JPWO2018203518A1 - リチウムイオンキャパシタ用正極 - Google Patents
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Abstract
Description
つまり、リチウムイオンキャパシタは正極に電解液中のアニオンが吸着する構造であることから、キャパシタ特性を向上させるためには正極には比表面積が大きく、かつ、導電性が高いものを用いるのが理論上好ましいことになるのであるが、正極に用いる活性炭は元来、電池活物質と比較して容量が小さいことから、このような状態の正極に、蓄電に寄与しない添加剤を加えてしまうと、さらに容量が低下してしまうことになるのである。また、導電性を付与する目的でアセチレンブラックなどを添加した場合には、今度は、レート性は上がるものの、比表面積が下がってしまうことから結局容量が低下してしまうのである。
上述した事情から、活性炭の導電性が低く、容量が低下してしまっても、導電助剤であるアセチレンブラックを添加せざるを得ないのが従前の技術常識であった。本発明は特定のチタン酸塩を用い、さらに係るチタン酸塩は導電性がない物であるにもかかわらず、レート特性を向上させることができることから、従来の技術常識を覆すものとなるのである。
本発明のリチウムイオンキャパシタ用正極は、Li2TiO3、Li4Ti5O12、Na2TiO3、K2Ti2O5から選ばれる1種以上の特定のチタン酸塩を、正極活物質に含有することを基本構造とする。このように本発明は、従前のリチウムイオンキャパシタではタブーであった、リチウムイオンキャパシタの正極に導電性がなく、蓄電にも寄与しない添加剤(特定のチタン酸塩)を含有させることによって、リチウムイオンキャパシタのレート特性を向上させることができるのである。また、係るチタン酸塩はそれ自体には導電性がない物であるにもかかわらず、レート特性を向上させることができるのである。
なお、上記のチタン酸塩自体には導電性がないものであるにもかかわらず、急速充放電性能が向上するメカニズムについて明らかではないが、チタン酸塩を添加することによって、正極と電解液の界面や正極内におけるイオン移動度が向上するためではないかと考えられる。
本発明のリチウムイオンキャパシタ用正極に用いるチタン酸リチウムは、Li2TiO3またはLi4Ti5O12の組成を持つものを主成分とすることが必要である。
ここで、チタン酸リチウムは通常、原料となるLi源とTi源を混合して焼成することによって製造(合成)されることから、Li2TiO3やLi4Ti5O12だけでなく、ラムスデライト型(LiTi2O4:124型、Li2Ti3O7、237型)の構造のチタン酸リチウムも合成されてしまうことになる。
従って、本発明における「主成分とする」とは、上記のように各種の構造のチタン酸リチウムが含まれてしまう場合であってもLi2TiO3またはLi4Ti5O12の組成を持つチタン酸リチウムを主成分とするとの意である。具体的には、Li2TiO3またはLi4Ti5O12の組成を持つチタン酸リチウムの含有率が、好ましくは70%以上、より好ましくは90%、さらに95%以上が最も好ましい。
本発明のリチウムイオンキャパシタ用正極に用いるチタン酸ナトリウムは、Na2TiO3を主成分とすることが必要である。
また、チタン酸ナトリウムについてもチタン酸リチウムと同様に各種の構造のチタン酸ナトリウムが合成されることから、各種の構造のチタン酸ナトリウムが含まれてしまう場合であってもNa2TiO3の組成を持つチタン酸ナトリウムを主成分とするとの意である。具体的には、Na2TiO3の組成を持つチタン酸ナトリウムの含有率が好ましくは70%以上、より好ましくは90%、さらに95%以上が最も好ましい。
本発明のリチウムイオンキャパシタ用正極に用いるチタン酸カリウムは、K2Ti2O5を主成分とすることが必要である。
また、チタン酸カリウムについてもチタン酸リチウムと同様に各種の構造のチタン酸カリウムが合成されることから、各種の構造のチタン酸カリウムが含まれてしまう場合であってもK2Ti2O5の組成を持つチタン酸カリウムを主成分とするとの意である。具体的には、K2Ti2O5の組成を持つチタン酸カリウムの含有率が好ましくは70%以上、より好ましくは90%、さらに95%以上が最も好ましい。
なお、これらのチタン酸塩は、含有量が多ければ多いほどリチウムイオンキャパシタのレート特性、すなわち急速充放電性能を向上させる効果がある。
一方、これらのチタン酸塩には、急速充放電性能を向上させる効果に加えてガス発生抑制効果も有するところ、このガス発生抑制効果に関しては含有量の最適範囲が存在し、過剰に添加してしまうとかえってガス発生量が増加することになる。具体的には、正極活物質に対しチタン酸塩を60wt%含有してしまうとガスが0.16ml発生し、未含有の場合(0.15ml)と同等量のガスが発生してしまうことになる。
従って、これらチタン酸塩の含有量の上限値としては、レート特性の向上とガス発生の抑制を両立するために60wt%未満とすることが好ましい、そして具体的なチタン酸塩の含有量の数値範囲としては、リチウムイオンキャパシタの正極活物質に対して0.5〜50wt%とすることが好ましく、その中でも1〜30wt%とすることがより好ましく、さらにその中でも10〜20wt%とすることがより好ましい。
しかしながら、理由は明らかではないが、チタン酸リチウムにLi2TiO3を用いた場合には後記するように電気容量の低下は認められなかった。このことから、急速充放電性能(レート特性)の向上効果およびガス発生の抑制効果に加えて、電気容量の低下を抑制することができる点から上記チタン酸塩の中でもLi2TiO3を用いることが好ましい。
また、リチウムイオンキャパシタには、負極活物質として、Li4Ti5O12を用いたタイプと黒鉛を用いたタイプが存在するが、いずれにおいても、正極に上記のチタン酸塩を含有させた場合には、電池特性(特にレート特性)を向上させることができる。
さらに、比表面積の大きいLi4Ti5O12を用いた負極と組み合わせた場合には、さらに良好な電池特性を発現するリチウムイオンキャパシタを得ることができる。このとき、負極活物質の比表面積は、10m2/g以上が好ましく、20m2/g以上がより好ましく、50m2/g以上が最も好ましい。
まず、アナタース型酸化チタン(テイカ社製AMT−100)300gと水酸化リチウム(FMC社製)266gを湿式混合したのち、大気中において750℃で2hr焼成することによって、213型のチタン酸リチウム(Li2TiO3)を得た。
次に、正極活物質として活性炭(ATエレクトロード社製AP−20−0001)4.60g、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業社製デンカブラック)0.54g、添加剤として前記のLi2TiO30.025gを用い、これらを増粘剤であるカルボキシメチルセルロース(第一工業製薬社製)の1.4wt%水溶液12.47gに加え、ディスパーを用いて分散した。さらに、結着剤として、スチレンブタジエンゴム(JSR社製)1.37gを加え、ディスパーを用いて混合した。得られた混合物(塗料)を、集電体であるエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業社製)に塗布し、乾燥することによってLi2TiO3を含有した実施例1のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製した。なお、このときのLi2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量は0.5wt%であった。
まず、オルソチタン酸(テイカ社製)520gと水酸化リチウム・1水和物(FMC社製)218gを湿式混合したのち、大気中650℃で2hr焼成することによって、比表面積70m2/gの微粒子Li4Ti5O12を得た。
次に、負極活物質として前記のLi4Ti5O124.62g、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業社製デンカブラック)0.54gを用い、これらを増粘剤であるカルボキシメチルセルロース(第一工業製薬社製)の1.4wt%水溶液12.47gに加え、ディスパーを用いて分散した。さらに、結着剤としてスチレンブタジエンゴム(JSR社製)1.37gを加え、ディスパーを用いて混合した。得られた混合物(塗料)を集電体であるエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業社製)に塗布し、乾燥することによって負極を得た。なお、このとき用いたLi4Ti5O12の比表面積は70m2/gであった。
上記方法により作製した正極と負極をセパレータ(日本高度紙工業社製)を介して、図1のように配置(積層)した後、さらに電解液として1MのLiBF4/PC(キシダ化学社製)を注液した後、封止することによって実施例1のリチウムイオンキャパシタ用正極を用いたリチウムイオンキャパシタを作製した。なお、このときのリチウムイオンキャパシタの電気容量は600μAhであった。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を1wt%とした以外は実施例1と同様にして実施例2のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を10wt%とした以外は実施例1と同様にして実施例3のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を20wt%とした以外は実施例1と同様にして実施例4のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を30wt%とした以外は実施例1と同様にして実施例5のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を50wt%とした以外は実施例1と同様にして実施例6のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
まず、オルソチタン酸(テイカ社製)520gと水酸化リチウム・1水和物(FMC社製)218gを湿式混合したのち、大気中700℃で2hr焼成することによって、比表面積50m2/gの微粒子Li4Ti5O12を得た。
次に、負極活物質の比表面積を50m2/gの前記Li4Ti5O12とした以外は実施例4と同様にして実施例7のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
まず、オルソチタン酸(テイカ社製)520gと水酸化リチウム・1水和物(FMC社製)218gを湿式混合したのち、大気中550℃で2hr焼成することによって、比表面積100m2/gの微粒子Li4Ti5O12を得た。
次に、負極活物質の比表面積を100m2/gの前記Li4Ti5O12とした以外は実施例4と同様にして実施例8のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
まず、アナタース型酸化チタン(テイカ社製AMT−100)300gと水酸化リチウム(FMC社製)128gを湿式混合したのち、大気中において825℃で2hr焼成することによって、4512型のチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)を得た。
次に、Li2TiO3に換えて、前記のLi4Ti5O12を用いた以外は実施例4と同様にして実施例9のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
まず、アナタース型酸化チタン(テイカ社製AMT−100)300gと水酸化ナトリウム(シグマアルドリッチ社製)399gを湿式混合したのち、大気中において750℃で2hr焼成することによって、213型のチタン酸ナトリウム(Na2TiO3)を得た。
次に、Li2TiO3に換えて、前記のNa2TiO3を用いた以外は実施例4と同様にして実施例10のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
まず、アナタース型酸化チタン(テイカ社製AMT−100)300gと水酸化カリウム(シグマアルドリッチ社製)249gを湿式混合したのち、大気中において750℃で2hr焼成することによって、225型のチタン酸カリウム(K2Ti2O5)を得た。
次に、Li2TiO3に換えて、前記のK2Ti2O5を用いた以外は実施例4と同様にして実施例11のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を10wt%とした以外は実施例1と同様にして実施例12のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製した。
負極活物質として、天然黒鉛(日本黒鉛工業社製)4.62g、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業社製デンカブラック)0.54gを用い、これらを増粘剤であるカルボキシメチルセルロース(第一工業製薬社製)の1.4wt%水溶液12.47gに加え、ディスパーを用いて分散した。さらに、結着剤としてスチレンブタジエンゴム(JSR社製)1.37gを加え、ディスパーを用いて混合した。得られた混合物(塗料)を集電体である銅箔(福田金属箔粉工業社製)に塗布し、乾燥することによって負極を得た。なお、このとき用いた天然黒鉛の比表面積は4m2/gであった。
上記方法により作製した正極および負極と、Li金属片1.5mg(本城金属社製)とをセパレータ(日本高度紙工業社製)を介して、図2のように配置(積層)した後、さらに電解液として1MのLiPF6/EC:DEC=1:2(キシダ化学社製)を注液した後、封止し、10日間静置することによって実施例12のリチウムイオンキャパシタ用正極を用いたリチウムイオンキャパシタを作製した。なお、このときのリチウムイオンキャパシタの電気容量は600μAhであった。
Li2TiO3の正極活物質(活性炭)に対する含有量を20wt%とした以外は実施例12と同様にして実施例13のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3を正極に添加しない以外は実施例1と同様にして比較例1のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3を正極に添加しない以外は実施例12と同様にして比較例2のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。
Li2TiO3に換えてTiO2(テイカ社製JA−1)を用いた以外は実施例4と同様にして比較例3のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。なお、TiO2はLi2TiO3などと同様に導電性がない物である。
Li2TiO3に換えてAl2O3(シグマアルドリッチ社製)を用いた以外は実施例4と同様にして比較例4のリチウムイオンキャパシタ用正極を作製し、係るリチウムイオンキャパシタ用正極を用いてリチウムイオンキャパシタを作製した。なお、Al2O3はLi2TiO3などと同様に導電性がない物である。
作製した各リチウムイオンキャパシタを25℃の条件下において、1.5〜2.8Vの電圧範囲で、1Cと300Cの充放電速度でそれぞれ充放電を行った後、以下の計算式にてレート特性(急速充放電性)の評価を行った。
300Cの放電容量÷1Cの放電容量×100=レート特性(%)
まず、作製した実施例1〜13および比較例1〜4の各リチウムイオンキャパシタの初期体積を、アルキメデスの原理に基づいて測定した。具体的には、25℃の水を張った水槽に各リチウムイオンキャパシタを沈め、そのときの重量変化から各リチウムイオンキャパシタの初期体積を算出した。
次に、各リチウムイオンキャパシタを60℃の条件下において、1.5〜2.9Vの電圧範囲、0.5Cの充放電速度の条件の下で3サイクル充放電を行った。その後、上記測定方法と同様にして、充放電後の各リチウムイオンキャパシタの体積を算出し、初期体積との差から充放電前後の各リチウムイオンキャパシタの体積変化を求めることによって、各リチウムイオンキャパシタからのガス発生量を測定した。また、以下の計算式から、各リチウムイオンキャパシタの体積変化率も求めた。
体積変化率(%)=体積変化(ml)÷初期体積(ml)×100
また、実施例のリチウムイオンキャパシタ用正極を用いたリチウムイオンキャパシタは、比較例のリチウムイオンキャパシタ用正極を用いたリチウムイオンキャパシタに比べて、レート特性だけでなく、電気容量自体についても向上するという結果となった。ここで、Li2TiO3、Li4Ti5O12、Na2TiO3、K2Ti2O5はそれ自体が充放電をするものではないものであることから、係る知見についても従来の技術常識を覆すものである。
また、本発明に係るリチウムイオンキャパシタ用正極はレート特性を向上させつつ、使用時や経時変化における炭酸ガス、水素ガス、フッ素ガスなどの各種のガスの発生を抑制することができることがわかった。
2 正極(Li2TiO3、Li4Ti5O12、Na2TiO3、K2Ti2O5から選ばれる1種以上のチタン酸塩を含有)
3 セパレータ
4 負極
5 タブリード
6 ケース
7 Li金属片
Claims (2)
- Li2TiO3、Li4Ti5O12、Na2TiO3、K2Ti2O5から選ばれる1種以上のチタン酸塩を、
正極活物質に含有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ用正極。
- 前記チタン酸塩を、
前記正極活物質に対して0.5〜50wt%含有することを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオンキャパシタ用正極。
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