[发明专利]电气设备

说明书

技术领域

本发明涉及包含粒子状物质的各种电气设备，尤其是电池。

背景技术

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）。

发明内容

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。