JP2016033851A - 複合体、複合体の製造方法、非水電解質電池用活物質材料、及び非水電解質電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】1つの態様によると、複合体10が提供される。この複合体10は、グラフェンシート材料13と、複数の活物質粒子11と、グラフェンシート材料13と活物質粒子11との間に位置した炭素層12とを具備する。グラフェンシート材料13は、単原子層の平面状グラフェンシート13A又は10層以下の平面状グラフェンシートの積層体13Aを含有する。活物質粒子11は、チタンニオブ複合酸化物を含む。炭素層12は、π電子系を有する炭素材料を含む。
【選択図】 図1
Description
第2の実施形態によると、複合体の製造方法が提供される。この方法は、複数の活物質粒子を準備することと、有機化合物を準備することと、グラフェンシート原料を準備することと、複数の活物質粒子、有機化合物及びグラフェンシート原料を、水中に投入して、分散溶液を調製することと、分散溶液のpHを2.5未満に調製することと、分散溶液から水を除去し、固体混合物を得ることと、固体混合物を不活性雰囲気下で加熱することとを含む。活物質粒子は、チタンニオブ複合酸化物を含む。有機化合物は、複数の水酸基を有する。グラフェンシート原料は、単原子層の平面状酸化グラフェンシート又は10層以下の平面状酸化グラフェンシートの積層体を含有する。
第4の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第3の実施形態に係る非水電解質電池用活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを具備する。
第1の実施形態によると、複合体が提供される。この複合体は、グラフェンシート材料と、複数の活物質粒子と、グラフェンシート材料と活物質粒子との間に位置した炭素層とを具備する。グラフェンシート材料は、単原子層の平面状グラフェンシート又は10層以下の平面状グラフェンシートの積層体を含有する。活物質粒子は、チタンニオブ複合酸化物を含む。炭素層は、π電子系を有する炭素材料を含む。
活物質粒子は、一次粒子であっても良いし、又は二次粒子であっても良い。
グラフェンシート材料は、単原子層の平面状グラフェンシート又は10層以下の平面状グラフェンシートの積層体を含有する。
π電子系を有する炭素材料を含む炭素層は、π−π相互作用を発現するために、隣り合う原子との共有結合にsp2混成軌道が寄与する炭素を含んでいる。炭素層に含まれる炭素材料は、グラファイト構造を有することが好ましい。しかしながら、炭素層は、隣り合う原子との共有結合にsp3混成軌道が寄与する炭素を含んでいてもよい。
第1の実施形態に係る複合体は、場合により、グラフェンシート材料の補助として、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素質物を含んでもよい。
第1の実施形態に係る複合体についての情報は、以下の方法により確認することができる。
以下に詳細に説明する各分析に供する測定試料は、以下の手順により、非水電解質電池から調製することができる。
先のようにして抽出した複合体を、水中で1時間程度超音波処理に供する。疎水性で軽いグラフェンシートを含むグラフェン材料は、この処理により水面若しくは水中に分散し、活物質粒子から分離することができる。なお、この分離処理によると、活物質粒子の表面に結合した、π電子系を有する炭素材料を含む炭素層は、活物質粒子からほとんどは分離せずに残るが一部は水中に分散する。水中に分散した炭素材料とグラフェンシートは遠心分離の回転数の違いにより分離することができる。
複合体に含まれる全炭素量は、高周波加熱−赤外線吸収法により定量することができる。
炭素層の存在状態は、複合体表面や複合体断面に対する電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro Analyser)を用いるライン分析または炭素のマッピング等で判定することができる。また、X線光電子分光によりC1Sのピークを検出することによっても可能である。また、高分解能の透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によりグラフェン材料の断面を観察することが可能であり、アモルファス部とナノグラフェン構造の同定もできる。
グラフェン材料に含まれるグラフェンシートは、例えば図3に示したように、走査型電子顕微鏡(SEM)により、その薄片状態を観察することが可能である。
また、グラフェンシート材料及び炭素層における炭素結合は、顕微ラマンスペクトルにより同定が可能である。特にグラフェン構造は、グラフェンに基づくGピーク、2Dピークの存在から確認でき、欠陥やグラフェンドメインのサイズはGピークとDピークの比から求めることができる。
活物質粒子は、炭素層で覆われていても、炭素層で覆われていなくても、SEMによる観察が可能である。活物質粒子は、炭素層で覆われると、SEM測定の際にチャージアップしにくくなり、SEM像において暗い粒子として表れる。図4は、チタンニオブ酸化物粒子であって、炭素層で表面が覆われている粒子のSEM像を示している。一方、図5は、炭素層で表面が覆われていないチタンニオブ酸化物粒子のSEM像である。図4及び図5を比較すると、図4におけるチタンニオブ酸化物粒子は、図5のそれよりも明るい像として現れているが、図5のそれと同様の形状を示していることが分かる。
活物質粒子に含まれる活物質の組成は、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES:Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)により分析することができる。
活物質粒子の二次粒子の平均粒子径の測定方法は、以下の通りである。測定装置としては、レーザー回折式分布測定装置(島津SALD-300)を用いる。まず、ビーカーに約0.1gの試料と界面活性剤と1〜2mLの蒸留水とを添加して十分に撹拌し、撹拌水槽に注入して、ここで試料溶液を調製する。この試料溶液を用いて、2秒間隔で64回光度分布を測定し、粒度分布データを解析する。
活物質粒子の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察によって確認できる。典型的な視野から抽出される典型的な粒子10個の平均を求め、平均一次粒子径を決定する。
活物質粒子の比表面積の測定は、粉体粒子表面に吸着占有面積が既知である分子を液体窒素の温度で吸着させ、その量から試料の比表面積を求める方法を用いることができる。最も良く利用されるのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるBET法であり、単分子層吸着理論であるLangmuir理論を多分子層吸着に拡張した、比表面積の計算方法として最も有名な理論である。これにより求められた比表面積のことをBET比表面積と称する。
第2の実施形態によると、複合体の製造方法が提供される。この方法は、複数の活物質粒子を準備することと、有機化合物を準備することと、グラフェンシート原料を準備することと、複数の活物質粒子、有機化合物及びグラフェンシート原料を、水中に投入して、分散溶液を調製することと、分散溶液のpHを2.5未満に調整することと、分散溶液から水を除去し、固体混合物を得ることと、固体混合物を不活性雰囲気下で加熱することとを含む。活物質粒子は、チタンニオブ複合酸化物を含む。有機化合物は、複数の水酸基を有する。グラフェンシート原料は、単原子層の平面状酸化グラフェンシート又は10層以下の平面状酸化グラフェンシートの積層体を含有する。
まず、ニオブチタン複合酸化物を含む複数の活物質粒子を準備する。
一方で、複数の水酸基を有する有機化合物を準備する。
また、一方で、単原子層の平面状酸化グラフェンシート又は10層以下の平面状酸化グラフェンシートの積層体を含有するグラフェン原料を製造する。
まず、濃硫酸と硝酸ナトリウムとの混合溶液を冷却して、5℃付近に調整する。温度を5℃付近に調整した混合溶液に、グラファイト粉末を徐々に加える。次に、この混合液に、過マンガン酸カリウムの粉末を冷却しながら徐々に加える。過マンガン酸カリウムの粉末の投入により、混合溶液は10℃程度に上昇する。
次に、以上のようにして準備した各材料を水に投入して、よく混合することにより、分散溶液を調製する。この際、分散溶液のpHを2.5未満に調整することを特徴とする。水の中には必要に応じてアルコール類等が含まれていてもよい。
続いて、以上のようにして調製した分散溶液を、ここから水を例えばエバポレートもしくは凍結乾燥で除去して、乾固する。それにより、固体混合物を得ることができる。
第3の実施形態によると、第1の実施形態に係る複合体を含む非水電解質電池用活物質が提供される。
第4の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第3の実施形態に係る非水電解質電池用活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを具備する。
外装材の形状は、電池の用途に応じて選択されるものであり、例えば、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、及びボタン型から選択できる。外装材の例には、電池寸法に応じて、例えば携帯用電子機器等に積載される小型電池用外装材、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池用外装材などが含まれる。
負極層は、第3の実施形態に係る非水電解質電池用活物質に加え、結着剤を更に含むことができる。
正極層は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を含むことができる。
非水電解質は、例えば、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状非水電解質、または液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質を用いることができる。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、若しくはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、又は合成樹脂製不織布を用いることができる。好ましい多孔質フィルムは、ポリエチレンまたはポリプロピレンから作られる。このような多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるために安全性を向上できる。
正極端子の材料としては、例えば、リチウムイオン金属に対する電位が3〜4.25Vの範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウム、又はMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiなどの元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料であることが好ましい。
(実施例1)
実施例1では、以下の手順により、実施例1の試験電極を作製する。
出発原料として、アナターゼ構造の二酸化チタン(TiO2)粉末と、五酸化ニオブ(Nb2O5)粉末とを準備する。TiO2とNb2O5とを質量比1:3.3で混ぜ、混合物を得る。かくして得られる混合物を、1100℃で24時間焼成する。焼成の後、粉砕して、生成物粉末を得る。
生成物粉末の一部を、直径25mmの標準ガラスホルダーに詰め、広角X線回折法による測定を行う。以下に、測定に使用した装置および条件を示す。
(1) X線発生装置理学電機社製 RU−200R(回転対陰極型)
X線源 : CuKα線
湾曲結晶モノクロメータ(グラファイト)使用
出力 : 50kV、200mA
(2) ゴニオメータ理学電機社製 2155S2 型
スリット系: 1°−1°−0.15mm−0.45mm
検出器 : シンチレーションカウンター
(3) 計数記録装置理学電機社製 RINT1400 型
(4) スキャン方式 2θ/θ連続スキャン
(5) 定性分析
測定範囲(2θ) 5〜100°
スキャン速度 2°/分
ステップ幅(2θ) 0.02°。
得られる生成物について、BET比表面積の測定をする。得られる生成物のBET比表面積は0.2m2/gである。
まず、濃硫酸と硝酸ナトリウムとの混合溶液を冷却して、5℃付近に調整する。温度を5℃付近に調整した混合溶液に、5gのグラファイト粉末(伊藤黒鉛製のZ−5F)を徐々に加える。次に、この混合液に、15gの過マンガン酸カリウムの粉末を冷却しながら徐々に加える。過マンガン酸カリウムの粉末の投入により、混合溶液は10℃程度に上昇する。
以上のようにして得られるチタンニオブ酸化物粒子及びグラフェンシート原料を、スクロースと共に水中に投入してよく撹拌し、分散溶液を調製する。この際、チタンニオブ酸化物粒子に対して、平面状酸化グラフェンシート原料を2質量%とし、スクロースを0.4質量%とする。分散溶液のpHを、塩酸を用いてpH2に調整する。
分散溶液の撹拌後、水を蒸発させて、分散溶液を乾固する。得られた固体をアルゴン気流下800℃で1時間加熱する。得られた固体を粉砕して複合体を得る。
活物質として得られた活物質サンプルAの粉末及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)をN−メチルピロリドン(NMP)に加え、混合してスラリーを調製する。この際、サンプルAの粉末の混合割合を95質量%とし、PVdFの混合割合を5質量%とする。このスラリーを厚さ12μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥させる。その後、プレスすることにより実施例1の試験電極を得る。
エチレンカーボネート(EC)及びジエチルカーボネート(DEC)を1:2の体積比率で混合して混合溶媒とする。この混合溶媒に、電解質であるLiPF6を1Mの濃度で溶解させて、液状非水電解質を得る。
作製した実施例1の試験電極を作用極とし、対極及び参照極としてリチウム金属を用いて、実施例1のビーカーセルを組み立てる。このビーカーセルに上述の液状非水電解質を注入して、実施例1のビーカーセルを作製する。
上記の実施例1のビーカーセルを、25℃の環境下において、1C及び1Vで3時間の定電流−定電圧放電に供する。次いで、実施例1のビーカーセルに対して、1C定電流充電を3Vまで行う。この1回の充電及び1回の放電を合わせて1サイクルとする。実施例1のビーカーセルに対し、このような充放電サイクルに100回供し、初期容量に対する100サイクル後容量を容量維持率(%)として算出する。容量維持率は85%である。
比較例1では、平面状酸化グラフェンを用い代わりにケッチェンブラックを用いること以外は実施例1と同様の方法により、比較例1の試験電極を作製し、この試験電極を用いて比較例1のビーカーセルを作製する。
比較例2では、スクロースを用いないこと以外は実施例1と同様の方法により、比較例2の試験電極を作製し、この試験電極を用いて比較例2のビーカーセルを作製する。
実施例2では、活物質粒子の合成を以下のように変更すること以外は実施例1と同様の方法により、実施例2の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例2のビーカーセルを作製する。
比較例3では、平面状酸化グラフェンを用い代わりにケッチェンブラックを用いること以外は実施例2と同様の方法により、比較例3の試験電極を作製し、この試験電極を用いて比較例3のビーカーセルを作製する。
比較例4では、スクロースを用いないこと以外は実施例2と同様の方法により、比較例4の試験電極を作製し、この試験電極を用いて比較例4のビーカーセルを作製する。
実施例3では、活物質粒子の合成を以下のように変更すること以外は実施例1と同様の方法により、実施例2の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例2のビーカーセルを作製する。
実施例4では、スクロースの代わりにマルトースを用いること以外は実施例1と同様の方法により、実施例4の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例4のビーカーセルを作製する。
実施例5では、スクロースの代わりに気相成長カーボンナノファイバーを酸化して得られる10〜50nm径の酸化されたグラフェン片を用いること以外は実施例1と同様の方法により、実施例5の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例5のビーカーセルを作製する。
実施例6では、グラフェンシート原料の合成以外は実施例1と同様の方法により、実施例6の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例6のビーカーセルを作製する。
実施例7では、グラフェンシート原料の合成以外は実施例1と同様の方法により、実施例7の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例7のビーカーセルを作製する。
実施例8では、スクロースの代わりに土状黒鉛を酸化して得られる20〜50nm径の酸化グラフェン片を用いること以外は実施例7と同様にして、実施例8の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例8のビーカーセルを作製する。
実施例9では、グラフェンシート原料の合成以外は実施例1と同様の方法により、実施例9の試験電極を作製し、この試験電極を用いて実施例9のビーカーセルを作製する。
実施例10では、分散溶液の調製の際、チタンニオブ複合酸化物粒子に対して気相成長カーボンナノファイバーを0.2質量%さらに添加すること以外は実施例1と同様にして、実施例10の試験電極を作製し、実施例10のビーカーセルを作製する。
実施例1〜10及び比較例2〜4の結果を以下の表に示す。
Claims (11)
- 単原子層の平面状グラフェンシート又は10層以下の平面状グラフェンシートの積層体を含有するグラフェンシート材料と、
チタンニオブ複合酸化物を含む複数の活物質粒子と、
前記グラフェンシート材料と前記活物質粒子との間に位置した、π電子系を有する炭素材料を含む炭素層と
を具備する複合体。 - 前記チタンニオブ複合酸化物は、一般式LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7で表され、
前記一般式中、指数x、y及びzは、それぞれ、0≦x≦5、0≦y≦1、及び0≦z≦2の範囲内にあり、M1は、Zr、Si及びSnからなる群より選択される少なくとも1種であり、M2は、V、Nb、Ta及びBiからなる群より選択される少なくとも1種である請求項1に記載の複合体。 - 前記炭素層が前記活物質粒子を部分的に被覆している請求項1又は2に記載の複合体。
- 前記炭素材料は、50nm以下の径を有するグラフェン片を含む請求項1〜3の何れか1項に記載の複合体。
- 前記炭素材料は、π電子系を有する非晶質炭素を含む請求項1〜4の何れか1項に記載の複合体。
- 前記平面状グラフェンシートは、窒素原子又は酸素原子を含有している請求項1〜5の何れか1項に記載の複合体。
- 請求項1〜6の何れか1項に記載の複合体を含む非水電解質電池用活物質。
- 請求項7に記載の非水電解質電池用活物質材料を含む負極と、
正極と、
非水電解質と
を具備した非水電解質電池。 - 電荷担体としてリチウムイオン、ナトリウムイオン又はマグネシウムイオンを含む請求項8に記載の非水電解質電池。
- チタンニオブ複合酸化物を含む複数の活物質粒子を準備することと、
複数の水酸基を有する有機化合物を準備することと、
単原子層の平面状酸化グラフェンシート又は10層以下の平面状酸化グラフェンシートの積層体を含有するグラフェンシート原料を準備することと、
前記複数の活物質粒子、前記有機化合物及び前記グラフェンシート原料を、水中に投入して、分散溶液を調製することと、
前記分散溶液のpHを2.5未満に調整することと、
前記分散溶液から水を除去し、固体混合物を得ることと、
前記固体混合物を不活性雰囲気下で加熱することと
を含む請求項1〜6の何れか1項に記載の複合体の製造方法。 - 前記有機化合物は、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、コージビオース、ニゲロース、ソホロース、ラミナリビオース、セルビオース、グルコース、フルクトース、アロース、リボース、アピオース、グリセリン及びソルビトールからなる群より選択される少なくとも1種である請求項10に記載の製造方法。
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