JP2010212309A - 電極材料及びこの電極材料を含有する電極 - Google Patents
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Abstract
【課題】カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料及びこの電極材料を含有する電極を提供する。
【解決手段】化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物にずり応力と遠心力を加えて生成した金属酸化物ナノ粒子と、旋回する反応器内でずり応力と遠心力を加えて分散した比表面積が600〜2600m2/gであるカーボンナノチューブとからなり、前記金属酸化物ナノ粒子を前記カーボンナノチューブに高分散担持させる。前記金属酸化物としては、チタン酸リチウムが好ましい。
【選択図】なし
【解決手段】化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物にずり応力と遠心力を加えて生成した金属酸化物ナノ粒子と、旋回する反応器内でずり応力と遠心力を加えて分散した比表面積が600〜2600m2/gであるカーボンナノチューブとからなり、前記金属酸化物ナノ粒子を前記カーボンナノチューブに高分散担持させる。前記金属酸化物としては、チタン酸リチウムが好ましい。
【選択図】なし
Description
本発明は、電極材料及びこの電極材料を含有する電極に関する。
現在、リチウム電池の電極としてリチウムを貯蔵、放出するカーボン材料等が用いられているが、酸化還元電位が電解液の還元電位より低いため、電解液が分解する可能性がある。そこで、酸化還元電位が電解液の還元電位より高いチタン酸リチウムが検討されているが、チタン酸リチウムは出力特性が低いという問題点がある。そこで、本出願人等は、チタン酸リチウムをナノ粒子化して、出力特性を向上する技術について出願した(特許文献1参照)。
Science Vol.306,p.1362-1364(2004)
Chemical Physics Letters 403,p.320-323(2005)
Journal of Physical Chemistry B2004,108,p.18395-18397
しかしながら、特許文献1に記載されたチタン酸リチウムナノ粒子とケッチェンブラック(KB)からなるカーボン材料では、カーボンの含有率は30〜50wt%が最適範囲であるため、カーボンの含有率を下げて、容量特性を向上させることができなかった。
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料及びこの電極材料を含有する電極を提供することにある。
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本出願人等が先に特許出願した明細書に記載されたメカノケミカル反応を用いると共に、カーボン材料として比表面積が600〜2600m2/gのカーボンナノチューブ(以下、SGCNTという)を用いることにより、カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料が得られることが判明したものである。
(カーボン材料)
本発明に係る電極材料を構成するカーボン材料としては、SGCNTを用いることが好ましい。なお、本発明において、上記SGCNTに着目したのは、以下の理由による。すなわち、比表面積が500m2/g以下のカーボンナノチューブは、強固なファンデルワールス力によりバンドル(束)を形成し、ミクロ凝集しているため、高分散化が困難であったが、比表面積が600〜2600m2/gと大きいカーボンナノチューブ(SGCNT)は、ファンデルワールス力によるバンドル(束)形成、ミクロ凝集がほとんどないため、高分散化が期待できるからである。
本発明に係る電極材料を構成するカーボン材料としては、SGCNTを用いることが好ましい。なお、本発明において、上記SGCNTに着目したのは、以下の理由による。すなわち、比表面積が500m2/g以下のカーボンナノチューブは、強固なファンデルワールス力によりバンドル(束)を形成し、ミクロ凝集しているため、高分散化が困難であったが、比表面積が600〜2600m2/gと大きいカーボンナノチューブ(SGCNT)は、ファンデルワールス力によるバンドル(束)形成、ミクロ凝集がほとんどないため、高分散化が期待できるからである。
本発明に係る電極材料に用いられるSGCNTのように大きな比表面積を有するものは、電気化学キャパシタの静電容量をより高いものとし、且つエネルギー密度をより高いものとするために望ましい。カーボンナノチューブは、単層でも、二層でも、三層以上の多層であってもよく、それらが混合していてもよい。
従来、電気化学キャパシタの電極に使用されていたカーボンナノチューブの比表面積は高々500m2/g程度であったが、本発明に係る電極材料としては、所期の目的を達成するため、比表面積が600m2/g以上の非常に大きなカーボンナノチューブを用いる。カーボンナノチューブのこのような大きな比表面積は、カーボンナノチューブ間にバンドルが形成されていないものを使用するか、あるいは形成されていても極めて少ないものを選択的に使用することにより達成することができる。
この場合、バンドルのない、あるいはバンドルが極めて少ないカーボンナノチューブは、例えば、上記の非特許文献1や非特許文献2等に記載されている方法を用いることにより得ることができる。また、比表面積が数百m2/g程度の市販されているHiPco(Carbon Nanotechnologies社製)に対し、例えば、非特許文献3に記載されているような、バンドル構造を解放するような手段を施す方法を用いて得ることもできる。なお、本発明に用いるSGCNTは、単層の場合、直径が2〜4nm、長さが0.1〜10mm、純度が80〜99.98%のものが好ましい。二層以上の場合、直径が4〜10nm、長さが0.1〜10mm、純度が80〜99.98%のものが好ましい。
また、本発明に係る電極材料に用いられるSGCNTとしては、上記のような大きな比表面積を備えることに加え、半導体性を有するものを用いることが好ましい。その理由は、SGCNTを両極に用いたキャパシタを作成した際、そのキャパシタに高い電圧を印加したときに、高い容量が得られるためである。
また、本発明に係る電極材料に用いられるSGCNTとしては、密度が0.2〜1.5g/cm3のものが好ましい。密度がこの範囲より低すぎると、機械的にもろくなって十分な機械的強度が得られないことや、体積あたりの容量密度が低くなってしまうからである。また、この範囲より高すぎると、電解液が入り込む空間がなくなるため、結果的に容量密度が減少してしまうからである。
(金属塩)
本発明に係る電極材料を構成する金属塩としては、金属アルコキシドが好ましく、その他に、塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等を挙げることができる。また、前記金属アルコキシドとしては、チタンアルコキシドが好ましく、その他、金属アルコキシドの加水分解反応の反応速度定数が10-5mol-1sec-1以上のものが好ましい。このような金属としては、スズ、ジルコニア、セシウム等を挙げることができる。
本発明に係る電極材料を構成する金属塩としては、金属アルコキシドが好ましく、その他に、塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等を挙げることができる。また、前記金属アルコキシドとしては、チタンアルコキシドが好ましく、その他、金属アルコキシドの加水分解反応の反応速度定数が10-5mol-1sec-1以上のものが好ましい。このような金属としては、スズ、ジルコニア、セシウム等を挙げることができる。
(反応抑制剤)
上記特許文献1に記載されたメカノケミカル反応を適用する所定の金属アルコキシドに、反応抑制剤として該金属アルコキシドと錯体を形成する所定の化合物を添加することにより、化学反応が促進しすぎるのを抑制することができる。
上記特許文献1に記載されたメカノケミカル反応を適用する所定の金属アルコキシドに、反応抑制剤として該金属アルコキシドと錯体を形成する所定の化合物を添加することにより、化学反応が促進しすぎるのを抑制することができる。
そこで、本発明においては、金属アルコキシドに、これと錯体を形成する酢酸等の所定の化合物を該金属アルコキシド1モルに対して、1〜3モル添加して錯体を形成することにより、反応を抑制、制御する。なお、この反応によって生成されるのは、金属と酸化物の複合体のナノ粒子、例えば、チタン酸リチウムの前駆体である、リチウムと酸化チタンの複合体のナノ粒子であり、これを焼成することにより、チタン酸リチウムの結晶が得られる。
なお、金属アルコキシドと錯体を形成することができる物質としては、酢酸の他、クエン酸、蓚酸、ギ酸、乳酸、酒石酸、フマル酸、コハク酸、プロピオン酸、レプリン酸等のカルボン酸、EDTA等のアミノポリカルボン酸、トリエタノールアミン等のアミノアルコールに代表される錯化剤が挙げられる。
(メカノケミカル反応)
なお、本発明で用いる反応方法は、本出願人等が先に特許出願した上記特許文献1に示した方法と同様のメカノケミカル反応であって、化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させるものである。
なお、本発明で用いる反応方法は、本出願人等が先に特許出願した上記特許文献1に示した方法と同様のメカノケミカル反応であって、化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させるものである。
この反応方法においては、反応物にずり応力と遠心力の双方の機械的エネルギーが同時に加えられることによって、このエネルギーが化学エネルギーに転化することによるものと思われるが、従来にない速度で化学反応を促進させることができる。
そして、このような化学反応を促進させるには、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔を備えるとともに、外筒の開口部にせき板を配置してなる反応器において、内筒の旋回による遠心力によって内筒内の反応物を内筒の貫通孔を通じて外筒の内壁面に移動させ、外筒の内壁面に反応物を含む薄膜を生成すると共に、この薄膜にずり応力と遠心力を加えることによって実現することができる。なお、前記薄膜の厚さは5mm以下であることが好ましく、前記反応器の内筒内の反応物に加えられる遠心力は、1500N(kgms-2)以上であることが好ましい。
すなわち、上記金属アルコキシド、上記反応抑制剤及びSGCNTを反応器の内筒の内部に投入して、内筒を旋回してこれらを混合、分散する。さらに内筒を旋回させながら水を投入して加水分解、縮合反応を進行させ、金属酸化物を生成すると共に、この金属酸化物とSGCNTを分散状態で、混合する。反応終了と共に、金属酸化物ナノ粒子を高分散担持させたSGCNTを得ることができる。
なお、本発明においては、上記分散と加水分解、縮合反応を同時に進行させることもできる。また、焼成工程において、3分以内に室温から900℃まで急熱することによって、金属酸化物の凝集を防止することができるので、粒径の小さな結晶性のナノ粒子を形成することができる。
(電極への応用)
本発明により得られた金属酸化物ナノ粒子を高分散担持させたカーボンは、バインダーと混合、成型し、電気化学素子の電極、すなわち電気エネルギー貯蔵用電極とすることができ、この電極は高出力特性、高容量特性を示す。
本発明により得られた金属酸化物ナノ粒子を高分散担持させたカーボンは、バインダーと混合、成型し、電気化学素子の電極、すなわち電気エネルギー貯蔵用電極とすることができ、この電極は高出力特性、高容量特性を示す。
ここで、この電極を用いることができる電気化学素子は、リチウムイオンを含有する電解液を用いる電気化学キャパシタ、電池である。すなわち、本発明の電極は、リチウムイオンの吸蔵、脱着を行うことができ、負極として作動する。したがって、リチウムイオンを含有する電解液を用い、対極として活性炭、リチウムが吸蔵、脱着する酸化物やカーボン等を用いることによって、電気化学キャパシタ、電池を構成することができる。
本発明によれば、カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料及びこの電極材料を含有する電極を提供することができる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例1)
チタンアルコキシド1モルに対して、酢酸1.8モル、酢酸リチウム1モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、SGCNTを旋回反応器内に投入し、66,000N(kgms-2)の遠心力で5分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したSGCNTを得た。
(実施例1)
チタンアルコキシド1モルに対して、酢酸1.8モル、酢酸リチウム1モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、SGCNTを旋回反応器内に投入し、66,000N(kgms-2)の遠心力で5分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したSGCNTを得た。
得られたチタン酸リチウムの前駆体を高分散担持させたSGCNTを、真空中において80℃で17時間乾燥することにより、チタン酸リチウムの前駆体がSGCNTに高分散担持された複合体粉末を得た。
得られたチタン酸リチウムの前駆体がSGCNTに高分散担持された複合体粉末を、真空中で3分以内に室温→900℃と急熱することによってチタン酸リチウムの前駆体の結晶化を進行させ、チタン酸リチウムのナノ粒子がSGCNTに高分散担持された複合体粉末を得た。なお、本実施例においては、旋回反応器内に投入するチタンアルコキシドとSGCNTの量を、チタン酸リチウムとSGCNTの重量比が約80:20となるよう換算して調製した。
このようにして得られた複合体のTEM像を図1に示した。図1においては5nm〜20nmのチタン酸リチウムのナノ粒子がSGCNTに高分散担持していることが分かる。
(比較例1)
チタンアルコキシド1モルに対して、酢酸1.8モル、酢酸リチウム1モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、ケッチェンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、商品名:ケッチェンブラックEC600JD、空隙率78Vol.%、一次粒子径40nm、平均二次粒径337.8nm)を旋回反応器内に投入し、66,000N(kgms-2)の遠心力で5分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したケッチェンブラックを得た。
チタンアルコキシド1モルに対して、酢酸1.8モル、酢酸リチウム1モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、ケッチェンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、商品名:ケッチェンブラックEC600JD、空隙率78Vol.%、一次粒子径40nm、平均二次粒径337.8nm)を旋回反応器内に投入し、66,000N(kgms-2)の遠心力で5分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したケッチェンブラックを得た。
得られたチタン酸リチウムの前駆体を高分散担持させたケッチェンブラックを、真空中において80℃で17時間乾燥することにより、チタン酸リチウムの前駆体がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。
得られたチタン酸リチウムの前駆体がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を、真空中で3分以内に室温→900℃と急熱することによってチタン酸リチウムの前駆体の結晶化を進行させ、チタン酸リチウムのナノ粒子がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。なお、比較例1においても、実施例1と同様に、旋回反応器内に投入するチタンアルコキシドとケッチェンブラックの量を、チタン酸リチウムとケッチェンブラックの重量比が約80:20となるよう換算して調製した。
(比較例2)
旋回反応器内に投入するチタンアルコキシド1molに対するケッチェンブラックの重量を比較例1の4/3倍に増加させて、チタン酸リチウムがケッチェンブラックに坦持された複合体を作製した。その他の条件は上記比較例1と同様である。なお、比較例2におけるチタン酸リチウムとケッチェンブラックの重量比は約60:40であった。
旋回反応器内に投入するチタンアルコキシド1molに対するケッチェンブラックの重量を比較例1の4/3倍に増加させて、チタン酸リチウムがケッチェンブラックに坦持された複合体を作製した。その他の条件は上記比較例1と同様である。なお、比較例2におけるチタン酸リチウムとケッチェンブラックの重量比は約60:40であった。
(試験結果)
(1)充放電挙動
実施例1で得られた複合体粉末8重量部と、2重量部のPVdF(ポリビニリデンフルオライド)をNMP(N−メチルピロリドン)溶液中で混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーを銅箔上に塗布し、真空中、100℃で4時間乾燥することによって電極を作製した。得られた電極に、対極としてリチウム箔をセパレータを介して対向させ、電解液として1M LiBF4/EC:DMC(vol.1:1)を注入することによって、コインタイプのセルを作製した。また、比較例1及び比較例2で得られた複合体についても、同様にしてセルを作製した。
(1)充放電挙動
実施例1で得られた複合体粉末8重量部と、2重量部のPVdF(ポリビニリデンフルオライド)をNMP(N−メチルピロリドン)溶液中で混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーを銅箔上に塗布し、真空中、100℃で4時間乾燥することによって電極を作製した。得られた電極に、対極としてリチウム箔をセパレータを介して対向させ、電解液として1M LiBF4/EC:DMC(vol.1:1)を注入することによって、コインタイプのセルを作製した。また、比較例1及び比較例2で得られた複合体についても、同様にしてセルを作製した。
作製したセルについて、電圧範囲1.0〜3.0V、Cレート1Cで充放電測定を行ったところ、図2に示すような結果が得られた。図から明らかなように、実施例1の1Cでの充放電曲線は1.55Vにプラトーを有し、そのチタン酸リチウム当たりの容量は143mAh/gであり、理論容量175mA/gの82%の容量が得られていることが分かった。これは、SGCNT上に高分散坦持された酸化物が結晶性のチタン酸リチウムであることを示している。さらに、XRD分析によっても、結晶性のチタン酸リチウムであることが確認されている。
(2)レート特性
実施例1、比較例1及び比較例2で得られた複合体粉末8重量部と、2重量部のPVdF(ポリビニリデンフルオライド)をNMP(N−メチルピロリドン)溶液中で混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーを銅箔上に塗布し、真空中、100℃で4時間乾燥することによって電極を作製した。得られた電極に、対極としてリチウム箔をセパレータを介して対向させ、電解液として1M LiBF4/EC:DMC(vol.1:1)を注入することによって、コインタイプのセルを作製した。作製したセルについて、電圧範囲1.0〜3.0V、Cレート範囲1〜100Cでの充放電測定を行ったところ、図3に示すような結果が得られた。なお、図3は、1Cでの容量を100とした場合の容量維持率を示したものである。
実施例1、比較例1及び比較例2で得られた複合体粉末8重量部と、2重量部のPVdF(ポリビニリデンフルオライド)をNMP(N−メチルピロリドン)溶液中で混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーを銅箔上に塗布し、真空中、100℃で4時間乾燥することによって電極を作製した。得られた電極に、対極としてリチウム箔をセパレータを介して対向させ、電解液として1M LiBF4/EC:DMC(vol.1:1)を注入することによって、コインタイプのセルを作製した。作製したセルについて、電圧範囲1.0〜3.0V、Cレート範囲1〜100Cでの充放電測定を行ったところ、図3に示すような結果が得られた。なお、図3は、1Cでの容量を100とした場合の容量維持率を示したものである。
図3から明らかなように、実施例1においては、100Cでの出力(容量)は1Cでの容量の89%と優れたレート特性を示している。これに対して、比較例1においては、100Cでの出力(容量)は1Cでの容量の数%に過ぎなかった。一方、比較例2においては、100Cでの出力(容量)は1Cでの容量の80%とレート特性は良好であったが、表1に示したように、比較例2ではチタン酸リチウムの比率が60%と小さいため、実施例1に比べて複合体当たりの容量は小さくなることが分かった。
一般に、カーボン比率が低くなるとチタン酸リチウム粒子が近接して凝集が起こり、これにより粒子径が増大して出力特性が低下することが知られている。比較例1のように、ケッチェンブラックの含有量が20%の場合には、チタン酸リチウム粒子の凝集が起こって粒子径が大きくなって出力特性が低下することが確認されている。一方、実施例1においては、SGCNTの含有量が20%であっても、優れた出力特性が得られることが分かった。
Claims (9)
- 化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物にずり応力と遠心力を加えて生成した金属酸化物ナノ粒子と、旋回する反応器内でずり応力と遠心力を加えて分散した比表面積が600〜2600m2/gであるカーボンナノチューブとからなり、前記金属酸化物ナノ粒子を前記カーボンナノチューブに高分散担持させたことを特徴とする電極材料。
- 前記旋回する反応器内で、反応抑制剤を含む反応物を含む薄膜を生成し、この薄膜にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進、制御させたことを特徴とする請求項1に記載の電極材料。
- 前記反応器が、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔を備えるとともに、外筒の開口部にせき板を配置してなり、内筒の旋回による遠心力によって、内筒内の反応抑制剤を含む反応物を内筒の貫通孔を通じて外筒の内壁面に移動させ、外筒の内壁面に反応抑制剤を含む反応物を含む薄膜を生成させると共に、この薄膜にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進、制御させたことを特徴とする請求項2に記載の電極材料。
- 前記薄膜が、その厚さが5mm以下であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電極材料。
- 前記反応器の内筒内の反応物に加えられる遠心力が、1500N(kgms-2)以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電極材料。
- 前記化学反応が、金属塩の加水分解反応および/または縮合反応であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の電極材料。
- 前記金属酸化物が、チタン酸リチウムであることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の電極材料。
- 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の電極材料を含有することを特徴とする電極。
- 前記金属酸化物が、チタン酸リチウムであることを特徴とする請求項8に記載の電極。
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