JP2017084771A - 電池負極材料、および、電池 - Google Patents

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聡 蚊野
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幸宏 梅谷
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Shuji Ito
修二 伊藤
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Nobuhiko Hojo
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Abstract

【課題】従来技術においては、炭素材料の有する放電容量密度を損なうことなく、入力特性に優れた電池負極材料および電池の実現が望まれる。【解決手段】電池負極材料は、炭素材料を含み、炭素材料は、ホウ素を含み、前記炭素材料の、X線光電子分光法によって得られるB1sスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲にピークを持つ全てのピーク面積の合計に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積の割合は、50%以上である。【選択図】図1

Description

本開示は、電池負極材料および電池に関する。
特許文献1には、ホウ素化合物を混合添加した不融化炭素質材料を炭化後、ホウ素と反応しない不活性雰囲気中で速やかに昇温を行い、黒鉛化処理した後、急冷したホウ素置換黒鉛であって、XPS(X線光電子分光分析)で測定したホウ素1sスペクトルにおいて、188eV付近のB1sピークの強度比から得られるホウ素の割合が、XPSで検出される表面層元素の中の5原子%以下であるホウ素置換黒鉛が開示されている。
特開2000−313609号公報
従来技術においては、炭素材料の有する放電容量密度を損なうことなく、入力特性に優れた電池負極材料および電池の実現が望まれる。
本開示のある一様態における電池負極材料は、炭素材料を含み、前記炭素材料は、ホウ素を含み、前記炭素材料の、X線光電子分光法によって得られるB1sスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲にピークを持つ全てのピーク面積の合計に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積の割合は、50%以上である。
本開示によれば、炭素材料の有する放電容量密度を損なうことなく、入力特性に優れた電池負極材料および電池を実現できる。
図1は、実施の形態2における電池の一例である電池10の概略構成を示す断面図である。 図2は、実施例3の電池負極材料に対するX線光電子分光法による測定結果を示す図である。 図3は、比較例2の電池負極材料に対するX線光電子分光法による測定結果を示す図である。
以下、本開示の実施の形態が、説明される。
(実施の形態1)
実施の形態1における電池負極材料は、ホウ素を含む炭素材料を含む。
このとき、実施の形態1における電池負極材料においては、炭素材料の、X線光電子分光法によって得られるB1sスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲にピークを持つ全てのピーク面積の合計に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積の割合は、50%以上である。
以上の構成によれば、炭素材料(例えば、黒鉛材料)の有する放電容量密度を損なうことなく、入力特性に優れた電池負極材料および電池を実現できる。
実施の形態1における電池負極材料は、含有するホウ素の存在状態に特徴を有する。本発明者は、炭素材料中に含まれるホウ素の様々な化学状態解析と、それら炭素材料とリチウムイオンとの反応性を検討した。この結果、特定状態のホウ素をより多く含むことで、電池負極材料として、炭素材料(例えば、黒鉛材料)の有する放電容量密度を損なうことなく、従来よりも優れた入力特性を示すことを見出した。
実施の形態1における電池負極材料であれば、従来よりも優れた入力特性が得られる要因は、以下のように推察される。
ホウ素原子は、炭素原子と比較して、電子が1個少ない。このため、ホウ素を炭素材料内に適切に存在させることで、炭素材料の電子密度が減少すると考えられる。電子密度が減少すると、プラスの電荷を有するリチウムイオンなどのカチオンからの電子が受け取りやすくなる。その結果、入力特性が向上すると予想される。
ここで、ホウ素の存在状態としては、炭素と結合したホウ素、ホウ素と結合したホウ素、微量に含まれる酸素や窒素と結合したホウ素、など、が挙げられる。また、例えば、炭素と結合したホウ素においては、炭素層内に固溶したホウ素、炭素層間に固溶したホウ素、B4Cなどの炭化物中のホウ素、など、が挙げられる。
X線光電子分光法によって得られるB1sスペクトルにおいて、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピークは、炭素と層内に固溶したホウ素の結合に起因すると考えられる。したがって、このピーク面積の割合が50%以上である場合には、炭素材料中に含まれるホウ素のうち、炭素と層内に固溶したホウ素の結合の割合が十分に大きくなる。その結果、炭素材料の電子密度を十分に減少させることができる。その結果、炭素材料(例えば、黒鉛材料)の有する放電容量密度を損なうことなく、優れた入力特性を得ることが可能となる。
一方で、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下のピーク面積の割合が50%よりも小さい場合は、炭素材料中に含まれるホウ素のうち、電子密度を減少させる上で不要な化学状態を有するホウ素の割合が増加する。このため、放電容量密度と入力特性とのうちの一方、または、その両方が、減少すると考えられる。
X線光電子分光法は、光電子分光の1種である。サンプルの表面にX線を照射し、照射したX線を基準としたときの光電子のエネルギー(束縛エネルギー)と光電子の個数を測定する。これにより、サンプルの構成元素とその化学状態を分析することができる。
さらに、ある束縛エネルギーにおけるピーク面積比を求めることにより、その元素の化学状態を定量することができる。
ピーク面積比を求めるには、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下のB1sスペクトルに現れる各ピークの積分強度をまず計算する。各化学状態のピークをガウス型関数やローレンツ関数で規定し、フィッティングする。これにより、各ピークの積分強度を求めて、ピーク面積比を計算する。ピークが非対称となる場合は、非対称性を考慮して計算してもよい。
なお、他の元素や化合物により炭素材料(例えば、黒鉛材料)が被覆されている場合は、Arイオン銃などを用いて試料表面をイオンエッチングしながら測定してもよい。
また、実施の形態1における電池負極材料においては、炭素材料のホウ素の含有量は、炭素材料全体に対するホウ素原子質量換算で、1%以上であってもよい。
以上の構成によれば、より放電容量密度が大きく、かつ、より優れた入力特性を有する電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池負極材料においては、炭素材料のホウ素の含有量は、炭素材料全体に対するホウ素原子質量換算で、3%以上であってもよい。
以上の構成によれば、より優れた入力特性を有する電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池負極材料においては、炭素材料は、黒鉛材料であってもよい。
以上の構成によれば、黒鉛材料が有する高い放電容量密度を有しながら、入力特性にも優れた電池負極材料および電池を実現できる。
なお、ホウ素含有量は、誘導結合プラズマ発光(ICP)分光分析法により、求めることができる。
なお、実施の形態1においては、X線光電子分光法によって得られたスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルの全ピーク面積に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合は、出来るだけ、大きくてもよい(例えば、83%よりも大きくてもよい)。
[炭素材料の作製方法]
実施の形態1における電池負極材料が含む炭素材料の作製方法の一例として、黒鉛材料の作製方法が説明される。黒鉛材料は、例えば、炭素源となる有機材料または非晶質炭素材料に、ホウ素源を添加、混合し、不活性雰囲気下で、焼成することにより、作製することができる。
炭素源となる有機材料としては、ポリビニルアルコールなどの合成樹脂であってもよい。合成樹脂の形状は、シート状、繊維状、粒子状、など、であってもよい。焼成後の加工を考慮すると、数μm〜数十μmの大きさの粒子状または短繊維状の合成樹脂であることが好ましい。熱処理温度は、2100℃〜3000℃であることが好ましい。焼成雰囲気は、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、など、といった、不活性ガスが好適に用いられうる。1000℃程度までの熱処理によって、炭素源として用いた原料から、炭素以外の元素を蒸発させることで、原料の炭素化が進行する。2100℃〜3000℃の熱処理によって、炭素の黒鉛化が進行する。これとともに、炭素源とホウ素源とが反応することで、炭素層内へのホウ素固溶が進行する。
非晶質炭素材料としては、石油コークスまたは石炭コークスなどのソフトカーボンであってもよい。ソフトカーボンの形状は、シート状、繊維状、粒子状、など、であってもよい。焼成後の加工を考慮すると、数μm〜数十μmの大きさの粒子状または短繊維状の合成樹脂であることが好ましい。熱処理温度は、2100℃〜3000℃であることが好ましい。焼成雰囲気は、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、など、といった、不活性ガスが好適に用いられうる。熱処理によって、炭素の黒鉛化が進行する。これとともに、炭素源とホウ素源とが反応することで、炭素層内へのホウ素固溶が進行する。
なお、黒鉛は、炭素原子からなる六角網面層が規則的に積み重なった構造をしている。炭素層と炭素層の面間隔が3.4Å以下であり、炭素層の結晶子厚みが100Å以上の高結晶炭素が、黒鉛とされている。また、負極用炭素材料の高容量化のためには、炭素材料の黒鉛化度を上げることが重要である。炭素層と炭素層の面間隔および、炭素層の結晶子厚みは、材料のX線回折測定等により求めることができる。
ホウ素源としては、二ホウ化アルミニウムや二ホウ化マグネシウムなどの二ホウ化物であってもよい。これら二ホウ化物は、黒鉛と類似の結晶構造を有し、かつ、低温で分解する。このため、炭素層へのホウ素固溶と黒鉛化を効果的に進行させることが可能となる。
上記した炭素源とホウ素源との割合は、炭素源に対して、ホウ素原子質量換算で1.0〜30%であってもよい。ホウ素原子質量換算で1.0%より小さいと、炭素層の電子密度を減少させるホウ素原子の数が少なくなりすぎる可能性がある。ホウ素原子量換算で30%を超えると、B4Cなどの炭化ホウ素の割合が大きくなる可能性がある。
なお、例えば、黒鉛材料を製造する際に、炭素源の種類、または、ホウ素源の種類、または、炭素源とホウ素源との割合、または、熱処理条件を、選択することによって、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積の割合を、調整することができる。
以上のように、実施の形態1のある一様態における黒鉛材料の製造方法は、炭素源となる有機材料または非晶質炭素材料を用意する工程と、ホウ素源を添加し混合する工程と、不活性雰囲気化で熱処理する工程と、を包含する。
(実施の形態2)
以下、実施の形態2が説明される。なお、上述の実施の形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
実施の形態2における電池は、負極と、正極と、電解質と、を備える。
ここで、負極は、上述の実施の形態1における電池負極材料を含む。
以上の構成によれば、大きな放電容量密度を有し、かつ、高い入力特性を有する電池を実現できる。
また、実施の形態2における電池においては、負極は、上述の実施の形態1における電池負極材料(すなわち、炭素材料)を、主成分として、含んでもよい。
すなわち、負極は、上述の実施の形態1における電池負極材料(すなわち、炭素材料)を、負極材料(例えば、負極合剤層)の全体に対する重量割合で50%以上、含んでもよい。
以上の構成によれば、より大きな放電容量密度を有し、かつ、より高い入力特性を有する電池を実現できる。
もしくは、負極は、上述の実施の形態1における電池負極材料(すなわち、炭素材料)を、負極材料(例えば、負極合剤層)の全体に対する重量割合で90%以上、含んでもよい。
以上の構成によれば、より大きな放電容量密度を有し、かつ、より高い入力特性を有する電池を実現できる。
なお、実施の形態2における電池においては、負極は、上述の電池負極材料(すなわち、炭素材料)を主成分として含みながら、さらに、不可避的な不純物、または、上述の電池負極材料を合成する際に用いられる出発原料および副生成物および分解生成物など、を含んでいてもよい。
また、実施の形態2における電池においては、負極は、上述の実施の形態1における電池負極材料(すなわち、炭素材料)を、例えば、混入が不可避的な不純物を除いて、負極材料(例えば、負極合剤層)の全体に対する重量割合で100%、含んでもよい。
以上の構成によれば、より大きな放電容量密度を有し、かつ、より高い入力特性を有する電池を実現できる。
図1は、実施の形態2における電池の一例である電池10の概略構成を示す断面図である。
図1に示されるように、電池10は、負極13と、正極16と、セパレータ17と、外装18と、を備える。
負極13は、負極集電体11と、その上に負極集電体11に接して形成される負極合剤層12と、で構成される。
正極16は、正極集電体14と、その上に正極集電体14に接して形成される正極合剤層15と、で構成される。
負極13と正極16とは、セパレータ17を介して、互いに対向して、配置される。
これらが外装18で覆われるようにして、電池10が形成される。
負極13は、上述の実施の形態1における電池負極材料を含む。
なお、負極13は、必要に応じて、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質、導電助剤、イオン伝導体、バインダー、など、を含んでいてもよい。
導電助剤およびイオン伝導体は、電極抵抗を低減するために用いられる。導電助剤としては、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラックなどの炭素材料(炭素導電助剤)、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物が挙げられる。イオン伝導体としては、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸メチルなどのゲル電解質、ポリエチレンオキシドなどの有機固体電解質、Li7La3Zr212などの無機固体電解質、が挙げられる。
バインダーは、電極を構成する材料の結着性を向上するために用いられる。具体例としては、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミドなどが挙げられる。
負極集電体11として、ステンレス鋼、ニッケル、銅、およびそれらの合金などの金属材料で作られた多孔質または無孔のシートまたはフィルムを使用できる。シートまたはフィルムとして、金属箔、メッシュなどが用いられる。抵抗値の低減、触媒効果の付与、負極合剤層12と負極集電体11とを化学的または物理的に結合させることによる負極合剤層12と負極集電体11との結合強化のため、負極集電体11の表面にカーボンなどの炭素材料を、導電性補助材料として塗布してもよい。
正極合剤層15は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む。
なお、正極合剤層15は、必要に応じて、負極合剤層12と同じ導電助剤、イオン伝導体、バインダー、など、を含んでいてもよい。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出する材料が、用いられうる。正極活物質としては、例えば、リチウム金属含有遷移金属酸化物、遷移金属フッ化物、ポリアニオン材料、フッ素化ポリアニオン材料、遷移金属硫化物、など、が挙げられる。その中でも、製造コストが安く、平均放電電圧が高いことから、リチウム金属含有遷移金属酸化物を用いることが好ましい。
正極集電体14としては、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、および、それらの合金などの金属材料で作られた多孔質または無孔のシートまたはフィルムを使用できる。アルミニウムおよびその合金が、安価で薄膜化しやすい点から好ましい。シートまたはフィルムとしては、金属箔、メッシュ、など、が用いられうる。抵抗値の低減、触媒効果の付与、正極合剤層15と正極集電体14とを化学的または物理的に結合させることによる正極合剤層15と正極集電体14との結合強化のため、正極集電体14の表面にカーボンなどの炭素材料を塗布してもよい。
実施の形態2において用いられる電解質は、非水電解質であってもよい。実施の形態2において用いられる電解質としては、リチウム塩と非水溶媒とを含む電解液、ゲル電解質、固体電解質、など、が用いられうる。
リチウム塩の種類としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(SO2CF32)、ビスパーフルオロエチルスルホニルイミドリチウム(LiN(SO2252)、ビスフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(SO2F)2)、LiAsF6、LiCF3SO3、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム、など、が用いられうる。その中でも、電池の安全性、熱安定性およびイオン伝導性の観点から、LiPF6を用いることが好ましい。なお、電解質塩のうち1種を用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。
非水溶媒としては、通常電池用の非水溶媒として用いられる環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類、など、が用いられうる。これら溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
環状炭酸エステル類としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、など、が挙げられる。これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能である。例えば、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネートなどが挙げられる。
鎖状炭酸エステル類としては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、など、が挙げられる。これらの水素基の一部または全部がフッ素化されているものを用いることが可能である。
エステル類としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ一ブチロラクトン、など、が挙げられる。
環状エーテル類としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1、3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテル、など、が挙げられる。
鎖状エーテル類としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル、など、が挙げられる。
ニトリル類としては、アセトニトリル、など、が挙げられる。
アミド類としては、ジメチルホルムアミド、など、が挙げられる。
以下に説明される実施例は一例であって、本開示は以下の実施例のみに限定されない。
≪実施例1≫
[電池負極材料の作製]
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、二ホウ化アルミニウム粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換算で3.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。Ar雰囲気下の管環状炉(Arガス流量1L/min)で、室温から毎分10℃の割合で昇温して2800℃に到達するまで加熱し、2800℃で1時間保持した。その後、加熱を停止し、自然冷却後に管状炉から炭素材料を取り出した。上記焼成で得た炭素材料をメノウ乳鉢で粉砕し、目開き40μmのSUS製標準篩を用いて分級し、炭素粉末を得た。
以上により、実施例1の電池負極材料(すなわち、炭素材料)を得た。
[試験電極の作製]
得られた電池負極材料と結着剤ポリフッ化ビニリデンとを、重量比9:1となるよう秤量した。
これを、NMP溶媒中に分散させスラリーを作製した。
塗工機を用いて、作製したスラリーを、Cu集電体上に、塗工した。
塗工した極板を圧延機で圧延し、直径20mmの正方形に打ち抜いた。
これを、電極状態に加工して、実施例1の試験電極を得た。
[評価用セルの作製]
上記の試験電極を用いて、リチウム金属を対極および参照極とするリチウム二次電池(評価用セル)を作製した。
電解液の調合および評価用セルの作製は、露点−60度以下、酸素値1ppm以下のAr雰囲気のグローブボックス内で行った。
電解液としては、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比で1:3となるように混合した溶媒に、1モル濃度の六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させたものを用いた。
また、一辺が20mmの正方形のニッケルメッシュに、リチウム金属を圧着した。これを、対極として、用いた。
上記の試験電極と対極とを、電解液を含浸させたポリエチレン微多孔膜のセパレータを介して、対向させた。この状態で、外装内に収容し、外装を封口した。
以上により、実施例1の評価用セルを得た。
≪実施例2≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、二ホウ化アルミニウム粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換で5.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、実施例2の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、実施例2の試験電極および評価用セルを作製した。
≪実施例3≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、二ホウ化アルミニウム粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換で10.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、実施例3の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、実施例3の試験電極および評価用セルを作製した。
≪実施例4≫
平均分子量1000のポリビニルアルコール粉末に、二ホウ化アルミニウム粉末を前記ポリビニルアルコール粉末に対して、ホウ素原子質量換で20.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、実施例4の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、実施例4の試験電極および評価用セルを作製した。
≪実施例5≫
平均分子量1000のポリビニルアルコール粉末に、二ホウ化アルミニウム粉末を前記ポリビニルアルコール粉末に対して、ホウ素原子質量換で30.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、実施例5の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、実施例5の試験電極および評価用セルを作製した。
≪実施例6≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、二ホウ化マグネシウム粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換で10.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、実施例6の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、実施例6の試験電極および評価用セルを作製した。
≪比較例1≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末を、Ar雰囲気下の管環状炉(Arガス流量1L/min)で、室温から毎分10℃の割合で昇温して2800℃に到達するまで加熱し、2800℃で1時間保持した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、比較例1の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、比較例1の試験電極および評価用セルを作製した。
≪比較例2≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、酸化ホウ素粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換で10.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、比較例2の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、比較例2の試験電極および評価用セルを作製した。
≪比較例3≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、酸化ホウ素粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換で20.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、比較例3の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、比較例3の試験電極および評価用セルを作製した。
≪比較例4≫
平均分子量1000のポリビニルアルコール粉末に、酸化ホウ素粉末を前記ポリビニルアルコール粉末に対して、ホウ素原子質量換で20.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、比較例4の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、比較例4の試験電極および評価用セルを作製した。
≪比較例5≫
平均粒径が12μmの石油コークス粉末に、炭化ホウ素粉末を前記石油コークス粉末に対して、ホウ素原子質量換で5.0%添加し、メノウ乳鉢を用いて粉砕混合した。
これ以外は、上述の実施例1と同じ方法で、比較例5の電池負極材料を作製した。
また、上述の実施例1と同じ方法で、比較例5の試験電極および評価用セルを作製した。
≪炭素材料の分析≫
実施例1〜6および比較例1〜5の電池負極材料のXRDを測定した。これにより、炭素層と炭素層の面間隔が3.4Å以下であり、炭素層の結晶子厚みが100Å以上であることを確認した。すなわち、これらの電池負極材料である炭素材料は、全て黒鉛であることが確認された。
また、実施例1〜6および比較例1〜5の電池負極材料を、X線光電子分光法および誘導結合プラズマ発光分光法により、分析した。
誘導結合プラズマ発光分光法による測定では、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(Spectro社製CIROS−120)を用いて、ホウ素の含有量を測定した。
X線光電子分光法による測定では、X線光電子分光装置(アルバックファイ社製PHI5600)を用いて、X線源にはAlを用いた。
束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルを測定した。
得られたB1sスペクトルを基に、全てのピーク面積の合計に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合を算出した。
例として、実施例3と比較例2の電池負極材料に対するX線光電子分光法による測定結果を示す。
図2は、実施例3の電池負極材料に対するX線光電子分光法による測定結果を示す図である。
図3は、比較例2の電池負極材料に対するX線光電子分光法による測定結果を示す図である。
実施例3と比較例2とにおいては、いずれも、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲にピークが4つ現れた(ピークNo.1〜4)。
実施例3について、全てのピーク面積(ピークNo.1〜4)の合計を算出した。また、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積(ピークNo.2)を算出した。全てのピーク面積(ピークNo.1〜4)の合計に対する、ピークNo.2のピーク面積の割合は、75%であった。
同様に、比較例2について、全てのピーク面積(ピークNo.1〜4)の合計を算出した。また、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積(ピークNo.2)を算出した。全てのピーク面積(ピークNo.1〜4)の合計に対する、ピークNo.2のピーク面積の割合は、47%であった。
≪充放電試験≫
実施例1〜6および比較例1〜5について、評価用セルの充放電試験を行い、充放電特性を評価した。
その方法および結果を説明する。
評価用セルの充放電試験は、25℃の恒温槽内で、行った。
充放電試験では、電池負極材料を含む試験電極の充電を行い、20分間休止した後に放電を行う試験を行った。
初回放電容量(充放電特性)は、以下の方法で評価した。
黒鉛の理論容量密度372mAh/g基準で、1/20Cレートに相当する、電池負極材料の重量あたり18.6mAの定電流で、参照極との電位差が0Vに達するまで充電した。
その後、電池負極材料の重量あたり18.6mAの定電流で、参照極との電位差が2Vに達するまで放電し、初回放電容量を調べた。
入力特性は、以下の方法で評価した。
黒鉛の理論容量密度372mAh/g基準で、1Cレートに相当する、電池負極材料の重量あたり372mAの定電流で、参照極との電位差が0Vに達するまで充電した。
1Cレートで充電した充電容量を、1/20Cレートで充電した充電容量で割った値を、1C入力特性(%)として、算出した。
実施例1〜6および比較例1〜5について、評価用セルの充放電試験の結果を、電池負極材料の束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルの全ピーク面積に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合とホウ素含有量とともに、表1に示す。
なお、比較例1の黒鉛材料においては、X線光電子分光測定において、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に明確なピークが認められず、ホウ素含有量も検出限界以下であったため、ともに「−」と表記した。
Figure 2017084771
≪考察≫
表1に示される結果から、黒鉛材料におけるホウ素の状態により、その充放電特性が大きく異なることが分かった。
実施例5の電池負極材料は、ホウ素含有量が10.1wt.%であり、初回放電容量密度が300mAh/gと、ホウ素を含まない黒鉛材料と同等の放電容量密度を示した。また、1C入力特性が89.2%と、高い値を示した。
一方で、比較例3の電池負極材料は、ホウ素含有量が9.6wt.%であり、実施例5と同等のホウ素含有量である。
これにも関わらず、比較例3では、初回放電容量密度が278mAh/gと低く、1C入力特性も79.1%と低い値となった。
比較例3では、X線光電子分光法によって得られたスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルの全ピーク面積に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合が、44%と低い。
このため、炭素層内に固溶したホウ素の割合が低く、炭素材料の電子密度の減少に寄与しないホウ素の割合が増える、と考えられる。このため、ホウ素含有量は実施例5と同等であるにも関わらず、初回放電容量、1C入力特性ともに、低い値となったと考えられる。
以上の結果により、黒鉛材料の有する放電容量密度を損なうことなく、優れた入力特性を得るためには、X線光電子分光法によって得られたスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルの全ピーク面積に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合が、50%以上である必要があることがわかった。
実施例1〜6の電池負極材料は、X線光電子分光法によって得られたスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルの全ピーク面積に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合が、50%以上である。このため、初回放電容量密度が300mAh/g以上であり、ホウ素を含まない黒鉛材料と同等以上の放電容量密度を示した。また、実施例1〜6の電池負極材料は、1C入力特性が85.1%以上と、高い値を示した。
これに対し、比較例1〜5の電池負極材料は、1C入力特性が79.1%と低い。
特に、比較例3〜5では、X線光電子分光法によって得られたスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲に現れるB1sスペクトルの全ピーク面積に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲に現れるピーク面積の割合が、44%以下である。このため、比較例3〜5では、不純物となるホウ素の割合が多くなる。このため、初回放電容量がホウ素を含まない黒鉛材料である比較例1と比較して、低い結果となった。
また、実施例2〜5では、ホウ素の含有量は3wt.%以上である。このため、炭素層内に固溶したホウ素の絶対量が、より大きくなると考えられる。このため、実施例2〜5では、1C入力特性が87.8%以上と、高い値となった。
本開示の電池負極材料は、リチウム二次電池などの電池の電極材料として、好適に利用されうる。
10 電池
11 負極集電体
12 負極合剤層
13 負極
14 正極集電体
15 正極合剤層
16 正極
17 セパレータ
18 外装

Claims (6)

  1. 炭素材料を含み、
    前記炭素材料は、ホウ素を含み、
    前記炭素材料の、X線光電子分光法によって得られるB1sスペクトルにおいて、束縛エネルギー184.0eV以上196.5eV以下の範囲にピークを持つ全てのピーク面積の合計に対する、束縛エネルギー187.0eV以上188.5eV以下の範囲にピークを持つピーク面積の割合は、50%以上である、
    電池負極材料。
  2. 前記炭素材料の前記ホウ素の含有量は、ホウ素原子質量換算で、1%以上である、
    請求項1に記載の電池負極材料。
  3. 前記炭素材料の前記ホウ素の含有量は、ホウ素原子質量換算で、3%以上である、
    請求項2に記載の電池負極材料。
  4. 前記炭素材料は、黒鉛材料である、
    請求項1から3のいずれかに記載の電池負極材料。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の電池負極材料を含む負極と、
    正極と、
    電解質と、
    を備える、
    電池。
  6. 前記負極は、前記電池負極材料を、主成分として、含む、
    請求項5に記載の電池。
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