JP2018500742A - リチウムイオンバッテリのアノードにおいて使用するための複合粉末、このような複合粉末を調製する方法、及びこのような複合粉末を分析する方法 - Google Patents
リチウムイオンバッテリのアノードにおいて使用するための複合粉末、このような複合粉末を調製する方法、及びこのような複合粉末を分析する方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
・完全なコーティングを形成するにはPVAの量が少なすぎた。
・開示されているプロセスでは、かなりの比率のPVAが最後までアノード活物質から少し離れており、コーティングを形成するのに利用できない。
・PVA分解の炭素収率がわずか10〜20%であり、その結果、形成中に炭素層が非常に大幅に収縮し、形成されている間に炭素層に亀裂が入ったり、コーティングされていない領域が生じたりする。
・分解生成ガスの80〜90重量%が脱離することによって、炭素への変換中に、分解されているPVA層において分解生成ガス自体でチャネルが生成され、炭素層が多孔質になり、保護能力が低下する。
・マトリクス中に埋め込まれていないか若しくは完全には埋め込まれていない遊離ケイ素系ドメイン
・又はマトリクスによって完全に取り囲まれている、完全に埋め込まれたケイ素系ドメインのいずれかであり、
遊離ケイ素系ドメインの割合が、複合粉末中の金属又は酸化状態のSiの総量の4重量%以下であり、ケイ素系ドメインが、d50が200nm以下であり、d90が1000nm以下である重量に基づくサイズ分布を有する複合粉末に関する。
A:指定の時間、アルカリ溶液中に一定量の複合粉末を入れる工程;
B:上記の指定の時間後に、発生した水素の体積を求める工程;
C:反応したケイ素1モルごとに2モルの水素が生成されることに基づいて、この量の水素が発生するのに必要なケイ素の量を計算し、計算されたケイ素の量を、サンプル中に存在する金属又は酸化状態のSiの総量で除する工程。
遊離ケイ素の決定
生成物の遊離ケイ素系ドメインの割合を求めるために、公知の総Si含有量を有する生成物0.1gを、45℃の1.2g/L KOH水溶液に入れた。ガスビュレットを使用して、48時間にわたって発生したガスを収集し、体積を測定したが、他のガス測定法も想定され得る。
Si+KOH+5H2O→KH7SiO6+2H2
Si+2KOH+2H2O→K2H2SiO4+2H2
実施例及び反例における粉末の酸素含有量を、Leco TC600酸素−窒素分析機を用いて、以下の方法によって求めた。
試験する全ての複合粉末を、45μmの篩を用いて篩い、カーボンブラック、カーボンファイバー、及び水中ナトリウムカルボキシメチルセルロース結合剤(2.5重量%)と混合した。用いた比は、複合粉末90重量部/カーボンブラック3重量部/カーボンファイバー2重量部、及びカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量部であった。
以下の方法によって、実施例1及び反例のケイ素粉末について粒度分布を求めた。
ナノケイ素粉末は、以下のとおり調製した:
ミクロンサイズのケイ素粉末を前駆体として提供した。アルゴンプラズマを用いて、60kWラジオ波(radio frequency、RF)誘導結合プラズマ(inductively coupled plasma、ICP)を印加した。前駆体を220g/hの速度でプラズマ中に噴射した結果、全体的に(すなわち、反応ゾーンが)約2000Kを上回る温度となった。
上述のナノケイ素粉末8g及び石油系ピッチ粉末27gのブレンドを作製した。これをN2下で450℃に加熱した結果、ピッチが溶融し、60分間の待機期間後、分散ディスクを用いて30分間混合した。
上述のナノケイ素粉末500g及び石油系ピッチ粉末600gのブレンドを作製した。
上述のナノケイ素粉末1g及びピッチ3.37g及び黒鉛7gのブレンドを作製し、ローラーベンチで3時間混合し、その後、得られた混合物をミルに通して、集塊を崩した。
上述のナノケイ素粉末1g及びピッチ3.37g及び黒鉛7gのブレンドを作製した。このブレンドに、THF 10mLを添加し、これをローラーベンチで16時間混合した。
ロータリーエバポレータにおける混合物の乾燥工程を、乾燥ガスとして窒素を用い、110℃の排気温度での噴霧乾燥工程に置き換えたことを除いて、反例2と同じ手順に従った。
実施例1及び反例から得られた生成物の総Si含有量は、化学分析によって9.5+/−0.5%と測定された。
Claims (12)
- リチウムイオンバッテリのアノードにおいて使用するための複合粉末であって、前記複合粉末の粒子がマトリクス中にケイ素系ドメインを含み、前記マトリクスが、炭素であるか又は熱処理によって炭素に変換され得る前駆体物質であり、個々のケイ素系ドメインが、前記マトリクス中に埋め込まれていないか若しくは完全には埋め込まれていない遊離ケイ素系ドメイン、又は前記マトリクスによって完全に取り囲まれている、完全に埋め込まれたケイ素系ドメインのいずれかであり、前記遊離ケイ素系ドメインの割合が、前記複合粉末中の金属又は酸化状態のSiの総量の4重量%以下であり、前記ケイ素系ドメインが、d50が200nm以下であり、d90が1000nm以下である重量に基づくサイズ分布を有する複合粉末。
- 前記遊離ケイ素系ドメインの割合が、前記複合粉末中の金属又は酸化状態のSiの総量の3重量%未満、好ましくは2重量%未満、より好ましくは1重量%未満であることを特徴とする、請求項1に記載の複合粉末。
- 前記遊離ケイ素系ドメインの割合が、指定の時間前記複合粉末のサンプルをアルカリ溶液に入れ、前記指定の時間後に、発生した水素の体積を求め、反応したケイ素1モルごとに2モルの水素が生成されることに基づいて、この量の水素が発生するのに必要なケイ素の量を計算し、計算されたケイ素の量を、前記サンプル中に存在する金属又は酸化状態のSiの総量で除することによって求めたときの割合であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 3重量%未満の酸素を含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 2重量%〜25重量%のSi、好ましくは、8重量%〜15重量%のSiを含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 前記マトリクスが、ピッチ又は熱分解されたピッチであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 前記ケイ素系ドメインが、ケイ素系粒子であり、好ましくは、Si及びO以外の元素を含まないことを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 1〜20マイクロメートルの平均粒径d50を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 前記ケイ素系ドメインの表面積の少なくとも97%が、前記マトリクスによって覆われていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 前記複合粉末が、黒鉛も含有し、前記黒鉛が、前記マトリクス中に埋め込まれていないことを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 前記ケイ素系ドメインが、d50が100nm以下であり、d90が1000nm以下である重量に基づくサイズ分布を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
- 前記複合粉末の平均サイズと前記ケイ素系ドメインのd50との比が、10以上、好ましくは20以上、より好ましくは40以上であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の複合粉末。
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