JP2012521065A - リチウム電池正極用のフッ素化バインダ複合材料およびカーボンナノチューブ - Google Patents
リチウム電池正極用のフッ素化バインダ複合材料およびカーボンナノチューブ Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】本発明複合材料は下記(a)〜(c)を含む:(a)複合材料の全重量に対して1〜2.5重量%、好ましくは1.5〜2.2重量%の量でカーボンナノチューブを含む少なくとも一種の導電性添加剤、(b)Li/Li+対に対する電気化学ポテンシャルが2V以上で、LiMy(XOz)nタイプのポリアニオン系骨格を有する化合物の中から選択されるリチウム挿入化合物を可逆的に形成できる電極活性材料、(c)ポリマーバインダ。本発明の正極複合材料を有する電極を含むLi−イオン電池はサイクル容量が高く、内部抵抗が低く、充放電速度が速く、貯蔵KWコストが安い。
Description
本発明は特に、Li−イオン電池の正極用材料と、その製造方法と、Li−イオン電池でのその使用とに関するものである。
本発明の別の対象は、この複合電極材料を組み込んで製造したLi−イオン電池にある。
Li−イオン電池は特に携帯電話、コンピュータおよび軽量機器で使用されるが、複数の隙間産業、例えば宇宙産業、航空産業および軍需産業も存在する。
すなわち、人に起因するCO2が気候温暖化に与える影響および化石燃料の消費量を減らす必要性から、電気自動車および/またはハイブリッド車への関心が再び高まってきている。この理由により、電力貯蔵システム、特に電池および超コンデンサは多くの利点を有する。
輸送分野以外では、電気化学的貯蔵が太陽光および風力発電のような間欠的にエネルギーを生産する再生可能なエネルギー源の最適な利用および管理に最良な方法であると思われる。
全く驚くことに、CNTタイプの導電性添加剤の含有量を1〜2.5%の低含有量にしたポリアニオン系骨格を有する化合物をベースすることで高性能電極が製造されるということがわかった。
(a)複合材料の全重量に対して1〜2.5重量%、好ましくは1.5〜2.2重量%の量でカーボンナノチューブを含む少なくとも一種の導電性添加剤、
(b)電気化学ポテンシャルがLi/Li+対に対して2V以上である、リチウム挿入化合物を可逆的に形成できる電極活性材料、
(c)ポリマーバインダ、
を含むLi−イオン電池の正極用複合材料において、
上記リチウム挿入化合物がLiMy(XOz)nタイプのポリアニオン系骨格を有する化合物の中から選択されることを特徴とする材料にある。
(ここで、
Mは、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、BおよびMoから成る群の中から選択される少なくとも一種の金属原子から成る金属原子を表し、
XはP、Si、Ge、SおよびAsから成る群の中から選択される原子の一種を表す)
ポリアニオン系骨格を有する化合物はマシコン(masicon)またはオリビン(olivine)タイプの構造を有するのが好ましい。
MはFe、Mnまたはこれらの組合せの中から選択されるのが特に好ましい。
リチウム挿入化合物はLiFePO4であるのが好ましい。
(i)最終的に下記(1)〜(5)を含む懸濁液または分散体を調製し:
(1)導電性添加剤としてのCNT、
(2)任意成分の追加導電性添加剤、
(3)ポリマーバインダ、
(4)揮発性溶剤、
(5)電極活性材料、
(この懸濁液は、ボールミル、遊星ミルまたは3本ロールミルを用いた粉砕装置で機械的に均一に分散される)
(ii)こうして調製された懸濁液から、任意の通常手段によってフィルムを作る。
J.-H.Lee et al., J.Power Sources, 184,(2008),308
N.Darsono et al., Mat. Chem. Phys., 110,(2008),363
(1)NMP中の2.2重量%のナノチューブ懸濁液の場合で、200〜1000パスカル、
(2)NMP中でナノチューブ(2.2重量%)とPVDF(4.4重量%)との懸濁液の場合で、100パスカル以上。
本発明の別の対象は、本発明のまたは本発明方法で得られた複合材料が塗布された少なくとも一つの電流コレクタを有するLi−イオン電池の正極にある。
本発明のさらに別の対象は、上記の正極を含むLi−イオン電池にある。
(a)複合材料の全重量に対して1〜2.5重量%、好ましくは1.5〜2.2重量%の量でカーボンナノチューブを含む少なくとも一種の導電性添加剤、
(b)Li/Li+対に対する電気化学ポテンシャルが2V以上である、リチウム挿入化合物を可逆的に形成できる電極活性材料であって、このリチウム挿入化合物がLiMy(XOz)nタイプのポリアニオン系骨格を有する化合物(ここで、Mは、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、BおよびMoから成る群の中から選択される少なくとも一種の金属原子から成る金属原子を表し、XはP、Si、Ge、SおよびAsから成る群の中から選択される原子の一つ種を表す)の中から選択される電極活性材料、
(c)ポリマーまたはポリマーバインダのブレンドから成るバインダ。
本発明のさらに別の対象は、上記の方法で得られた複合材料の使用にある。
複合材料は炭素被覆を有する94重量%のC/LiFePO4(この炭素被覆はC/LiFePO4の全重量の1〜3%を示す)と、4重量%のアルケマ社から商品名カイナー(Kynar(登録商標))で市販のPVDFバインダ(1/3はカイナー(登録商標)ADXから成り、2/3はカイナー(登録商標)HSVから成る)と、2重量%のアルケマ社から商品名グラフィストレングス(Graphistrength(登録商標))で市販のCNTとから成る。ナノチューブの平均径は20nmで、長さは約数ミクロンで、その化学組成から、合成プロセスで生じる約7%の鉱物灰を含んでいる。
J-F.Martin et al., Electrochem. Solid-State Letters, 2008, Vol.11, No.1, pp.A12-A16
この実施例の複合材料の組成は実施例1と同じである。実施例1の調製と異なる点は、PVDFバインダを第1段階、すなわち、CNTの分散中に粉末の形で導入する点である。
第1段階では、最初に、複合材料の組成に関与するCNTおよびPVDFを全てビーズミル(Pulverisette 7, Fritsch)を用いてNMP中に分散する。分散条件は700回転/分で、12.5mlのミリング室に直径が10mmの3つのビーズと、0.360mlのNMPと、8mgのCNTと、16mgのPVDFとを入れた。分散時間は6〜48時間で変えた。
第2段階では、C/LiFePO4粒子(376mg)と、0.640mlのNMPとを添加し、これら全てを700回転/分で1時間30分、共ミリングして混合する。複合材料は29重量%の懸濁液から成り、残りはNMPである。
次いで電極および電池を調製し、電気化学的性能を実施例1と同様に評価する。
[図3]はCNT+PVDF混合物の分散時間の関数としての6Cレートでの容量Q(mAh/g)の変化を示す。最適な電気化学的性能は最適な分散時間である24時間で得られる。
この実施例の複合材料の組成は実施例1と同じである。実施例1の調製と異なる点は下記の点である:(1)第1段階でのCNTの分散時間を15時間にする。(2)第2段階での複合材料は32重量%の懸濁液から成る。(3)第3段階で、スクレーパーの高さを300μmに設定し、圧縮(密度を高くする)圧力は750MPaにする。第3段階後に電流コレクタの表面積の単位当たりに塗布する電極の量は7mg/cm2でにする。
(b)91.2%のC/LiFePO4、3.8%のPVDFおよび5%のアセチレンブラック、
(c)91.4%のC/LiFePO4、3.6%のPVDFおよび5%の炭素ナノ繊維(昭和電工(Showa Denko)の製品番号VGCF)。
曲線 -●--●- :本発明のサンプル、
曲線 -◆--◆- : 比較例のサンプルb、
曲線 -■--■- : 比較例のサンプルc。
この実施例の複合材料の組成は、94.3%のC/LiFePO4、1.7%のCNT、4%のPVDFである。材料は実施例3の材料と同じ方法で調製した。
こうして得られた電極(a)を、ニッケル電流コレクタ上に積層されたリチウム金属箔を負極として、ガラス繊維セパレータおよび液体電解質(EC/DMC (1:1)で溶解した1MのLiPF6溶液からなる)を有する電池に取り付けた。
電気化学的性能を測定し、正極が下記の初期組成を有する電極である同様の電池の電気化学的性能と比較した:
(b)91.2%のC/LiFePO4、3.8%のPVDFおよび5%のアセチレンブラック、
(c)91.4%のC/LiFePO4、3.6%のPVDFおよび5%の炭素ナノ繊維(昭和電工(Showa Denko)の製品番号VGCF)。
[図5]は3つのサンプル(a)、(b)、(c)のサイクルの数の関数としての容量Q(mAh/g)の変化を示す。充電電流(重量)はCレートに対応し、放電電流(重量)は2Cレートに対応する。
2つの曲線とサンプルとの間の対応は以下の通り:
曲線 -●--●- :本発明のサンプル、
曲線 -◆--◆- : 比較例のサンプルb、
曲線 -■--■- : 比較例のサンプルc。
変化曲線を比較すると、本発明の電極でサイクリングの関数としての容量がより良く維持されることがわかる。
この実施例の複合材料の組成は、94.3%のC/LiFePO4、1.7%のCNT、4%のPVDFである。材料は実施例4の材料と同じ方法で調製したが、一点だけ異なる。すなわち、CNTを精製して鉄含有量を減らした。処理後、この含有量は215ppmであることがわかった。
こうして得られた電極(a’)を、ニッケル電流コレクタ上に積層されたリチウム金属箔を負極として、ガラス繊維セパレータおよび液体電解質(EC/DMC (1:1)で溶解した1MのLiPF6溶液からなる)を有する電池に取り付けた。
電気化学的性能を測定し、正極が下記の初期組成を有する電極である同様の電池の電気化学的性能と比較した:
(b)91.2%のC/LiFePO4、3.8%のPVDFおよび5%のアセチレンブラック、
(c)91.4%のC/LiFePO4、3.6%のPVDFおよび5%の炭素ナノ繊維(昭和電工(Showa Denko)の製品番号VGCF)。
[表1]は4つの系の初期容量および最終容量における性能の比較を示している。
この実施例の複合材料の組成は実施例1〜3の材料と同じであり、94%のC/LiFePO4、2%のCNT、4%のPVDFである。この材料は以下のように調製される:最初に、複合材料の組成に関与するCNTを全てNMP中に分散する。分散の終わりに、C/LiFePO4粒子とNMPとを添加し、全てを共ミリングする。続いて、NMPを乾燥して除去し、得られた粉末を回収する。これを続いて、NMPで調製したPVDF溶液中に分散する。
第1段階では、最初に、複合材料の組成に関与するCNTを全てをビーズミル(Pulverisette 7, Fritsch)を用いてNMP中に分散する。分散条件は700回転/分で15時間で、12.5mlのミリング室に直径が10mmの3つのビーズと、0.360mlのNMPと、9.6mgのCNTとを入れた。
第2段階では、C/LiFePO4粒子(447.4mg)と、0.640mlのNMPとをCNTの分散体に添加し、これら全てを、700回転/分で1時間30分、共ミリングして混合する。
第3段階では、懸濁液を70℃のオーブン中で一晩乾燥する。この乾燥の終わりに、2.1重量%のCNTと97.9重量%のC/LiFePO4とから成る粉末を回収する。
第5段階では、上記複合材料を含む懸濁液を25μm厚さのアルミニウム製電流コレクタに塗布して電極を調製する。塗装機のスクレーパーの高さは300μmに設定する。電極を70℃のオーブン中で一晩乾燥する。次いで、750MPa下で密度を高くする。続いて、70℃のオーブン中で一晩、最後に100℃の真空下に1時間再乾燥する。乾燥後、電流コレクタの表面積の単位当たりの塗布される電極の量を測定し、9mg/cm2である。
電気化学的性能の評価を、2〜4.3V対Li+/Liの電位範囲で行った。
[図6]はC/5レートおよび放電時のD/2.5レートでのサイクルの数の関数としての容量Q(mAh/g)の変化を示す。[図7]は電流(重量)の関数としての容量Q(mAh/g)の変化を示す。本発明の複合材料は良好な電気化学的性能を示すことが観察される。
2つの曲線とサンプルとの対応は以下の通り:
曲線 -□- : 実施例6の本発明のサンプル、
曲線 -■- : 実施例7の本発明のサンプル。
この実施例の複合材料の組成は94%のC/LiFePO4、2%のCNT、4%のカルボキシメチルセルロース(CMC)とスチレン/ブタジエン(SBR)との混合物である。
第1段階では、最初に、複合材料の組成に関与するCNTを全てをビーズミル(Pulverisette 7, Fritsch)を用いてNMP中に分散する。分散条件は700回転/分で15時間で、12.5mlのミリング室に直径が10mmの3つのビーズと0.360mlのNMPと9.6mgのCNTとを入れた。
第2段階では、C/LiFePO4粒子(447.4mg)と、0.640mlのNMPとをCNTの分散体に添加し、これら全てを、700回転/分で1時間30分、共ミリングして混合する。
第4段階では、この粉末と19mgのCMC+SBRとを700回転/分で1時間30分、共ミリングして1mlの脱イオン水中に分散する。複合材料は32重量%の懸濁液から成り、残りは脱イオン水である。
第5段階では、上記複合材料を含む懸濁液を25μm厚さのアルミニウム製電流コレクタに塗布して電極を調製する。塗装機のスクレーパーの高さは300μmに設定する。電極を周囲温度で一晩乾燥する。次いで、750MPa下で密度を高くする。続いて、100℃の真空下に1時間再乾燥する。乾燥後、電流コレクタの表面積の単位当たりの塗布される電極の量を測定し、6mg/cm2である。
電気化学的性能の評価を、2〜4.3V対Li+/Liの電位範囲で行った。
[図6]はC/5レートおよび放電時のD/2.5レートでのサイクルの数の関数としての容量Q(mAh/g)の変化を示す。[図7]は電流(重量)の関数としての容量Q(mAh/g)の変化を示す。本発明の複合材料は良好な電気化学的性能を示すことが観察される。
2つの曲線とサンプルとの対応は以下の通り:
曲線 -□- : 実施例6の本発明のサンプル、
曲線 -■- : 実施例7の本発明のサンプル。
この実施例の目的は、合成触媒の残留物を含むナノチューブが実際に問題を生じないことを示すことである。そのために、下記を含むボタン電池を以下のように取り付ける:
(1)正極で、40%の粗ナノチューブ(鉄含有量は約3%)および60%のPVDF(アルミニウム上に様々な厚さで塗布される)
(2)負極で、リチウム金属、
(3)電解質として、LiPF6(1M)のEC/DMC(1:1)。
0.43mg/cm2では、酸化ピークは3.45Vで観察され、還元ピークは3.41Vで観察される。これらのピークは20℃では、100サイクル以上で完全に重なっている。同じ実験を55℃で行うと、極めてわずかな変位が観測され、それぞれ、3.44Vおよび3.415Vであり、これらは61サイクル以上では安定している。
サイクル中の2つのピークの値は[表2]に一緒に示す:
Claims (17)
- 下記(a)〜(c):、
(a)複合材料の全重量に対して1〜2.5重量%、好ましくは1.5〜2.2重量%の量でカーボンナノチューブを含む少なくとも一種の導電性添加剤、
(b)がLi/Li+対に対して2V以上の電気化学ポテンシャルを有するリチウム挿入化合物を可逆的に形成できる電極活性材料、
(c)ポリマーから成るバインダまたはポリマーバインダのブレンド、
を含むLi−イオン電池の正極用複合材料であって、
上記リチウム挿入化合物がLiMy(XOz)nタイプのポリアニオン系骨格を有する化合物(ここで、MはMn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、BおよびMoから成る群の中から選択される少なくとも一種の金属原子を表し、XはP、Si、Ge、SおよびAsから成る群の中から選択される一つの原子を表す)の中から選択されることを特徴とする材料。 - 上記のポリアニオン系骨格を有する化合物がリチウムと金属原子Mとの混合燐酸塩またはケイ酸塩、好ましくは混合燐酸塩である請求項1に記載の材料。
- 金属MがFe、Mnまたはこれらの組合せの中から選択され、好ましくはFeである請求項1または2に記載の材料。
- グラファイト、カーボンブラック、例えばアセチレンブラックまたはSPカーボンまたはカーボンナノ繊維の中から選択されるカーボンナノチューブ以外の追加の導電性添加剤をさらに含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の複合材料。
- ポリマーバインダがPVDF、PVDF/HFPまたはPVDF/CTFEコポリマー、PVDFと極性官能基を含むPVDFとのブレンドおよびフルオロターポリマーからなる群の中から選択される請求項1〜4のいずれか一項に記載の複合材料。
- カーボンナノチューブの遷移金属の含有量が1000重量ppm以下、好ましくは500重量ppm以下である請求項1〜5のいずれか一項に記載の複合材料。
- カーボンナノチューブが、持続性および酸化/還元現象の完全可逆性で定義されるサイクリック・ボルタンメトリーで電気化学シグネチャーを示す請求項1〜5のいずれか一項に記載の複合材料。
- 下記(i)と(ii)の操作を含むLi−イオン電池の正極の複合材料の製造方法:
(i)最終的に下記を含む懸濁液を調製し:
(1)導電性添加剤としてのCNT、
(2)任意成分の追加の導電性添加剤、
(3)ポリマーバインダ、
(4)揮発性溶剤、
(5)電極活性材料、
(この懸濁液は、ボールミル、遊星ミルまたは3本ロールミルを用いた粉砕装置で機械的に均一に分散される)
(ii)こうして調製された懸濁液から、例えば押出成形、テープ成形または噴霧乾燥によって基材上にフィルムを作り、乾燥させる。 - CNTが、5〜15の壁を有し、平均外径が10〜15nmで、長さが0.1〜10μmである多重壁ナノチューブである請求項8に記載の方法。
- 懸濁液の調製を、全ての成分の混合とその後の機械的分散とから成る単一段階で行う請求項8または9に記載の方法。
- 懸濁液の調製を2つの連続した段階、特に、溶剤とカーボンナノチューブと任意成分のポリマーバインダの全部または一部を含む分散体を調製する段階と、この分散体に複合材料の他の成分を添加する段階の2つの連続した段階で行う請求項8または9に記載の方法。
- 懸濁液の調製を3つの連続した段階、特に、カーボンナノチューブと任意成分のポリマーバインダの全部または一部を溶剤中に含む分散体を調製する段階と、それに活性材料を添加する段階と、溶剤を除去し、粉末を得た後、この粉末に溶剤および複合材料の残りの成分を添加して新たな懸濁液を形成するる段階と3つの連続した段階で行う請求項8または9に記載の方法。
- 懸濁液の貯蔵弾性率(module de stockage)G'が1Hzの周波数範囲で、NMP中で2.2重量%のナノチューブの懸濁液の場合に200〜1000パスカル、NMP中で2.2重量%のナノチューブと4.4重量%のPVDFとの懸濁液の場合に100パスカル以上である請求項8〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 1cm2当たり0.1〜10トンの圧力を加えてフィルムの密度を高くする請求項8〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のまたは請求項8〜14のいずれか一項に記載の方法で得られた複合材料が塗布された少なくとも一つの電流コレクタを有するLi−イオン電池の正極。
- 請求項15に記載の少なくとも一つの正極を含むLi−イオン電池。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のまたは請求項8〜14のいずれか一項に記載の方法で得られた複合材料の、Li−イオン電池の製造での使用。
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