电气设备制造技术

本发明专利技术的目的是提高用于电池的包含活性物质粒子等的电极的导电性。作为导电助剂使用包括1至10个石墨烯的二维碳，代替至多只一维延伸的以往使用的导电助剂诸如石墨粒子、乙炔黑或碳纤维等。二维延伸的导电助剂与活性物质粒子或其他导电助剂接触的概率较高，由此可以提高该导电性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包含粒子状物质的各种电气设备，尤其是电池。
技术介绍
在锰电池、碱性电池、镍氢电池、锂离子二次电池等中，作为用来储存电力的活性物质使用粒子状物质。在粒子状物质（活性物质粒子）具有低导电性的某些情况下，将诸如乙炔黑、石墨粒子或碳纤维等导电助剂混合到所述粒子状物质内，由此提高导电性（参照专利文献1）。具体而言，混合活性物质粒子、导电助剂和粘合剂，并且将混合物涂敷在集流体上而成形，然后进行干燥，以将其用作诸如正极或负极等电极。为了提高其导电性，与上述工序同样的工序应用于包含粒子状物质的其他电气设备而不局限于电池。[参考文献][专利文献][专利文献1]日本专利申请公开H6-60870号公报；[专利文献2]美国专利申请公开2009/0110627号公报；[专利文献3]美国专利申请公开2007/0131915号公报；[非专利文献][非专利文献1]P. Blake等人，“Graphene-Based Liquid Crystal Device”，Nano Lett.8，1704（2008）。
技术实现思路
在作为锰干电池等中的导电助剂使用石墨粒子的情况下，因为成本的理由而通常使用天然石墨。然而，在该情况下，作为杂质包含在石墨粒子中的铁、铅、铜等与活性物质或集流体起反应，由此电池的电位和电容下降。此外，天然石墨具有低电解液保持特性。这些因素产生活性物质的使用效率降低的问题。并且，当作为通过碱离子的转移进行充电和放电的诸如锂离子电池等电池的正极的导电助剂使用石墨时，产生石墨粒子吸收碱离子而电流的使用效率下降的问题。另一方面，与石墨粒子相比，乙炔黑包含更少的杂质并具有更发达的链结构，因此具有优良的电解液保持特性，由此提高活性物质的使用效率。然而，作为导电助剂包含乙炔黑的电池具有电位和放电电容大幅度地下降的缺点，这是因为对活性物质具有高的还原性的官能团存在于乙炔黑的表面。而且，因为乙炔黑是直径约为10nm的微粒，所以通过在乙炔黑粒子之间跳跃而电流从活性物质粒子传导到集流体。因此，每次跳跃时都产生电阻。图2示意性地示出作为导电助剂使用乙炔黑的例子。在附图中，以斜线所示的粒子是活性物质粒子，黑点是乙炔黑粒子。在使用石墨粒子的情况下也产生上述问题。另一方面，在如专利文献1那样，作为导电助剂使用碳纤维的情况下，预期由于上述过度跳跃导致的导电性的降低得到抑制。然而，不是活性物质和集流体通过单一碳纤维连接，而是电流通过在多个碳纤维之间跳跃而传导。即使所有碳纤维在一个方向上排列整齐，碳纤维彼此接触（或充分接近）的概率也低于50%，因此在导电性的方面不足。而且，难以使所有碳纤维在通过混合粘合剂形成的电极中在一个方向上排列整齐；由此，实际导电性低于上述假设的导电性。通过使用包括1至100、优选为1至10个石墨烯的二维碳作为导电助剂，可以提高导电性。注意，在本说明书中，石墨烯是指厚度为一原子层的具有sp2键的碳分子的片。图1是示出使用这种二维延伸的导电助剂的情况的示意图。在此，三片二维碳和大量活性物质粒子形成复杂的结构，由此可以提高导电性。如下所述，在使用二维延伸且其厚度可以忽略的材料作为导电助剂的情况下，即使减少导电助剂的体积也可以获得同等效果。因此，可以减少占据电极的导电助剂的体积，由此可以减少电极的体积。例如，包括10个石墨烯的二维碳的厚度约为3nm。石墨烯具有在经过掺杂处理之后实现高导电性的特性。可以获得大于或等于106S/cm的值，其高于或等于银的导电性。此事实有利于使用石墨烯作为导电助剂。可以通过部分地使石墨烯氧化或对石墨烯添加诸如钾等碱金属来进行掺杂。当将包含二维碳的导电助剂用于通过碱金属离子或碱土金属离子的转移进行充电和放电的诸如锂离子二次电池等电气设备时，有时自动进行二维碳的掺杂，由此提高导电性。通过层叠更多的石墨烯，来提高二维碳的导电性。然而，101个或更多的石墨烯的叠层不是优选的，因为其具有太强的石墨特性。在使用二维延伸的材料作为导电助剂的情况下，其典型长度大于或等于100nm且小于或等于100μm，优选大于或等于1μm且小于或等于20μm。尤其是，在使用二维碳的情况下，典型长度小于或等于100nm的二维碳具有半导体特性，由此具有低导电性。另一方面，典型长度大于或等于100nm的二维碳具有与良好的导体的电特性同等的电特性。然而，为了减少跳跃传导的次数（从二维碳到另一二维碳的电子的转移），典型长度优选大于或等于1μm。在本说明书中，典型长度被定义为二维碳的面积的平方根。虽然二维碳实际上可能具有各种形状，但是在此，假设所有二维碳具有矩形形状而定义长度。因此，例如长边为2mm且短边为50nm的矩形二维碳的典型长度（这些值不在于上述优选的范围内）为10μm（此值在于上述优选的范图内）。注意，除了二维碳以外，导电助剂还可以包含乙炔黑粒子或一维延伸的碳粒子（诸如碳纳米纤维等），其体积大于或等于二维碳的体积的0.1倍且小于或等于10倍。利用上述结构，可以减少电气设备的电阻。尤其是，当将根据本专利技术的导电助剂用于一次电池或二次电池时，电极的电阻（内电阻）优选为低，这适合于瞬时需要大量电力的用途。例如，在平坦地面上驱动电动汽车时，电动汽车的电源消耗较少的电力。然而，在急加速下或当上坡时消耗大量电力。在这些情况下，电源需要供应大量电流；然而，当内电阻高时，产生明显的电压下降以及由于内电阻导致的损耗。其结果，预期可用的电力的一部分被损耗。换言之，虽然如果在平坦地面上驱动车辆，则所储存的电力可以几乎完全被使用，但是当上坡时或在加速下电力的一部分被损耗。内电阻的降低可以抑制这些损耗。参照图3A至图3F说明可以通过使用二维延伸且其厚度可以忽略的材料来提高导电性的理由。图3A至3D是用来说明使用诸如碳纤维等一维延伸的材料也未充分提高导电性的理由的图。图3A示出排列成一个理想状态的碳纤维101。换言之，多个碳纤维101有规律地排列成正方形格子状。碳纤维101的长度方向垂直于纸张。一个碳纤维的表面与另一碳纤维的表面之间的距离为x。也就是说，通过从格子间隔减去x而获得碳纤维的直径。x具有取决于活性物质等的粒子尺寸的最佳值。图3B示出在以图3A中的箭头“a”表示的方向上所观察的碳纤维。在图3B中，箭头“b”表示在图3A中观察碳纤维的方向。考虑碳纤维101与上方的碳纤维102接触的情况。例如，在图3C所示的排列中，碳纤维101看起来与上方的碳纤维102紧密接触，由此其间的电阻可以为最小。然而，如图3D所示，有如下情况：当从另一角度（以箭头“b”表示）观看时，碳纤维101与上方的碳纤维102彼此完全不重叠（不接触）。由此，这种有规律地排列的碳纤维格子与上方的相似的碳纤维格子重叠的概率不高。在图3A至图3D中，将碳纤维101和102的直径设定为格子间隔的十分之一。在该情况下，碳纤维101至少部分地与上方的碳纤维102重叠（接触）的概率约为12.6%。另一方面，当使用二维延伸的材料时，上述概率大幅度地提高。例如，假设图3E所示的结构（二维碳103），其中二维延伸的材料在与图3A中的区域对应的区域中被弯曲。在此，将弯曲间隔设定为x。这是为了获得与图3A的效果同等的效果的缘故。可以明白：如果在二维碳103的上方具有与此同样被弯曲的二维碳，则不可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造电气设备的方法，所述电气设备包括：活性物质颗粒；粘合剂；以及包含二维碳的导电助剂，所述方法包括：形成包含氧化石墨烯的水溶液；将所述水溶液涂布在金属上并进行干燥以形成包含所述氧化石墨烯的第一层，其中所述第一层直接与所述金属接触；以及对所述第一层进行还原以便获得所述二维碳，其中所述二维碳直接与所述金属接触。

【技术特征摘要】
2010.08.19 JP 2010-1838881.一种制造电气设备的方法，所述电气设备包括：活性物质颗粒；粘合剂；以及包含二维碳的导电助剂，所述方法包括：形成包含氧化石墨烯的水溶液；将所述水溶液涂布在金属上并进行干燥以形成包含所述氧化石墨烯的第一层，其中所述第一层直接与所述金属接触；以及对所述第一层进行还原以便获得所述二维碳，其中所述二维碳直接与所述金属接触。2. 根据权利要求1所述的制造电气设备的方法，还包括：利用溶剂来形成含有所述活性物质颗粒、所述粘合剂和所述二维碳的浆料；以及将所述浆料涂敷到集流体上，然后进行干燥。3.根据权利要求1所述的制造电气设备的方法，还包括：对所述金属进行蚀刻以获得包含所述二维碳的自支撑膜。4.一种制造电气设备的方法，所述电气设备包括：活性物质颗粒；粘合剂；以及包含二维碳的导电助剂；所述方法包括：形成包含氧化石墨烯的水溶液；将所述水溶液涂布在金属上并进行干燥以形成包含所述氧化石墨烯的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹村保彦，森若圭惠，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP