JP2021166198A - 金属負極二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属負極二次電池は、正極、負極および電解質を少なくとも含む。負極は、担体および第1金属を少なくとも含む。担体は、炭素粒子を少なくとも含む。炭素粒子は、複数の開気孔を含む。第1金属21は、開気孔内に担持されている。第1金属は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属である。負極は、第1金属の溶解反応および析出反応により、電子の授受を行うように構成されている。
【選択図】図3
Description
該製造方法は、以下の(A)〜(D)を少なくとも含む。
(A)担体を準備する。
(B)担体を少なくとも含む負極を準備する。
(C)正極、負極および電解質を少なくとも含む金属負極二次電池を組み立てる。
(D)金属負極二次電池を充電する。
担体は、炭素粒子を少なくとも含む。炭素粒子は、複数の開気孔を含む。第1金属は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属である。金属負極二次電池が充電されることにより、第1金属が開気孔内に担持される。
該製造方法によれば、上記〔1〕の構成を備える金属負極二次電池が製造され得る。
(a1)樹脂材料および金属酸化物粒子を混合することにより、混合物を調製する。
(a2)混合物を非酸化性雰囲気中で加熱することにより、内部に複数の金属酸化物粒子が分散された炭素粒子を調製する。
(a5)金属酸化物粒子の一部を炭素粒子から除去することにより、炭素粒子に複数の開気孔を形成する。
(a6)開気孔に残存する金属酸化物粒子を還元することにより、第2金属を生成する。第2金属は第1金属と合金化する金属である。
該製造方法によれば、上記〔2〕の構成を備える金属負極二次電池が製造され得る。
(a3)炭素粒子をイオン伝導性高分子の溶液に分散させることにより、分散液を調製する。
(a4)分散液を濾過することにより、イオン伝導性高分子によって外表面が被覆された炭素粒子を調製する。
該製造方法によれば、上記〔4〕の構成を備える金属負極二次電池が製造され得る。
図1は、本実施形態の金属負極二次電池の構成の一例を示す概略図である。
電池1000はケース500を含む。ケース500は密閉されている。ケース500は、たとえばアルミニウム(Al)合金製である。ケース500は電極群400および電解質を収納している。ケース500は角形(扁平直方体)である。ただし本実施形態のケースは角形に限定されるべきではない。ケースは、たとえば円筒形であってもよい。ケースは、たとえばAlラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。すなわち本実施形態の電池はラミネート型電池であってもよい。
電極群400は、正極100、負極200およびセパレータ300を含む。セパレータ300は正極100および負極200の間に配置されている。電極群400内の空隙には、電解質が存在している。すなわち電池1000は、正極100、負極200および電解質を少なくとも含む。
負極200はシートであり得る。負極200は、たとえば負極集電体201および担体層202を含む。負極集電体201は、たとえば銅(Cu)箔、Cu合金箔等であってもよい。負極集電体201は、たとえば5μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。本明細書の各構成の厚さは、たとえば、マイクロメータ等により測定され得る。厚さは、各構成の断面顕微鏡画像等において測定されてもよい。厚さは少なくとも3箇所で測定され得る。少なくとも3箇所の算術平均が測定結果として採用され得る。
図3は、本実施形態の担体を示す断面概念図である。
担体10は、炭素粒子11を少なくとも含む。炭素粒子11は、たとえば0.5μm以上100μm以下のd50を有してもよい。本明細書の「d50」はレーザ回折散乱法によって測定され得る。体積基準の積算粒子径分布において、50%の粒子がd50よりも小さい粒子径を有し、50%の粒子がd50よりも大きい粒子径を有する。炭素粒子11は、たとえば1μm以上のd50を有してもよい。炭素粒子11は、たとえば10μm以上のd50を有してもよい。炭素粒子11は、たとえば20μm以上のd50を有してもよい。炭素粒子11は、たとえば80μm以下のd50を有してもよい。
第1金属21は開気孔内に担持されている。第1金属21は負極活物質である。第1金属21はアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。アルカリ金属は、たとえば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)であってもよい。アルカリ土類金属は、たとえば、マグネシウム(Mg)またはカルシウム(Ca)であってもよい。すなわち第1金属は、Li、Na、K、MgまたはCaであってもよい。
担体10は第2金属22をさらに含んでもよい。担体10は、たとえば0.01質量%以上10質量%以下の第2金属22を含んでもよい。第2金属22は開気孔の内壁に付着している。第2金属22は、第1金属21の核生成の種として働くことが期待される。第2金属22を種として第1金属21の核生成が起こることにより、第1金属21の核生成が開気孔内で選択的に起こることが期待される。すなわち充放電の可逆性の向上が期待される。
担体10は、イオン伝導性高分子12をさらに含んでもよい。担体10は、たとえば1質量%以上20質量%以下のイオン伝導性高分子12を含んでもよい。担体10は、たとえば1質量%以上10質量%以下のイオン伝導性高分子12を含んでもよい。イオン伝導性高分子12は、炭素粒子11の外表面を被覆している。これにより充放電の可逆性の向上が期待される。炭素粒子11の外表面において第1金属21の核生成が抑制されるためと考えられる。すなわち第1金属21の核生成が開気孔内でより選択的に起こるためと考えられる。
担体層202は、たとえばバインダをさらに含んでもよい。たとえば担体層202は、90質量%以上99質量%以下の担体10、および残部のバインダを含んでもよい。バインダは担体10同士を結合する。さらにバインダは担体層202と負極集電体201とを結合する。
正極100はシートであり得る。正極100は、たとえば正極集電体101および活物質層102を含む。正極集電体101は、たとえばAl箔、Al合金箔等であってもよい。正極集電体101は、たとえば10μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。
電解質は、第1金属21のイオンが伝導し得る物質である。電解質は液体電解質であってもよい。電解質はゲル電解質であってもよい。電解質は固体電解質であってもよい。液体電解質は、たとえば電解液、イオン液体等であってもよい。電解液は、支持塩および溶媒を含む。第1金属21がLiである場合、支持塩は、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2等であってもよい。第1金属がNaである場合、支持塩は、たとえば、NaClO4等であってもよい。電解液は、たとえば0.5mоl/l以上2mоl/l以下の支持塩を含んでもよい。電解液は、たとえば3mоl/l以上5mоl/l以下の支持塩を含んでもよい。
セパレータ300はフィルムであり得る。セパレータ300は、たとえば10μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。セパレータ300は多孔質である。セパレータ300は電気絶縁性である。セパレータ300は、たとえば、ポリエチレン(PE)製、ポリプロピレン(PP)製等の多孔質フィルムであってもよい。
本実施形態の金属負極二次電池は、たとえば以下の製造方法により製造され得る。
図4は、本実施形態の金属負極二次電池の製造方法の概略を示すフローチャートである。本実施形態の製造方法は、「(A)担体の準備」、「(B)負極の準備」、「(C)組み立て」および「(D)初期充電」を少なくとも含む。
本実施形態の製造方法は、担体10を準備することを含む。
担体10は炭素粒子11を少なくとも含む。担体10は購入されてもよい。たとえば東洋炭素社製の「CNovel(登録商標)」が担体10として準備されてもよい。「CNovel(登録商標)」は、複数の開気孔を含む炭素粒子11である。たとえば、次のようにして、開気孔の内壁に第2金属22を付着させることができる。
本実施形態の担体の製造方法は、樹脂材料および金属酸化物粒子を混合することにより、混合物を調製することを含んでもよい。樹脂材料は炭素粒子の前駆体である。金属酸化物粒子は開気孔の鋳型である。
本実施形態の担体の製造方法は、混合物を非酸化性雰囲気中で加熱することにより、内部に複数の金属酸化物粒子が分散された炭素粒子11を調製することを含んでもよい。
本実施形態の担体の製造方法は、炭素粒子11をイオン伝導性高分子12の溶液に分散させることにより、分散液を調製することを含んでもよい。イオン伝導性高分子12の詳細は前述の通りである。たとえばPVDF−HFP等の溶液が調製され得る。該溶液の溶媒は、たとえば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等であってもよい。
本実施形態の担体の製造方法は、分散液を濾過することにより、イオン伝導性高分子12によって外表面が被覆された炭素粒子11を調製することを含んでもよい。濾過後、適宜、洗浄等の操作が実施されてもよい。
本実施形態の担体の製造方法は、金属酸化物粒子の一部を炭素粒子11から除去することにより、炭素粒子11に複数の開気孔を形成することを含んでもよい。なお「(a2)炭化」の後、「(a3)分散液の調製」および「(a4)濾過」が実施されずに「(a5)開気孔の形成」が実施されてもよい。
本実施形態の担体の製造方法は、開気孔に残存する金属酸化物粒子を還元することにより、第2金属22を生成することを含んでもよい。生成された第2金属22は、開気孔の内壁に付着することになる。たとえば、所定の還元剤により、金属酸化物粒子が還元されてもよい。あるいは、後述の「(D)初回充電」が「(a6)還元」を兼ねることもできる。すなわち初回充電により、開気孔に残存する金属酸化物粒子が還元され、第2金属22が生成されてもよい。
本実施形態の電池の製造方法は、担体10を少なくとも含む負極200を準備することを含む。たとえば、担体10、バインダおよび溶媒が混合されることにより、スラリーが調製され得る。スラリーが負極集電体201の表面に塗布され、乾燥されることにより、担体層202が形成され得る。これにより負極200が準備され得る。さらに電池1000の仕様に合わせて、負極200の圧延および裁断等が実施されてもよい。
本実施形態の電池の製造方法は、正極100、負極200および電解質を少なくとも含む電池1000を組み立てることを含む。
本実施形態の電池の製造方法は、電池1000を充電することを含む。電池1000は、第1金属21の析出電位に達するまで充電される。これにより第1金属21が担体10の開気孔内に担持されることになる。たとえば第1金属21がLiである場合、電池1000が4.2Vまで充電され得る。充電時の電流密度は特に限定されるべきではない。たとえば電流密度は、1/10C程度に相当する電流密度であってもよい。「1C」は、電池1000の定格容量を1時間で充電する電流レートを示す。電流密度は、たとえば1mA/cm2程度であってもよい。
《(A)担体の準備》
以下の材料が準備された。
担体:東洋炭素社製の「CNovel(登録商標)」、BET比表面積 50m2/g、全細孔容積 2ml/g
以下の材料が準備された。
バインダ:CMCおよびSBR
溶媒:水
負極集電体:Cu箔
以下の材料が準備された。
正極活物質:Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2
導電材:カーボンブラック
バインダ:PVDF
溶媒:NMP
正極集電体:Al箔
セパレータ:PE製多孔質フィルム(単層構造、厚さ 20μm)
溶媒:[EC:DMC:EMC=3:4:3(体積比)]
電池が4.2Vまで充電された。これにより第1金属(Li)が炭素粒子の開気孔内に担持された。その後、電池が3.0Vまで放電された。以上より電池が製造された。
《(a1)混合》
以下の材料が準備された。
樹脂材料:ポリビニルアルコール水溶液
金属酸化物粒子:MgO
混合物が窒素雰囲気中で加熱されることにより、炭素粒子が調製された。炭素粒子は、その内部に複数の金属酸化物粒子が分散されていると考えられる。
炭素粒子が塩酸中で洗浄された。洗浄は、金属酸化物粒子の一部が炭素粒子から除去されるように実施された。これにより炭素粒子に複数の開気孔が形成された。以上より担体が準備された。これらを除いては実施例1と同様に電池が組み立てられた。
電池が4.2Vまで充電された。この際、炭素粒子の開気孔に残存する金属酸化物粒子(MgO)が還元されることにより、第2金属(Mg)が生成された。第2金属は開気孔の内壁に付着していると考えられる。その後、電池が3.0Vまで放電された。以上より電池が製造された。
《(a3)分散液の調製》
実施例2と同様に「(a2)炭化」までが実施されることにより、炭素粒子が調製された。イオン伝導性高分子(PVDF−HFP)の溶液が準備された。溶液の溶媒はNMPである。該イオン伝導性高分子は100万以上の質量平均分子量を有すると考えられる。炭素粒子がイオン伝導性高分子の溶液に分散されることにより、分散液が調製された。
分散液が濾過されることにより、炭素粒子が回収された。炭素粒子の外表面はイオン伝導性高分子により被覆されていた。その後、実施例2と同様に「(a5)開気孔の形成」以降の処理が実施されることにより、電池が製造された。
「(a2)炭化」の加熱温度等が変更されることを除いては、実施例2と同様に担体が調製され、電池が製造された。実施例4において、担体は500m2/gのBET比表面積を有する。
比較例1では負極集電体(Cu箔)のみからなる負極が使用された。これを除いては、実施例1と同様に電池が製造された。
スパッタリングにより負極集電体(Cu箔)の表面に第2金属(Mg)の薄膜が形成された。これを除いては、比較例1と同様に電池が製造された。
25℃環境において、以下の条件により充放電が10サイクル実施された。10サイクル目の放電容量が1サイクル目の放電容量で除されることにより、容量維持率が算出された。結果は下記表1に示される。容量維持率が高い程、充放電の可逆性が向上していると考えられる。
放電:定電流方式、放電電圧 3.0V、電流密度 1mA/cm2
上記表1に示されるように、複数の開気孔を含む炭素粒子が担体として使用されることにより、充放電の可逆性が向上する傾向が認められる。第1金属(Li)の核生成が均一に起こりやすく、第1金属の析出形態も均一になりやすいためと考えられる。
Claims (4)
- 正極、負極および電解質
を少なくとも含み、
前記負極は、担体および第1金属を少なくとも含み、
前記担体は、炭素粒子を少なくとも含み、
前記炭素粒子は、複数の開気孔を含み、
前記第1金属は、前記開気孔内に担持されており、
前記第1金属は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属であり、
前記負極は、前記第1金属の溶解反応および析出反応により、電子の授受を行うように構成されており、
前記担体は、第2金属をさらに含み、
前記第2金属は、前記第1金属と合金化する金属であり、
前記第2金属は、前記開気孔の内壁に付着しており、
前記第1金属はリチウムであり、
前記第2金属はマグネシウムであり、
前記担体は、イオン伝導性高分子をさらに含み、
前記イオン伝導性高分子は、前記炭素粒子の外表面を被覆している、
金属負極二次電池。 - 前記炭素粒子は、50m2/g以下のBET比表面積を有する、
請求項1に記載の金属負極二次電池。 - 前記イオン伝導性高分子は、ポリエチレンオキシド、ポリビニルアルコール、ナフィオン(登録商標)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロペン共重合体、ポリアクリル酸、およびポリメタクリル酸メチルからなる群より選択される少なくとも1種を含む、
請求項1または請求項2に記載の金属負極二次電池。 - 前記炭素粒子の前記外表面に比して、前記開気孔内で前記第1金属の核生成が選択的に起こるように構成されている、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の金属負極二次電池。
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