石墨烯、蓄电装置以及电气设备制造方法及图纸

本发明专利技术的目的是提供能够用于电气设备且透过锂离子的石墨烯。在石墨烯中设置环元数为9以上的碳环。环元数为9以上的碳环对锂离子的最大势能几乎为0电子伏特，所以可以用作透过锂离子的孔。当利用这种石墨烯涂覆电极或活性物质表面时，能够不阻碍锂离子的移动而抑制电极或活性物质与电解液起反应。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯、蓄电装置以及电气设备
本专利技术涉及一种能够适用于锂离子二次电池的材料等的、在锂的透过性及导电性的方面优异的石墨烯或多个层的石墨烯。石墨烯是指具有sp2键的1原子层的碳分子片。
技术介绍
石墨烯具有高导电率或高迁移率之类的优良电特性，且具有柔性或机械强度之类的物理特性，由此正在尝试将其应用于各种各样的产品（参照专利文献1至专利文献3）。此外，还提出了将石墨烯应用于锂离子二次电池的技术（专利文献4）。专利文献1：美国专利申请公开2011/0070146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号公报专利文献4：美国专利申请公开2007/0081057号公报。已知石墨烯具有高导电率。石墨烯本身不能透过离子，但是通过在石墨烯中的一部分设置孔（间隙），可以赋予透过离子的能力。
技术实现思路
设置在石墨烯中的孔越大且每单位面积的孔的数量越多，就可以越高效地透过离子，但是石墨烯的机械强度降低。本专利技术的一个方式是为了解决该问题而提出的，其目的之一是使设置在石墨烯中的孔的大小及数量以及石墨烯的机械强度处于最佳状态。此外，本专利技术的一个方式的目的之一是提供充放电特性优异的蓄电装置。或者目的之一是增加每单位重量的蓄电电容。或者，目的之一是提高循环特性。或者，目的之一是提供能够耐受长期或重复的使用的、可靠性高的电气设备。本专利技术的一个方式的特征在于，在石墨烯中设置环元（ringmember）数为9以上的碳环。环元数为9的碳环的相对于锂离子的最大势能几乎为0电子伏特，因此通过在石墨烯中设置环元数为9以上的碳环，能够使其作为可透过锂离子的孔来起作用。本专利技术的一个方式的特征在于，在石墨烯中设置0.149nm2以上的孔。通过将设置在石墨烯中的孔的面积设定为0.149nm2以上，能够容易地透过锂离子。当利用这种石墨烯涂覆电极或活性物质表面时，可以不阻碍锂离子的移动而抑制电极或活性物质与电解液起反应。此外，本专利技术的一个方式是具有上述石墨烯的电气设备。另外，本专利技术的一个方式是由上述石墨烯涂覆表面的电极或活性物质。本专利技术的一个方式解决上述课题的任何一个。根据本专利技术的一个方式，能够提高蓄电装置的充放电速度。根据本专利技术的一个方式，能够增加每单位重量的蓄电电容。根据本专利技术的一个方式，能够提高循环特性。附图说明图1是示出形成在石墨烯中的碳环的最佳结构的图；图2是说明锂离子从碳环接受的势能的变化的图；图3是说明设置在石墨烯中的孔的面积a与包括一个孔的石墨烯的面积S的关系的图；图4是说明锂离子的移动的图；图5是说明硬币型二次电池的结构的图；图6是说明电气设备的一个例子的图。附图标号说明101电极；102石墨烯；103锂离子；104孔；105圆；200负极集电体；202负极活性物质层；204负极；206框体；210分离器；220环状绝缘体；228正极集电体；230正极活性物质层；232正极；240间隔物；242垫圈；244框体；301碳环；302碳环；311曲线；312曲线；401直线；402直线；403直线；5000显示装置；5001框体；5002显示部；5003扬声器部；5004蓄电装置；5100照明装置；5101框体；5102光源；5103蓄电装置；5104天花板；5105侧壁；5106地板；5107窗户；5200室内机；5201框体；5202送风口；5203蓄电装置；5204室外机；5300电冷藏冷冻箱；5301框体；5302冷藏室门；5303冷冻室门；5304蓄电装置。具体实施方式以下，对实施方式进行说明。但是，本
技术人员可以容易地理解的是，实施方式可以以多个不同方式来实施，其方式和细节可以被变换为各种各样的形式而不脱离本专利技术的宗旨及其范围。因此，本专利技术不应该被解释为仅限定在以下的实施方式所记载的内容。实施方式1在本实施方式中，说明使设置在石墨烯中的孔的大小、孔的数量密度（每石墨烯单位面积的孔的数量）以及石墨烯的机械强度最佳化的方法。图1是示出形成在石墨烯中的碳环的最佳结构的图，图2是说明锂离子从具有八元环结构的碳环或具有九元环结构的碳环接受的势能的变化的图。此外，图3是说明任意的机械强度中的、设置在石墨烯中的孔的面积a与包括一个孔的石墨烯的面积S（1/S相当于数量密度）的关系的图。首先，作为设置在石墨烯中的最小面积的孔的候选，利用第一原理计算来验证具有八元环结构的碳环和具有九元环结构的碳环的锂离子透过性。对于计算，使用基于平面波基底赝势法（planewavebasispseudopotentialmethod）的第一原理计算软件VASP。图1（A）示出通过第一原理计算而得到的、形成在石墨烯中的具有八元环结构的碳环的最佳结构。具有八元环结构的碳环301的环径最大为0.427nm，最小为0.347nm，并且使用三角形的初等几何学上的面积为0.105nm2。图1（B）示出通过第一原理计算而得到的、形成在石墨烯中的具有九元环结构的碳环的最佳结构。具有九元环结构的碳环302的环径最大为0.428nm，最小为0.422nm，并且使用三角形的初等几何学上的面积为0.149nm2。图2示出研究锂离子对图1（A）和图1（B）所示的结构的透过性的结果。图2示出锂离子从碳环接受的势能相对于锂离子离碳环的距离的变化。图2中的横轴表示锂离子离碳环的距离，纵轴表示锂离子从碳环接受的势能。在图2中，曲线311表示锂离子从具有八元环结构的碳环301接受的势能的变化，曲线312表示锂离子从具有九元环结构的碳环302接受的势能的变化。具有八元环结构的碳环301的势能在与锂离子的距离为0.2nm附近成为极小，但是距离进一步变小时，转变成增加。锂离子到达碳环301需要1eV左右的势能，因此锂离子不能透过碳环301。与此相对，在具有九元环结构的碳环302中，锂离子到达碳环302时的势能为-0.26eV左右，因此锂离子能够容易地透过碳环302。一般来说，用于透过碳环的势能在碳环的环元数减少时变大，在碳环的环元数增加时变小。因此，为了使锂离子透过，需要将设置在石墨烯中的碳环（孔）的环元数设为9以上。就是说，需要将孔的面积a设定为大于图3所示的直线401。锂离子透过具有孔的石墨烯所需要的时间，主要根据石墨烯面内的锂离子到达孔的时间来决定。如图4（A）所示那样，当锂离子103在石墨烯102的面内移动并达到孔104时，在与石墨烯102接触的电极101（若是蓄电装置则为活性物质）为负电位的情况下，移动到下层的石墨烯（当电极101为正电位的情况下移动到上层的石墨烯）。在具有孔104的石墨烯102中移动的锂离子到达作为环元数为9以上的碳环的孔104的时间，基于图4（B）的模型如下地算出。首先，考虑存在于石墨烯上的锂离子的扩散。利用二维布朗运动中的均方位移与时间的关系式，能够将位于点P的锂离子在时间t后能够移动的距离r表达为算式1。在此，D是锂离子的扩散系数。[算式1]即，可以说位于点P的锂离子在时间t后存在于以点P为中心的半径r的圆105中。接着，将包括一个作为环元数为9以上的碳环的孔104的、石墨烯的面积（平均面积）设为S，考虑在石墨烯上移动的锂离子到达孔104所需要的时间。此外，S的倒数（1/S）是石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括孔的石墨烯，其中，包括所述孔的所述石墨烯的面积S满足以下所述的算式1和算式2：[算式1][算式2]其中，a表示所述孔的面积，D表示锂离子的扩散系数，t1表示所述石墨烯上的离子到达所述孔所需要的时间，并且，k表示相对于没有孔的石墨烯的机械强度的比率。2012102091006100001dest_path_image002.jpg,2012102091006100001dest_path_image004.jpg

【技术特征摘要】
2011.06.24 JP 2011-1410351.一种锂离子二次电池，包括：电极，所述电极包括集电体和活性物质层，所述活性物质层包括所述集电体上的硅；以及覆盖所述活性物质层的表面的石墨烯层，所述石墨烯层包括多个孔，每个孔是包括9个以上环元数的碳环，其中，所述石墨烯层的具有一个作为环元数为9个以上的碳环的孔的部分的平均面积S满足以下所述的算式1和算式2：[算式1][算式2]其中，表示包括9个以上环元数的所述碳环的面积，表示锂离子的扩散系数，表示所述石墨烯层上的所述锂离子到达所述孔所需要的时间，并且，表示相对于没有孔的石墨烯的机械强度的机械强度比率。2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述孔的所述面积为0.149nm2以上。3.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述石墨烯层以均匀的厚度分布在所述活性物质层的表面的凸部和凹部上。4.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述石墨烯层包括所述活性物质层的表面上的1到50层石墨烯。5.一种锂离子二次电池，包括：电极，所述电极包括集电体和所述集电体上的活性物质层，其中所述活性物质层包括硅，并且所述活性物质层的表面具有凸部和凹部；以及覆盖所述活性物质层的表面的石墨烯层，所述石墨烯层包括多个孔，每个孔是包括9个以上环元数的碳环，其中，所述石墨烯层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：广桥拓也，足立骏介，
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：