JP2012009200A - 導電材料の製造方法および導電材料、並びに電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】導電材料は、Li4Ti5O12焼結体に高周波をかけることにより、チタンの化学状態を変化させることで導電性を付与したものである。この導電材料は、例えば、Li4Ti5O12焼結体をターゲットとして用いて、窒素を含む雰囲気中で、RFマグネトロンスパッタリングを行った後のターゲットである。
【選択図】なし
Description
1.第1の実施の形態(導電材料の例)
2.第2の実施の形態(電池の例)
3.他の実施の形態(変形例)
この発明の第1の実施の形態による導電材料について説明する。この発明の第1の実施の形態による導電材料は、Li4Ti5O12焼結体に高周波をかけることにより、チタンの化学状態を変化させることで導電性を付与したものである。
この発明の第2の実施の形態による電池について説明する。図1は、この発明の第2の実施の形態による電池の構成例を示す。この電池は、上述の第1の実施の形態による導電材料を負極活物質として用いたものである。
図1は、この発明の第2の実施の形態による電池の断面構成を示す。この電池は、有機溶媒を含む電解液を用いた非水電解質電池である。また、この電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池である。この電池は、円筒型と呼ばれる電池構造を有する。
図2は、図1に示した巻回電極体120の一部を拡大して表している。正極121は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体121Aの両面に、正極活物質層121Bが設けられたものである。正極集電体121Aは、例えば、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)あるいはステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。正極活物質層121Bは、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料を含んでいる。この正極活物質層121Bは、必要に応じて、導電剤や結着剤を含んでいてもよい。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。その化学式は、例えば、LixM1O2またはLiyM2PO4で表される。式中、M1およびM2は、1種類以上の遷移金属元素を表す。
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などのフッ素系高分子化合物などが挙げられる。
導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックまたはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料または導電性高分子などであってもよい。
負極122は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体122Aの両面に、負極活物質層122Bが設けられたものである。負極集電体122Aは、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)またはステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。負極活物質層122Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を含んでいる。この負極活物質層122Bは、必要に応じて、導電剤や結着剤などを含んでいてもよい。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、第1の実施の形態による、導電材料を用いることができる。すなわち、負極材料として、高周波をかけることにより、チタンの化学状態を変化させたLi4Ti5O12焼結体を用いることができる。例えば、高周波をかけた後のLi4Ti5O12焼結体を粉砕などすることにより粉末状にして用いる。この高周波をかけた後のLi4Ti5O12焼結体は、導電性を有すると共に、活物質として機能する。したがって、負極122を構成する際に、導電剤をなくすまたは導電剤の量を減らすことができるため、単位量あたりの容量を増大することができる。
導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料または導電性高分子などであってもよい。
結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムまたはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。
電解液は、溶媒と電解質塩とを含む。溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの炭酸エステル系溶媒、1,2−ジメトキシエタン、1−エトキシ−2−メトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトン、ε−カプロラクトンなどのラクトン系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、スルフォラン系溶媒、リン酸類、リン酸エステル溶媒、ピロリドン類などの非水溶媒が挙げられる。溶媒は、いずれか1種を単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
セパレータ123は、正極121と負極122とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ35は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜、またはセラミックからなる多孔質膜により構成されており、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
上述した電池は、例えば、以下のように製造する。
まず、例えば、正極集電体121Aの両面に正極活物質層121Bを形成することにより、正極121を作製する。この正極活物質層121Bを形成する際には、正極活物質の粉末と、導電剤と、結着剤とを混合した正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させることによりペースト状の正極合剤スラリーとする。そして、正極合剤スラリーを正極集電体121Aに塗布して乾燥させたのちに圧縮成型する。
(ターゲットの作製)
原料粉末としてLi2CO3とTiO2とを化学量論比で秤量し、ボールミルを用いて混合した混合することにより、混合粉末を得た。次に、この混合粉末を大気中で800℃12時間で焼成することにより、Li4Ti5O12粉末を得た。次に、錠剤成形機を用いて、Li4Ti5O12粉末をプレス成形した後、大気中800℃6時間の条件で焼結を行うことにより、ターゲットとして用いるLi4Ti5O12焼結体を得た。
Li4Ti5O12焼結体をターゲットとして、マグネトロンRFスパッタリング装置を用いて、以下の条件でスパッタリングを行った。
スパッタ圧:0.5Pa
出力:50W
ガス:Ar:10sccm、N2:10sccm
実施例1と同様のLi4Ti5O12焼結体をターゲットとして、マグネトロンRFスパッタリング装置を用いて、以下の条件でスパッタリングを行った。
スパッタ圧:0.5Pa
出力:50W
ガス:Ar:10sccm、O2:10sccm
実施例1および参考例1のスパッタ後のターゲットの写真を図3に示す。実施例1のスパッタ後のターゲットは、表面が黒くなっていることが確認された。
4端子法により、表面抵抗率を測定した。実施例1の表面抵抗率は2kΩ/□であった。
実施例1のスパッタ後のターゲットについてXRD分析を行った。図4は、実施例1の導電材料のXRDパターンである。図4に示すように、矢印に示すLi4Ti5O12のピークの他、ルチル型TiO2のピーク、アナターゼ型TiO2のピークが観察された。
実施例1において、スパッタ前のターゲットおよびスパッタ後のターゲットについて、それぞれXPS分析を行った。図5に測定結果を示す。図5において、線pは、スパッタ前のターゲットについてのXPSスペクトルである。線qは、スパッタ後のターゲットについてのXPSスペクトルである。
この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、高周波を印加する装置の形態は限定されるものではなく、Li4Ti5O12に高周波を印加できるものであればよい。
112、113・・・絶縁板
114・・・電池蓋
115・・・安全弁機構
115A・・・ディスク板
116・・・熱感抵抗素子
117・・・ガスケット
120・・・巻回電極体
121・・・正極
122・・・負極
123・・・セパレータ
124・・・センターピン
125・・・正極リード
126・・・負極リード
Claims (6)
- Li4Ti5O12焼結体に高周波をかける処理を行う工程を有する導電材料の製造方法。
- 上記高周波をかける処理を窒素を含む雰囲気中で行う請求項1記載の導電材料の製造方法。
- 上記Li4Ti5O12焼結体に高周波をかける処理を行う工程は、Li4Ti5O12焼結体をターゲットとして用いて、窒素を含む雰囲気中でRFマグネトロンスパッタリングを行う工程である請求項1記載の導電材料の製造方法。
- Li4Ti5O12焼結体に高周波をかける処理を行うことにより、チタンの化学状態を変化させた導電材料。
- Li4Ti5O12相、アナターゼ型TiO2相およびルチル型TiO2相を有する請求項4記載の導電材料。
- 正極と、
負極と、
電解質と
を備え、
上記負極は、活物質として、Li4Ti5O12焼結体に高周波をかける処理を行うことにより、チタンの化学状態を変化させた導電材料を含有する電池。
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