JP5365260B2 - イオン液体を含む電極膜及び電極、それらの製造方法、並びに蓄電デバイス - Google Patents
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Description
導電性の向上に関する問題を解決する為に、特許文献1には、導電性無機酸化物と、イオン液体と、バインダ樹脂からなる導電性の優れた透明導電性組成物が開示されている。また、特許文献2には、リチウム含有金属複合酸化物またはカルコゲナイド化合物系列の正極活物質と、イオン性液体とを含んでなる電極が開示されている。
また本発明は、集電体と前記集電体上に積層された前記構成の電極膜とを含む電極、及びその製造方法に関する。
さらに本発明は、対向するように配置された2枚の電極と、両電極膜間に配置されたセパレータとを有する少なくとも1個のセルと、電解液と、前記少なくとも1個のセルおよび前記電解液が封入された容器とを有し、前記電極2枚の各々は前記本発明の電極であり、前記2枚の電極は、それらの電極膜同士が対向するように配置されている蓄電デバイス(典型的には電気二重層キャパシタ)に関する。
平均粒径の異なる二種以上の電極材粒子組み合わせて用いてもよい。このような場合には、最も大きな平均粒径を持つ電極材粒子の平均粒径をDaとする。
本発明において、電極材粒子の形状に限定は無いが、共に電極膜を構成する固体粒子との結着力や電極材粒子同士の結着力の観点から、電極材粒子は球状、棒状、または鎖状であることが好ましく、球状の粒子がつながった鎖状粒子が好ましい。
球状のシリカ粒子の例としては日産化学工業(株)製のスノーテックスST−XS、スノーテックスST−XLが挙げられ、鎖状のシリカ粒子の例としては日産化学工業(株)製のスノーテックスPS−S、スノーテックスPS−SOが挙げられる。なお、「スノーテックス」は日本における登録商標である。
本発明において、固体粒子の形状に限定は無いが、電極材粒子との結着力の観点から、固体粒子は球状、棒状、または鎖状であることが好ましく、球状の粒子がつながった鎖状粒子が好ましい。
本発明の電極膜における固体粒子の含有量は、電極膜の強度と化学的安定性の観点から、電極材粒子100重量部に対して、1〜100重量部の範囲内であることが好ましく、電極膜の密度も考慮すると、固体粒子の含有量は、1〜70重量部の範囲内であることがより好ましく、20〜45重量部の範囲内であることがさらに好ましい。
1,3−ジメチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス[オキサレート(2−)]ボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ブロミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム クロリド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリフルオロアセテート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム メチルサルフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム p−トルエンスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム チオシアネート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム メチルサルフェート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム クロリド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム ブロミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム トリフルオロアセテート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム オクチルサルフェート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム クロリド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト、3−メチル−1−オクチルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、3−メチル−1−オクチルイミダゾリウム クロリド、3−メチル−1−オクチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、3−メチル−1−オクチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、3−メチル−1−オクチルイミダゾリウム オクチルサルフェート、3−メチル−1−テトラデシルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−ヘキサデシル−3−メチルイミダゾリウム クロリド、3−メチル−1−オクタデシルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、3−メチル−1−オクタデシルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、3−メチル−1−オクタデシルイミダゾリウム トリ(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム ブロミド、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム クロリド、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム p−トルエンスルホネート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム クロリド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム ヘキサフルオロフォスフェイト、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム オクチルサルフェート、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム クロリド、1−ヘキサデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム クロリド
N−エチルピリジニウム クロリド、N−エチルピリジニウム ブロミド、N−ブチルピリジニウム クロリド、N−ブチルピリジニウム テトラフルオロボレート、N−ブチルピリジニウム ヘキサフルオロフォスフェイト、N−ブチルピリジニウム トリフルオロメタンスルホネート、N−ヘキシルピリジニウム テトラフルオロボレート、N−ヘキシルピリジニウム ヘキサフルオロフォスフェイト、N−ヘキシルピリジニウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、N−ヘキシルピリジニウム トリフルオロメタンスルホネート、N−オクチルピリジニウム クロリド、4−メチル−N−ブチルピリジニウム クロリド、4−メチル−N−ブチルピリジニウム テトラフルオロボレート、4−メチル−N−ブチルピリジニウム ヘキサフルオロフォスフェイト、3−メチル−N−ブチルピリジニウム クロリド、4−メチル−N−ブチルピリジニウム ブロミド、3,4−ジメチル−N−ブチルピリジニウム クロリド、3,5−ジメチル−N−ブチルピリジニウム クロリド
1−ブチル−1−メチルピロリジニウム クロリド、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム トリフルオロメタンスルホネート、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム テトラフルオロボレート、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム ヘキサフルオロフォスフェイト、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム トリフルオロアセテート、1−ヘキシル−1−メチルピロリジニウム クロリド、1−メチル−1−オクチルピロリジニウム クロリド
トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム クロリド、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム テトラフルオロボレート、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム ヘキサフルオロフォスフェイト、トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム ビス[オキサレート(2−)]ボレート
メチルトリオクチルアンモニウム トリフルオロアセテート、メチルトリオクチルアンモニウム トリフルオロメタンスルホネート、メチルトリオクチルアンモニウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド
N”−エチル−N,N,N’,N’−テトラメチルグアニジニウム トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト、グアニジニウム トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト、グアニジニウム トリフルオロメタンスルホネート、N”−エチル−N,N,N’,N’−テトラメチルグアニジニウム トリフルオロメタンスルホネート
O−エチル−N,N,N’,N’−テトラメチルイソウロニウム トリフルオロメタンスルホネート、O−エチル−N,N,N’,N’−テトラメチルイソウロニウム トリ(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト
S−エチル−N,N,N’,N’−テトラメチルイソチオウロニウム トリフルオロメタンスルホネート、S−エチル−N,N,N’,N’−テトラメチルイソチオウロニウム トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェイト
本発明の電極膜におけるイオン液体の含有量は、膜密度および電極膜の抵抗値の観点から、電極材粒子100重量部に対して、0.01〜8重量部の範囲内であることが好ましく、0.5〜5重量部の範囲内であることがより好ましく、1〜4重量部の範囲内であることがさらに好ましい。
本発明の電極膜は、電極材粒子と、固体粒子と、イオン液体とを含む混合物を、ロール成形技術やプレス成形技術を用いてシートにするシート成形法や、電極材粒子と、固体粒子と、イオン液体とが液体媒体に分散された分散液を支持体上に塗布して分散液膜を形成し、次いで該分散液膜から前記液体媒体を除去して電極膜を形成する塗布法が挙げられる。上記説明から明らかなように、本発明の電極膜を製造するために使用する電極材粒子と固体粒子は、式Db/Da≦1.0×10−1を充足する粒子である(ここで、Daは前記電極材粒子の平均粒径であり、Dbは前記固体粒子の平均粒径である)。
方法(1) 液体媒体に、所定量の電極材粒子と固体粒子とイオン液体とを添加して混合する方法
方法(2) 液体媒体とその中に分散された所定量の電極材粒子とを含有する中間分散液に所定量の固体粒子とイオン液体とを添加して混合する方法
方法(3) 液体媒体とその中に分散された所定量の固体粒子とを含有する中間分散液に、所定量の電極材粒子とイオン液体とを添加して混合する方法
方法(4) 第1の液体媒体とその中に分散された所定量の電極材粒子とを含有する第1の中間分散液と、第2の液体媒体とその中に分散された所定量の固体粒子とを含有する第2の中間分散液と、イオン液体とを混合する方法
より詳細には、本発明は、対向するように配置された2枚の電極と、両電極膜間に配置されたセパレータとを有する少なくとも1個のセルと、電解液と、前記少なくとも1個のセルおよび前記電解液が封入された容器とを有し、前記電極2枚の各々は前記本発明の電極であり、前記2枚の電極は、それらの電極膜同士が対向するように配置されている蓄電デバイスを提供する。
二次電池は、2枚の電極、すなわち1対の正極と負極を含むセルを1つだけ有する二次電池でもよいが、このようなセルを複数有する二次電池であってもよい。
使用した主な材料は以下のとおりである。
[イオン液体]
メルク株式会社製の1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート
[電極材粒子]
(1)クラレケミカル株式会社製のRP−15をボールミルでジルコニアボールを用い、24時間粉砕して調製した活性炭。粉砕後の活性炭をレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(HORIBA LA910)を用いて分析したところ、平均粒径Daは5μm〜9μmであった。
(2)コバルト酸リチウム(日本化学株式会社製のセルシード(登録商標)C-5H;平均粒径Da:6.6μm)
(3)アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製のデンカブラック50%プレス品;平均粒径36nm)
[固体粒子]
(1)シリカ粒子(日産化学工業株式会社製のコロイダルシリカ「スノーテックスPS−S」;平均粒径Db:10nm〜18nm;固形分濃度:20重量%)。
(2)シリカ粒子(株式会社日本触媒製のパウダー状シリカ「シーホスター(日本における登録商標)KEP100」;平均粒径Db:0.95〜1.25μm)
コバルト酸リチウム9.0gとアセチレンブラック0.7gとの混合物にコロイダルシリカ3.0gを添加し、イオン液体0.1gを添加し、さらに純水を添加して、固形分濃度50重量%の分散液を調製した。該分散液は、コバルト酸リチウム9.0g、アセチレンブラック0.7g、シリカ0.6g、イオン液体0.1gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は6.66重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は1.03重量部であった。また、Db/Da=1.5×10−3〜2.7×10−3であった。厚さ103μmのPET上に、前記分散液をハンディ・フィルムアプリケーターを用いて塗布し分散液膜を形成した。その後、60℃で1時間、さらに150℃で6時間加熱して水を除去することで、PET上に電極膜が積層されている積層体を得た。
コロイダルシリカの代わりにパウダー状シリカ(シーホスターKEP100)を0.6g用いた以外は実施例1と同様に分散液を調製した。該分散液は、コバルト酸リチウム9.0g、アセチレンブラック0.7g、シリカ0.6g、イオン液体0.1gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は1.03重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は1.11重量部であった。また、Db/Da(コバルト酸リチウム)=1.4×10−1〜1.9×10−1であった。
イオン液体を入れなかった以外は実施例1と同様に分散液を調製した。該分散液は、コバルト酸リチウム9.0g、アセチレンブラック0.7g、シリカ0.6gを含有していた。すなわち電極材粒子A100重量部当りの固体粒子Bの量は1.03重量部であり、電極材粒子A100重量部当りのイオン液体の量は0重量部であった。また、Db/Da=1.5×10−3〜2.7×10−3であった。
活性炭16.0gとアセチレンブラック2.0gとの混合物にコロイダルシリカ40.0gを添加し、イオン液体0.8gを添加し、さらに純水を添加して、固形分濃度30重量%の分散液を調製した。該分散液は、活性炭16.0g、アセチレンブラック2.0g、シリカ8.0g、イオン液体0.8gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は50重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は4.44重量部であった。厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)上に、前記分散液をハンディ・フィルムアプリケーターを用いて塗布し分散液膜を形成した。その後、60℃で1時間、さらに240℃で6時間加熱して水を除去することで、集電体上に電極膜が積層されてなる電極を得た。
イオン液体として1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート0.6g用いた以外は、実施例2と同様にして分散液を調製した。該分散液は、活性炭16.0g、アセチレンブラック2.0g、シリカ8.0g、イオン液体0.6gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は44.4重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は3.33重量部であった。次に、実施例2と同様に電極を作製し、電気二重層キャパシタを組み立て、充放電試験を行った。電流と電圧の関係より電気抵抗を概算し、その結果を表2に示した。また、前記電気二重層キャパシタに用いた電極膜の密度を測定し、その結果を表2に示した。
イオン液体として1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート0.4g用いた以外は、実施例2と同様にして分散液を調製した。該分散液は、活性炭16.0g、アセチレンブラック2.0g、シリカ8.0g、イオン液体0.4gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は44.4重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は2.22重量部であった。次に、実施例2と同様に電極を作製し、電気二重層キャパシタを組み立て、充放電試験を行った。電流と電圧の関係より電気抵抗を概算し、その結果を表2に示した。また、前記電気二重層キャパシタに用いた電極膜の密度を測定し、その結果を表2に示した。
イオン液体として1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート0.2g用いた以外は、実施例2と同様にして分散液を調製した。該分散液は、活性炭16.0g、アセチレンブラック2.0g、シリカ8.0g、イオン液体0.2gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は44.4重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は1.11重量部であった。次に、実施例2と同様に電極を作製し、電気二重層キャパシタを組み立て、充放電試験を行った。電流と電圧の関係より電気抵抗を概算し、その結果を表2に示した。また、前記電気二重層キャパシタに用いた電極膜の密度を測定し、その結果を表2に示した。
イオン液体として1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート0.1g用いた以外は、実施例2と同様にして分散液を調製した。該分散液は、活性炭16.0g、アセチレンブラック2.0g、シリカ8.0g、イオン液体0.1gを含有していた。すなわち電極材粒子100重量部当りの固体粒子の量は44.4重量部であり、電極材粒子100重量部当りのイオン液体の量は0.55重量部であった。次に、実施例2と同様に電極を作製し、電気二重層キャパシタを組み立て、充放電試験を行った。電流と電圧の関係より電気抵抗を概算し、その結果を表2に示した。また、前記電気二重層キャパシタに用いた電極膜の密度を測定し、その結果を表2に示した。
Claims (6)
- 平均粒径がDaである電極材粒子と、平均粒径がDbである固体粒子と、イオン液体とを含み、
前記Daと前記Dbとが式Db/Da≦1.0×10−1を充足し、
前記イオン液体の含有量が、前記電極材粒子100重量部に対して0.01〜8重量部の範囲内である
電極膜の製造方法であって、
平均粒径がDaである電極材粒子と平均粒径がDbである固体粒子とイオン液体とを液体媒体に分散させて分散液を得る工程、
前記分散液を支持体上に塗布して分散液膜を形成する工程、前記分散液膜から前記液体媒体を除去して前記支持体上に電極膜を形成する工程、
前記支持体を除去して前記電極膜を単離する工程
を含むことを特徴とする方法。 - 集電体と、
前記集電体上に積層された、
平均粒径がDaである電極材粒子と、平均粒径がDbである固体粒子と、イオン液体とを含み、
前記Daと前記Dbとが式Db/Da≦1.0×10 −1 を充足し、
前記イオン液体の含有量が、前記電極材粒子100重量部に対して0.01〜8重量部の範囲内である
電極膜とを含む電極の製造方法であって、
平均粒径がDaである電極材粒子と平均粒径がDbである固体粒子とイオン液体とを液体媒体に分散させて分散液を得る工程、
前記分散液を集電体上に塗布して分散液膜を形成する工程、
前記分散液膜から前記液体媒体を除去して集電体上に電極膜を形成する工程
を含むことを特徴とする方法。 - Dbが1nm〜100nmの範囲内にある請求項1または2に記載の方法。
- 前記固体粒子の含有量が、前記電極材粒子100重量部に対して1〜70重量部の範囲内にある請求項1〜3いずれかに記載の方法。
- 前記固体粒子が、無機粒子である請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 前記無機粒子が、シリカ粒子である請求項5に記載の方法。
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