JP2013515349A - アノード材料 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
リチウムイオン電池(Liイオン電池またはLIBと呼ばれる場合もある)は、リチウムイオンが放電中に陰極から陽極に移動し、充電時に戻る充電式電池型のファミリーである。化学的性質、性能、コスト、および安全特性は、LIB型にわたって変動する。リチウム1次電池(使い捨て)とは異なり、リチウムイオン電池は、電極材料として、金属リチウムの代わりに層間リチウム化合物を使用する。
材料の選択によっては、リチウムイオン電池の電圧、容量、寿命、および安全性が劇的に変化する可能性がある。
一態様において、本開示は、金属化合物粉末コーティングを有する高出力の耐久性アノード材料に関する。一実施形態において、図1に示されるように、アノード材料は、金属化合物粉末コーティングアノード粉末を形成するように複数の金属化合物粉末粒子110でコーティングされた球状黒鉛粉末100を含む。黒鉛粉末は、約8ミクロンから20ミクロンの直径を有する。金属化合物粉末コーティングは、金属酸化物または金属フッ化物の層であってもよい。金属化合物粉末層は、約数ナノメートルから約50ナノメートルの厚さを有することができる。さらに、金属化合物粉末層は、必ずしも金属化合物粉末粒子の連続層であるとは限らない。
別の実施形態において、図3に示されるように、硬質炭素コーティング300を使用して、アノード材料のサイクル性能を改善することができる。硬質炭素コーティング300は、黒鉛粉末100よりも高い表面積を有し、したがって、硬質炭素コーティング300による黒鉛粉末100のコーティングは、最終的なアノード粉末の表面積を増加させる。硬質炭素コーティング300は、硬質炭素前駆体を熱分解することにより形成され、例えば、ポリマー樹脂、例えばフェノール−ノボラック樹脂が、球状黒鉛粒子100上にコーティングされるとより高い表面積およびより良好なサイクル性能を達成する、高表面積高炭素含量硬質炭素コーティングに分解される。上で議論した第2の金属化合物の実施形態における硬質炭素前駆体と同じ材料を使用することができる。硬質炭素コーティングとして、合成ポリマーを使用することができる。すなわち、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、セルロース樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ならびに糖およびポリアクリロニトリル等の炭水化物材料等を、硬質炭素コーティングとして使用することができる。好ましい化合物は、熱分解後に高い炭素含量、例えば、約1%から約10%の炭素を有するそれらの化合物を含む。コーティングの収率および表面積の特性を改善するために、粉末型の硬質炭素前駆体が、ヘキサメチレンジアミンの硬化剤とともに使用され、前駆体を熱可塑性とするように処理される。さらに、処理の高せん断および圧縮力によりもたらされる局所的加熱が、溶媒を使用せずに融合複合粒子を形成する。この工程は、コーティング工程を安価とするのに好適である。溶媒可溶性ポリマー樹脂を使用することにより、および不活性雰囲気中での追加の熱処理を使用することにより、湿式法を適用して硬質炭素層を達成することもできる。
球状黒鉛粉末に5つの異なる方法を適用し、先行技術のピッチコーティングおよび未処理粉末アノード材料と比較して、高い表面積を維持しながら長期サイクル寿命および改善された保存性能を有するアノード粉末を形成した。5つの方法は、以下を含む。
2.金属化合物粉末による黒鉛粉末のコーティング、続いて不活性雰囲気中でのコーティングされた黒鉛粉末の熱処理;
3.酸化雰囲気中での黒鉛粉末の熱処理;
4.不活性雰囲気中での黒鉛粉末の熱処理;および
5.硬質炭素前駆体による黒鉛粉末のコーティング。
第1の実施形態において、黒鉛粉末の複合材コーティングのために、金属化合物粉末およびポリマーコーティングが組み合わされる。第2の態様において、ポリマーコーティングを行わずに、金属化合物粉末を球状粉末上に直接コーティングすることができる。金属化合物粉末コーティングの後、不活性雰囲気中で、ポリマー/金属化合物粉末コーティング黒鉛粉末に対し熱処理を行う。金属化合物粉末は、機械化学的工程中の粒子間のせん断応力により、黒鉛粉末表面上に維持または適用される。両方の実施形態において、金属化合物粉末ナノ粒子のコーティングは、溶媒を使用せずに複合粒子を形成する高せん断および圧縮力により行われる。すなわち、この金属化合物粉末コーティングのために、機械化学的コーティング工程を使用した。この機械的工程において、黒鉛粉末は(後述のように)損壊される可能性があり、酸化および不活性雰囲気中での追加の熱処理により再生させることが必要となり得る。水または溶媒可溶性金属化合物を使用することにより、および酸化または不活性雰囲気中での追加の熱処理を使用することにより、他の湿式法をこの金属化合物コーティングに適用することができる。
一実施形態において、黒鉛粉末の保護コーティングは、球状黒鉛粉末の熱処理により形成される。熱処理は、酸化雰囲気中、または不活性雰囲気中で行うことができる。熱処理は、球状化および/またはコーティング工程から生じる黒鉛粉末の損壊部分を低減することにより、不可逆的容量損失を低下させるために使用することができる。例えば、球状化工程中、結晶性黒鉛は無秩序化する可能性がある。無秩序化部分は、黒鉛の結晶性部分よりも活性となることができる。無秩序化部分は、結晶性部分よりも壊れやすい。したがって、無秩序化部分は、サイクル中に損壊される可能性があるか、または、分解する可能性があり、それによりアノードの耐久性を低下させる可能性がある。コーティング処理において、高せん断および圧縮力もまた、黒鉛の結晶構造を損壊する可能性がある。加熱処理は、これらの黒鉛の損壊部分を除去し、粒子の黒鉛結晶構造を改善することができる。したがって、熱処理工程は、最終的なアノード生成物の耐久性を改善することができる。酸化黒鉛の電気化学特性は、例えば、Peledら(E.Peled,et al.J.Electrochem.Soc.,143(1996))およびWuら(Y.P.Wu.et al,Solid State Ionics,156(2003))等、いくつかのグループにより報告されている。これらの研究において、その前の球状化中の構造的に無秩序な表面を排除することにより、アノードの効率が増加し、不可逆的容量損失が減少し、サイクル性能が改善した。
別の実施形態において、黒鉛粉末は、硬質炭素コーティングでコーティングすることができる。硬質炭素コーティングは、硬質炭素前駆体を熱分解することにより形成され、例えば、ポリマー樹脂、例えばフェノール−ノボラック樹脂が、球状黒鉛粒子上にコーティングされるとより高い表面積およびより良好なサイクル性能を達成する、高表面積高炭素含量硬質炭素コーティングに分解される。コーティングの収率および表面積の特性を改善するために、粉末型の硬質炭素前駆体が、ヘキサメチレンジアミンの硬化剤とともに使用され、前駆体を熱可塑性とするように処理される。高せん断および圧縮力によりもたらされる局所的加熱が、溶媒を使用せずに融合複合粒子を形成する。この工程は、コーティング工程を安価とするのに好適である。さらに、溶媒可溶性ポリマー樹脂を使用することにより、および不活性雰囲気中での追加の熱処理を使用することにより、他の湿式法を適用して硬質炭素層を達成することができる。溶媒は、有機または無機溶媒であってもよい。その例は、トルエン、ベンゼン、テトラヒドロフラン、キシレン、メタノール、エタノール、ヘキサン、シクロヘキサン、もしくは水、またはこれらの混合物を含む。
上記方法の全てにより作製された高表面積アノード材料は、アノード側の電解質との高反応部位により、アノードの安全特性を劣化させる可能性がある。したがって、アノード組成物中に水系スチレン−ブタジエンゴム(SBR)/カルボキシメチルセルロース(CMC)結合剤を使用して、開示される高表面積アノード材料の安全性能を管理することができる。SBR/CMCは、電極が作製される時に添加することができる。しかしながら、ポリイミド、PAA(ポリ(アクリル酸))、およびPVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の結合剤の選択に限定されない。
Al2O3ナノ粒子およびピッチ粉末を、既に球状化した黒鉛粉末に以下の比で添加した:球状黒鉛に対して2%Al2O3および3%ピッチ粉末、すなわち2:3:95のAl2O3:ピッチ:黒鉛。高せん断および圧縮力を使用してこの混合物を機械的に混合し、融合均一複合粒子を形成した。管状炉内で、不活性雰囲気(窒素またはアルゴン)下、ピッチコーティングをまず4℃/分の速度で600℃まで加熱し、次いで10℃/分の速度で1000℃まで加熱を続けることにより炭化した。温度を1000℃で2時間保持してから、強制冷却することなく炉を周囲温度まで冷却した。ガス流速は、2.75SLPMであった。
2%のAl2O3ナノ粒子を、既に球状化した黒鉛粉末に添加した。高せん断および圧縮力を使用してこの混合物を機械的に混合し、融合均一複合粒子を形成した。この粉末を空気中または別の酸化環境中で熱処理した。圧縮空気は、1.14〜4.25SLPMの流速で使用した。炉を10℃/分の速度で550℃まで加熱し、550℃で8時間保持した。次いで、強制冷却することなく炉を周囲温度まで冷却した。
粒径が8〜20μm(平均15μm)の範囲の球状化黒鉛粉末を、空気中または他の酸化環境中で熱処理した。圧縮空気は、1.14〜4.25SLPMの流速で使用した。炉を10℃/分の速度で550℃まで加熱し、550℃で8時間保持した。次いで、強制冷却することなく炉を周囲温度まで冷却した。
粒径が8〜20μmの範囲の球状化黒鉛粉末を、まず5℃/分の速度で600℃まで加熱し、次いで10℃/分の速度で1000℃まで加熱を続けることにより、窒素中で熱処理した。温度を1200℃で2時間保持してから、強制冷却することなく炉を周囲温度まで冷却した。ガス流速は、2.75SLPMであった。
4%のフェノール−ノボラック樹脂粉末(硬質炭素前駆体)を、既に球状化した黒鉛粉末に添加した。高せん断および圧縮力を使用してこの混合物を機械的に混合し、融合均一複合粒子を形成した。管状炉内で、不活性雰囲気(窒素またはアルゴン)下、硬質炭素前駆体コーティングをまず10℃/分の速度で150℃まで加熱することにより炭化した。150℃で10分間保持した後、600℃に達するまで速度を4℃/分に低下させた。同時に、1000℃まで加熱速度を10℃/分の速度まで再び増加させた。温度を1000℃で2時間保持してから、強制冷却することなく炉を周囲温度まで冷却した。ガス流速は、2.75SLPMであった。
5%のピッチ粉末を、既に球状化した黒鉛粉末に添加した。高圧縮力を使用してこの混合物を機械的に混合し、融合均一複合粒子を形成した。管状炉内で、不活性雰囲気(窒素またはアルゴン)下、ピッチコーティングをまず4℃/分の速度で600℃まで加熱し、次いで10℃/分の速度で1000℃まで加熱を続けることにより炭化した。温度を1000℃で2時間保持してから、強制冷却することなく炉を周囲温度まで冷却する。ガス流速は、2.75SLPMである。
球状化した黒鉛粉末を処理せず、実施例1と同一の方法を使用して電極を作製した。この粉末は、妥当なサイクル性能を有していたが、保存性能は低かった。
Claims (28)
- アノード粉末であって、
球状黒鉛粉末と、
前記黒鉛粉末を包囲する高表面積保護コーティングと、
を含み、コーティングされた粉末は、未処理黒鉛粉末よりも高い表面積を有する、アノード粉末。 - 約5μmから約20μmの粒径を有する、請求項1に記載のアノード粉末。
- 約5m2/gから約20m2/gの表面積を有する、請求項1〜2のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 0.3未満のDバンド/Gバンドのラマン分光ピーク強度比を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 約0.3を超えるDバンド/Gバンドのラマン分光ピーク強度比を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記高表面積保護コーティングは、金属化合物粉末を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記金属化合物粉末は、金属酸化物粉末を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記金属酸化物粉末は、Al2O3、Y2O3、TiO2、Cs2O3、ZrO2、およびZnOからなる群から選択される、請求項1〜7のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記金属化合物粉末は、金属フッ化物粉末を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記金属フッ化物粉末は、AlF3、ZrF4、TiF4、CsF3、YF3、およびZnF2からなる群から選択される、請求項1〜9のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記高表面積保護コーティングは、金属化合物粉末およびポリマーの混合物を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記高表面積保護コーティングは、硬質炭素コーティングを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記コーティングは、約1%から約6%の酸素含量を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- 前記コーティングは、約3%を超える炭素−酸素二重結合割合を有する、請求項1〜13のいずれか一項に記載のアノード粉末。
- アノード粉末の作製方法であって、
球状黒鉛粉末を提供することと、
前記黒鉛粉末を高表面積保護コーティングでコーティングすることと、
コーティングされた黒鉛粉末を熱処理して、未処理黒鉛粉末よりも高い表面積を有するコーティングされたアノード粉末を形成することと、
を含む方法。 - 前記アノード粉末は、約5m2/gから約20m2/gの表面積を有する、請求項15に記載の方法。
- 前記アノード粉末は、0.3未満のDバンド/Gバンドのラマン分光ピーク強度比を有する、請求項15〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アノード粉末は、約0.3を超えるDバンド/Gバンドのラマン分光ピーク強度比を有する、請求項15〜17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コーティングされた黒鉛粉末を酸化雰囲気中で熱処理することをさらに含む、請求項15〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コーティングされた黒鉛粉末を不活性雰囲気中で熱処理することをさらに含む、請求項15〜19のいずれか一項に記載の方法。
- コーティングすることは、前記球状黒鉛粉末を金属化合物粉末でコーティングすることを含む、請求項15〜20のいずれか一項に記載の方法。
- コーティングすることは、前記球状黒鉛粉末を金属酸化物粉末でコーティングすることを含む、請求項15〜21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属酸化物粉末は、Al2O3、Y2O3、TiO2、Cs2O3、およびZnOからなる群から選択される、請求項15〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コーティングすることは、前記球状黒鉛粉末を金属フッ化物粉末でコーティングすることを含む、請求項15〜23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属フッ化物粉末は、AlF3、ZrF4、TiF4、CsF3、YF3、およびZnF2からなる群から選択される、請求項15〜24のいずれか一項に記載の方法。
- コーティングすることは、前記球状黒鉛粉末を硬質炭素コーティングでコーティングすることを含む、請求項15〜25のいずれか一項に記載の方法。
- アノードであって、
導電性シート上に配置されるアノード層であって、電気活性粉末を含むアノード層を備え、
前記電気活性粉末は、
球状黒鉛粉末と、
前記黒鉛粉末を包囲する高表面積保護コーティングと、
を含み、コーティングされた粉末は、未処理黒鉛粉末よりも高い表面積を有する、アノード。 - 電池であって、
カソードと、
アノード粉末を含むアノードであって、前記アノード粉末は、
球状黒鉛粉末と、
前記黒鉛粉末を包囲する高表面積保護コーティングと、
を含み、コーティングされた粉末は、未処理黒鉛粉末よりも高い表面積を有する、アノードと、
前記カソードおよび前記アノードの両方とイオン連通する電解質と、
を備える電池。
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