JP2020095779A - リチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、及び
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法を提供するものである。
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程、及び
(III)得られたナノ粒子集合体を乾燥後に焼成して、炭素管状体及び酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法を提供するものである。
本発明のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法は、平均外径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体(Z1)の製造方法であって、次の工程(I)〜(II):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、及び
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体(Z1)を得る工程
を備え、これを本発明の製造方法(Z1)と称する。
また、本発明のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法は、平均外径が50nm以下の炭素管状体の表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体(Z2)の製造方法であって、次の工程(I)〜(III):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体(Z1)を得る工程、及び
(III)得られたナノ粒子集合体(Z1)を乾燥後に焼成して、炭素管状体及び酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体(Z2)を得る工程
を備え、これを本発明の製造方法(Z2)と称する。
以下、各々の製造方法について分説する。
セルロースナノファイバー(a1)とリグノセルロースナノファイバー(a2)は、共に優れた水への分散性を有している。工程(I)では、これらセルロースナノファイバー(a1)及びリグノセルロースナノファイバー(a2)を一方のみ用いてもよく、双方併用してもよい。
得られるスラリー(X)は、良好な分散状態を数日間保持するので、スラリー(X)を作り置きすることができる。適宜作り置きしたスラリー(X)を後述する工程(II)において用いる場合、CNF(A)の含有量を高めた高濃度スラリー(X)(マスターバッチ)とするのがよい。かかる高濃度スラリー(X)中におけるCNF(A)の合計含有量は、スラリー(X)中の溶媒100質量部に対し、CNF(A)の炭素原子換算量で、好ましくは5質量部〜50質量部であり、より好ましくは8質量部〜40質量部である。
なお、高濃度スラリー(X)を水で希釈してスラリー(X)とする場合、スラリー(X)を分散機(ホモジナイザー)で充分に撹拌してから用いればよい。かかる分散機としては、前記の離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が有効に使用できる。
スラリー(Y)中のセリウム化合物及びCNF(A)の含有量が、上記のような含有量となるように、スラリー(X)、セリウム化合物及び溶媒の混合割合を適宜調整すればよい。
かかるスラリー(Z)中におけるナノ粒子集合体(Z1)の含有量は、二次電池の負極スラリー作製時のハンドリングの観点から、スラリー(Z)中に、好ましくは0.5質量%〜20質量%であり、より好ましくは1質量%〜15質量%であり、さらに好ましくは1.5質量%〜12質量%である。
なお、酸化セリウムナノ粒子(C)の平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において測定された、数十個の酸化セリウムナノ粒子(C)の粒子径(長軸の長さ)の値の平均値を意味する。
かかる炭素管状体(B)は、平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー(a1)由来の炭素及び/又はリグノセルロースナノファイバー(a2)由来の炭素により構成されてなる、管状を呈する構造体である。
かかる焼成では、酸化セリウムナノ粒子(C)の肥大化や、酸化セリウムナノ粒子(C)同士の不要な焼結を防止する観点から、焼成温度は、好ましくは400℃〜800℃であり、より好ましくは500℃〜700℃である。また焼成時間は、好ましくは0.5時間〜24時間であり、より好ましくは6時間〜18時間である。焼成に用いる装置としては、焼成雰囲気及び温度の調整が可能な物であれば特に限定されず、バッチ式、連続式、加熱方式(間接又は直接)のいずれの方式のものも使用することができる。かかる装置としては、例えば、外熱キルンやローラーハース等の焼成炉が挙げられる。
例えば、かかるナノ粒子集合体(Z)を結着剤や溶剤等の添加剤とともに混合して負極スラリーを得る。この際、必要に応じて、さらに導電助剤を添加して混合してもよい。かかる結着剤としては、特に限定されず、公知の剤をいずれも使用できる。具体的には、スチレン−ブタジエンゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー等が挙げられる。また、かかる導電助剤としては、特に限定されず、公知の剤を使用できる。具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人工黒鉛、繊維状炭素等が挙げられる。次いで、かかる負極スラリーを銅箔等の負極集電体上に塗布し、乾燥させて負極とする。
Ce(NO3)2・6H2O 23.8g、セルロースナノファイバー(スギノマシン社製、TMa−10002、含水量98質量%、平均繊維径10nm)19.29g及び水 55mLを5分間混合してスラリーa1を作製した。得られたスラリーa1に、10質量%濃度のNaOH水溶液 60gを添加し、5分間混合してスラリーb1を得た。
得られたナノ粒子集合体(Z1−1)のTEM写真を図1に示す。かかる図1により、得られたナノ粒子集合体(Z1−1)が、セルロースナノファイバーの表面に酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなる特異な形状を呈することが確認された。
Ce(NO3)2・6H2Oの添加量を1gとした以外、実施例1と同様にして、セルロースナノファイバーの表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z1−2)を得た。(CeO2ナノ粒子:セルロースナノファイバー=50質量%:50質量%)
Ce(NO3)2・6H2Oの添加量を200gとした以外、実施例1と同様にして、セルロースナノファイバーの表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z1−3)を得た。(CeO2ナノ粒子:セルロースナノファイバー=99.5質量%:0.5質量%)
凍結乾燥機(EYELA社製、FDU−1200)を用いて、実施例1で得られたナノ粒子集合体(Z1−1)を凍結乾燥した後、窒素雰囲気下600℃で1時間焼成してセルロースナノファイバーから炭素管状体を形成させつつ、炭素管状体の表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z2−1)を得た。(CeO2ナノ粒子:炭素管状体=98.9質量%:1.1質量%)
セルロースナノファイバーを添加しなかった以外、実施例1と同様にして、配列することなく多数存在するのみの状態であるCeO2ナノ粒子(E−1)を得た。
比較例1で得られたCeO2ナノ粒子(E−1) 3g、グルコース 1.65g、水 30mLを遊星ボールミルで混合してスラリーを得た後、得られたスラリーを100℃で乾燥してCeO2ナノ粒子とグルコースからなる造粒物を得た。得られた造粒物を、窒素雰囲気下600℃で1時間焼成して、グルコース炭化物が被覆されたCeO2ナノ粒子(E−2)を得た。(CeO2ナノ粒子:グルコース炭化物=90質量%:10質量%)
得られたナノ粒子集合体(Z1−1)〜(Z1−4)及びCeO2ナノ粒子(E−1)〜(E−2)をリチウムイオン二次電池用負極活物質として用いて負極を作成し、充放電特性の評価を行った。
具体的には、リチウムイオン二次電池用負極活物質(a)、アセチレンブラック(導電助剤、b)、カルボキシメチルセルロース(界面活性剤、c)、スチレン−ブタジエンゴム(結着剤、d)をa:b:c:d(質量比)=90:5:2.5:2.5で混合し、これに蒸留水を加えて充分混練し、負極スラリーを調製した。
得られた負極スラリーを、厚さ10μmの銅箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、80℃に加熱したロールプレスでプレスし、φ14mmの円盤状に打ち抜いて負極とした。
これらの電池部品を、露点が−50℃以下の雰囲気下で常法により組み込み収容し、コイン型リチウムイオン二次電池(CR−2032)を製造した。
また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて異なる電流密度でのレート特性を評価した。具体的には、気温30℃環境における、200mA/g又は1000mA/gで0.05Vまで放電した後、20mA/g又は100mA/gの下限電流になるまで定電圧で放電した。その後、200mA/gで3Vまで充電するのを1サイクルとした。
結果を表2に示す。
サイクル容量維持率(%)=
(50サイクル目の放電容量)/(2サイクル目の放電容量)×100・・(1)
レート容量維持率(%)=
(1000mA/gで評価したときの放電容量)/(200mA/gで評価したときの
放電容量)×100 ・・・(2)
Claims (7)
- 平均外径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法であって、次の工程(I)〜(II):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、及び
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 - 平均外径が50nm以下の炭素管状体の表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法であって、次の工程(I)〜(III):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程、及び
(III)得られたナノ粒子集合体を乾燥後に焼成して、炭素管状体及び酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 - 工程(II)で用いるセリウム化合物が、酸化セリウム、水酸化セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム、硫酸セリウム、硝酸セリウム、臭化セリウム、ホウ化セリウム及びセリウム塩化物から選ばれる1種又は2種以上である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
- セルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面、或いは炭素管状体の表面に多数配置してなる酸化セリウムナノ粒子の平均粒径が、1nm〜100nmである請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
- リチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体中における、セルロースナノファイバー及びリグノセルロースナノファイバーの合計含有量が、0.3質量%〜50質量%である請求項1、3又は4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
- 工程(III)における焼成を、不活性ガス雰囲気下又は還元条件下で行う請求項2〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
- リチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体中における炭素管状体の含有量が、0.1質量%〜25質量%である請求項6に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
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