JP2016189331A - 蓄電デバイス用電極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、電極内にリチウム金属粉末を混合する、あるいは、特許文献7に記載されているようにリチウム金属粉末を負極上に均一に分散させ、注液後、電極上で局部電池を構成し電極内に均一に吸蔵する方法が開示されている。更に、特許文献8には、負極中にポリマー被覆Li微粒子を混合し負極を製造し、キャパシタを組み立て後、電解液を含浸させることにより、ポリマー被覆Li微粒子のうちポリマー部分を電解液に溶出させ、Li金属と負極のカーボンを導通(短絡)させることにより負極のカーボン中にLiをドープさせる方法も開示されている。
(1)a)珪素、b)珪素と二酸化珪素との複合分散体、c)珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有するSiOx(0.5≦x<1.6)で表される粒子、d)SiOx(0.5≦x<1.6)で表される珪素低級酸化物から選ばれる1種又は2種以上の混合物であるリチウムイオンを吸蔵、放出可能なSi系材料とリチウム金属を溶剤の存在下、混練混合することを特徴とするリチウムのプリドープ方法。
(2)前記(1)に記載の珪素系材料の表面に炭素被膜が1〜40質量%被覆されていることを特徴とするリチウムのプリドープ方法。
(3)前記リチウムのプリドープ方法において、溶剤がカーボネート類、ラクトン類、スルホラン類、エーテル類、炭化水素類から選ばれるリチウム金属及びリチウムをドープした材料と反応しない1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする(1)、(2)に記載のリチウムのプリドープ方法。
(4)前記リチウムのプリドープ方法において、溶剤がリチウム金属及びリチウムをドープした材料と反応せず、かつ、沸点が150℃以上であることを特徴とする(1)、(2)あるいは(3)に記載のリチウムのプリドープ方法。
(5)前記リチウムのプリドープ方法において、リチウム金属を溶剤の存在下、旋回周速型混練機を用いて混練混合することを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載のリチウムのプリドープ方法。
(6)前記リチウムのプリドープ方法において、厚さ0.1mm以上のリチウム金属を溶剤の存在下、予備混練した後、旋回周速型混練機を用いて混練混合することを特徴とする(1)から(5)のいずれかに記載のリチウムのプリドープ方法。
(7)a)珪素、b)珪素と二酸化珪素との複合分散体、c)珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有するSiOx(0.5≦x<1.6)で表される粒子、d)SiOx(0.5≦x<1.6)で表される珪素低級酸化物から選ばれる1種あるいは1種以上の混合物、又はe)その表面に炭素被膜が1〜40質量%被覆されているリチウムイオンを吸蔵、放出可能なSi系材料に、(1)から(6)に記載の方法でリチウムがプリドープされていることを特徴とする蓄電デバイス用負極材。
(8)前記(7)に記載のSi系材料にリチウムがプリドープされている負極材とバインダーからなることを特徴とする蓄電デバイス用電極。
(9)前記(8)に記載のバインダーがポリイミド、ポリアミドイミド樹脂であることを特徴とする蓄電デバイス用電極。
(10)前記(8)又は(9)に記載の蓄電デバイス用電極が、200℃以上の温度で加熱されていることを特徴とする蓄電デバイス用電極。
(11)前記(8)から(10)に記載の蓄電デバイス用電極が、導電材として繊維状導電材を含むことを特徴とする蓄電デバイス用電極。
(12)前記(11)に記載の導電材が気相成長炭素繊維であることを特徴とする蓄電デバイス用電極。
(13)前記(8)から(12)に記載の蓄電デバイス用電極を用いた蓄電デバイス。
i.銅を対陰極としたX線回折(Cu−Kα)において、2θ=28.4°付近を中心としたSi(111)に帰属される回折ピークが観察され、その回折線の広がりをもとに、シェーラーの式によって求めた珪素の結晶の粒子径が好ましくは1〜500nm、より好ましくは2〜200nm、更に好ましくは2〜20nmである。珪素の微粒子の大きさが1nmより小さいと、充放電容量が小さくなる場合があるし、逆に500nmより大きいと充放電時の膨張収縮が大きくなり、サイクル性が低下するおそれがある。なお、珪素の微粒子の大きさは透過電子顕微鏡写真により測定することができる。
ii.固体NMR(29Si−DDMAS)測定において、そのスペクトルが−110ppm付近を中心とするブロードな二酸化珪素のピークとともに−84ppm付近にSiのダイヤモンド結晶の特徴であるピークが存在する。なお、このスペクトルは、通常の酸化珪素(SiOx:x=1.0+α)とは全く異なるもので、構造そのものが明らかに異なっているものである。また、透過電子顕微鏡によって、シリコンの結晶が無定形の二酸化珪素に分散していることが確認される。
くは20m2/g以下が好ましい。xの範囲は0.5≦x<1.6であり、1.0≦x<1.6が好ましく、0.8≦x<1.3がより好ましく、0.8≦x≦1.2が更に好ましい。酸化珪素粉末の平均粒子径及びBET比表面積が上記範囲外では所望の平均粒子径及びBET比表面積を有する珪素複合体粉末が得られないし、xの値が0.5より小さいSiOx粉末の製造は困難であるし、xの値が1.6以上のものは、熱処理を行い、不均化反応を行なった際に、不活性なSiO2の割合が大きく、蓄電デバイスとして使用した場合、充放電容量が低下するおそれがある。
平均粒径5μmのSiOx(x=1.02)で表される珪素酸化物に炭素を5wt%被覆した負極材KSC−1064(信越化学工業株式会社製)92部、バインダーにポリフッ化ビニリデン(PVDF:アルケマ社製HSV900)8部を、溶剤にプロピレンカーボネート(PC)を用いてスラリーとし、銅箔上に塗布後、120℃で10分乾燥、プレスし、厚さ(銅箔を除く)18μm、密度1.17g/cm3の電極を得た。電極を直径17mmに打ち抜き、対極にリチウム金属を用い、電解液にエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを3:7の重量比で混合した溶媒に1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を用い、電気化学的にリチウムをドープ/脱ドープした。具体的には、定電流(リチウムドープ可能Si系材料重量に対し400mA/g)−定電圧(電圧1mV vs. Li/Li+)法(時間:8時間)でリチウムをドープ(吸蔵)した後、定電流(リチウムドープ可能Si系材料重量に対し400mA/g)で電圧(2.0V vs. Li/Li+)までリチウムを脱ドープ(放出)した。リチウムドープ可能Si系材料に対するリチウムのドープ量は2280mAh/g、脱ドープ量は1773mAh/g、効率は77.8%であり、リチウムイオンを吸蔵、放出可能であることを確認した。ドープ(吸蔵)、脱ドープ(放出)の電圧プロファイルを図1に示す。
(プリドープの実施)
水分1ppm以下のアルゴンドライボックス中で、上記リチウムドープ可能Si系材料、0.25g、水分30ppm以下のプロピレンカーボネート(沸点242℃)0.31gを加え、乳鉢を用いて混合した。得られた粘土状の混合物に0.03mmのリチウム金属箔を10mm角程度にカットしたものを約0.008gずつ加え、練り込みながら混練混合した。リチウム金属が完全になくなってから、次のリチウム金属箔を加え、総計0.05gのリチウム金属(リチウムドープ可能Si系材料の重量に対し760mAh/gに相当)を混練混合した。混練混合終了後、加えたリチウム金属箔は完全に消失していた。混練混合時間は55分であり、760mAh/gという実用的プリドープ量を短時間でプリドープ可能であった。
水分1ppm以下のアルゴンドライボックス中で、実施例1で得られたリチウムドープ可能Si系材料、0.25gと表1に示す溶剤を加え、乳鉢を用いて混合した。得られた粘土状の混合物に0.03mmのリチウム金属箔を10mm角程度にカットしたものを約0.008gずつ加え、練り込みながら混練混合した。リチウム金属が完全になくなってから、次のリチウム金属箔を加え、総計0.05gのリチウム金属(リチウムドープ可能Si系材料の重量に対し760mAh/gに相当)を混練混合した。混練混合終了後、加えたリチウム金属箔は完全に消失していた。混練混合時間は実施例2以外では50分〜60分であったが、メチルエチルカーボネート(沸点107℃)を使用した実施例2では、溶剤の蒸発により、溶剤を追加する操作が必要となり、混練混合時間は70分となった。
水分40ppmのドライルーム(ドライエアー雰囲気)で、上記ドープ可能Si系材料10g、水分30ppm以下のプロピレンカーボネート(沸点242℃)6.53gを加え、自公転ミキサー(シンキー社製:あわとり練太郎 AR−250:容器100ml)を用いて混練混合した。得られた高粘度混合物(流動性なし)に0.03mmのリチウム金属箔を10mm角程度にカットしたものを約0.007〜0.15g(混練初期は少なめ)を加え、自公転ミキサーを用いて自転速度2000rpm、公転速度2200rpmの条件で30秒〜3分混練混合し、冷却する操作を、リチウム金属の消失を確認しながら、18回繰り返した。途中、プロピレンカーボネートを0.26g(295mAh/g相当のリチウム金属投入時)、0.34g(470mAh/g相当のリチウム金属投入時)、0.22g(640mAh/g相当のリチウム金属投入時)、0.26g(760mAh/g相当のリチウム金属投入時)と適宜加え粘度を調整し、所定量のリチウム金属(ドープ可能Si系材料の重量に対し760mAh/gに相当)を混練混合した。
水分40ppmのドライルーム(ドライエアー雰囲気)で、上記ドープ可能Si系材料16g、水分30ppm以下のプロピレンカーボネート(沸点242℃)18gを加え、自公転ミキサー(シンキー社製:あわとり練太郎 AR−250:容器100ml)を用いて混練混合した。得られた高粘度混合物(流動性なし)に0.12mmのリチウム金属箔を2mm角程度にカットしたものを約0.7gずつ投入し、自公転ミキサーを用いて自転速度2000rpm、公転速度2200rpmの条件で3分〜5分混練混合することを、リチウム金属の大部分が消失していることを確認しながら、3回繰り返すことにより、所定量のリチウム金属(ドープ可能Si系材料の重量に対し500mAh/gに相当)を混練混合した。得られた予備混練物中にはリチウム金属が目視でも確認できる程度に残っていた。この予備混練物にプロピレンカーボネートを加え、流動性のある(10Pa・s以下)とし、旋回周速型混練機(プライミクス社製:フィルミックスFM40−40)に投入した。混練混合チャンバーを15℃に冷却しながら、周速度30m/sで、300秒混練混合する操作を5回繰り返したところ、リチウム金属は消失していた。得られたリチウムをプリドープしたドープ可能Si系材料(リチウムドープSi系材料:本発明の蓄電デバイス用負極材)を17mmφに打ち抜いたステンレスメッシュ上に塗り付け、ホットプレート上で120℃、10分間の乾燥を行い、評価用電極とした。かくして得られた評価用電極のリチウム金属に対する電位を実施例1に記載の方法で測定したところ、376mVであり、旋回周速型混練機を用いた上記プリドープ方法によりドープ可能Si系材料にリチウムがドープされていたことが確認された。
水分1ppm以下のアルゴンドライボックス中で、実施例1に記載のリチウムドープ可能Si系材料、0.75g、導電材として気相成長炭素繊維(昭和電工社製VGCF)0.1g、水分30ppm以下のエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート(重量比:50:50)の混合溶媒0.74gを加え、乳鉢を用いて混合した。得られた粘土状の混合物に0.03mmのリチウム金属箔を10mm角程度にカットしたものを約0.024gずつ加え、練り込みながら混練混合した(混合溶剤を適宜追加)。リチウム金属が完全になくなってから、次のリチウム金属箔を加え、総計0.15gのリチウム金属(リチウムドープ可能Si系材料の重量に対し760mAh/gに相当)を混練混合した。混練混合終了後、加えたリチウム金属箔は完全に消失していた。得られた混練混合物1.1g(リチウムドープSi系材料を約0.25gを含む)にバインダーにポリフッ化ビニリデン(PVDF:アルケマ社製HSV900)を0.05g及びエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート(重量比:50:50)の混合溶媒0.37gを加え混合し、銅箔上に塗布し、120℃、20分乾燥後、プレスし、厚さ(銅箔を除く)29μm、密度0.72g/cm3の電極(本発明の蓄電デバイス用電極)を得た。
水分1ppm以下のアルゴンドライボックス中で、実施例1に記載のリチウムドープ可能Si系材料、0.75g、導電材として気相成長炭素繊維(昭和電工社製VGCF)0.1g、水分30ppm以下のエチレンカーボネートとγ−ブチロラクトン(重量比:20:80)の混合溶媒0.74gを加え、乳鉢を用いて混合した。得られた粘土状の混合物に0.03mmのリチウム金属箔を10mm角程度にカットしたものを約0.024gずつ加え、練り込みながら混練混合した。リチウム金属が完全になくなってから、次のリチウム金属箔を加え、総計0.15gのリチウム金属(リチウムドープ可能Si系材料の重量に対し760mAh/gに相当)を混練混合した。混練混合終了後、加えたリチウム金属箔は完全に消失していた。得られた混練混合物0.6g(リチウムドープSi系材料を約0.17gを含む)にバインダーにポリイミド樹脂(γ−ブチロラクトンに可溶)を0.0335g及びエチレンカーボネートとγ−ブチロラクトン(重量比:20:80)の混合溶媒0.235gを加え混合し、脱泡後、銅箔上に塗布し、120℃、10分乾燥後、プレスし、厚さ(銅箔を除く)32μm、密度0.55g/cm3の電極(本発明の蓄電デバイス用電極)を得た。
実施例8と同様の手順で、厚さ(銅箔を除く)34μm、密度0.99g/cm3の電極(本発明の蓄電デバイス用電極)を得た。ただし、銅箔に塗布する前、脱泡処理を実施した。得られた負極(サイズ:15mm×21mm)を、LiCoO2:アセチレンブラック:PVDF=89.25:5.25:5.5(重量比)よりなる厚さ83μm、密度3.0g/cm3の正極(サイズ:14mm×20mm)と組み合わせ、電解液にエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを3:7の重量比で混合した溶媒に1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を、セパレータに厚さ22μmのポリエチレン製微孔膜を用い、リチウムイオン電池(本発明の蓄電デバイス)を作製した。
調製例1(実施例1)で作製した厚さ(銅箔を除く)18μm、密度1.17g/cm3の電極(プリドープなし)を負極(サイズ:15mm×21mm)とし、LiCoO2:アセチレンブッラク:PVDF=89.25:5.25:5.5(重量比)よりなる厚さ83μm、密度3.0g/cm3の正極(サイズ:14mm×20mm)と組み合わせ、電解液にエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを3:7の重量比で混合した溶媒に、1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を、セパレータに厚さ22μmのポリエチレン製微孔膜を用い、リチウムイオン電池を作製した。
Claims (14)
- a)珪素、b)珪素と二酸化珪素との複合分散体、c)珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有するSiOx(0.5≦x<1.6)で表される粒子、及びd)SiOx(0.5≦x<1.6)で表される珪素低級酸化物から選ばれる1種又は2種以上の混合物であるリチウムイオンを吸蔵、放出可能なSi系材料と、リチウム金属とを、溶剤の存在下で混練混合してリチウムをプリドープし、リチウムがプリドープされたSi系材料を得るプリドープ工程と、プリドープされたSi系材料を作用極、リチウム金属を対極とする2極セルにおいて、リチウム金属に対して、プリドープされたSi系材料で作製した電極の電位が51〜400mVとなるプリドープされたSi系材料を選択する工程とを含む、リチウムがプリドープされている蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- a)珪素、b)珪素と二酸化珪素との複合分散体、c)珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有するSiOx(0.5≦x<1.6)で表される粒子、及びd)SiOx(0.5≦x<1.6)で表される珪素低級酸化物から選ばれる1種又は2種以上の混合物であるリチウムイオンを吸蔵、放出可能なSi系材料と、リチウム金属とを、溶剤の存在下で混練混合してリチウムをプリドープし、リチウムがプリドープされたSi系材料を得るプリドープ工程を含み、プリドープされたSi系材料が、プリドープされたSi系材料を作用極、リチウム金属を対極とする2極セルにおいて、リチウム金属に対して、プリドープされたSi系材料で作製した電極の電位が51〜400mVとなる、リチウムがプリドープされている蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- 電位が、プリドープされたSi系材料を作用極、リチウム金属を対極とする2極セルを作製し、作用極、180μmのガラスマット、リチウム金属を積層し、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを3:7の重量比で混合した溶媒に、1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を電解液として注液し、その直後のリチウム金属に対するプリドープされたSi系材料からなる作用極の電位である請求項1又は2記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- Si系材料の表面が、Si系材料に対して1〜40質量%の炭素被膜で被覆された炭素被覆Si系材料である請求項1〜3のいずれか1項記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- 溶剤が、カーボネート類、ラクトン類、スルホラン類、エーテル類及び炭化水素類から選ばれ、リチウム金属及びリチウムをドープしたSi系材料と反応しない1種又は2種以上の混合物である請求項1〜4のいずれか1項記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- プリドープ工程が、Si系材料とリチウム金属とを、溶剤の存在下、旋回周速型混練機を用いて混練混合する請求項1〜5のいずれか1項記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- プリドープ工程が、Si系材料と厚さ0.1mm以上のリチウム金属とを、溶剤の存在下、予備混練した後、旋回周速型混練機を用いて混練混合する請求項1〜5のいずれか1項記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- プリドープ工程が、水分量250ppm以下のドライエアー中で行われる請求項1〜7のいずれか1項記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- さらに、プリドープする工程で得られた混合物に、バインダーを添加する工程を含む請求項1〜8のいずれか1項記載の蓄電デバイス用負極材の製造方法。
- バインダーが、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂であることを特徴とする請求項9記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
- さらに、プリドープする工程で得られた混合物に、繊維状導電材を添加する工程を含む請求項1〜10のいずれか1項記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
- 繊維状導電材が、気相成長炭素繊維であることを特徴とする請求項11記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
- さらに、蓄電デバイス用電極を200℃以上の温度で加熱する工程を含む請求項1〜12のいずれか1項記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。
- 請求項1〜13のいずれか1項記載の製造方法で得られた蓄電デバイス用電極を用いることを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。
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