JP2020129556A - 非水電解質二次電池負極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1].(I−1)(A)珪素粒子、一般式SiOx(0.5≦x<1.5)で表される酸化珪素粒子、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有する粒子、及びこれらの混合物から選ばれる粒子と、(B)高分子材料とを混合し、混合物を作製する混合工程、
(II−1)得られた混合物を、不活性雰囲気中又は真空雰囲気中で焼成し、焼成物を作製する焼成工程を含み、さらに下記
(I−2)得られた焼成物と、(B)高分子材料とを混合し、焼成物と高分子材料との混合物を作製する混合工程、及び
(II−2)得られた焼成物と高分子材料との混合物を、不活性雰囲気中又は真空雰囲気中で焼成し、焼成物を作製する焼成工程を含む、又は上記(I−2)及び(II−2)工程を複数回繰り返すことを特徴とする黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
[2].(A)粒子の平均粒子径が0.1〜30μm、BET比表面積が0.1〜30m2/gである[1]記載の黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
[3].(B)高分子材料が、芳香族基含有系熱可塑性ポリマー及びポリオレフィン系熱可塑性ポリマーから選ばれるポリマーである[1]又は[2]記載の黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
[4].(I)混合工程が、(B)高分子材料を有機溶媒に溶解した溶液と、(A)粒子又は焼成物とを混合することを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
[5].(II)焼成工程の焼成温度が、600〜1,200℃である[1]〜[3]のいずれかに記載の黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
[6].黒鉛被覆珪素複合体の平均粒子径が0.1〜30μm、BET比表面積が0.1〜30m2/g、黒鉛被覆率が0.5〜40質量%である[1]〜[5]のいずれかに記載の黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
[7].黒鉛被覆珪素複合体が、非水電解質二次電池負極材用である[1]〜[6]のいずれかに記載の黒鉛被覆珪素複合体の製造方法。
本発明においては、(I)工程とは、(I−1)工程及び(I−2)工程をいい、(II)工程とは、(II−1)工程及び(II−2)工程をいう。
黒鉛被覆珪素複合体は、上記(A)粒子の表面を、(B)高分子材料を炭素源として用い、黒鉛皮膜を被覆したものである。高分子材料としては、ポリスチレン、キシレン樹脂、ビフェニル樹脂、ナフチレン樹脂、アントラセン樹脂、ポリ1−ビニルナフタリン、ポリ3−ビニルピレン、ポリアルキルフルオレン系等といった芳香族基含有系熱可塑性ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリペンテン、ポリヘキサン、ポリオクテン、ポリノネン、ポリデセン等といったポリオレフィン系熱可塑性ポリマー、縮合多核芳香族樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂等といった熱可塑性樹脂、ポリトリアジン樹脂、ポリピリダジン樹脂、ポリピリジン樹脂、ポリピペリジン樹脂、ポリトリアゾール樹脂、ポリピラゾール樹脂、ポリピルロリデン樹脂等といった窒素含有樹脂等が挙げられ、これらは1種単独で又は2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。中でも、芳香族基含有系熱可塑性ポリマー及びポリオレフィン系熱可塑性ポリマーが、黒鉛被覆効果の点から好ましい。中でも、ポリスチレン、ポリエチレンが、コスト、入手のし易さより好適に用いられる。
不活性ガスは、アルゴン又は窒素が一般的に用いられ、ガス通気中又は封入し、焼成を行うことができるが、圧力上昇防止及び副生ガスを系外に排出させるため、ガス通気・流入中にて行うことが好ましい。なお、不活性ガスの流量が過剰の場合、炭化水素系ガスが系外に排出され、黒鉛被覆処理速度が低下するおそれがあるため、必要最小限であることが好ましい。
本発明においては、上記(I)の工程で得られた焼成物に、さらに(B)高分子材料を混合し、焼成物と高分子材料との混合物を作製する。(B)成分の好適成分、混合方法等については、上記(I−1)工程の記載と同様であり、(B)高分子材料は粉末として混合することもでき、予め有機溶媒に溶解した溶液を(A)粒子と混合することもでき、混合方法は、特に限定されるものではなく、ボールミル、撹拌型混合器、乳鉢等が挙げられるが、ボールミルが簡便であり、より好適に用いられる。(B)高分子材料、混合の方法等その他の条件は、上記(I−1)と同じであっても、違っていてもよい。
焼成工程の焼成温度等の条件等は、上記(I−2)の工程と同じように選択できるが、上記(I−2)と同じであっても、違っていてもよい。焼成温度は、600〜1,200℃が好ましく、700〜1,100℃がより好ましい。焼成時間は、適宜選択されるが、0.2〜15時間が好ましく、0.5〜10時間がより好ましい。
上記製造方法で得られた黒鉛被覆珪素複合体は、珪素粒子、一般式SiOx(0.5≦x<1.5)で表される酸化珪素粒子、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有する粒子、及びこれらの混合物から選ばれる粒子表面が、上記(B)高分子材料を黒鉛源とした黒鉛被覆されたものである。珪素粒子、酸化珪素粒子、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有する粒子については、(A)粒子で説明した通りである。なお、原料として一般式SiOx(0.5≦x<1.5)で表される酸化珪素粒子を用いた場合に、焼結によって不均化反応が進み、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有する粒子表面が、(B)高分子材料を黒鉛源とした黒鉛被覆された黒鉛被覆珪素複合体となる場合がある。
黒鉛被覆珪素複合体は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池の負極活物質として好適であり、非水電解質二次電池負極材用として用いられる。上記非水電解質二次電池負極材を用いて負極を作製する場合、非水電解質二次電池負極材に黒鉛等の導電剤を添加することができる。この場合においても導電剤の種類は特に限定されず、構成された電池において、分解や変質を起こさない電子伝導性の材料であればよく、具体的にはAl,Ti,Fe,Ni,Cu,Zn,Ag,Sn,Si等の金属粉末や金属繊維、又は天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粉末、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛を用いることができる。
負極(成型体)の調製方法としては下記の方法が挙げられる。黒鉛被覆珪素複合体と、必要に応じて導電剤と、結着剤等の他の添加剤とに、N−メチルピロリドン又は水等の溶剤を混練してペースト状の合剤とし、この合剤を集電体のシートに塗布する。この場合、集電体としては、銅箔、ニッケル箔等、通常、負極の集電体として使用されている材料であれば、特に厚さ、表面処理の制限なく使用することができる。なお、合剤をシート状に成形する成形方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、上記黒鉛被覆珪素複合体を用いる点に特徴を有し、その他の正極、負極、電解質、セパレータ等の材料及び電池形状等は公知のものを使用することができ、特に限定されない。例えば、正極活物質としてはLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、V2O5、MnO2、TiS2、MoS2等の遷移金属の酸化物、リチウム、及びカルコゲン化合物等が用いられる。電解質としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、過塩素酸リチウム等のリチウム塩を含む非水溶液が用いられ、非水溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン等の1種又は2種類以上を組み合わせて用いられる。また、それ以外の種々の非水系電解質や固体電解質も使用できる。
平均粒子径5μmの一般式SiOx(x=1.02)で表される酸化珪素粒子50gを、トルエン25gにポリスチレン25gを溶解した溶液に入れて、ボールミルにて1時間混合し、酸化珪素/ポリスチレン混合物を作製した。次にφ120の環状炉内に混合物を全量仕込み、アルゴン(Ar)ガスを0.2L/min流入させながら、1,000℃で1時間焼成を実施した。焼成終了後に降温し、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末は、黒鉛被覆率が2.5質量%であった。次に得られた黒色粉末を上記と同様に、ポリスチレンと混合した。つまり、得られた黒色粉末を、トルエン25gにポリスチレン25gを溶解した溶液に入れて、ボールミルにて1時間混合し、黒色粉末/ポリスチレン混合物を作製した。その後上記同様の焼成処理を実施した。最終的に得られた黒色粉末は、平均粒子径5.0μm、BET比表面積4.7m2/g、黒鉛被覆率4.5質量%の黒鉛被覆珪素複合体であった。
次に、以下の方法で、得られた黒鉛被覆珪素複合体を負極活物質として用いた電池評価を行った。
まず、得られた黒鉛被覆珪素複合体にポリイミドを10質量%加え、さらにN−メチルピロリドンを加えてスラリーとし、このスラリーを厚さ20μmの銅箔に塗布し、80℃で1時間乾燥後、ローラープレスにより電極を加圧成形し、この電極を350℃で1時間真空乾燥した後、2cm2に打ち抜き、負極とした。
焼成温度を650℃、焼成時間を5時間とした他は実施例1と同様の条件で黒鉛被覆処理を行った。
1回目での混合・焼成処理(I)で得られた黒色粉末の黒鉛被覆量は、2.3質量%であった。最終的に得られた黒色粉末は、平均粒子径5.1μm、BET比表面積9.8m2/g、黒鉛被覆率4.1質量%の黒鉛被覆珪素複合体であった。
トルエン80gにポリスチレン80gを溶解した溶液を用いる他は実施例1と同様の条件で黒鉛被覆処理を行った。
トルエン25gにポリスチレン5gを溶解した溶液を用い、混合・焼成処理を5回(I:1回、II:4回)繰り返した他は実施例1と同様な条件で黒鉛被覆処理を行った。
1回目(I)での混合・焼成処理で得られた黒色粉末の黒鉛被覆量は、1.2質量%、2回目(II)では、2.1質量%、3回目(II)では3.1質量%、4回目(II)では4.0質量%であり、5回目(II)の最終的に得られた黒色粉末は、平均粒子径5.2μm、BET比表面積5.3m2/g、黒鉛被覆率4.8質量%の黒鉛被覆珪素複合体であった。
平均粒子径5μmの一般式SiOx(x=1.02)で表される酸化珪素粉末50gをトルエン120gにポリスチレン120gを溶解した溶液に入れて、ボールミルにて時間混合し、酸化珪素/ポリスチレン混合物を作製した。次にφ120の環状炉内に混合物を全量仕込み、Arガスを0.2L/min流入させながら、1,000℃で1時間焼成を実施した。得られた黒色粉末は、平均粒子径5.1μm、BET比表面積5.3m2/g、黒鉛被覆率4.7質量%の黒鉛被覆珪素複合体であった。
Claims (6)
- (I−1)(A)珪素粒子、一般式SiOx(0.5≦x<1.5)で表される酸化珪素粒子、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した微細な構造を有する粒子、及びこれらの混合物から選ばれる粒子と、(B)高分子材料とを混合し、混合物を作製する混合工程、
(II−1)得られた混合物を、不活性雰囲気中又は真空雰囲気中で焼成し、焼成物を作製する焼成工程、
(I−2)得られた焼成物と、(B)高分子材料とを混合し、焼成物と高分子材料との混合物を作製する混合工程、
(II−2)得られた焼成物と高分子材料との混合物を、不活性雰囲気中又は真空雰囲気中で焼成し、焼成物を作製する焼成工程により、又は
上記(I−2)及び(II−2)工程を複数回繰り返し、
黒鉛被覆珪素複合体を製造する工程、
(III)得られた黒鉛被覆珪素複合体と、導電剤と、結着剤と、溶剤とを混錬してペースト状の合剤を作製する工程、及び
(IV)得られた合剤を集電体に塗布し、シート状に成形する工程
を含む非水電解質二次電池負極の製造方法。 - (A)粒子の平均粒子径が0.1〜30μm、BET比表面積が0.1〜30m2/gである請求項1記載の非水電解質二次電池負極の製造方法。
- (B)高分子材料が、芳香族基含有系熱可塑性ポリマー及びポリオレフィン系熱可塑性ポリマーから選ばれるポリマーである請求項1又は2記載の非水電解質二次電池負極の製造方法。
- (I)混合工程が、(B)高分子材料を有機溶媒に溶解した溶液と、(A)粒子又は焼成物とを混合することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の非水電解質二次電池負極の製造方法。
- (II)焼成工程の焼成温度が、600〜1,200℃である請求項1〜3のいずれか1項記載の非水電解質二次電池負極の製造方法。
- 黒鉛被覆珪素複合体の平均粒子径が0.1〜30μm、BET比表面積が0.1〜30m2/g、黒鉛被覆率が0.5〜40質量%である請求項1〜5のいずれか1項記載の非水電解質二次電池負極の製造方法。
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