、その際には、電池の重量が大きいと損失も大き
くなる。
えば、二次電池を電源とする場合は、蓄えたはずの電力は、平坦地走行であればほぼ10
0%使用できるのに、登坂時や加速時には、その何割かが失われてしまう。内部抵抗を下
げ、電池の重量を低減する(あるいは電池容量を増加させる)ことで、そのような損失を
抑制できる。
とが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に
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。
本実施の形態では、合金系負極材料としてシリコンを用い、シリコン粒子の表面に1層乃
至50層のグラフェンの層よりなるカーボン膜を形成する例について説明する。最初に、
グラファイトを酸化して、酸化グラファイトを作製し、これに超音波振動を加えることで
酸化グラフェンを得る。詳細は特許文献2を参照すればよい。また、市販の酸化グラフェ
ンを利用してもよい。グラファイトより酸化グラフェンを得るには以下のようにおこなう
とよい。
グラファイトとは、グラファイトがところどころ酸化されて、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したものであり、グラファイトの結晶性が損なわ
れ、グラフェン間の距離も大きくなっている。そのため、超音波処理等によって、容易に
、層間が分離する。
が得られる。なお、酸化グラフェンは官能基により周囲が終端されているため、水やクロ
ロホルムやN,N−dimethylformamide(DMF)やN−methyl
pyrrolidone(NMP)等の極性溶媒中に懸濁させることができる。超音波処
理後に得られた酸化グラフェンを含む溶液を乾燥して、粉末状の酸化グラフェンを得る。
量%乃至15重量%、好ましくは1重量%乃至5重量%とするとよい。なお、シリコン粒
子の表面には銅等の導電性のよい材料の層を予め形成しておいてもよい。シリコンの平均
粒径は250nm以下、好ましくは20nm乃至100nmとする。
50℃以上、好ましくは200℃以上の温度で加熱する。温度によっては、大気中で加熱
してもよい。加熱する温度が高いほど、また、加熱する時間が長いほど、酸化グラフェン
がよく還元され、純度の高い(すなわち、炭素以外の元素の濃度の低い)グラフェンが得
られる。なお、酸化グラフェンは150℃で還元されることがわかっている。
で室温から1000℃まで昇温レート+2℃/分で加熱した際の重量変化(実線)と熱流
量の変化(点線)を示す。200℃付近には大きな重量減少を伴う発熱ピークが確認され
、何らかの化学変化が生じていることが示された。
ち質量数44の分子(二酸化炭素と推定される)の放出量を示す。ここでも、やはり20
0℃付近で急激に質量数44の分子が放出される様子が観察された。
分子が分解して生成したものと推定される)、質量数16(酸素原子と推定される)、質
量数18(水と推定される)もやはり200℃付近で非常に多く観測され、この温度で酸
化グラフェンから酸素および水素が炭素と共に脱離していること、すなわち還元反応が起
こることが示唆される。
ファイトは、スルホン基等も結合しているが、この分解(脱離)は、200℃から300
℃前後で開始することが明らかとなった。したがって、酸化グラフェンの還元は200℃
以上、好ましくは300℃以上でおこなうことが好ましい。
欠陥の修復も進み、導電性がよくなる。なお、得られるグラフェンの電子伝導性を高める
ためには、高温での処理が好ましい。例えば、加熱温度100℃(1時間)では多層グラ
フェンの抵抗率は240MΩcm程度であるが、加熱温度200℃(1時間)では4kΩ
cmとなり、300℃(1時間)では2.8Ωcmとなる。
の層よりなるカーボン膜となる。その際、隣接するグラフェン同士が結合し、より巨大な
網目状あるいはシート状のネットワーク(グラフェンネット)を形成する。このようにし
て形成されたカーボン膜は、適度に空孔や隙間がある。
ylformamide(DMF)やN−methylpyrrolidone(NMP
)等の極性溶媒が好ましい)に分散させスラリーを得る。このスラリーを用いて二次電池
を作製できる。
、酸化グラフェンを還元してもよい。シリコン粒子と酸化グラフェンを混合する際、シリ
コン粒子の比率が混合物の90wt%以上、好ましくは95wt%以上となるようにする
とよい。
後、シリコン粒子を混合することでスラリーが得られる。アセチレンブラック等の他の導
電助剤やバインダーを適宜、混入してもよい。
mとするとよい。その後、スラリーを乾燥させる。乾燥後は必要に応じてプレスしてもよ
い。
ンネットが形成され、このグラフェンネット内にシリコン粒子が取り込まれるため、結果
的にシリコン粒子間の結合力が高められる。すなわち、グラフェンのネットがバインダー
として機能する。
するが、それ以外にも柔軟性や強度等も変化する。必要とする導電性、柔軟性、強度等を
考慮して、還元温度を決定すればよい。また、導電性が十分でないグラフェンネットをバ
インダーの代わりに使用するのであれば、導電性を補うために公知の導電助剤を必要量添
加することが好ましい。
らかとなっている。図9には、酸化グラフェンを150℃で1時間加熱した場合と、10
時間加熱した場合の、赤外線分光(透過率)の結果を示す。150℃で1時間加熱しただ
けであれば、C=O結合や、C=C結合、C−O結合等に伴う、多くの吸収が見られるが
、10時間加熱したものでは、上記の炭素と酸素の結合に伴う吸収が減少する。
次電池は、負極104、陽極132、セパレータ110、電解液(図示せず)、筐体10
6および筐体144を有する。このほかにはリング状絶縁体120、スペーサー140お
よびワッシャー142を有する。
しては、例えば銅を用いるとよい。負極活物質としては、上記スラリー単独、あるいはバ
インダーで混合したものを負極活物質層102として用いるとよい。
、陽極活物質の粒子をバインダーや導電助剤ともに混合したスラリーを陽極集電体128
上に塗布して、乾燥させたものを用いればよい。
チウム、珪酸マンガンリチウム、珪酸鉄リチウム等を用いることができるが、これに限ら
ない。活物質粒子の粒径は20nm乃至100nmとするとよい。また、陽極活物質の作
製時にグルコース等の炭水化物を混合して、陽極活物質粒子にカーボンがコーティングさ
れるようにしてもよい。この処理により導電性が高まる。
合溶媒にLiPF6を溶解させたものを用いるとよいが、これに限られない。
よいが、リチウムイオンを透過させる固体電解質を用いてもよい。
ステンレス)製のものを用いるとよい。筐体106および筐体144は、負極104およ
び陽極132を外部と電気的に接続する機能を有している。
ように、筐体106の中に負極104、セパレータ110、リング状絶縁体120、陽極
132、スペーサー140、ワッシャー142、筐体144をこの順で積層し、筐体10
6と筐体144とを圧着してコイン型の二次電池を作製する。
料であっても同様に実施できる。
本実施の形態では、集電体上に形成されたシリコン活物質層の表面に1層乃至50層のグ
ラフェンの層よりなるカーボン膜を形成する例について説明する。最初に、酸化グラフェ
ンを水やNMP等の溶媒に分散させる。溶媒は極性溶媒であることが好ましい。酸化グラ
フェンの濃度は1リットル当たり0.1g乃至10gとすればよい。
お、シリコン活物質層の表面には銅等の導電性のよい材料の層を予め形成しておいてもよ
い。さらに、真空中あるいは不活性ガス(窒素あるいは希ガス等)中等の還元性の雰囲気
で150℃以上、好ましくは200℃以上の温度で加熱する。以上の工程により、シリコ
ン活物質層表面に1層乃至50層のグラフェンの層よりなるカーボン膜を形成することが
できる。
、さらに同様に1層乃至50層のグラフェンの層よりなるカーボン膜を形成してもよい。
同じことを3回以上繰り返してもよい。このように多層のカーボン膜を形成するとカーボ
ン膜の強度が高くなり、シリコンの膨張に対する破断をより抑制できる。
さが生じ、カーボン膜の強度が厚さに比例しなくなるが、このように何度かに分けてカー
ボン膜を形成する場合には、カーボン膜のsp2結合が概略シリコンの表面と平行である
ため、厚くするほどカーボン膜の強度が増す。
本実施の形態では、集電体上に形成されたシリコン活物質層の表面に1層乃至50層のグ
ラフェンの層よりなるカーボン膜を形成する別の例について説明する。実施の形態2と同
様に、酸化グラフェンを水やNMP等の溶媒に分散させる。酸化グラフェンの濃度は1リ
ットル当たり0.1g乃至10gとすればよい。
陽極とする。なお、シリコン活物質層の表面には銅等の導電性のよい材料の層を予め形成
しておいてもよい。また、溶液に負極となる導電体を入れ、陽極と負極の間に適切な電圧
(例えば、5V乃至20V)を加える。酸化グラフェンは、ある大きさのグラフェンシー
トの端の一部がカルボキシル基(−COOH)で終端されているため、水等の溶液中では
、カルボキシル基から水素イオンが離脱し、酸化グラフェン自体は負に帯電する。そのた
め、陽極に引き寄せられ、付着する。なお、この際、電圧は一定でなくてもよい。陽極と
負極の間を流れる電荷量を測定することで、シリコン活物質層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。
らに、真空中あるいは不活性ガス(窒素あるいは希ガス等)中等の還元性の雰囲気で15
0℃以上、好ましくは200℃以上の温度で加熱する。温度によっては、大気中で加熱し
てもよい。このようにしてシリコン活物質の表面に形成された酸化グラフェンは還元され
、グラフェンとなる。その際、隣接するグラフェン同士が結合し、より巨大な網目状ある
はシート状のネットワークを形成する。
凸部にもほぼ均一な厚さで形成される。このようにして、シリコン活物質層の表面に1層
乃至50層のグラフェンの層よりなるカーボン膜を形成することができる。
成や、実施の形態2の方法によるカーボン膜の形成を2回以上おこなってもよい。
本発明の蓄電装置は、例えば、電気自動車、電動工具、パーソナルコンピュータ、携帯電
話、非常用電源等で使用できる。これらの電気機器は、有線で電源を供給されるとは限ら
ないため、内部に充電池を有する。その充電池の負極の活物質として、例えば、実施の形
態1乃至実施の形態3で示したグラフェンの層よりなるカーボン膜で表面が覆われたシリ
コン粒子あるいはウィスカを用いればよい。
、表示装置、照明装置、DVD(Digital Versatile Disc)など
の記録媒体に記憶された静止画または動画を再生する画像再生装置、電子レンジ等の高周
波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、エアコンディショナーなどの空調設備、電気冷蔵
庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、透析装置などが挙げられる。
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、内燃機関と
電動機を併せ持った複合型自動車(ハイブリッドカー)、電動アシスト自転車を含む原動
機付自転車などが挙げられる。
呼ぶ)として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。或いは、上記電子
機器・電気機器は、商用電源からの電力の供給が停止した場合に、電子機器・電気機器へ
の電力の供給をおこなうことができる蓄電装置(無停電電源と呼ぶ)として、本発明の一
態様に係る蓄電装置を用いることができる。
の電力の供給と並行して、電子機器・電気機器への電力の供給をおこなうための蓄電装置
(補助電源と呼ぶ)として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。
は、本発明の一態様に係る蓄電装置205を用いた電子機器・電気機器の一例である。具
体的に、表示装置201は、TV放送受信用の表示装置に相当し、筐体202、表示部2
03、スピーカー部204、蓄電装置205等を有する。本発明の一態様に係る蓄電装置
205は、筐体202の内部に設けられている。
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蓄電装置205を無停電電源として用いる
ことで、表示装置201の利用が可能となる。
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。
、全ての情報表示用表示装置が含まれる。
用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置211は、筐体212、光源213、
蓄電装置214等を有する。図6では、蓄電装置214が、筐体212及び光源213が
据え付けられた天井215の内部に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置21
4は、筐体212の内部に設けられていても良い。
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蓄電装置214を無停電電源として用いる
ことで、照明装置211の利用が可能となる。
本発明の一態様に係る蓄電装置は、天井215以外、例えば側壁216、床217、窓2
18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。
。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。
の一態様に係る蓄電装置224を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機221
は、筐体222、送風口223、蓄電装置224等を有する。図6では、蓄電装置224
が、室内機221に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置224は室外機22
5に設けられていても良い。或いは、室内機221と室外機225の両方に、蓄電装置2
24が設けられていても良い。
24に蓄積された電力を用いることもできる。特に、室内機221と室外機225の両方
に蓄電装置224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蓄電装置224を無停電電源として用いることで
、エアコンディショナーの利用が可能となる。
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
ィショナーに、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることもできる。
電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫231は、筐体232、冷蔵室用扉2
33、冷凍室用扉234、蓄電装置235等を有する。図6では、蓄電装置235が、筐
体232の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫231は、商用電源から電力の供給を
受けることもできるし、蓄電装置235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
蓄電装置235を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷蔵庫231の利用が可能と
なる。
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蓄電装置を用いることで、
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。
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、蓄電装置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231の場合、気温が低く、冷蔵室用
扉233、冷凍室用扉234の開閉がおこなわれない夜間において、蓄電装置235に電
力を蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉233、冷凍室用扉234の開閉がお
こなわれる昼間において、蓄電装置235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。
ンを形成した試料について説明する。ウィスカ状のシリコンは集電体(チタンシート)上
に形成され、図2(A)に示すような表面形状をしている。
ン)と濃硫酸を混合したものに、過マンガン酸カリウムを加えた後、2時間撹拌した。そ
の後、純水を加え、加熱しつつ15分撹拌し、さらに過酸化水素水を加えることで、酸化
グラファイトを含む黄褐色の溶液を得た。さらに、これを濾過し、塩酸を加えた後、純水
で洗浄した。そして、超音波処理を2時間おこない、酸化グラファイトを酸化グラフェン
にし、酸化グラフェンを分散させた水溶液を得た。
た。これを乾燥させ、さらに、真空中(0.1Pa以下)、300℃で10時間加熱した
。このようにして作製した試料の表面を観察したものを図2(B)に示す。
いる。また、このグラフェンの層は、ウィスカ状のシリコンの凸部と凸部の間をつなぐよ
うに形成されていることがわかった。
断面TEM観察をおこなった。2箇所の断面を観察した。図2(C)に示される部分では
、グラフェンの厚さは6.8nmであった。また、図2(D)に示される部分では、グラ
フェンの厚さは17.2nmであった。
フェンを形成した試料について説明する。ウィスカ状のシリコンは実施例1で用いたもの
と同じである。また、実施例1で用いたものと同じ酸化グラフェンの水溶液を用意する。
としてステンレス板を浸漬した。チタンシートとステンレス板との距離は約1cmとした
。そして、チタンシートを陽極、ステンレス板を負極として、10Vの電圧を5分間かけ
た。この間に流れた電荷量は0.114Cであった。
0℃で10時間加熱した。このようにして試料を作製した。得られたウィスカ状のシリコ
ンの表面を観察したものを図3に示す。初期状態(図2(A))と目立った違いが認めら
れないが、写真の中央部には膜状の物体が、ウィスカ間にかかっている様子が認められる
。また、ところどころ、ウィスカ表面に黒い部分があり、グラフェンの厚い部分であると
考えられる。
のどの箇所を測定しても認められたことから、ウィスカ表面のほぼ全面がグラフェンで覆
われていると考えられる。
た。このように、実施の形態3で示される電気泳動法によるグラフェンの層の形成は極め
て均一におこなえることが示された。
二次電池の負極として用いた場合と、表面に何の処理も施さなかった場合とを比較する。
リチウムイオン二次電池に用いられる電解液は、シリコン負極と反応して、電極表面にS
EIが形成されることが知られている。
さなかったウィスカ状のシリコンであり、初期の表面の状態は図2(A)に示されるもの
と同等である。試料Bは実施例2に示した方法で表面にグラフェンを形成したウィスカ状
のシリコンで、初期の表面の状態は図3に示されるものと同等である。
回おこない、その後のウィスカ状のシリコンの表面の様子を観察した。CV測定は三極式
のビーカーセル(作用極:試料Aあるいは試料B、参照極:金属リチウム、対極:金属リ
チウム、電解液:六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)のエチレンカーボネート(EC
)溶液(1mol/L)とジエチルカーボネート(DEC)の混合液(体積比1:1))
を用いて、走査速度0.1mV/秒でおこなった。
イクルおこなった後の試料Aの表面の様子を示す。また、図4(B)には上記のCV測定
(走査範囲0V〜1V(vs.Li/Li+))を10サイクルおこなった後の試料Bの
表面の様子を示す。
され、元のウィスカ状のシリコンの形状を確認することは困難である。一方、図4(B)
と図3あるいは、図4(B)と図4(A)を比較してわかるように、試料Bの表面のSE
Iは試料Aほど厚くは形成されなかった。
酸リチウム(LiPF6)のエチレンカーボネート(EC)溶液(1mol/L)とジエ
チルカーボネート(DEC)の混合液(体積比1:1)を用い、セパレータとして、微細
な穴のあいたポリプロピレンを用いたコインセルを作製した。そしてコインセルの充放電
をおこない、リチウムの放出と吸収に伴う容量の変化を測定した。充放電に際しては、1
サイクル目の電流値は50μA、2サイクル目以降は4mAとした。
が低下するが、10サイクル以降は試料Bの方では容量が増加し、試料Aよりも大きくな
った。図7(B)には、30サイクル目のリチウムの放出(あるいは吸収)に伴う電位の
変動と容量の関係を示す。試料Bの方が試料Aよりもより多くのリチウムを放出でき、ま
た、より多くのリチウムを吸収できることがわかる。これは、試料BではSEIが薄く形
成されたことによるものと考えられる。
102 負極活物質層
104 負極
106 筐体
110 セパレータ
120 リング状絶縁体
128 陽極集電体
130 陽極活物質層
132 陽極
140 スペーサー
142 ワッシャー
144 筐体
201 表示装置
202 筐体
203 表示部
204 スピーカー部
205 蓄電装置
211 照明装置
212 筐体
213 光源
214 蓄電装置
215 天井
216 側壁
217 床
218 窓
221 室内機
222 筐体
223 送風口
224 蓄電装置
225 室外機
231 電気冷凍冷蔵庫
232 筐体
233 冷蔵室用扉
234 冷凍室用扉
235 蓄電装置
Claims (3)
- 集電体と、
前記集電体上の、粒子またはウィスカと、
前記粒子または前記ウィスカを覆う、1層乃至50層のグラフェンの層よりなるカーボン膜と、を有し、
前記粒子または前記ウィスカは、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、またはスズを含み、
前記粒子または前記ウィスカの表面に銅の層を有することを特徴とする蓄電装置。 - 請求項1において、
前記カーボン膜は、前記集電体と接する領域を有することを特徴とする蓄電装置。 - 請求項1または請求項2において、
前記集電体は、銅またはチタンを含むことを特徴とする蓄電装置。
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