JP2017526144A - リチウムイオン電池用アノード材料 - Google Patents

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Abstract

内部中空空間を有する炭素シェルと、該炭素シェルの内部の中空空間内のシリコン粒子を含むリチウムイオン電池用アノード材料。

Description

本発明は、リチウムイオン電池用負極(アノード)材料に関する。特に、本発明は、炭素とケイ素の複合負極材料に関する。
すべての再充電可能な電池技術の中で、リチウムイオン電池(LIB)は、優れた性能を提供し、携帯用電子機器の主電源に適している。LIBはまた、電気自動車のための最も有望な動力源であり、再生可能エネルギー技術に基づいて、スマートグリッドのイネーブラであることが予測されている。これらの用途の多くにとって、エネルギー密度とサイクル寿命は大幅な改善を必要とする二つの重要な技術的パラメータとして際立っている。例えば、2010年に米国エネルギー省は、電気自動車のために現在の電池の二倍のエネルギー密度を有し、かつ携帯用電子機器に使用される典型的な高エネルギーの電池は、ほんの500〜1000サイクルのサイクル寿命しか持っていないのに比較して80%の容量維持率をもって5000サイクルのサイクル寿命を有するLIBを作成するという目標を掲げている。LIBにおけるエネルギー密度を大きくすると、より高い電荷容量またはより高い電圧で電極材料を開発する必要がある。サイクル寿命を改善することは、活性電極材料及びそれと電解質との界面いわゆるSEI(Solid Electrolyte Interphase)の電池電極の2つの重要な構成要素を安定化させることを含む。
近年、シリコン(Si)は、次世代の高エネルギーLIBのための最も有望な電極材料の一つとして浮上している。これは、負極に適した低い電圧と、従来の炭素負極(LiCの形成に相当する372mAh/g)よりも10倍高い、Li4.4Si合金の形成に基づく最大4,200のmAh/gの高い理論比容量を提供する。しかし、SiはLi4.4Si合金を形成するために、完全なリチウム挿入(リチウム化)の際に最大400%の体積膨張し、合金がリチウム抽出(脱リチウム化)の際のSiに戻る際に大幅に収縮し、Si負極材料の機械的完全性の低下及びSEI安定性というシリコン系負極材料に関連付けられている2つの重要な課題を形成している。
大きな容量の変化によって誘導されるストレスは、電気的接続の消失と最終的な容量低下をもたらすSi負極材料の割れと粉砕を引き起こす。これは、シリコン負極材料の初期の研究において急速な容量損失の主な理由であると考えられていた。近年、カーボンナノワイヤー、カーボンナノチューブ、シリコンナノ粒子を有するカーボンナノ多孔膜の複合体を含む、ナノ構造材料を設計することにより、これらの材料中の安定性の問題に対処する上での成功がある。米国公開公報2012/0064409には、グラフェンシートとSiなどの負極活物質が相互に結合または凝集しているナノグラフェン強化粒子が開示されている。それらの小さなサイズとSiナノ粒子の周囲の解放空間により、ナノ構造の歪みは、機械的な破壊することなく、容易に緩和することができる。このナノ構造化戦略は、75%の容量保持率を有する数百サイクルまでアノード材料のサイクル寿命を大きく増加させた。しかし、それは期待値からまだ遠いものである。
Siと電解液との界面におけるSEIの安定性は、長いサイクル寿命を得るための別の重要な要因である。それは非常に困難な問題であり、効果的に大きな体積変化を有する材料に対処されていない。電解質の分解は、負極の低電位に起因して発生し、バッテリーの充電中、負極材料の表面にパッシベーションSEI層を形成する。SEI層は、電気絶縁体であるが、リチウムイオン伝導体であり、これは、一定の厚さでやがてはSEI成長が停止することにつながる。シリコンナノ構造が、主に機械的な破壊の問題を克服しているにもかかわらず、電解液との界面は、繰り返しの体積膨張・収縮により静的ではない。SEIの安定性の問題を、図2を参照して説明する。図2は、固体のSiからなる従来の負極材料の表面上にSEI形成の模式図である。Si粒子21は、Si−Li合金23に変化(リチウム化)することにより充電時に膨張する。リチウム化し傍証した状態でSi−Li合金23の表面にSEI22の薄い層が形成される。放電(脱リチウム化)中に、Si−Li合金23がSi粒子21に戻り、SEI22は個々の切片に分解され、電解液に新鮮なSi表面を露出させる。後のサイクルでは、新しいSEIが、新たに露出したSi表面上に形成し続け、これが最終的にSi粒子21の外側にSEI22の非常に厚い層をもたらす。これは、a)連続するSEI形成時の電解液及びリチウムイオンの消費、b)集電体と負極材料との間の電気的接触を弱めるSEIの電気絶縁性質、c)厚いSEIを通しての長いリチウム拡散距離、及びd)機械的ストレスによって引き起こされる負極材料の分解、を介して電池性能劣化を引き起こす。安定したSEIの形成は、大きな体積変化を受ける他の電池の電極材料においても一般的に保持している、Si負極材料で長寿命を実現するために重要である。
米国公開公報2012/0064409
ここで、我々は、上記問題を真摯に検討し、炭素シェル内部の中空空間が、リチウム化によりその中にカプセル化されたSi粒子の拡張に対して十分に広く、Si粒子を閉じ込めている炭素シェルは、リチウムイオンをそれを通して通過させることを可能にし、その表面に安定なSEIを形成する、新たなアノード材料を発見した。
本発明の一態様によれば、内部中空空間を有する炭素シェルと、該炭素シェルの内部の中空空間内のシリコン粒子を含むリチウムイオン電池用アノード材料が提供される。
この設計では、液体電解質は炭素シェルの外側表面にのみ接触し、実質的に内部の中空空間に侵入することはない。リチウム化の際に、リチウムイオンが炭素シェルを貫通して内側のSi粒子と反応する。内側のSi粒子は、内部の中空空間で拡張することができるように炭素シェルは、機械的な剛性を有す。シリコンは、重要なリチウム挿入時にかなり軟化するため、この内部拡張が可能である。脱リチウム化の間に、内部のSi粒子に縮小して戻る。全体的に、電解質との界面は、機械的に拘束され、リチウム化及び脱リチウム化の両方の間に静止したままである。Si粒子は、炭素シェルの内部のみで伸縮し、電解質中のSEI形成物質と接触しない。そのように設計された材料は、アノード材料として2つの魅力的な点を提供する:第一に、静的な外面が安定SEIの展開を可能とし、第二に、内部の中空空間は、機械的な破壊することなく、Si粒子の自由体積膨張を可能にする。
一実施形態例における、複合アノード材料の製造方法の概略図である。 従来の固体Siからなるアノード材料表面におけるSEI形成の模式図である。 実施形態例の複合アノード材料の表面でのSEI形成の模式図である。 活性物質としての実施形態例の複合アノード材料を用いた負極の走査型透過電子顕微鏡(STEM)断面画像である。 実施例1の複合アノード材料の走査電子顕微鏡(SEM)画像である。 活物質として、実施例1の複合アノード材料を用いた負極のSTEM断面画像である。 活物質として、実施例2の複合アノード材料を用いた負極のSTEM断面画像である。
本発明は、ここで実施形態例を参照して説明される。
一実施形態例に係る複合アノード材料の構成とその製造方法を、図1を参照して説明する。
まず、適切な粒子サイズを有するシリコンサブオキサイド(SiOx、0<X<2)粒子1が、出発材料として提供される。xの範囲は、好ましくは0.5〜1.6、より好ましくは約1である、すなわち、一酸化シリコンである。出発材料は、シリコンを酸化することによって、または二酸化シリコンで純粋なシリコンをコーティングすることによって調製することができる。固体一酸化シリコン粒子は、市販されている。シリコン粒子を含む二酸化シリコン粒子は、出発材料として使用することができる。SiOx(出発物質)の粒子径は、結果的に得られる複合アノード材料のサイズを規定する。
第二に、SiOx粒子1は、炭素層で被覆されて炭素シェル2を形成する。炭素シェルは、糖類などの炭化水素の熱分解によって、またはCVD法を用いて形成することができる。熱分解の温度は、500℃〜1800℃とすることができる。CVD法は、炭素源を加熱して用いて行うことができる。炭素源の例としては、限定されるものではないが、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、ベンゼン等の炭化水素類、メタノール、エタノール、トルエン、キシレンなどの有機溶媒、一酸化炭素などが挙げられる。CVDの温度は400〜1200℃とすることができる。炭素層の厚さは、100nm以下とすることができ、好ましくは50nm以下、最も好ましくは10nm以下である。炭素層には、ホウ素(B)、窒素(N)、フッ素(F)等のハロゲン等をドープすることができる。炭素シェルの外径(直径)は出発物質(のSiOx粒子1)の大きさおよび厚みに依存し、300nm〜80μm、好ましくは800nm〜50μm、最も好ましくは1000nm〜20μmである。換言すれば、アノード材料の大きさは、炭素シェルの径である。
第三に、炭素被覆されたSiOx粒子を熱処理する(加熱)。熱処理は例えば、N、アルゴンまたはそれらの混合物などの不活性雰囲気下、600〜2000℃、好ましくは800〜1200℃の温度範囲で行うことができる。炭素被覆時の加熱は、この熱処理の一部としてもよい。熱処理により、一酸化シリコンのSi及びSiO2への分解により、あるいはSiOx粒子1中のSi元素の結晶化と共にSiが抜けた部分がSiO4に変化することによってSi粒子3が発現する。Si粒子3の成長は加熱条件によって制御することができる。Si粒子の大きさと数は、リチウム化により拡張した状態のSi粒子の総体積が、炭素シェル2の内部空間よりも小さい場合、限定されない。Si粒子の大きさは、温度が上昇するにつれて減少する。Si粒子の数は、温度が上昇するにつれて増加する。Si粒子のサイズは1nm〜20μm、好ましくは5nm〜10μm、最も好ましくは10nm〜5μmである。炭素シェルの内部の中空空間に含まれるSi粒子の数は、100以下であり、好ましくは20以下であり、最も好ましくは5以下である。出発材料としてのシリコン粒子を含む二酸化シリコンの粒子を使用する場合、この熱処理は省略することができる。
最後に、SiO4は、フッ化水素(HF)水溶液等のエッチング液でエッチングされる(エッチング)。エッチングは、0.5〜48時間、約0〜70℃の温度範囲で行うことができる。HF溶液の濃度は約5%〜約50%(濃HF)とすることができる。すべてのSiO4が除去されることが好ましいが、Si粒子3の膨張および収縮に影響を与えない場合、SiO4の一部が炭素シェル2内に残留しても良い。エッチングした後、内部中空空間(ボイド)5が炭素シェル2の内部に形成されて複合アノード材料10が完成する。内部中空空間5は、リチウムイオンが炭素シェルを通過する以外は実質的に炭素シェルの外部から閉鎖された空間である。
図3は、本実施形態例に係る複合アノード材料の表面上にSEI形成の模式図である。Si粒子3は、炭素シェル2の内部中空空間5内でSi−Li合金31に変化することによって充電時(リチウム化)に膨張する。 炭素シェル2の表面にリチウムイオン伝導性であるSEI32の薄層が形成される。放電(脱リチウム化)中に、Si−Li合金31はSi粒子3に戻るが、SEI32はそのままの形状を維持できる。後のサイクルでは、SEI32を安定的に維持することができる。このように、本実施形態例の複合アノード材料は、SEIを形成するために電解質の多くを消費しない。
図4は、活物質として実施形態例のアノード材料を用いた負極の走査型透過電子顕微鏡(STEM)断面画像である。図4に示すように、本実施形態例のアノード材料は、スラリーを調製する時及び電極形成時に圧縮しても壊れない。炭素シェルは容易に破壊されるだろうと思われたので、これには非常に驚いている。
別の実施形態例は、上記実施形態例に係るアノード材料を含む負極を含むリチウムイオン電池に関する。アノード材料は、好ましくは、少なくとも600mAh/gの容量、より好ましくは800mAh/g以上の容量を有している。電池はまた、活物質を含む正極と、少なくとも一種の非水系溶媒に溶解したリチウム塩を含む電解質と、電解質とリチウムイオンが第一の側から対向する第二の側に流れるように構成されたセパレータを備える。
正極活物質としては、種類またはその性質は特に制限されないが、公知のカソード材料が本発明を実施するために使用することができる。カソード材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムバナジウム酸化物、リチウム混合金属酸化物、リチウムリン酸鉄、リン酸マンガンリチウム、リン酸バナジウムリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、金属硫化物、及びこれらの組み合わせがからなる群から選択される少なくとも一つの材料が挙げられる。正極活物質はまた、チタン二硫酸又はモリブデン二硫酸などのカルコゲン化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物であってもよい。より好ましくは、リチウムコバルト酸化物(例えば、LiCoO、0.8<X<1)、リチウムニッケル酸化物(例えば、LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(例えば、LiMn及びLiMnO)である。リン酸鉄リチウムは、その安全性と低コストのために好ましい。すべてのこれらのカソード材料は微粉末、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノ繊維、またはナノチューブの形態で調製することができる。それらは、容易に、アセチレンブラック、カーボンブラック、及び超微細黒鉛粒子のような追加導電剤と混合することができる。
電極の製造のために、バインダーを用いることができる。バインダーの例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレンプロピレンジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)が挙げられる。正極および負極は、負極に対して銅箔、正極に対してアルミニウム又はニッケル箔などの集電体上に形成することができる。しかしながら、集電体がスムーズに電流を流し、比較的高い耐食性を有することができるのであれば、集電体の種類に特に重要な制限は全くない。正極および負極は、セパレータを挟んで積層することができる。セパレータは、合成樹脂製不織布、多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、または多孔性PTFEフィルムから選択することができる。
本発明を実施するには、幅広い電解質を使用することができる。最も好ましいものは非水系およびポリマーゲル電解質であるが、他のタイプも使用することができる。ここで採用される非水系電解質は、電解質塩を非水系溶媒に溶解することで製造される。リチウム二次電池用溶媒として採用されてきた公知のあらゆる非水系溶媒を使用することができる。エチレンカーボネート(EC)と、融点が前述のエチレンカーボネートより低くドナーナンバーが18以下である非水系溶媒(以降、第二溶媒と称する)の少なくとも1種とからなる混合溶媒から主に構成される非水系溶媒が、好ましく採用される。この非水系溶媒は、(a)黒鉛構造がよく発達した炭素質材料を含む負極に対して安定であり、(b)電解質の還元または酸化分解を抑制するのに効果的であり、(c)高い導電性を有する、点で有利である。エチレンカーボネート(EC)のみから構成された非水系電解質は、黒鉛化炭素質材料による還元の際の分解に対して安定であるという点で有利である。しかしながら、ECの融点は39℃〜40℃と比較的高く、粘度が比較的高く、よって自身の導電性が低く、これにより室温あるいはそれ以下で動作させる二次電池電解質としてEC単独で作製することは適さない。ECと混合して使用される第二溶媒は、混合溶媒の粘度をEC単独の場合より低下させるべく機能し、これにより混合溶媒のイオン伝導性を向上させる。さらに、ドナーナンバー18以下(エチレンカーボネートのドナーナンバーは16.4)の第二溶媒が用いられると、上述のエチレンカーボネートは、容易にかつ選択的にリチウムイオンを溶媒和することができ、黒鉛化が良く発達した炭素質材料との第二溶媒の還元反応が抑制されると考えられる。さらに、第二溶媒のドナーナンバーが18以下に制御されると、リチウム電極に対する酸化分解電圧は容易に4V以上に増加させることができ、高電圧のリチウム二次電池を製造することができる。好ましい第二溶媒は、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピレンカーボネート(PC)、γブチロラクトン(γBL)、アセトニトリル(AN)、エチルアセテート(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレンおよび酢酸メチル(MA)である。これら第二溶媒は、単独または2種以上を組み合わせて使用することができる。より好ましくは、この第二溶媒は、ドナーナンバーが16.5以下のものから選択されるべきである。第二溶媒の粘度は、好ましくは25℃において28cps以下である。混合溶媒中の上記エチレンカーボネートの混合比は、好ましくは10〜80体積%である。エチレンカーボネートの混合比がこの範囲を外れると、溶媒の導電性が低下するか溶媒がより容易に分解する傾向を示し、これにより充放電性能が悪化する。エチレンカーボネートのより好ましい混合比は、20〜75体積%である。非水系溶媒中でのエチレンカーボネートの混合比が20体積%以上に増加した場合、エチレンカーボネートのリチウムイオンに対する溶媒和効果が促進され、溶媒分解抑制効果が向上する。
また、電解液には、負極の表面に安定した品質のSEI層を維持するために、添加剤が添加されてもよい。SEI層は、電解液との反応(分解)を抑制する、またリチウムイオン電池の脱リチウム化による脱溶媒反応に曝され、アノード材料の構造上の物理的な劣化を抑制する役割を有する。添加剤の例としては、ビニレンカーボネート(VC)、プロパンスルトン(PS)、環状スルホン酸エステルが挙げられる。
本実施形態例に係るLi塩の例としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LClO、LiAlCl,LiN(C2n+1SO)(C2m+1SO)(n、mは自然数)、およびLiCFSOが挙げられる。しかしながら、Li塩は、これらに限定されるものではない。これらのLi塩の1種を使用してもよいし、これらのLi塩の2種以上を併用してもよい。
本実施形態例における電池用ケースは、例えば、基材、金属箔、およびシーラントが順次積層されたラミネートフィルムであってもよい。使用することができる基材としては、ポリエステル(PET)またはナイロン製の10〜25μmの厚さの樹脂フィルムが挙げられる。金属箔は、20〜40μmの厚さのアルミニウム膜であってもよい。シーラントは、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、変性ポリプロピレン(PP)またはアイオノマーからなる30〜70μmの厚さを有する樹脂膜であってもよい。
実施例1
直径5μmSiO粒子10gをまずCVD法によりアモルファスカーボンで被覆した。その後の炭素コーティングされたSiOは、5時間950℃で加熱した。20%HFは、シリコン酸化物をエッチングするために使用された。最終生成物は洗浄され、真空オーブン中で24時間乾燥してアノード材料Aを得た。アノード材料AのSEM画像を図5に示す。
実施例2
直径5μmSiO粒子10gをまずCVD法によりアモルファスカーボンで被覆した。その後の炭素コーティングされたSiOは、5時間1100℃で加熱した。20%HFは、シリコン酸化物をエッチングするために使用された。最終生成物は洗浄され、真空オーブン中で24時間乾燥してアノード材料Bを得た。
比較例1
直径5μmSiO粒子がアノード材料Cとして使用された。
(比較例2)
直径5μmSi粒子が、アノード材料Dとして使用された。
テストセルの作製
アノード材料A〜Dのそれぞれと、カーボンブラック、およびポリイミドを90:1:9の重量比でN−メチルピロリドン(NMP)中に混合して、スラリーを調製した。
該スラリーを、銅箔上に塗布し、15分間120℃で乾燥させ薄い基体を形成した。次に基体を50g/mの荷重で45μm厚にプレスし、N雰囲気下、2時間200℃で加熱処理して負極を作製した。実施例1のアノード材料Aをと実施例2のアノード材料Bを用いた負極のSETM断面画像を図6及び図7にそれぞれ示す。該負極を作用電極として用い、金属リチウム箔を対向電極として用いた。作用電極と対向電極間に多孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータを挿入した。ジエチルカーボネート(DEC)とエチレンカーボネート(EC)を7:3の体積比での混合溶媒に1MのLiPFを溶解して電解液を調製し、ラミネートハーフセルを作製した。
テストセルは、初期充電容量、クーロン効率及び1C充電/0.1C放電及び6C充電/0.1C放電のレート特性、及び100サイクル後の容量維持率1Cで評価した。結果を表1に示す。
以上、実施形態例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に規定されたように本発明の精神及びスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができると理解されよう。

Claims (8)

  1. 内部中空空間を有する炭素シェルと、
    該炭素シェルの内部の中空空間内のシリコン粒子
    を含むリチウムイオン電池用アノード材料。
  2. 前記シリコン粒子の大きさ及び数が、リチウム化により拡張した状態において、前記シリコン粒子の総体積が前記炭素シェルの前記内部中空空間の体積よりも小さいことを満たす請求項1に記載のアノード材料。
  3. 前記シリコン粒子の大きさが1nm〜20μmである請求項2に記載のアノード材料。
  4. 前記シリコン粒子の数が100以下である請求項2に記載のアノード材料。
  5. 前記炭素シェルの厚みが100nm以下である請求項1に記載のアノード材料。
  6. 前記アノード材料の大きさが前記炭素シェルの直径として300nm〜80μmである請求項1に記載のアノード材料。
  7. 正負極電極を含むリチウムイオン電池であって、前記負極が請求項1〜6のいずれか1項に記載のアノード材料を含むリチウムイオン電池。
  8. 前記アノード材料が少なくとも600mAh/gの容量を有する請求項7に記載のリチウムイオン電池。
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