JP2015221726A - Monolayer carbon nano-tube including phosphorus, anode of lithium and sodium ion secondary battery containing the same and production method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リンを内包した単層カーボンナノチューブ、それを含むリチウム及びナトリウムイオン二次電池の負極及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a single-walled carbon nanotube encapsulating phosphorus, a negative electrode for lithium and sodium ion secondary batteries containing the same, and a method for producing the same.
従来、リチウムイオン二次電池の負極として用いられる炭素材料は、蓄えられるリチウムイオンの量が少ないことが問題であった。そのため、高容量負極として金属リチウム負極やシリコン等の合金系負極の研究が進められている。 Conventionally, a carbon material used as a negative electrode of a lithium ion secondary battery has a problem that the amount of stored lithium ions is small. For this reason, research on metal-based negative electrodes and alloy-based negative electrodes such as silicon has been underway as high-capacity negative electrodes.
しかし、金属リチウム負極は高い反応性とデンドライトが生成しやすいため、安全性が問題であった。 However, since the lithium metal negative electrode has high reactivity and easily generates dendrite, safety has been a problem.
シリコン負極に関しては、低い電気伝導度と充放電時の大きい体積変化が問題であった。充放電時の体積変化による電極の微粉化を押さえるため、シリコンナノワイヤーなどを用いる、あるいは電気伝導度を向上させるために炭素材料との複合体を作る、などの研究がされているが、サイクル効率の低下は何ら改善されていない。 For the silicon negative electrode, low electrical conductivity and large volume change during charge / discharge were problems. Research has been conducted on the use of silicon nanowires, etc. in order to suppress electrode pulverization due to volume changes during charge and discharge, or to make composites with carbon materials to improve electrical conductivity. There is no improvement in efficiency loss.
一方、リチウムイオン二次電池には資源的な問題もある。リチウムは希少元素であり、資源は南アメリカに偏っており、かつその量も少ない。電気自動車のような大型電気デバイスが普及していくと、リチウムの需要は急激に増加することが見込まれる。このため、資源的に有利なナトリウムイオン二次電池が期待されている。 On the other hand, the lithium ion secondary battery also has a resource problem. Lithium is a rare element, and its resources are concentrated in South America and its amount is small. As large electric devices such as electric vehicles become more widespread, demand for lithium is expected to increase rapidly. For this reason, a sodium ion secondary battery advantageous in terms of resources is expected.
しかし、ナトリウムイオン二次電池については、リチウムイオン二次電池の負極として用いられている黒鉛を用いることができない。なぜならば、黒鉛はナトリウムとは低次の層間化合物をつくらないからである。 However, the graphite used as the negative electrode of the lithium ion secondary battery cannot be used for the sodium ion secondary battery. This is because graphite does not form a lower order intercalation compound with sodium.
ナトリウムイオン二次電池の負極としては、ハードカーボン(難黒鉛化性炭素)が使用可能との報告がある。しかし、ハードカーボンの容量は、約300mAh/g程度しかナトリウムイオンを貯蔵できない。 There is a report that hard carbon (non-graphitizable carbon) can be used as a negative electrode of a sodium ion secondary battery. However, the capacity of hard carbon can store sodium ions only about 300 mAh / g.
一方、ナトリウムイオン電池の負極として黒リンを用いる研究が非特許文献(Adv. Mater. 2007, 19, 2465-2468)により報告されている。この研究では絶縁体である赤リンの代わりに導電性を有する黒リンを用いることにより、電極として機能することが示されている。 On the other hand, non-patent literature (Adv. Mater. 2007, 19, 2465-2468) reports on the use of black phosphorus as a negative electrode for sodium ion batteries. In this research, it is shown that black phosphorus having conductivity is used instead of red phosphorus, which is an insulator, to function as an electrode.
しかし、黒リンを製造するには200度以上で1.2GPa以上の圧力を印加するなど高温高圧を要する。また、黒リンを用いることでは充放電時の体積変化による微粉化を抑えることはできないため、充放電サイクルを重ねていくことによる容量低下も抑えられていない。さらに、黒リンが導電性をもつが、電気伝導度が乏しいので、高い出力が出せないことが問題となっている。 However, to produce black phosphorus, high temperature and high pressure are required such as applying a pressure of 200 GPa or more and 1.2 GPa or more. Moreover, since the pulverization by the volume change at the time of charging / discharging cannot be suppressed by using black phosphorus, the capacity | capacitance fall by repeating a charging / discharging cycle is not suppressed. Furthermore, although black phosphorus has conductivity, it has a problem that a high output cannot be produced because electric conductivity is poor.
リンを負極活物質として用いる際に問題となる低い電気伝導度を補う手法として炭素材料を導電補助剤として用いることが考えられる。しかし、カーボンブラックを混合しただけではやはり充放電サイクルにともなう容量低下の問題を解決できない。 It is conceivable to use a carbon material as a conductive auxiliary agent as a method for compensating for low electrical conductivity, which is a problem when using phosphorus as a negative electrode active material. However, simply mixing carbon black cannot solve the problem of capacity reduction associated with charge / discharge cycles.
リンはリチウム、ナトリウムともに電気化学的に金属リン化物を作るため、従来のリチウムイオン二次電池およびナトリウムイオン二次電池の負極として使用することが可能である。 Since phosphorus electrochemically forms a metal phosphide with lithium and sodium, it can be used as a negative electrode for conventional lithium ion secondary batteries and sodium ion secondary batteries.
現在のリン負極の作製においては、1.2GPa以上の高圧と200度以上の高温を同時に必要とするため、電極の作製に用いられるエネルギー量が大きい。それゆえに赤リンや白リンをそのまま電極として用いることができないことから、より簡単にリン負極を作製する技術が望まれている。 The current production of the phosphor negative electrode requires a high pressure of 1.2 GPa or more and a high temperature of 200 degrees or more at the same time, so that the amount of energy used for the production of the electrode is large. Therefore, since it is not possible to use red phosphorus or white phosphorus as an electrode as it is, a technique for producing a phosphorus negative electrode more easily is desired.
リン及びその同素体である白リン、赤リンそして黒リンとも導電性が乏しいので、充放電の際抵抗が大きい。乏しい導電性は充電及び放電時に過電圧の原因となり、その分がエネルギーのロスになる。 Phosphorus and its allotropes, white phosphorus, red phosphorus, and black phosphorus, have poor conductivity, and therefore have high resistance during charging and discharging. Poor conductivity causes overvoltage during charging and discharging, and that much energy is lost.
充電及び放電時に起こる体積変化による電極の微粉化は、電池のサイクル特性を悪化させることが知られており、黒リンを用いたときも同様に電極の劣化が報告されている。 Electrode pulverization due to volume changes that occur during charging and discharging is known to deteriorate the cycle characteristics of the battery, and electrode degradation is also reported when black phosphorus is used.
ナトリウムイオン電池の負極材は、研究の歴史も浅く、有望な負極材が見つかっていない。ハードカーボンが一応負極として機能するが、容量(ナトリウムイオン貯蔵可能な量)は小さく、また、放電電位が一定でないという欠点があった。 The negative electrode material for sodium ion batteries has a short history of research, and no promising negative electrode material has been found. Hard carbon functions as a negative electrode for the time being, but has a drawback that the capacity (amount capable of storing sodium ions) is small and the discharge potential is not constant.
リチウムイオン二次電池の負極としては黒鉛系材料が永年使用されてきたが、電気自動車のような大型用途にはより高容量な材料が望まれる。高容量材料としてSiなどが期待されるが、充放電時の体積変化が大きく、充放電に伴う容量劣化が大きいという欠点があった。 As a negative electrode of a lithium ion secondary battery, a graphite-based material has been used for many years. However, a material having a higher capacity is desired for a large-sized application such as an electric vehicle. Si or the like is expected as a high-capacity material, but there is a drawback in that the volume change during charging / discharging is large and the capacity deterioration accompanying charging / discharging is large.
本発明者らは、毒性が無く空気中で安定な赤リンを用いて単層カーボンナノチューブにリンを効果的に内包させる方法、また、リンを内包させた単層カーボンナノチューブをリチウムイオン二次電池及びナトリウムイオン二次電池の電極として用いることにより、高容量の負極材料として機能することを確認した。さらに、リンを内包させた単層カーボンナノチューブをリチウム及びナトリウム金属に対して放電を行うとリチウムの場合0.59 V(vs. Li+/Li)の平均放電電圧、ナトリウムの場合 0.18 V(vs. Na+/Na)の放電電圧が得られていることから、容量、電位とも負極材料として適合していることを知見した。 The present inventors have proposed a method of effectively encapsulating phosphorus in single-walled carbon nanotubes using red phosphorus, which is non-toxic and stable in the air, and a single-walled carbon nanotube encapsulating phosphorus in a lithium ion secondary battery. And it was confirmed that it functions as a high-capacity negative electrode material when used as an electrode of a sodium ion secondary battery. Furthermore, when single-walled carbon nanotubes encapsulating phosphorus are discharged against lithium and sodium metal, an average discharge voltage of 0.59 V (vs. Li + / Li) for lithium and 0.18 V (vs. Since a discharge voltage of + / Na) was obtained, it was found that both capacity and potential were suitable as a negative electrode material.
本発明の目的は、本来二次電池として機能しないリンを単層カーボンナノチューブに内包する製造方法、およびそれを使用したナトリウムイオン二次電池負極およびリチウムイオン電池負極を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a production method in which phosphorus that does not originally function as a secondary battery is encapsulated in a single-walled carbon nanotube, and a sodium ion secondary battery negative electrode and a lithium ion battery negative electrode using the same.
本発明に係るリンを内包した単層カーボンナノチューブ、それを含むリチウム及びナトリウムイオン二次電池の負極及びその製造方法によれば、ハードカーボンの3倍以上の容量を有し、かつ放電電位も一定である効果を奏する。 According to the single-walled carbon nanotube encapsulating phosphorus according to the present invention, the negative electrode of the lithium and sodium ion secondary battery including the same, and the manufacturing method thereof, the capacity is three times or more that of hard carbon and the discharge potential is also constant The effect which is.
また、リンはLiを蓄えたときの体積変化がSiに比べ小さく、またカーボンナノチューブに内包させることにより、充放電時に微粉化が起こっても、電極に保持でき容量低下を防ぐことができる。 In addition, the volume change of phosphorus when Li is stored is smaller than that of Si, and by encapsulating in carbon nanotubes, even when pulverization occurs during charge and discharge, phosphorus can be retained in the electrode and the capacity can be prevented from decreasing.
本発明に係るリンを内包した単層カーボンナノチューブの製造方法を以下に説明する。 A method for producing single-walled carbon nanotubes containing phosphorus according to the present invention will be described below.
(合成)
ホスト材料として平均直径約1.5nm の単層カーボンナノチューブ11を使用した。本例において、単層カーボンナノチューブ11はアーク放電法により合成されたものである。平均直径が約1nmより小さいと、リンの導入が困難であり、約2nmより大きいとバルクのリンと同様となってしまうため、不適である
(Synthesis)
Single-walled carbon nanotubes 11 having an average diameter of about 1.5 nm were used as the host material. In this example, the single-walled carbon nanotube 11 is synthesized by an arc discharge method. If the average diameter is smaller than about 1 nm, it is difficult to introduce phosphorus, and if it is larger than about 2 nm, it is not suitable because it becomes the same as bulk phosphorus.
この際、カーボンナノチューブは、その製造に起因して金属ナノ粒子触媒等の不純物や付着物を含有しうるため、それらを除去することにより、リンの内包をより効率的に行えるとともに負極の性能向上に寄与し得る。 At this time, carbon nanotubes may contain impurities and deposits such as metal nanoparticle catalysts due to their production, so removing them allows more efficient phosphorus inclusion and improved negative electrode performance. Can contribute.
カーボンナノチューブの精製方法は特に限定されないが、例えば酸(例、塩酸、硝酸、硫酸、過酸化水素等)を用いた洗浄であってもよい。なお、洗浄後には高温(例えば1000〜2000度)でアニール処理してもよく、このアニール処理は真空下で行われることが好ましい。このアニール処理後、空気中で500度程度の酸化処理することにより、チューブの端部を開放し、リンを内包できるようにする。 The method for purifying the carbon nanotube is not particularly limited, and for example, cleaning using an acid (eg, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrogen peroxide, etc.) may be used. Note that after the cleaning, annealing may be performed at a high temperature (for example, 1000 to 2000 degrees), and this annealing is preferably performed under vacuum. After the annealing treatment, an oxidation treatment of about 500 degrees in air is performed to open the end of the tube so that phosphorus can be included.
アニール処理を行う際、1000度より低いと、結晶性の向上が期待できず、2000度より高いと、ナノチューブの融合が起こってしまうため、不適である。 When the annealing treatment is performed, if it is lower than 1000 degrees, improvement in crystallinity cannot be expected, and if it is higher than 2000 degrees, fusion of nanotubes occurs, which is not suitable.
また、酸化処理を行う際、400度より低いと開端が困難であり、600度より高いとナノチューブの消失が大きく、不適である。 Further, when the oxidation treatment is performed, if it is lower than 400 degrees, it is difficult to open ends, and if it is higher than 600 degrees, the disappearance of the nanotubes is large, which is inappropriate.
次に、開端処理したカーボンナノチューブ11とリン粉末13を、ガラス管15に、真空下で封入する。この際、真空度は1Pa 以下であることが望ましい。 Next, the carbon nanotube 11 and the phosphorus powder 13 subjected to the open end treatment are sealed in a glass tube 15 under vacuum. At this time, the degree of vacuum is desirably 1 Pa or less.
次に、このガラス管15全体を電気炉17内に挿入、配置し、500〜600度で3〜10時間熱処理し、リンをカーボンナノチューブ11内部に導入する(図1(a)参照)。 Next, the entire glass tube 15 is inserted and placed in an electric furnace 17 and heat-treated at 500 to 600 degrees for 3 to 10 hours to introduce phosphorus into the carbon nanotubes 11 (see FIG. 1A).
電気炉17内の温度が500度より低いと、リンの導入が困難であり、600度より高いと副反応を生じるため、不適である。 If the temperature in the electric furnace 17 is lower than 500 degrees, it is difficult to introduce phosphorus, and if it is higher than 600 degrees, a side reaction occurs, which is not suitable.
また、電気炉17内での可燃時間が3時間より短いと、リンの導入量が少なく、10時間より長くしてもそれ以上のリンの導入は望めないため、不適である。 Moreover, if the flammable time in the electric furnace 17 is shorter than 3 hours, the amount of phosphorus introduced is small, and even if it is longer than 10 hours, it is not possible to introduce more phosphorus, which is not suitable.
次に、この熱処理により、カーボンナノチューブ11内部だけでなく外表面にもリンが析出するため、これを除去する。 Next, phosphorus is deposited not only on the inside of the carbon nanotubes 11 but also on the outer surface by this heat treatment, which is removed.
この際、ガラス管15の位置をずらし、カーボンナノチューブ端を電気炉17外部に出した後、電気炉17内にあるリン内包カーボンナノチューブを200度で1時間加熱する。この温度でカーボンナノチューブ11外表面のリンは昇華し、温度の低い電気炉17外のガラス管15端部に析出する(図1(b)参照)。 At this time, after the position of the glass tube 15 is shifted and the end of the carbon nanotube is taken out of the electric furnace 17, the phosphorus-containing carbon nanotube in the electric furnace 17 is heated at 200 degrees for 1 hour. At this temperature, phosphorus on the outer surface of the carbon nanotube 11 sublimates and precipitates at the end of the glass tube 15 outside the electric furnace 17 having a low temperature (see FIG. 1B).
リン内包カーボンナノチューブを200度で1時間加熱するのは、ナノチューブ外表面に物理吸着したリンを除去するためである。 The reason why the phosphorus-encapsulated carbon nanotubes are heated at 200 degrees for 1 hour is to remove phosphorus physically adsorbed on the outer surface of the nanotubes.
その後、ガラス管15を割り、リン内包カーボンナノチューブを取り出す。 Thereafter, the glass tube 15 is broken, and the phosphorus-containing carbon nanotubes are taken out.
(生成物評価)
リン内包カーボンナノチューブの構造評価をするため、透過型電子顕微鏡観察およびラマン散乱実験を行った。
(Product evaluation)
In order to evaluate the structure of phosphorus-encapsulated carbon nanotubes, transmission electron microscope observations and Raman scattering experiments were performed.
透過型電子顕微鏡観察により、内包処理を実施してもチューブ形態に変化がないことが確認できた。また、ラマン散乱からはカーボンナノチューブに特有のG−バンドや2D−バンドなどは内包処理後も観察されるが、いずれも内包処理後に高波数シフトが観測され、内包したリンの影響である(図7参照)。 It was confirmed by observation with a transmission electron microscope that there was no change in the tube form even when the encapsulation treatment was performed. Further, from Raman scattering, G-band and 2D-band peculiar to carbon nanotubes are observed even after the encapsulation treatment, and both of them show a high wave number shift after the encapsulation treatment, which is the effect of the encapsulated phosphorus (Fig. 7).
一方、STEM観察によりカーボンとリンの分布を調べると空間的に両者は同様な分布を示しており、カーボンナノチューブ内部にリンが導入されていることが確認できた。 On the other hand, when the distribution of carbon and phosphorus was examined by STEM observation, both spatially showed the same distribution, and it was confirmed that phosphorus was introduced into the carbon nanotube.
(負極性能評価)
リン内包カーボンナノチューブを作用極、金属リチウムあるいは金属ナトリウムを対極とするテストセルを構築する(図9参照)。
(Negative electrode performance evaluation)
A test cell is constructed with phosphorus-encapsulated carbon nanotubes as the working electrode and metallic lithium or metallic sodium as the counter electrode (see FIG. 9).
電解液は1mol/l の過塩素酸リチウム、あるいは0.5mol/lの過塩素酸ナトリウムを溶解させたエチレンカーボネートと、ジエチルカーボネートとの体積比が1対1の混合液を使用した。 The electrolyte used was a 1 mol / l lithium perchlorate or a mixture of ethylene carbonate in which 0.5 mol / l sodium perchlorate was dissolved and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1.
その結果、リチウムイオン電池負極として1600mAh/g 程度の可逆容量が、ナトリウムイオン電池負極として1200mAh/g 程度の可逆容量が、それぞれ観測された(図5、6参照)。これは、リンを単にカーボンブラックなどの導電補助剤と混合しただけの試料では可逆容量がほとんど観測されない(図8参照)ことと対照的である。 As a result, a reversible capacity of about 1600 mAh / g as a lithium ion battery negative electrode and a reversible capacity of about 1200 mAh / g as a sodium ion battery negative electrode were observed (see FIGS. 5 and 6). This is in contrast to the fact that almost no reversible capacity is observed in a sample in which phosphorus is simply mixed with a conductive auxiliary such as carbon black (see FIG. 8).
過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウムの濃度は高い方が、イオン数が大きくなり望ましく、それぞれの飽和濃度に近い1mol/l、0.5mol/lとした。 The higher the concentration of lithium perchlorate and sodium perchlorate, the larger the number of ions, which is desirable, and 1 mol / l and 0.5 mol / l, which are close to the respective saturated concentrations.
エチレンカーボネートと、ジエチルカーボネートとの体積比が1対1としてあるのは、粘度を下げイオン伝導性を良くするためである。 The reason why the volume ratio of ethylene carbonate to diethyl carbonate is 1: 1 is to reduce the viscosity and improve the ionic conductivity.
本発明に係るリンを内包した単層カーボンナノチューブ、それを含むリチウム及びナトリウムイオン二次電池の負極及びその製造方法によれば、リンの有効活用ができる。 According to the single-walled carbon nanotube encapsulating phosphorus according to the present invention, the negative electrode of the lithium and sodium ion secondary battery including the same, and the manufacturing method thereof, phosphorus can be effectively used.
11 カーボンナノチューブ
13 リン粉末
15 ガラス管
17 電気炉
11 Carbon nanotube 13 Phosphorus powder 15 Glass tube 17 Electric furnace
Claims (6)
次に、このカーボンナノチューブ11とリン粉末13をガラス管15に真空下で封入し、
次に、このガラス管15を電気炉17内に配し、500〜600度で3〜10時間熱処理し、リンをカーボンナノチューブ11内部に導入し、
次に、カーボンナノチューブ11外表面に析出したリンを除去する
ことを特徴とするリンを内包した単層カーボンナノチューブの製造方法。 By oxidizing the washed carbon nanotubes, the ends of the carbon nanotubes are opened,
Next, the carbon nanotube 11 and phosphorus powder 13 are sealed in a glass tube 15 under vacuum,
Next, this glass tube 15 is placed in an electric furnace 17, heat treated at 500 to 600 degrees for 3 to 10 hours, and phosphorus is introduced into the carbon nanotubes 11;
Next, a method for producing single-walled carbon nanotubes containing phosphorus, wherein phosphorus deposited on the outer surface of carbon nanotubes 11 is removed.
電解液として、1mol/l の過塩素酸リチウム、あるいは0.5mol/lの過塩素酸ナトリウムを溶解させたエチレンカーボネートと、ジエチルカーボネートとの体積比が1対1の混合液を、使用した
ことを特徴とするリチウム及びナトリウムイオン二次電池の負極の製造方法。 The phosphorus-encapsulated nanotube according to claim 1 or 2 as a working electrode, metallic lithium or metallic sodium as a counter electrode,
As the electrolytic solution, a 1 mol / l lithium perchlorate or a mixed solution of ethylene carbonate in which 0.5 mol / l sodium perchlorate was dissolved and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1 was used. A method for producing a negative electrode for a lithium and sodium ion secondary battery.
The phosphorus-encapsulated nanotube according to claim 4 or 5 is used as a working electrode, metallic lithium or metallic sodium is used as a counter electrode, and 1 mol / l lithium perchlorate or 0.5 mol / l sodium perchlorate is dissolved as an electrolyte. A negative electrode for a lithium and sodium ion secondary battery, wherein a mixed liquid having a volume ratio of 1: 1 to ethylene carbonate and diethyl carbonate is used.
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