JP2017059398A - 電池用活物質、非水電解質電池、及び電池パック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る電池用活物質は、0.5V以上2V以下(vs.Li+/Li)の範囲内において、リチウムを吸蔵・放出可能な活物質粒子101と、活物質粒子の少なくとも一部を被覆した炭素材料層102とを含み、窒素吸着法におけるBET比表面積Sが2m2/g以上20m2/g以下であり、BET比表面積Sと、活物質粒子101及び炭素材料層102の合計質量に対する炭素材料層102の質量の割合M(質量%)との比S/M(m2/g)は、0.5≦S/M≦5である。
【選択図】 図8
Description
本実施形態によると、電池用活物質が提供される。この電池用活物質は、0.5V以上2V以下(vs.Li+/Li)の範囲内において、リチウムを吸蔵・放出可能な活物質粒子と、この活物質粒子の少なくとも一部を被覆した炭素材料層とを含む。電池用活物質は、窒素吸着法におけるBET比表面積Sが2m2/g以上20m2/g以下である。BET比表面積Sと、活物質粒子及び炭素材料層の合計質量に対する炭素材料層の質量の割合M(質量%)との比S/M(m2/g)は、0.5≦S/M≦5である。
活物質が含む炭素成分の結晶性を定量評価する手法としては、顕微ラマン測定装置を用いることができる。顕微ラマン装置としては、例えば、Thermo Fisher Scientific ALMEGAを用いることができる。測定条件は、例えば、測定光源の波長532nm、スリットサイズ25μm、レーザー強度10%、露光時間5s、積算回数10回とすることができる。
まず、バックグラウンド強度が大きく表れた場合は、1000cm-1と2000cm-1との測定点内において、バックグラウンドが直線で近似できるとして減算する。次に、1580cm-1付近に観測される大きなピークをGバンド、1330cm-1付近に観測される大きなピークをDバンドとし、更に1250cm-1付近及び1500cm-1付近にもピークが観測されると仮定して、合計4本のピークをもとにフィッティングを行う。フィッティング関数は、ローレンツ/ガウス関数を用いる。
活物質粒子の平均粒子径は、例えば、粒度分布(重量基準分布)から得ることができる。活物質粒子についての粒度分布は、例えば、粉体の場合レーザー回折計等による測定により得ることができる。例えば、レーザー回折計において粒度分布を測定し、重量分布(重量%)を算出する。このとき超音波で振動しながら凝集を防ぐと良い。測定条件はレーザー回折計メーカーが材料ごとに推奨する条件とする。このとき、対象とする材料が電極体の場合には、活物質を取り出すために、適宜裁断した電極を溶媒中(アルコール、N−メチルピロリドンなどの有機溶媒が好ましい)に漬け、超音波をかける。これにより、集電箔から電極材料層を剥離することができる。次に、剥離した電極材料層を分散溶媒に入れ、その分散液を遠心分離器にかける。これにより、カーボン等の導電剤を含む電極材料層の粉末から、活物質だけを分離することできる。又は、電極材料層以外の材料(カーボン、集電体、バインダ等)がある場合、あらかじめ、それらを除去した粉末を準備して予備測定を行い、測定結果から除外できるようにすると良い。
BET比表面積とは、BET法によって定められる比表面積のことであり、窒素吸着法により算出される。分析は、例えば以下の方法で実施する。活物質質量は4gとする。評価用セルは、例えば1/2インチのものを使用する。前処理方法として、この評価用セルを、温度約100℃以上で15時間の減圧乾燥することにより、脱ガス処理を実施する。測定装置としては、例えば島津製作所‐マイクロメリティックス社トライスターII3020を用いる。圧力を変化させながら窒素ガスを吸着させていき、相対圧を横軸、N2ガス吸着量を縦軸とする吸着等温線を求める。この曲線がBET理論に従うと仮定し、BETの式を適応することによって比表面積を算出することが出来る。
<炭素材料層の有無の特定方法>
本発明にかかる活物質の炭素材料の同定は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)観察などの方法で実施することが出来る。
<被覆炭素の重量の評価方法>
活物質が含有している炭素材料の含有量は、例えば、高周波加熱−赤外線吸収法により算出する。高周波加熱−赤外線吸収法により、燃焼する炭素量を赤外線検出器で調べることで、活物質の単位重量あたりの濃度を算出することが出来る。サンプル及び測定用のるつぼは、温度約200℃以上で15時間以上に亘り減圧乾燥することにより、脱ガス処理を実施する。分析装置としては、例えばHORIBA社製EMIA−920V2を用いる。評価に使用する活物質重量は、1g以上である。
(第2の実施形態)
本実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、正極と、第1の実施形態に係る電池用活物質を含んだ負極と、非水電解質とを具備する。
正極は、集電体と、この集電体の片面もしくは両面に形成され、活物質及びバインダを含む正極材料層(正極活物質含有層)とを含む。
負極は、集電体と、該集電体の片面若しくは両面に形成され、活物質、導電剤及びバインダを含む負極材料層(負極活物質含有層)とを含む。
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、又は、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であってよい。
セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、又はポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む、多孔質フィルム若しくは合成樹脂製不織布から形成されてよい。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、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、安全性を向上できる。
容器は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムまたは厚さ1mm以下の金属製容器が用いることができる。ラミネートフィルムの厚さは0.2mm以下であることがより好ましい。金属製容器は、厚さ0.5mm以下であることがより好ましく、厚さ0.2mm以下であることがさらに好ましい。
第3の実施形態によれば、電池パックが提供される。この電池パックは、第2の実施形態に係る非水電解質電池を備える。
以下に実施例を説明するが、実施形態は、以下に記載される実施例に限定されるものではない。
(活物質の製造)
出発原料として、二酸化チタンTiO2の粉末、及び五酸化ニオブNb2O5の粉末を使用した。これらをモル比1:1で秤量した後、溶媒をエタノールとする湿式ボールミルにより混合・粉砕を実施した。粉砕後、濾過及び乾燥を実施することにより溶媒と粉末とを分離し、二酸化チタンと五酸化ニオブから構成される前駆体粉末を得た。次いで、前駆体粉末をアルミナ坩堝に入れ、1000℃で12時間に亘る焼成を実施した。焼成後、焼成物を粉砕し、粉末にした。この粉末を、再び湿式ボールミルにより混合・粉砕を実施し、濾過・乾燥を実施して仮焼成後の粉末を得た。この粉末を再びアルミナ坩堝に投入し、1100℃で12時間に亘る焼成を実施した。その後、粉末を粉砕することで目的の活物質粉末を得た。
得られたニオブチタン複合酸化物粉末100質量%、導電助剤としてアセチレンブラック10質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)10質量%に、分散溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP)を加えて混合しスラリーを得た。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、乾燥後、プレスすることにより負極を作製した。なお、負極の目付は60g/m2とした。
分散液中の活物質粒子とPVAとの質量比を30質量%としたこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
出発原料として、硫酸チタニルの希硫酸溶液と、塩化ニオブのエタノール溶液とを使用した。両者を、Nb/Tiのモル比が7:3となるように混合し、攪拌しながらアンモニア水を加え、分散液のpHを8まで調整した。得られた分散液をオートクレーブ容器に移し、170℃で5時間にわたって加熱を行った。得られた分散液を濾過し、純水で洗浄することによって活物質の前駆体粒子を得た。
次に、得られた前駆体粒子に対し、1100℃で1時間に亘り大気中での焼成を行った。さらに、この焼成に続いて、600℃で5時間に亘り大気中での追加の焼成を実施した。その後、湿式ビーズミルによって凝集を解砕した。このようにして、活物質を合成した。
分散液中の活物質粒子とPVAとの質量比を9質量%としたこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
分散液中の活物質粒子とPVAとの質量比を4.5質量%としたこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
分散液中の活物質粒子とPVAとの質量比を58質量%としたこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
分散液中の活物質粒子とPVAとの質量比を72質量%としたこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
分散液中の活物質粒子とPVAとの質量比を4質量%としたこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
ケン化度が70%であるPVAの水溶液を使用し、pHの調整を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
炭素含有化合物としてスクロースを使用し、pHの調整を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。TEM観察では、炭素材料層は均一性が低く、粒子の凝集が目立っていた。
炭素含有化合物としてマルトースを使用し、pHの調整を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。TEM観察では、炭素材料層は均一性が低く、粒子の凝集が目立っていた。
活物質粒子として、スピネル型リチウムチタン酸化物であるLi4Ti5O12単相からなる活物質粒子を使用したこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、作動電位範囲を2.8−1.5Vとすること以外は実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
活物質粒子として、スピネル型リチウムチタン酸化物であるLi4Ti5O12単相からなる活物質粒子を使用し、炭素含有化合物としてマルトースを使用し、pHの調整を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。なお、分散液のpHは調整しなかったが、活物質中にLiが含まれている影響で、pHは10であった。
活物質として、ストロンチウム含有斜方晶型リチウムチタン化合物であるLi2SrTi6O14単相からなる活物質粒子を使用したこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
活物質として、ストロンチウム含有斜方晶型リチウムチタン化合物であるLi2SrTi6O14単相からなる活物質粒子を使用し、炭素含有化合物としてスクロースを使用し、pHの調整を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。なお、分散液のpHは調整しなかったが、活物質中にLiが含まれている影響で、pHは10であった。
活物質として、斜方晶型ナトリウム含有リチウムチタン化合物であるLi2Na2Ti2O14単相からなる活物質粒子を使用したこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。また、得られた活物質の平均粒径(d50)の測定、TEM観察、顕微ラマン分光測定、このフィッティング、及びBET比表面積の測定は、実施例1と同様の方法により行った。また、得られた活物質を用いた電極及び非水電解質電池の作製並びに評価は、実施例1と同様の方法で実施した。この結果を表1及び表2に示す。
活物質として、斜方晶型ナトリウム含有リチウムチタン化合物であるLi2Na2Ti2O14単相からなる活物質粒子を使用し、炭素含有化合物としてスクロースを使用し、pHの調整を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により活物質を製造した。なお、分散液のpHは調整しなかったが、活物質中にLiが含まれている影響で、pHは10であった。
Claims (5)
- 0.5V以上2V以下(vs.Li+/Li)の範囲内において、リチウムを吸蔵・放出可能な活物質粒子と、
前記活物質粒子の少なくとも一部を被覆した炭素材料層とを含み、
窒素吸着法におけるBET比表面積Sが2m2/g以上20m2/g以下であり、前記BET比表面積Sと、前記活物質粒子及び前記炭素材料層の合計質量に対する前記炭素材料層の質量の割合M(質量%)との比S/M(m2/g)は、0.5≦S/M≦5である電池用活物質。 - 前記BET比表面積Sは、2m2/g以上10m2/g以下である請求項1に記載の電池用活物質。
- 前記炭素材料層は、非晶質炭素を2質量%以上含んでいる請求項1又は2に記載の電池用活物質。
- 正極と、
請求項1〜3の何れか1項に記載の電池用活物質を含む負極と、
非水電解質と
を含む非水電解質電池。 - 請求項4に記載の非水電解質電池を含む電池パック。
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