JP2021172544A - Composite material, method for producing the same and all-solid-state lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合材料、その製造方法、前記複合材料を含む全固体型リチウムイオン二次電池用電極層および電極、ならびに、全固体型リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a composite material, a method for producing the same, an electrode layer and an electrode for an all-solid-state lithium ion secondary battery including the composite material, and an all-solid-state lithium ion secondary battery.
近年、ノートパソコン、携帯電話等の電子機器、および自動車等の輸送機器の電源として、リチウムイオン二次電池が普及してきた。これらの機器は、小型化、軽量化、薄型化の要求が高まっている。これらの要求に応えるべく、小型で軽量かつ高容量の二次電池が求められている。 In recent years, lithium ion secondary batteries have become widespread as a power source for electronic devices such as laptop computers and mobile phones, and transportation devices such as automobiles. There is an increasing demand for these devices to be smaller, lighter, and thinner. In order to meet these demands, a small, lightweight and high-capacity secondary battery is required.
一般的なリチウムイオン二次電池では、正極活物質としてリチウムを含む化合物、負極活物質として黒鉛、コークスを熱処理したもの等の炭素材料が用いられる。さらに、正極と負極との間には、炭酸プロピレン、炭酸エチレンなどの浸透力を有する非プロトン性の溶媒に、電解質としてLiPF6、LiBF4等のリチウム塩を溶解した電解液、またはその電解液を含浸させたポリマーゲルからなる電解質層が備えられている。これらの構成は、電池ケース用包装材により包装され保護される。 In a general lithium ion secondary battery, a carbon material such as a compound containing lithium as a positive electrode active material, graphite as a negative electrode active material, and heat-treated coke is used. Further, between the positive electrode and the negative electrode, an electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 as an electrolyte in an aprotonic solvent having penetrating power such as propylene carbonate or ethylene carbonate, or an electrolytic solution thereof. It is provided with an electrolyte layer made of a polymer gel impregnated with. These configurations are packaged and protected by a battery case packaging material.
全固体型リチウムイオン二次電池では、正極層と負極層との間に固体電解質層がある。すなわち、上記の一般的なリチウムイオン二次電池の電解質を固体としたものである。固体電解質としては、Li2S、P2S5等の硫化物が代表的に用いられている。負極のための負極活物質としては、黒鉛等の炭素性材料が代表的に用いられている。 In an all-solid-state lithium-ion secondary battery, there is a solid electrolyte layer between the positive electrode layer and the negative electrode layer. That is, the electrolyte of the above-mentioned general lithium ion secondary battery is solidified. As the solid electrolyte, sulfides such as Li 2 S and P 2 S 5 are typically used. As the negative electrode active material for the negative electrode, a carbon material such as graphite is typically used.
ここで、全固体型リチウムイオン電池の電極層は、電極活物質と固体電解質を混合して形成される。しかしながら、負極活物質や導電助剤、カーボンコーティングされた正極活物質に使用されるような炭素性材料は固体電解質との表面の親和性が低いため、これらを単に混合しただけの場合、炭素性材料と固体電解質とが均一に分散せず、容量やレート特性が低くなることが問題となっている。 Here, the electrode layer of the all-solid-state lithium ion battery is formed by mixing the electrode active material and the solid electrolyte. However, carbonic materials such as those used for negative electrode active materials, conductive auxiliaries, and carbon-coated positive electrode active materials have low surface affinity with solid electrolytes, and therefore, when these are simply mixed, they are carbonaceous. The problem is that the material and the solid electrolyte are not uniformly dispersed, and the capacitance and rate characteristics are lowered.
本発明者らは、上記のような炭素性材料と固体電解質との分散性を改善するために、炭素性材料の表面を、固体電解質の表面と親和性のある金属酸化物で被覆するという着想を得た。 The present inventors have the idea of coating the surface of the carbonic material with a metal oxide having an affinity for the surface of the solid electrolyte in order to improve the dispersibility between the carbonic material and the solid electrolyte as described above. Got
炭素性材料の表面を金属酸化物で被覆した例として、特許文献1では、炭素性材料等の負極活物質表面に、アルミニウム酸化物から構成される粒子状被覆部を備えることが開示されている。特許文献2では、黒鉛性材料粒子の表面の少なくとも一部を被覆するチタン含有酸化物層を含む負極を含む非水電解質二次電池が開示されている。特許文献3では、炭素繊維と複合酸化物粒子とを含有して成る複合材料が開示されている。また、特許文献4では、気相成長炭素繊維に金属酸化物の粒子が付着した親水性気相成長炭素繊維が開示されている。
As an example in which the surface of a carbon material is coated with a metal oxide, Patent Document 1 discloses that the surface of a negative electrode active material such as a carbon material is provided with a particulate coating portion composed of an aluminum oxide. ..
しかしながら、一般に金属酸化物は、イオン伝導性に優れる固体電解質と表面同士の親和性が高い一方で、電子伝導性には乏しいため、単に炭素性材料を金属酸化物で被覆すればよいというものでもない。特許文献1および2のいずれも炭素性材料の表面を金属酸化物で被覆した活物質を開示しているものの、このような観点からの検討はなされていない。特許文献3および4では、金属酸化物は粒子の形状であるため、固体電解質と混合した際には、金属酸化物粒子と固体電解質粒子の接触面積が小さく、イオン伝導径路が比較的少なくなる恐れがある。
However, in general, metal oxides have high surface-to-surface affinity with solid electrolytes having excellent ionic conductivity, but have poor electron conductivity. Therefore, it is sufficient to simply coat a carbonaceous material with metal oxides. No. Although both
また、電極層を強く加圧して密着性を向上させることで容量やレート特性を改善する手法が用いられる場合もあるが、その場合、活物質が割れるなどによりサイクル特性が悪化するという問題が発生する。 In some cases, a method of improving the capacitance and rate characteristics by strongly pressurizing the electrode layer to improve the adhesion is used, but in that case, there is a problem that the cycle characteristics deteriorate due to cracking of the active material. do.
本発明の課題は、全固体型リチウムイオン二次電池の電極層(正極層および負極層のいずれか一方または両方)の成分として用いた場合に、正極層と固体電解質層と負極層とを低加圧により積層しても高容量と高出力特性を得ることができる、炭素材料と金属酸化物とを含む複合材料を提供することにある。 An object of the present invention is that when used as a component of an electrode layer (either one or both of a positive electrode layer and a negative electrode layer) of an all-solid-state lithium ion secondary battery, the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are low. It is an object of the present invention to provide a composite material containing a carbon material and a metal oxide, which can obtain high capacity and high output characteristics even when laminated by pressurization.
本発明者らは、気相法炭素繊維の表面を金属酸化物層で海島状に被覆することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
[1] 気相法炭素繊維と、前記気相法炭素繊維の表面を海島状に被覆する金属酸化物層とを含み、前記金属酸化物層による前記気相法炭素繊維の被覆率が20%以上80%以下である複合材料。
[2] 前記気相法炭素繊維が黒鉛化処理されている前記[1]に記載の複合材料。
[3] 前記金属酸化物層の平均厚さが10nm以上である前記[1]または[2]のいずれか1項に記載の複合材料。
[4] 前記金属酸化物層を構成する金属酸化物が、前記気相法炭素繊維100質量部に対して、0.1質量部以上10質量部以下の量で含まれる前記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の複合材料。
[5] 前記金属酸化物層を構成する金属酸化物が、Li、Na、K、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Pt、Ru、Rh、Pd、Ag、Al、Ga、In、Tl、SnおよびPbから選ばれる金属の酸化物を含む前記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の複合材料。
[6] 前記金属酸化物層を構成する金属酸化物が、チタン酸リチウムおよびニオブ酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物を含む前記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の複合材料。
[7] BET比表面積が20.0m2/g以下であり、かつ、X線回折測定による(002)面の平均面間隔d002が0.3354nm以上0.3400nm未満である前記[1]〜[6]のいずれか1項に記載の複合材料。
[8] 平均繊維径Dfaが100nm以上300nm以下である前記[1]〜[7]のいずれか1項に記載の複合材料。
[9] 粒子状導電助剤、繊維状導電助剤および固体電解質粒子からなる群より選択される少なくとも1種をさらに含む前記[1]〜[8]のいずれか1項に記載の複合材料。
[10] 前記[1]〜[9]のいずれか1項に記載の複合材料、活物質および固体電解質を含む全固体型リチウムイオン二次電池用電極層。
[11] 前記[10]に記載の全固体型リチウムイオン二次電池用電極層と集電体を含む全固体型リチウムイオン二次電池用電極。
[12] 正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、前記正極および前記負極の間に形成された固体電解質層とを有する全固体型リチウムイオン二次電池であって、前記負極および前記正極のいずれか一方または両方が、前記[1]〜[9]のいずれか1項に記載の複合材料を含有する全固体型リチウムイオン二次電池。
[13] 前記[1]〜[9]のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法であって、
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
金属酸化物前駆体が付着した気相法炭素繊維を熱処理して金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。
[14] 前記[1]〜[9]のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法であって、
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
ゾル−ゲル反応によって金属酸化物前駆体から金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。
[15] 前記前駆体溶液が、さらにリチウム化合物を含む前記[13]または[14]に記載の複合材料の製造方法。
The present inventors have found that the above problems can be solved by coating the surface of the vapor phase carbon fiber with a metal oxide layer in a sea-island shape, and have completed the present invention.
[1] A vapor phase carbon fiber and a metal oxide layer that coats the surface of the vapor phase carbon fiber in a sea-island shape are included, and the coverage of the vapor phase carbon fiber by the metal oxide layer is 20%. A composite material that is 80% or more and 80% or less.
[2] The composite material according to the above [1], wherein the vapor phase method carbon fibers are graphitized.
[3] The composite material according to any one of the above [1] and [2], wherein the metal oxide layer has an average thickness of 10 nm or more.
[4] The metal oxides constituting the metal oxide layer are contained in an amount of 0.1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the vapor phase carbon fiber. 3] The composite material according to any one of the items.
[5] The metal oxides constituting the metal oxide layer are Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, The composite material according to any one of [1] to [4] above, which comprises an oxide of a metal selected from Pt, Ru, Rh, Pd, Ag, Al, Ga, In, Tl, Sn and Pb.
[6] Any one of the above [1] to [5], wherein the metal oxide constituting the metal oxide layer contains at least one metal oxide selected from the group consisting of lithium titanate and lithium niobate. The composite material described in the section.
[7] The BET specific surface area is 20.0 m 2 / g or less, and the average plane spacing d 002 of the (002) plane by X-ray diffraction measurement is 0.3354 nm or more and less than 0.3400 nm. The composite material according to any one of [6].
[8] The composite material according to any one of [1] to [7] above, wherein the average fiber diameter D fa is 100 nm or more and 300 nm or less.
[9] The composite material according to any one of [1] to [8] above, further comprising at least one selected from the group consisting of a particulate conductive auxiliary agent, a fibrous conductive auxiliary agent, and solid electrolyte particles.
[10] An electrode layer for an all-solid-state lithium ion secondary battery containing the composite material, active material, and solid electrolyte according to any one of the above [1] to [9].
[11] The electrode for an all-solid-state lithium ion secondary battery including the electrode layer for the all-solid-state lithium ion secondary battery and the current collector according to the above [10].
[12] An all-solid-type lithium ion secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode and the negative electrode. An all-solid-state lithium-ion secondary battery in which one or both of the negative electrode and the positive electrode contains the composite material according to any one of [1] to [9].
[13] The method for producing a composite material according to any one of the above [1] to [9].
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent.
A composite including a step of spraying the precursor solution on the gas phase carbon fiber in a fluid state and a step of heat-treating the vapor phase carbon fiber to which the metal oxide precursor is attached to form a metal oxide layer. Material manufacturing method.
[14] The method for producing a composite material according to any one of the above [1] to [9].
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent.
A method for producing a composite material, which comprises a step of spraying the precursor solution onto the fluidized vapor phase carbon fibers and a step of forming a metal oxide layer from the metal oxide precursor by a sol-gel reaction.
[15] The method for producing a composite material according to the above [13] or [14], wherein the precursor solution further contains a lithium compound.
全固体型リチウムイオン二次電池の電極層(正極層および負極層のいずれか一方または両方)の一成分として、本発明の一実施形態における複合材料を用いることにより、電極層中の活物質および固体電解質両方の分散性が向上し、正極層と固体電解質層と負極層とを低加圧により積層しても高容量と高出力特性を得ることができる。 By using the composite material in one embodiment of the present invention as one component of the electrode layer (either one or both of the positive electrode layer and the negative electrode layer) of the all-solid-state lithium ion secondary battery, the active material in the electrode layer and The dispersibility of both the solid electrolytes is improved, and high capacity and high output characteristics can be obtained even when the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are laminated by low pressure.
以下、本発明の実施形態について説明する。
以下の説明において、「体積基準の累積粒度分布における50%粒子径」および「DpV50」は、レーザー回折・散乱法によって求めた体積基準の累積粒径分布において50%となる粒子径である。また、「平均繊維径Dfa」は、SEM画像から無作為に選択した1本の繊維状複合材料における10箇所の直径を画像認識ソフトにより測定し、その算術平均値を該1本の繊維状複合材料の繊維径とし、さらに、この繊維径の測定を合計で100本の繊維状複合材料について行い、得られた100本の繊維径を算術平均した値である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
In the following description, "50% particle size in the volume-based cumulative particle size distribution" and "D pV50 " are particle sizes that are 50% in the volume-based cumulative particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method. Further, in the "average fiber diameter D fa ", the diameters of 10 points in one fibrous composite material randomly selected from the SEM image are measured by image recognition software, and the arithmetic average value is measured as the one fibrous composite material. The fiber diameter of the composite material is used, and the fiber diameter is measured for a total of 100 fibrous composite materials, and the obtained 100 fiber diameters are calculated and averaged.
[1]複合材料
本発明の一実施形態に係る複合材料(以下「複合材料(I)」ともいう。)は、気相法炭素繊維と、前記気相法炭素繊維の表面を海島状に被覆する金属酸化物層とを含み、前記金属酸化物層による前記気相法炭素繊維の被覆率が20%以上80%以下である。
[1] Composite Material The composite material according to the embodiment of the present invention (hereinafter, also referred to as "composite material (I)") covers the vapor phase carbon fiber and the surface of the vapor phase carbon fiber in a sea-island shape. The coverage of the vapor phase carbon fiber by the metal oxide layer is 20% or more and 80% or less.
図2は、複合材料(I)の構成の一例を示した模式断面図である。以下、複合材料(I)に関し、必要に応じて図2を参照しながら説明するが、各構成要素に付した符号については省略することがある。
複合材料(I)2は、気相法炭素繊維21と、気相法炭素繊維21の表面を海島状に被覆する金属酸化物層22とを含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the composite material (I). Hereinafter, the composite material (I) will be described with reference to FIG. 2 as necessary, but the reference numerals attached to the respective components may be omitted.
The composite material (I) 2 includes a vapor
複合材料(I)の表面は、気相法炭素繊維21が露出している部分と金属酸化物層22部分の両方を特定の割合で有する。すなわち、電子伝導性に優れる気相法炭素繊維21とイオン伝導性に優れる金属酸化物層22の両方が特定の割合で複合材料(I)の表面を構成している。ここで、黒鉛やカーボンコーティングされた正極活物質などの、炭素質の表面を持つ活物質と固体電解質と複合材料(I)を混合すると、それぞれの表面同士の親和性から、炭素質の表面を持つ活物質は複合材料の気相法炭素繊維21の表面に、固体電解質は複合材料の金属酸化物層22の表面によく配置される。これにより、複合材料、活物質および固体電解質のいずれについても良好な分散状態が達成される。結果として、前記活物質、固体電解質、複合材料(I)、さらに任意成分としての導電助剤とバインダーの混合物である電極層内では、均一に分散したリチウムイオンの移動径路および均一に分散した電子伝導径路を形成することができると考えられる。そのため、このような電極層を用いた全固体型リチウムイオン二次電池では、高い容量および良好なレート特性が得られる。
The surface of the composite material (I) has both an exposed portion of the vapor
金属酸化物層22は、気相法炭素繊維21の表面を被覆する層である。金属酸化物層22は気相法炭素繊維21の表面に島状に点在する海島構造を呈する。金属酸化物層22による被覆率は20%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは30%以上である。前記被覆率を20%以上とすることにより、複合材料(I)の表面近傍のイオン伝導径路を増大することができる。前記被覆率は80%以下、好ましくは70%以下、より好ましくは65%以下である。前記被覆率を80%以下とすることにより、複合材料(I)の表面近傍の電子伝導径路を十分に多く保つことができる。
The
気相法炭素繊維21の表面を金属酸化物層22が島状に被覆していることは、EDS,AES,ラマン分光分析等のマッピングによって確認することができる。
The fact that the
前記被覆率は、例えば、気相法炭素繊維21に対して、後述する金属酸化物前駆体の添加量や添加速度、雰囲気温度等の製造条件によって調節することができる。また、前記被覆率は走査型電子顕微鏡(SEM)像や組成分析像の二値化などから測定することができる。
The coverage can be adjusted, for example, with respect to the vapor
複合材料(I)の金属酸化物層22の平均厚さは、好ましくは10nm以上、より好ましくは12nm以上、さらに好ましくは15nm以上である。平均厚さを10nm以上とすることにより化学的安定性と機械的強度を確保することができる。また、複合材料(I)の金属酸化物層22の平均厚さは、好ましくは75nm以下、より好ましくは50nm以下、さらに好ましくは20nm以下である。平均厚さを75nm以下とすることにより複合材料のサイズが必要以上に大きくなることを抑制でき、前記複合材料(I)を用いた全固体型リチウムイオン二次電池のリチウムイオン伝導性と電子導電性のバランスをとることができ、サイクル特性を向上させることできる。なお、金属酸化物層22の平均厚さは、実施例に記載の方法により測定することができる。
The average thickness of the
複合材料(I)において、気相法炭素繊維100質量部に対する金属酸化物層の含有量は、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは0.3質量部以上、さらに好ましくは0.5質量部以上である。金属酸化物層の含有量を0.1質量部以上とすることにより、複合材料(I)上で、固体電解質との親和性が高い領域を十分確保できるので、これらの間でのイオン伝導がスムーズに行われる。また、前記金属酸化物層の含有量は、好ましくは10質量部以下、より好ましくは5.5質量部以下、さらに好ましくは3.0質量部以下である。金属酸化物層の含有量を10質量部以下とすることにより、複合材料(I)中の気相法炭素繊維が十分に露出し、その部分を接点とした、複合材料間あるいは複合材料と活物質との間での電子伝導がスムーズに行われる。これらのことは、電子伝導については、例えば、電極層に対する四探針法などによる体積固有抵抗の測定などから、またイオン伝導については、例えば、電極層を白金などのブロッキング電極で挟み込んだ構成の電気化学セルの交流測定などから、明らかにすることができる。いずれも、これらの複合材料を用いない場合の測定値と比較することにより、電極層の見かけの電子伝導率や見かけのイオン伝導率の向上という形で確認することができる。電子伝導やイオン伝導がスムーズになることにより、それらのトータルとしてのセルの直流抵抗やレート特性といった電池特性も向上する。 In the composite material (I), the content of the metal oxide layer with respect to 100 parts by mass of the vapor phase carbon fiber is preferably 0.1 part by mass or more, more preferably 0.3 part by mass or more, still more preferably 0.5 part by mass. It is more than a mass part. By setting the content of the metal oxide layer to 0.1 parts by mass or more, a region having a high affinity with the solid electrolyte can be sufficiently secured on the composite material (I), so that ionic conduction between these can be sufficiently secured. It is done smoothly. The content of the metal oxide layer is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 5.5 parts by mass or less, and further preferably 3.0 parts by mass or less. By setting the content of the metal oxide layer to 10 parts by mass or less, the vapor-phase carbon fibers in the composite material (I) are sufficiently exposed, and the portion is used as a contact point between the composite materials or with the composite material. Electron conduction with the substance is performed smoothly. For electron conduction, for example, the measurement of volume resistivity with respect to the electrode layer by a four-probe method, etc., and for ion conduction, for example, the electrode layer is sandwiched between blocking electrodes such as platinum. It can be clarified from the AC measurement of the electrochemical cell. In each case, it can be confirmed in the form of improvement in the apparent electron conductivity and the apparent ionic conductivity of the electrode layer by comparing with the measured values when these composite materials are not used. By smoothing electron conduction and ion conduction, battery characteristics such as DC resistance and rate characteristics of the cell as a whole are also improved.
複合材料(I)のBET比表面積は、好ましくは3.0m2/g以上、より好ましくは4.0m2/g以上、さらに好ましくは5.0m2/g以上である。BET比表面積が3.0m2/g以上であると、複合材料(I)におけるリチウム挿入・脱離のための反応面積が十分に存在するため、レート特性が良くなる。また、複合材料(I)のBET比表面積は、好ましくは20.0m2/g以下、より好ましくは18.0m2/g以下、さらに好ましくは15.0m2/g以下、特に好ましくは10.0m2/g以下である。BET比表面積が20.0m2/g以下であると、複合材料(I)と固体電解質との反応(副反応)の面積が小さく保たれるため、初回クーロン効率が高くなる。BET比表面積は実施例に記載の方法により測定することができる。 The BET specific surface area of the composite material (I) is preferably 3.0 m 2 / g or more, more preferably 4.0 m 2 / g or more, and further preferably 5.0 m 2 / g or more. When the BET specific surface area is 3.0 m 2 / g or more, the reaction area for lithium insertion / desorption in the composite material (I) is sufficiently present, so that the rate characteristics are improved. Further, BET specific surface area of the composite material (I) is preferably 20.0 m 2 / g or less, more preferably 18.0m 2 / g or less, more preferably 15.0 m 2 / g or less, particularly preferably 10. It is 0 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 20.0 m 2 / g or less, the area of the reaction (side reaction) between the composite material (I) and the solid electrolyte is kept small, so that the initial Coulomb efficiency is high. The BET specific surface area can be measured by the method described in Examples.
複合材料(I)のX線回折測定による、気相法炭素繊維に由来する(002)面の平均面間隔d002は0.3354nm以上が好ましい。0.3354nmは黒鉛結晶のd002の理論値であり、下限値でもある。また、前記d002は、黒鉛結晶組織が発達しすぎていない方が、膨張収縮が少なくサイクル特性に優れるという観点から、より好ましくは0.3356nm以上である。また、前記d002は、十分な結晶性を有し、よって良好な電子伝導性を得る観点、また副反応を抑制する観点から、好ましくは0.3400nm未満、より好ましくは0.3390nm以下、さらに好ましくは0.3380nm以下である。d002は粉末X線回折(XRD)法を用いて測定することができる。具体的な測定方法は実施例の項に記載されている。 The average plane spacing d 002 of the (002) plane derived from the vapor phase carbon fiber by X-ray diffraction measurement of the composite material (I) is preferably 0.3354 nm or more. 0.3354 nm is the theoretical value of d 002 of the graphite crystal and is also the lower limit value. Further, d 002 is more preferably 0.3356 nm or more from the viewpoint of less expansion and contraction and excellent cycle characteristics when the graphite crystal structure is not overdeveloped. Further, d 002 has sufficient crystallinity, and therefore, from the viewpoint of obtaining good electron conductivity and suppressing side reactions, it is preferably less than 0.3400 nm, more preferably 0.3390 nm or less, and further. It is preferably 0.3380 nm or less. d 002 can be measured using the powder X-ray diffraction (XRD) method. Specific measurement methods are described in the section of Examples.
複合材料(I)の平均繊維径Dfaは、好ましくは100nm以上、より好ましく110nm以上、さらに好ましくは120nm以上である。前記Dfaを100nm以上とすることにより、複合材料(I)のハンドリング性が向上するほか、複合材料(I)を全固体型リチウムイオン二次電池の電極層の成分として固体電解質と混合して用いた場合には、電極層中の活物質および固体電解質両方の分散性が向上し、電池の容量およびレート特性が良好となる。また、前記Dfaは、好ましくは300nm以下、より好ましくは270nm以下、さらに好ましくは250nm以下である。前記Dfaを300nm以下とすることにより、複合材料(I)の比表面積が大きい状態を維持でき、複合材料(I)を全固体型リチウムイオン二次電池の電極層の成分として用いた場合に、電池の体積エネルギー密度が向上する。 The average fiber diameter D fa of the composite material (I) is preferably 100 nm or more, more preferably 110 nm or more, still more preferably 120 nm or more. By setting the D fa to 100 nm or more, the handleability of the composite material (I) is improved, and the composite material (I) is mixed with a solid electrolyte as a component of the electrode layer of the all-solid-state lithium ion secondary battery. When used, the dispersibility of both the active material and the solid electrolyte in the electrode layer is improved, and the capacity and rate characteristics of the battery are improved. The D fa is preferably 300 nm or less, more preferably 270 nm or less, and further preferably 250 nm or less. By setting the D fa to 300 nm or less, the state where the specific surface area of the composite material (I) is large can be maintained, and when the composite material (I) is used as a component of the electrode layer of the all-solid-state lithium ion secondary battery. , The volumetric energy density of the battery is improved.
[2]気相法炭素繊維
複合材料(I)に含まれる気相法炭素繊維は、特に限定されず、公知の方法で製造されたものや市販の気相法炭素繊維(例えば、昭和電工(株)製の「VGCF(登録商標)」シリーズ)を用いることができる。
[2] Gas phase carbon fiber The vapor phase carbon fiber contained in the composite material (I) is not particularly limited, and the vapor phase carbon fiber produced by a known method or a commercially available vapor phase carbon fiber (for example, Showa Denko) The "VGCF (registered trademark)" series) manufactured by Co., Ltd. can be used.
気相法炭素繊維は、例えば、有機化合物を原料とし、触媒としての有機遷移金属化合物をキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し生成し、続いて熱処理することにより製造することができる(日本国特開昭60−54998号公報、日本国特許第2778434号公報等参照)。その繊維径は2〜1000nm、好ましくは10〜500nmであり、アスペクト比は好ましくは10〜15000である。また、気相法炭素繊維に特異な構造として、黒鉛の六角網平面が同心円状に積層し、繊維の内部には長手方向に沿った中空部分が存在している、という構造がある。 The vapor-phase carbon fiber can be produced, for example, by using an organic compound as a raw material, introducing an organic transition metal compound as a catalyst into a high-temperature reaction furnace together with a carrier gas, producing the carbon fiber, and then heat-treating the carbon fiber (Japan). Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-54998, Japanese Patent No. 2778434, etc.). Its fiber diameter is 2 to 1000 nm, preferably 10 to 500 nm, and its aspect ratio is preferably 10 to 15000. Further, as a structure peculiar to the vapor phase carbon fiber, there is a structure in which hexagonal net planes of graphite are laminated concentrically, and a hollow portion along the longitudinal direction exists inside the fiber.
気相法炭素繊維の原料となる有機化合物としては、トルエン、ベンゼン、ナフタレン、エチレン、アセチレン、エタン、メタン、天然ガス、一酸化炭素等のガスおよびそれらの混合物が挙げられる。中でもトルエン、ベンゼン等の芳香族炭化水素が好ましい。 Examples of the organic compound used as a raw material for the vapor-phase carbon fiber include gases such as toluene, benzene, naphthalene, ethylene, acetylene, ethane, methane, natural gas, and carbon monoxide, and mixtures thereof. Of these, aromatic hydrocarbons such as toluene and benzene are preferable.
有機遷移金属化合物は、触媒となる遷移金属を含むものである。遷移金属としては、周期律表第IVa、Va、VIa、VIIa、VIII族の金属が挙げられる。有機遷移金属化合物としてはフェロセン、ニッケロセン等の化合物が好ましい。 The organic transition metal compound contains a transition metal that serves as a catalyst. Examples of the transition metal include metals of Group IVa, Va, VIa, VIIa, and VIII of the Periodic Table. As the organic transition metal compound, compounds such as ferrocene and nickelocene are preferable.
気相法炭素繊維としては、未処理のもの、焼成処理されたもの、および黒鉛化処理されたものを挙げることができるが、これらの中では黒鉛化処理されたものを用いることが好ましい。黒鉛化処理された気相法炭素繊維を用いれば、金属酸化物層を気相法炭素繊維の表面に海島状に良好に形成することができる。 Examples of the vapor phase carbon fiber include untreated carbon fibers, calcined carbon fibers, and graphitized carbon fibers, and among these, graphitized carbon fibers are preferably used. If the graphitized vapor phase carbon fiber is used, the metal oxide layer can be satisfactorily formed on the surface of the vapor phase carbon fiber in a sea-island shape.
気相法炭素繊維の黒鉛化処理の方法としては、例えば、アルゴン雰囲気下、2800℃という条件で加熱処理する方法が挙げられる。黒鉛化処理された気相法炭素繊維は、XRDによるd002が0.3400nm未満である。 Examples of the method for graphitizing carbon fibers by the vapor phase method include a method of heat-treating the carbon fibers under the condition of 2800 ° C. in an argon atmosphere. The graphitized vapor phase carbon fiber has an XRD d 002 of less than 0.3400 nm.
[3]金属酸化物層
複合材料(I)に含まれる金属酸化物層を構成する金属酸化物は、特に限定されないが、Li、Na、K、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Pt、Ru、Rh、Pd、Ag、Al、Ga、In、Tl、SnおよびPbから選ばれる金属の酸化物を含むことが好ましく、チタン酸リチウム(Li2TiO3、LiTiO2、Li4Ti5O12、LiTi2O4など)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)および酸化チタン(非晶質)の群から選ばれる少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。チタン酸リチウムおよびニオブ酸リチウムはリチウムイオン伝導性に優れるとともに、固体電解質との表面の親和性が高いためである。チタン酸リチウムが最も好ましい。
[3] Metal Oxide Layer The metal oxide constituting the metal oxide layer contained in the composite material (I) is not particularly limited, but Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, It preferably contains oxides of metals selected from Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Pt, Ru, Rh, Pd, Ag, Al, Ga, In, Tl, Sn and Pb. At least one selected from the group of lithium titanate (Li 2 TiO 3 , LiTIO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4, etc.), lithium niobate (LiNbO 3 ) and titanium oxide (amorphous). It is more preferable to include it. This is because lithium titanate and lithium niobate are excellent in lithium ion conductivity and have a high surface affinity with a solid electrolyte. Lithium titanate is most preferred.
[4]他の成分
複合材料(I)は、上述した気相法炭素繊維および金属酸化物層以外の他の成分、例えば、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤および固体電解質粒子からなる群より選択される少なくとも1種をさらに含んでもよい。
[4] Other Components The composite material (I) is composed of components other than the above-mentioned vapor-phase carbon fiber and metal oxide layer, for example, a particulate conductive auxiliary agent, a fibrous conductive auxiliary agent, and solid electrolyte particles. It may further comprise at least one selected from the group.
粒子状導電助剤、繊維状導電助剤および固体電解質粒子は、金属酸化物層の表面に添着した構造であってもよいし、金属酸化物層に一部または全部が埋め込まれた構造であってもよい。 The particulate conductive auxiliary agent, the fibrous conductive auxiliary agent, and the solid electrolyte particles may have a structure adhered to the surface of the metal oxide layer, or have a structure in which a part or all of the metal oxide layer is embedded. You may.
他の成分の含有量は、気相法炭素繊維100質量部に対して、0.1質量部以上5.0質量部以下が好ましい。 The content of other components is preferably 0.1 part by mass or more and 5.0 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the vapor phase carbon fiber.
粒子状導電助剤としては、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックが挙げられる。複合材料(I)が粒子状導電助剤を含むことにより、複合材料(I)表面の電子伝導径路が増大する。
繊維状導電助剤としては、例えばカーボンナノチューブが挙げられる。複合材料(I)が繊維状導電助剤を含むことにより、複合材料(I)表面の電子伝導径路が増大する。
固体電解質粒子としては、例えば粒子状硫化物系固体電解質、粒子状酸化物系固体電解質が挙げられる。複合材料(I)が固体電解質粒子を含むことにより、電極層を調製する際に固体電解質の分散性が向上する。
他の成分を含む複合材料(I)は、例えば他の成分と複合材料(I)を遊星ボールミルで混合することにより、得ることができる。
Examples of the particulate conductive auxiliary agent include carbon black, acetylene black, and Ketjen black. When the composite material (I) contains the particulate conductive auxiliary agent, the electron conduction path on the surface of the composite material (I) is increased.
Examples of the fibrous conductive auxiliary agent include carbon nanotubes. When the composite material (I) contains a fibrous conductive auxiliary agent, the electron conduction path on the surface of the composite material (I) is increased.
Examples of the solid electrolyte particles include particulate sulfide-based solid electrolytes and particulate oxide-based solid electrolytes. The inclusion of the solid electrolyte particles in the composite material (I) improves the dispersibility of the solid electrolyte when preparing the electrode layer.
The composite material (I) containing other components can be obtained, for example, by mixing the other components and the composite material (I) with a planetary ball mill.
前記固体電解質粒子の体積基準の累積粒度分布における50%粒子径DpV50は10nm以上1μm以下が望ましい。DpV50は、レーザー回折式粒度分布測定装置を使用することで測定可能である。具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。 The 50% particle size D pV50 in the volume-based cumulative particle size distribution of the solid electrolyte particles is preferably 10 nm or more and 1 μm or less. D pV50 can be measured by using a laser diffraction type particle size distribution measuring device. Specifically, it can be measured by the method described in Examples.
[5]金属酸化物層の含有量
複合材料に含まれる気相法炭素繊維の質量を炭素・硫黄分析装置を用いて測定し、複合材料の質量から差し引くことで金属酸化物の含有量を求めることができる。また、複合材料に他の成分が付着している場合は、別途、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP−AES)等により、金属元素の定量分析から、それぞれの含有量を求めることも可能である。
複合材料(I)が金属酸化物層と構成元素が一部同一の固体電解質を含む場合は、例えばTEM−EELS等で金属酸化物層の組成と固体電解質の組成をそれぞれ明らかにしておき、上記定量分析によって得られる各元素の含有量からそれぞれの含有量を決定することができる。
[5] Content of metal oxide layer The mass of vapor-phase carbon fibers contained in the composite material is measured using a carbon / sulfur analyzer, and the content of the metal oxide is determined by subtracting it from the mass of the composite material. be able to. If other components are attached to the composite material, the content of each component can be separately determined by quantitative analysis of metal elements by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-AES) or the like. ..
When the composite material (I) contains a solid electrolyte in which the metal oxide layer and the constituent elements are partially the same, for example, TEM-EELS or the like is used to clarify the composition of the metal oxide layer and the composition of the solid electrolyte, respectively. The content of each element can be determined from the content of each element obtained by quantitative analysis.
[6]複合材料(I)の製造方法
以下、本発明の複合材料(I)の製造方法の実施形態を例示するが、本発明の複合材料(I)の製造方法は下記に限定されない。
[6] Method for Producing Composite Material (I) Hereinafter, embodiments of the method for producing the composite material (I) of the present invention will be exemplified, but the method for producing the composite material (I) of the present invention is not limited to the following.
本発明の一実施形態に係る複合材料(I)の製造方法は、金属アルコキシドおよび金属錯体(キレート錯体を含む)から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、流動状態にした炭素性材料に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および金属酸化物前駆体の付着した炭素性材料を熱処理して金属酸化物層を形成する工程を含む。 In the method for producing the composite material (I) according to the embodiment of the present invention, a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex (including a chelate complex) and a solvent is prepared. The step of spraying the precursor solution onto the fluidized carbon material, and the step of heat-treating the carbon material to which the metal oxide precursor is attached to form a metal oxide layer are included.
本発明の他の一実施形態に係る複合材料(I)の製造方法は、金属アルコキシドおよび金属錯体(キレート錯体を含む)から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、流動状態にした炭素性材料に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、およびゾル−ゲル反応によって金属酸化物前駆体から金属酸化物層を形成する工程を含む。 The method for producing the composite material (I) according to another embodiment of the present invention is a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex (including a chelate complex) and a solvent. The steps include a step of spraying the precursor solution onto the fluidized carbonaceous material, and a step of forming a metal oxide layer from the metal oxide precursor by a sol-gel reaction.
金属酸化物前駆体は、金属アルコキシドおよび金属錯体(キレート錯体を含む)から選ばれる少なくとも一種であり、溶媒中に安定して溶解するものが好ましい。具体的にはオルトチタン酸テトライソプロピル、ニオブ(V)エトキシド、バナジウム(V)トリエトキシドオキシド、アルミニウムトリエトキシド、ジルコニウム(IV)エトキシドなどが挙げられる。 The metal oxide precursor is at least one selected from metal alkoxides and metal complexes (including chelate complexes), and those that are stably dissolved in a solvent are preferable. Specific examples thereof include tetraisopropyl orthotitamate, niobium (V) ethoxide, vanadium (V) triethoxydo oxide, aluminum triethoxydo, and zirconium (IV) ethoxide.
溶媒は水または有機溶媒から選択され、金属酸化物前駆体を溶解できるものであれば特に限定されないが、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等、極性の大きな有機溶媒が好ましい。また、有機溶媒は沸点が200℃以下のものが好ましい。 The solvent is selected from water or an organic solvent, and is not particularly limited as long as it can dissolve the metal oxide precursor, but an organic solvent having a large polarity such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, butanol is preferable. The organic solvent preferably has a boiling point of 200 ° C. or lower.
前駆体溶液はリチウム化合物をさらに含むことが好ましい。この場合、金属酸化物がリチウムを含む金属酸化物となり、リチウムイオン伝導性が高くなる。リチウム化合物としては例えば、メトキシリチウム、エトキシリチウム等が挙げられる。 The precursor solution preferably further contains a lithium compound. In this case, the metal oxide becomes a metal oxide containing lithium, and the lithium ion conductivity is increased. Examples of the lithium compound include methoxylithium and ethoxylithium.
前駆体溶液における金属酸化物前駆体の濃度は、海島構造を形成しやすくする観点から、好ましくは1質量%以上、より好ましくは5質量%以上、さらに好ましくは10質量%以上である。また、金属酸化物前駆体の濃度は、高すぎると金属酸化物前体層の厚さが75nm以下の層になりにくいため、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは35質量%以下である。 The concentration of the metal oxide precursor in the precursor solution is preferably 1% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, still more preferably 10% by mass or more, from the viewpoint of facilitating the formation of a sea-island structure. Further, if the concentration of the metal oxide precursor is too high, the thickness of the metal oxide precursor layer is unlikely to be 75 nm or less, so that it is preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, still more preferable. Is 35% by mass or less.
気相法炭素繊維を流動状態にする方法は特に限定されないが、転動流動層や旋回流動層を用いる方法が挙げられ、転動流動層を用いる方法が好ましい。転動流動層の装置としては、例えばパウレック社製のMPシリーズが挙げられる。 Gas phase method The method of putting the carbon fibers into a fluidized state is not particularly limited, but a method using a rolling fluidized bed or a swirling fluidized bed can be mentioned, and a method using a rolling fluidized bed is preferable. Examples of the rolling fluidized bed device include the MP series manufactured by Paulec.
転動流動層を用いる場合、給気温度は有機溶媒の沸点+5〜20℃以上で運転することが好ましい。この範囲内とすることにより、厚さが75nm以下の金属酸化物前駆体層を形成しやすい。 When a rolling fluidized bed is used, the supply air temperature is preferably operated at the boiling point of the organic solvent + 5 to 20 ° C. or higher. Within this range, a metal oxide precursor layer having a thickness of 75 nm or less can be easily formed.
転動流動層を用いる場合、低湿雰囲気下で行うことが好ましい。低湿雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、または湿度25%以下の大気雰囲気等が挙げられる。 When a rolling fluidized bed is used, it is preferably performed in a low humidity atmosphere. Examples of the low humidity atmosphere include a nitrogen gas atmosphere, an argon gas atmosphere, and an air atmosphere having a humidity of 25% or less.
転動流動層の給気風量は限定されないが、気相法炭素繊維が完全に流動する条件が好ましい。 The amount of air supply to the rolling fluidized bed is not limited, but conditions under which the vapor-phase carbon fibers completely flow are preferable.
前駆体溶液を気相法炭素繊維に噴霧する方法は特に限定されないが、例えばチューブポンプ、コンプレッサーおよびスプレーノズルを用いる方法が挙げられる。 The method of spraying the precursor solution onto the vapor phase carbon fiber is not particularly limited, and examples thereof include a method using a tube pump, a compressor, and a spray nozzle.
前駆体溶液を噴霧後の気相法炭素繊維を熱処理することで金属酸化物層を形成することができる。また、ゾル−ゲル反応等により金属酸化物層を形成する場合は熱処理することなく金属酸化物層を形成することができる。
熱処理の条件は特に限定はないが、熱処理温度は200℃以上500℃以下が好ましい。昇温速度は10℃/h以上200℃/h以下が好ましい。最高温度の保持時間は1h以上5h以下が好ましい。降温速度は10℃/h以上300℃/h以下が好ましい。また、金属酸化物層に硫化物系固体電解質を含む場合は窒素ガス雰囲気下またはアルゴンガス雰囲気下で行うことが好ましい。
ゾル−ゲル反応の条件は、金属アルコキシド水溶液を用い、これを噴霧した際に加水分解が起き、酸化物粒子を生成させられれば特に限定されない。
A metal oxide layer can be formed by heat-treating the vapor-phase carbon fibers after spraying the precursor solution. Further, when the metal oxide layer is formed by a sol-gel reaction or the like, the metal oxide layer can be formed without heat treatment.
The heat treatment conditions are not particularly limited, but the heat treatment temperature is preferably 200 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. The rate of temperature rise is preferably 10 ° C./h or more and 200 ° C./h or less. The maximum temperature holding time is preferably 1 h or more and 5 hours or less. The temperature lowering rate is preferably 10 ° C./h or more and 300 ° C./h or less. When the metal oxide layer contains a sulfide-based solid electrolyte, it is preferably carried out in a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere.
The conditions of the sol-gel reaction are not particularly limited as long as an aqueous metal alkoxide solution is used and hydrolysis occurs when the aqueous solution is sprayed to generate oxide particles.
上述した粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子等の一部または全部が金属酸化物層に埋め込まれた構造とする場合は、前駆体溶液にこれらの成分を含ませて、次工程で気相法炭素繊維に噴霧することにより製造することができる。これら成分の配合量は、使用する気相法炭素繊維を100質量部としたとき0.1質量部以上10.0質量部以下が好ましい。 When a structure in which a part or all of the above-mentioned particulate conductive auxiliary agent, fibrous conductive auxiliary agent, solid electrolyte particles, etc. is embedded in the metal oxide layer, these components are contained in the precursor solution. It can be produced by spraying on vapor phase carbon fibers in the next step. The blending amount of these components is preferably 0.1 part by mass or more and 10.0 parts by mass or less when the vapor phase carbon fiber used is 100 parts by mass.
これら成分の前駆体溶液中の分散性を向上させるために、界面活性剤等の分散剤を前駆体溶液中に配合してもよい。 In order to improve the dispersibility of these components in the precursor solution, a dispersant such as a surfactant may be blended in the precursor solution.
また、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子等が金属酸化物層に添着された構造とする場合は、金属酸化物層形成後の複合材料の表面に前記成分を添着させることによっても製造できる。添着させる方法としては、撹拌混合造粒装置、スプレードライ等を用いる方法が挙げられる。撹拌混合造粒装置としてはパウレック社製のVGシリーズが挙げられる。添着量は複合材料中の気相法炭素繊維を100質量部としたとき0.1質量部以上10.0質量部以下が好ましい。 When the structure is such that the particulate conductive auxiliary agent, the fibrous conductive auxiliary agent, the solid electrolyte particles, etc. are attached to the metal oxide layer, the above components are attached to the surface of the composite material after the metal oxide layer is formed. It can also be manufactured by. Examples of the method of adhering include a method using a stirring and mixing granulator, a spray dry, and the like. Examples of the stirring and mixing granulator include the VG series manufactured by Paulec. The amount of the vaporized carbon fiber in the composite material is preferably 0.1 part by mass or more and 10.0 part by mass or less when 100 parts by mass is taken.
さらに、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子等を前駆体溶液に含ませる方法と添着させる方法を併用してもよく、さらに固体電解質層を表面に形成する方法も併用することもできる。これらを併用した場合でも、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子、固体電解質層等の合計量は、気相法炭素繊維を100質量部としたとき0.1質量部以上10.0質量部以下が好ましい。 Further, a method of incorporating a particulate conductive auxiliary agent, a fibrous conductive auxiliary agent, a solid electrolyte particle or the like in the precursor solution and a method of adhering the particles may be used in combination, and a method of forming a solid electrolyte layer on the surface is also used in combination. You can also do it. Even when these are used in combination, the total amount of the particulate conductive auxiliary agent, the fibrous conductive auxiliary agent, the solid electrolyte particles, the solid electrolyte layer, etc. is 0.1 part by mass or more when the vapor phase method carbon fiber is 100 parts by mass. It is preferably 10.0 parts by mass or less.
[7]全固体型リチウムイオン二次電池
本発明の一実施形態に係る全固体型リチウムイオン二次電池(以下、単に「電池(II)」ともいう。)は、正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、前記正極および前記負極の間に形成された固体電解質層とを有し、前記負極および前記正極のいずれか一方または両方が複合材料(I)を含有する。
[7] All-solid-state lithium-ion secondary battery The all-solid-state lithium-ion secondary battery according to an embodiment of the present invention (hereinafter, also simply referred to as “battery (II)”) is a positive electrode containing a positive electrode active material. And a negative electrode containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode and the negative electrode, and either one or both of the negative electrode and the positive electrode contains a composite material (I). ..
図1は、電池(II)の構成の一例を示した概略断面図である。以下、電池(II)に関し、必要に応じて図1を参照しながら説明するが、各構成要素に付した符号については省略することがある。
図1に示すように、全固体型リチウムイオン二次電池(II)1は、正極層112と、固体電解質層12と、負極層132とを備える。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the battery (II). Hereinafter, the battery (II) will be described with reference to FIG. 1 as necessary, but the reference numerals attached to the respective components may be omitted.
As shown in FIG. 1, the all-solid-state lithium ion secondary battery (II) 1 includes a
複合材料(I)を用いて電極層(正極層および負極層のいずれか一方または両方)を形成する場合、複合材料(I)と固体電解質の表面の親和性が高いことから、上記正極層112と固体電解質層12と負極層132とを積層して電池(II)を製造する際、1MPa(10kgf/cm2)以下の低圧で製造することができる。
When the electrode layer (either one or both of the positive electrode layer and the negative electrode layer) is formed using the composite material (I), the surface affinity between the composite material (I) and the solid electrolyte is high, so that the
正極11は、正極集電体111と正極層112とを有する。正極集電体111には、外部回路との電子の授受を行うための正極リード111aが接続されている。正極集電体111は、金属箔であることが好ましく、金属箔としては、アルミニウム箔を用いることが好ましい。
The
正極層112は、正極活物質および固体電解質を含み、さらに複合材料(I)、導電助剤、バインダー等を含んでもよい。正極活物質としては、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等の層状化合物、LiMn2O4等のスピネル型化合物、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCuPO4等のオリビン型化合物、Li2S等の硫化物等を使用することができる。また、これらの正極活物質はLTO(Lithium Tin Oxide)や炭素等でコーティングされていてもよい。
The
正極層112が複合材料(I)を含む場合、正極層112における複合材料(I)の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは1質量部以上、さらに好ましくは2質量部以上である。複合材料(I)の含有量が0.1質量部以上であることにより、正極活物質および固体電解質を正極層112内に均一に分布できる。また、正極層112における複合材料(I)の含有量は、好ましくは50質量部以下、より好ましくは40質量部以下、さらに好ましくは30質量部以下である。複合材料(I)の含有量が50質量部以下であることにより、正極活物質を電池ケースという限られた空間に必要量充填することができる。
When the
正極層112に含まれる固体電解質としては、後述する固体電解質層12で挙げられている材料を用いることができるが、固体電解質層12に含まれている材料と異なる材料を用いてもよい。正極層112における固体電解質の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは50質量部以上、より好ましくは70質量部以上、さらに好ましくは80質量部以上である。また、正極層112における固体電解質の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは200質量部以下、より好ましくは150質量部以下、さらに好ましくは125質量部以下である。
As the solid electrolyte contained in the
正極層112に含まれていてもよい導電助剤としては、粒子状炭素質導電助剤または繊維状炭素質導電助剤が好ましい。粒子状炭素質導電助剤としては、デンカブラック(登録商標)(電気化学工業株式会社製)、ケッチェンブラック(ライオン株式会社製)、黒鉛微粉SFGシリーズ(Timcal社製)、グラフェン等の粒子状炭素を使用することができる。繊維状炭素質導電助剤としては、気相法炭素繊維(VGCF(登録商標)、VGCF(登録商標)−H(昭和電工株式会社製))、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を使用することができる。サイクル特性に優れることから気相法炭素繊維「VGCF(登録商標)−H」(昭和電工株式会社製)が最も好ましい。正極層112における導電助剤の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上、より好ましくは1質量部以上である。また、正極合材層112における導電助剤の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは5質量部以下、より好ましくは3質量部以下である。
As the conductive auxiliary agent that may be contained in the
正極層112に含まれていてもよいバインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアセテート、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、スチレン−ブタジエンラバー、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。
Examples of the binder that may be contained in the
正極層112において、正極活物質100質量部に対するバインダーの含有量は、好ましくは0質量部以上10質量部以下、より好ましくは1質量部以上7質量部以下である。
In the
固体電解質層12は、正極層112と負極層132との間に介在し、正極層112と負極層132との間で、主にリチウムイオンによって電気が運ばれる相(イオン伝導相)である。固体電解質層12は、硫化物固体電解質および酸化物固体電解質からなる群から選ばれる少なくとも1つを含有することが好ましく、硫化物固体電解質を含有することがより好ましい。
The
硫化物固体電解質としては、硫化物ガラス、硫化物ガラスセラミックス、Thio−LISICON型硫化物などを挙げることができる。より具体的には、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI、Li2S−P2S5−LiCl、Li2S−P2S5−LiBr、Li2S−P2S5−Li2O、Li2S−P2S5−Li2O−LiI、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−LiBr、Li2S−SiS2−LiCl、Li2S−SiS2−B2S3−LiI、Li2S−SiS2−P2S5−LiI、Li2S−B2S3、Li2S−P2S5−ZmSn(式中、m、nは正の数、ZはGe、Zn、Gaのいずれかを表す。)、Li2S−GeS2、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−LixMOy(式中、x、yは正の数、MはP、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかを表す。)、Li10GeP2S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4、30Li2S・26B2S3・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P2S5、50LiS2・50GeS2、Li7P3S11、Li3.25P0.95S4、Li3PS4、Li2S・P2S3・P2S5等を挙げることができる。硫化物固体電解質材料は、非晶質であってもよく、結晶質であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。
Examples of the sulfide solid electrolyte include sulfide glass, sulfide glass ceramics, and Thio-LISION type sulfide. More specifically, for example, Li 2 S-P 2 S 5,
酸化物固体電解質としては、ペロブスカイト型、ガーネット型、LISICON型の酸化物が挙げられる。より具体的には、例えば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li7La3Zr2O12、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.3N0.46(LIPON)、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3等を挙げることができる。酸化物固体電解質材料は、非晶質であってもよく、結晶質であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。 Examples of the oxide solid electrolyte include perovskite-type, garnet-type, and LISION-type oxides. More specifically, for example, La 0.51 Li 0.34 TiO 2.94 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , 50Li 4 SiO 4・ 50Li 3 BO 3 , Li 2.9 PO 3.3 Examples thereof include N 0.46 (LIPON), Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , Li 1.07 Al 0.69 Ti 1.46 (PO 4 ) 3 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 . The oxide solid electrolyte material may be amorphous, crystalline, or glass-ceramic.
負極13は、負極集電体131と負極層132とを有する。負極集電体131には、外部回路と電子の授受を行うための負極リード131aが接続されている。負極集電体131は、金属箔であることが好ましく、金属箔としては、ステンレス箔、銅箔またはアルミニウム箔を用いることが好ましい。集電体の表面はカーボン等でコーティングされていてもよい。
The
負極層132は、負極活物質および固体電解質を含み、さらに複合材料(I)、バインダーおよび導電助剤等を含んでもよい。負極活物質としては、特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池の負極活物質として一般に用いられる黒鉛等の炭素性材料が挙げられる。前記炭素性材料としては、例えば、球状天然黒鉛や人造黒鉛が好ましい。
The
負極層132に含まれる固体電解質としては、固体電解質層12で挙げられている材料を用いることができるが、固体電解質層12に含まれる固体電解質あるいは正極層112に含まれている固体電解質と異なる材料を用いてもよい。負極層132における固体電解質の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは50質量部以上、より好ましくは70質量部以上、さらに好ましくは80質量部以上である。また、負極合材層132における固体電解質の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは200質量部以下、より好ましくは150質量部以下、さらに好ましくは125質量部以下である。
As the solid electrolyte contained in the
負極層132に含まれていてもよい導電助剤としては、正極層112の説明で挙げられた導電助剤を用いることができるが、正極層112に含まれる導電助剤と異なる材料を用いてもよい。負極層132における導電助剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上、より好ましくは1質量部以上である。また、負極層132における導電助剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは5質量部以下、より好ましくは3質量部以下である。
As the conductive auxiliary agent that may be contained in the
バインダーは、例えば、正極層112の説明で挙げた材料を用いることができるが、これらに限られない。負極層132において、負極活物質100質量部に対するバインダーの含有量は、0質量部以上10質量部以下であることが好ましく、0質量部以上5質量部以下であることがより好ましい。
As the binder, for example, the materials mentioned in the description of the
[8]その他の用途
上述のように、本発明に係る複合材料(I)は全固体型リチウムイオン二次電池の電極層に好適に用いられるが、それ以外にも、例えば液体型リチウムイオン二次電池用電極層、リチウムイオン二次電池用電極ペースト、リチウムイオン二次電池用集電体のコーティング材料、燃料電池における触媒層およびガス拡散層用材料、レドックスフロー電池用電極、強化材料用フィラー、熱伝導材料用フィラー、電子伝導材料用フィラーなどの用途にも好適に用いることができる。また、強磁性体、超伝導体、耐摩耗部材、ディスプレイなどの用途にも好適に用いることができる。
[8] Other Applications As described above, the composite material (I) according to the present invention is preferably used for the electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, but other than that, for example, a liquid lithium ion secondary battery. Electrode layer for secondary battery, electrode paste for lithium ion secondary battery, coating material for current collector for lithium ion secondary battery, material for catalyst layer and gas diffusion layer in fuel cell, electrode for redox flow battery, filler for reinforcing material , Fillers for heat conductive materials, fillers for electron conductive materials, etc. can also be suitably used. Further, it can be suitably used for applications such as ferromagnets, superconductors, wear-resistant members, and displays.
以下、本発明の実施例および比較例について説明するが、これらは本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施例および比較例の複合材料の評価方法、電池の作製方法、電池の特性の測定方法、および各例で用いた原料は以下の通りである。
Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described, but these do not limit the technical scope of the present invention.
The method for evaluating the composite material of Examples and Comparative Examples, the method for producing a battery, the method for measuring the characteristics of a battery, and the raw materials used in each example are as follows.
[1]複合材料の評価
[1−1]BET比表面積
BET比表面積測定装置としてカンタクローム(Quantachrome)社製NOVA2200e(登録商標)を用い、サンプルセル(9mm×135mm)に3gのサンプルを入れ、300℃、真空条件下で1時間乾燥後、測定を行った。BET比表面積測定用のガスとしてN2を用いた。
[1] Evaluation of composite material [1-1] BET specific surface area Using NOVA2200e (registered trademark) manufactured by Quantachrome as a BET specific surface area measuring device, 3 g of a sample was placed in a sample cell (9 mm × 135 mm). The measurement was carried out after drying for 1 hour under vacuum conditions at 300 ° C. N 2 was used as the gas for measuring the BET specific surface area.
[1−2]50%粒子径(DpV50)
レーザー回折式粒度分布測定装置としてマルバーン製マスターサイザー3000(Mastersizer;登録商標)を用い、5mgのサンプルを容器に入れ、界面活性剤が0.04質量%含まれた水を10g加えて5分間超音波処理を行った後に測定を行い、体積基準累積粒度分布における50%粒子径(DpV50)を得た。
[1-2] 50% particle size (D pV50 )
Using a Malvern Mastersizer 3000 (registered trademark) as a laser diffraction type particle size distribution measuring device, put a 5 mg sample in a container, add 10 g of water containing 0.04% by mass of a surfactant, and add 10 g for more than 5 minutes. Measurement was performed after ultrasonic treatment to obtain a 50% particle size (D pV50 ) in the volume-based cumulative particle size distribution.
[1−3]面間隔d002
気相法炭素繊維と標準シリコン(NIST製)が9対1の質量比になるように混ぜた混合物をガラス製試料板(試料板窓18×20mm、深さ0.2mm)に充填し、以下のような条件で測定を行った。
XRD装置:リガク製SmartLab(登録商標)
・X線種:Cu−Kα線
・Kβ線除去方法:Niフィルター
・X線出力:45kV、200mA
・測定範囲:24.0〜30.0deg.
・スキャンスピード:2.0deg./min
得られた波形に対し、学振法を適用し面間隔d002の値を求めた(Iwashita et al., Carbon, vol.42(2004), p.701−714参照)。なお、以下の実施例および比較例では、気相法炭素繊維を金属酸化物でコーティングしても、すなわち複合材料を形成しても、面間隔d002は変化しない。
[1-3] Surface spacing d 002
A mixture of vapor-phase carbon fiber and standard silicon (manufactured by NIST) mixed so as to have a mass ratio of 9: 1 was filled in a glass sample plate (sample plate window 18 × 20 mm, depth 0.2 mm). The measurement was performed under the following conditions.
XRD device: Rigaku SmartLab®
・ X-ray type: Cu-Kα ray ・ Kβ ray removal method: Ni filter ・ X-ray output: 45kV, 200mA
-Measurement range: 24.0 to 30.0 deg.
-Scan speed: 2.0 deg. / Min
The value of the surface spacing d 002 was obtained by applying the Gakushin method to the obtained waveform (see Iwashita et al., Carbon, vol. 42 (2004), p. 701-714). In the following Examples and Comparative Examples, the surface spacing d 002 does not change even if the vapor phase carbon fibers are coated with a metal oxide, that is, even if a composite material is formed.
[1−4]金属酸化物層の平均厚さ
金属酸化物層22の平均厚さtは以下の方法で求めた。
(1)透過型電子顕微鏡(TEM)で観察される複合材料の中から1つの複合材料A1をランダムに抽出する。
(2)抽出された複合材料A1において、金属酸化物層22が形成されている部分をランダムに1箇所選び、選ばれた部分の金属酸化物層22の厚さt1を測定する。厚さt1は、気相法炭素繊維21の表面に垂直な線と気相法炭素繊維21の表面との交点x1、およびこの垂直な線と金属酸化物層22の外周との交点x2を求め、求めた交点x1とx2との間の距離を測定することにより求める。
(3)前記の(1)および(2)を50回繰り返す。すなわち、TEMで観察される複合材料の中からランダムに抽出される50個の複合材料A1〜A50において測定される金属酸化物層22の厚さt1〜t50を測定する。なお、ランダムに抽出される複合材料A1〜A50はいずれも互いに重複しない。
(4)得られた値t1〜t50の算術平均値を金属酸化物層22の平均厚さtとする。
[1-4] Average Thickness of Metal Oxide Layer The average thickness t of the
(1) One composite material A1 is randomly extracted from the composite materials observed by a transmission electron microscope (TEM).
(2) In the extracted composite material A1, one portion where the
(3) The above (1) and (2) are repeated 50 times. That is, the thicknesses t1 to t50 of the
(4) Let the arithmetic mean value of the obtained values t1 to t50 be the average thickness t of the
TEMにより複合材料を観察し、金属酸化物層が炭素繊維に付着していることを確認した。 The composite material was observed by TEM, and it was confirmed that the metal oxide layer was attached to the carbon fibers.
[1−5]被覆層の含有量
複合材料に含まれる気相法炭素繊維の質量を堀場製作所製の炭素・硫黄分析装置EMIA(登録商標)−320Vを用いて測定し、複合材料の質量から差し引くことで金属酸化物の含有量を求めた。
[1-5] Content of coating layer The mass of vapor-phase carbon fibers contained in the composite material was measured using a carbon / sulfur analyzer EMIA (registered trademark) -320V manufactured by HORIBA, Ltd., and was measured from the mass of the composite material. The content of the metal oxide was determined by subtracting it.
[1−6]金属酸化物層による被覆率
被覆率はSEM像から得られる二値化像から算出した。白い領域が金属酸化物層となるように調整した。
被覆率=白い領域の合計の面積/粒子全体の面積×100[%]
本明細書において、『被覆率』とは、上記のように、SEM像の二値化から、上式を用いて算出されるものと定義する。
[1-6] Coverage by metal oxide layer The coverage was calculated from the binarized image obtained from the SEM image. The white area was adjusted to be the metal oxide layer.
Coverage = total area of white area / total area of particles x 100 [%]
In the present specification, the “coverage” is defined as being calculated by using the above equation from the binarization of the SEM image as described above.
具体的な方法は以下の通り。SEMにて複合材料一本の全体が映るように調整し、画像を取得した。その際にオートコントラストを使用した。取得したSEM像をPhotoshop(Adobe製)で開き、「イメージ/モード/グレースケール」を選択し、次いで「イメージ/色調補正/平均化(イコライズ)」を実施した。さらに「イメージ/色調補正/2階調化」を選択し、しきい値を110にして実行した。「クイック選択ツール」を選択し、「自動調整」にチェックし、「硬さ」を100%、「間隔」を25%に設定し、「直径」は任意に調整した。複合材料全体を選択し、「イメージ/解析/計測値を記録」を選択し面積を算出した。その後、白い領域(1つのドメインと認識されるもの)を選択し、同様に面積を測定した。複数の領域がある場合はすべての領域を一つずつ測定した。すべての白い領域の合計面積を算出した。ここで、1つのドメインと認識される範囲の境界は白い領域の幅が0.1μm以下になったところとした。ランダムに抽出した50個の複合材料に関して上記測定を行い、その平均値を被覆率とした。なお、「クイック選択ツール」を選択する前に「イメージ/解析/計測スケールを設定/カスタム」を選択し、SEM像のスケールバーの値をピクセル換算しておく。ただし、SEM像の二値化による被覆率の算出は他のソフトを用いてもよく、また組成分析像などから求めてもよい。 The specific method is as follows. The image was acquired by adjusting the SEM so that the entire composite material could be seen. At that time, auto contrast was used. The acquired SEM image was opened in Photoshop (manufactured by Adobe), "image / mode / grayscale" was selected, and then "image / color tone correction / averaging (equalization)" was performed. Further, "image / color tone correction / two gradations" was selected, and the threshold value was set to 110 for execution. "Quick selection tool" was selected, "automatic adjustment" was checked, "hardness" was set to 100%, "interval" was set to 25%, and "diameter" was adjusted arbitrarily. The entire composite material was selected and "Record image / analysis / measurement" was selected to calculate the area. Then, a white area (recognized as one domain) was selected and the area was measured in the same manner. When there were multiple regions, all regions were measured one by one. The total area of all white areas was calculated. Here, the boundary of the range recognized as one domain is the place where the width of the white region is 0.1 μm or less. The above measurement was performed on 50 randomly extracted composite materials, and the average value was taken as the coverage ratio. Before selecting the "quick selection tool", select "image / analysis / set measurement scale / custom" and convert the value of the scale bar of the SEM image into pixels. However, the calculation of the coverage by binarizing the SEM image may be performed by using other software, or may be obtained from a composition analysis image or the like.
[2]電池の作製
以下、実施例および比較例で得られた複合材料を用いた電池の作製方法について説明する。ここで作製する電池の各構成について、図1に示された参照符号が付された構成に対応するものは、その対応する構成の参照符号を付して説明する。
[2] Preparation of Battery Hereinafter, a method for producing a battery using the composite materials obtained in Examples and Comparative Examples will be described. Regarding each configuration of the battery produced here, those corresponding to the configurations with reference numerals shown in FIG. 1 will be described with reference numerals of the corresponding configurations.
[2−1]固体電解質層12の準備
アルゴンガス雰囲気下で出発原料のLi2S(日本化学工業株式会社製)とP2S5(シグマアルドリッチジャパン合同会社製)を75:25のモル比率で秤量して混ぜ合わせ、遊星型ボールミル(P−5型、フリッチュ・ジャパン株式会社製)およびジルコニアボール(10mmφ7個、3mmφ10個)を用いて20時間メカニカルミリング(回転数400rpm)することにより、DpV50が0.3μmのLi3PS4の非晶質固体電解質を得た。
得られた非晶質固体電解質を、内径10mmφのポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて、一軸プレス成形機によりプレス成形を行うことで、厚さ960μmのシートとして固体電解質層12を準備した。
[2-1] Preparation of
The obtained amorphous solid electrolyte was press-molded by a uniaxial press molding machine using a polyethylene die having an inner diameter of 10 mmφ and a punch made of SUS to prepare a
[2−2]負極層132の準備
実施例および比較例で得られた複合材料3質量部と、中国製人造黒鉛(DpV50:12μm、BET:1.8m2/g)48.5質量部と、固体電解質(Li3PS4、DpV50:8μm)48.5質量部とを混合した。この混合物を、遊星型ボールミルを用いて100rpmで1時間ミリング処理することにより均一化した。均一化された混合物を、内径10mmφポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて一軸プレス成形機により400MPaでプレス成形して、厚さ65μmのシートとして負極層132を準備した。
[2-2] Preparation of Negative Electrode Layer 132 3 parts by mass of the composite material obtained in Examples and Comparative Examples and 48.5 parts by mass of artificial graphite (D pV50: 12 μm, BET: 1.8 m 2 / g) made in China. Was mixed with 48.5 parts by mass of a solid electrolyte (Li 3 PS 4 , D pV50: 8 μm). The mixture was homogenized by milling at 100 rpm for 1 hour using a planetary ball mill. The homogenized mixture was press-molded at 400 MPa by a uniaxial press molding machine using a polyethylene die having an inner diameter of 10 mmφ and a punch made of SUS to prepare a
[2−3]正極層112の準備
実施例および比較例で得られた複合材料3質量部と、正極活物質LiCoO2(日本化学工業株式会社製、DpV50:10μm)55質量部と、固体電解質(Li3PS4、DpV50:8μm)42質量部とを混合した。この混合物を、遊星型ボールミルを用いて100rpmで1時間ミリング処理することにより均一化した。均一化された混合物を、内径10mmφポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて一軸プレス成形機により400MPaでプレス成形して、厚さ65μmのシートとして正極層112を準備した。
[2-3] Preparation of
[2−4]全固体型リチウムイオン二次電池1の組み立て
内径10mmφポリエチレン製ダイの中に、上記で得られた負極層132、固体電解質層12、正極層112の順に積層し、負極層132側および正極層112側の両側からSUS製のパンチで100MPaの圧力で挟み、負極層132、固体電解質層12、および正極層112を接合して積層体Aを得た。
得られた積層体Aを一旦ダイから取り出し、上記ダイの中に、下から負極リード131a、銅箔(負極集電体131)、負極層132を下側に向けた積層体A、アルミニウム箔(正極集電体111)、正極リード111aの順に重ねて、負極リード131a側および正極リード111a側の両側からSUS製のパンチで1MPaの圧力で挟み、負極リード131a、銅箔、積層体A、アルミニウム箔、および正極リード111aを接合して全固体型リチウムイオン二次電池1を得た。
[2-4] Assembly of All-Solid Lithium Ion Secondary Battery 1 The
The obtained laminate A is once taken out from the die, and in the die, the
[3]電池の評価
以下の電池評価はすべて25℃の大気中で行った。
[3] Battery evaluation The following battery evaluations were all performed in the air at 25 ° C.
[3−1]クーロン効率の測定
上記の通り作製された全固体型リチウムイオン二次電池1に対し、レストポテンシャルから4.2Vになるまで1.25mA(0.05C)で定電流充電を行った。続いて4.2Vの一定電圧で40時間の定電圧充電を行った。定電流、定電圧による充電容量の和(単位:mAh)を初回充電容量Qc1とした。
次に、1.25mA(0.05C)で2.75Vになるまで定電流放電を行った。定電流放電による放電容量(単位:mAh)を初回放電容量Qd1とする。初回放電容量Qd1(mAh)を正極層中の活物質の質量で割った値を初回放電比容量(単位:mAh/g)とした。
また、初回充電容量Qc1に対する初回放電容量Qd1を百分率で表した数値、100×Qd1/Qc1を初回クーロン効率(%)とした。
[3-1] Measurement of Coulomb Efficiency The all-solid-state lithium-ion secondary battery 1 manufactured as described above is constantly charged at 1.25 mA (0.05 C) from the rest potential to 4.2 V. rice field. Subsequently, a constant voltage charge of 4.2 V was performed for 40 hours. The sum of the charging capacities (unit: mAh) by constant current and constant voltage was defined as the initial charging capacity Q c1 .
Next, constant current discharge was performed at 1.25 mA (0.05 C) until the voltage reached 2.75 V. The discharge capacity (unit: mAh) due to constant current discharge is defined as the initial discharge capacity Q d1 . The value obtained by dividing the initial discharge capacity Q d1 (mAh) by the mass of the active material in the positive electrode layer was defined as the initial discharge specific volume (unit: mAh / g).
Further, the initial discharge capacity Q d1 with respect to the initial charge capacity Q c1 was defined as a percentage, and 100 × Q d1 / Q c1 was defined as the initial coulomb efficiency (%).
[3−2]3Cレート容量維持率の評価
上記と同様の手順で充電した後、2.5mA(0.1C)で2.75Vになるまで定電流放電して測定される放電容量Q2.5d(単位:mAh)を測定した。上記と同様の手順で充電した後、75mA(3.0C)で2.75Vになるまで定電流放電して測定される放電容量Q75d(単位:mAh)を測定した。100×Q75d/Q2.5dを3Cレート容量維持率(%)とした。
[3-2] Evaluation of 3C rate capacity retention rate Discharge capacity Q 2.5d measured by constant current discharge at 2.5mA (0.1C) until it reaches 2.75V after charging in the same procedure as above. (Unit: mAh) was measured. After charging in the same procedure as above, the discharge capacity Q 75d (unit: mAh) measured by constant current discharge at 75 mA (3.0 C) until it reached 2.75 V was measured. 100 × Q 75d / Q 2.5d was defined as the 3C rate capacity retention rate (%).
[3−3]100サイクル容量維持率の評価
充電は4.2Vになるまで5.0mA(0.2C)の定電流で行い、続いて4.2Vの定電圧で、電流値が1.25mA(0.05C)に減少するまで定電圧充電を行った。放電は25mA(1.0C)の定電流で、電圧が2.75Vになるまで行った。
これらの充放電を100回行い、100回目の放電容量Qd100として、100×Qd100/Qd1を100サイクル容量維持率(%)とした。
[3-3] Evaluation of 100-cycle capacity retention rate Charging is performed with a constant current of 5.0 mA (0.2 C) until it reaches 4.2 V, and then at a constant voltage of 4.2 V, the current value is 1.25 mA. Constant voltage charging was performed until the voltage decreased to (0.05C). The discharge was performed with a constant current of 25 mA (1.0 C) until the voltage reached 2.75 V.
These charges and discharges were performed 100 times, and 100 × Q d100 / Q d1 was defined as the 100-cycle capacity retention rate (%) as the 100th discharge capacity Q d100.
[4]原料
表1に示されている原料の詳細は以下の通りである。
[4] Raw Materials Details of the raw materials shown in Table 1 are as follows.
・VGCF(登録商標)黒鉛化品:昭和電工株式会社製の気相法炭素繊維、VGCF(登録商標)−Hを用いた。この炭素繊維は平均繊維径Dfaが150nm、BET比表面積が13m2/g、XRD測定によるd002が0.3380nmである。 -VGCF (registered trademark) graphitized product: VGCF (registered trademark) -H, a vapor phase carbon fiber manufactured by Showa Denko KK, was used. The average fiber diameter D fa of this carbon fiber is 150 nm, the BET specific surface area is 13 m 2 / g, and d 002 measured by XRD is 0.3380 nm.
[実施例1〜9,比較例1〜2]
各実施例および各比較例において、表1に示す原料を表1に示す割合で転動流動コーティング装置(MP−01_mini、株式会社パウレック製)に投入し、下記および表1に示す条件で、前駆体溶液を完全にスプレーしきるまで、気相法炭素繊維を転動および流動させた。得られた複合化物に対し、表1に示すように、熱処理を行うものについては、電気式管状炉にて下記条件で熱処理を行い、複合材料を得た。得られた複合材料の物性および電池評価の結果を表2に示す。
[Examples 1 to 9, Comparative Examples 1 to 2]
In each Example and each Comparative Example, the raw materials shown in Table 1 were charged into a rolling fluid coating apparatus (MP-01_mini, manufactured by Paulec Co., Ltd.) at the ratio shown in Table 1, and the precursors were subjected to the conditions shown below and Table 1. The vapor phase carbon fibers were rolled and fluidized until the body solution was completely sprayed. As shown in Table 1, the obtained composite material was heat-treated in an electric tube furnace under the following conditions to obtain a composite material. Table 2 shows the physical characteristics of the obtained composite material and the results of battery evaluation.
転動流動コーティング装置の運転条件
・ローター:標準
・フィルター:FPM
・メッシュ:800M
・ノズル形式:NPX−II
・ノズル口径:1.2mm
・ノズル位置:接線
・ノズル数:1
・ローター回転速度:400rpm
・スプレー窒素圧:0.17(MPa)
・払い落とし圧:0.2(MPa)
・フィルター払い落とし時間/インターバル:4.0/0.3(sec/sec)
Operating conditions of rolling flow coating equipment ・ Rotor: Standard ・ Filter: FPM
・ Mesh: 800M
・ Nozzle type: NPX-II
・ Nozzle diameter: 1.2 mm
・ Nozzle position: Tangent ・ Number of nozzles: 1
・ Rotor rotation speed: 400 rpm
-Spray nitrogen pressure: 0.17 (MPa)
・ Blow-off pressure: 0.2 (MPa)
-Filter removal time / interval: 4.0 / 0.3 (sec / sec)
熱処理条件
・雰囲気:アルゴン
・最高温度:400℃
・最高温度保持時間:1時間
・昇温速度:150℃/h
・降温速度:150℃/h
Heat treatment conditions ・ Atmosphere: Argon ・ Maximum temperature: 400 ℃
・ Maximum temperature holding time: 1 hour ・ Temperature rise rate: 150 ℃ / h
・ Temperature drop rate: 150 ℃ / h
表2から、以下のことが判明した。
実施例1から、気相法炭素繊維VGCF(登録商標)−Hを表1に示す条件で、チタン酸リチウムで被覆した複合材料は被覆率が50%であった。この複合材料を全固体型リチウムイオン二次電池の正極層および負極層の成分として用いた場合、該電池の特性は良好と評価されるものであった。
実施例2から、金属酸化物層による被覆率が20%でも、電池の特性は十分によい。
実施例3から、金属酸化物層による被覆率が80%でも、電池の特性は十分によい。
実施例4から、複合材料のBET比表面積が8.0m2/gでも、電池の特性は十分によい。
実施例5から、複合材料のBET比表面積が6.6m2/gでも、電池の特性は十分によい。
実施例6から、金属酸化物層の平均厚さが50nmでも、電池の特性は十分によい。
実施例7から、金属酸化物層の平均厚さが10nmでも、電池の特性は十分によい。
実施例8から、金属酸化物層としてニオブ酸リチウムを用いた場合でも、電池の特性はよい。
実施例9から、金属酸化物層として酸化チタン(非晶質)を用いた場合でも、電池の特性はよい。熱処理を行わなくても電池の特性はよい。
比較例1から、金属酸化物層による被覆率が10%であると、電池の特性は比較的悪い。
比較例2から、金属酸化物層による被覆が行われていないと、電池の特性は比較的悪い。
From Table 2, the following was found.
From Example 1, the composite material coated with lithium titanate under the conditions shown in Table 1 for the vapor phase carbon fiber VGCF (registered trademark) -H had a coverage of 50%. When this composite material was used as a component of the positive electrode layer and the negative electrode layer of the all-solid-state lithium ion secondary battery, the characteristics of the battery were evaluated as good.
From Example 2, even if the coverage with the metal oxide layer is 20%, the characteristics of the battery are sufficiently good.
From Example 3, even if the coverage with the metal oxide layer is 80%, the characteristics of the battery are sufficiently good.
From Example 4, even if the BET specific surface area of the composite material is 8.0 m 2 / g, the characteristics of the battery are sufficiently good.
From Example 5, even if the BET specific surface area of the composite material is 6.6 m 2 / g, the characteristics of the battery are sufficiently good.
From Example 6, even if the average thickness of the metal oxide layer is 50 nm, the characteristics of the battery are sufficiently good.
From Example 7, even if the average thickness of the metal oxide layer is 10 nm, the characteristics of the battery are sufficiently good.
From Example 8, even when lithium niobate is used as the metal oxide layer, the characteristics of the battery are good.
From Example 9, even when titanium oxide (amorphous) is used as the metal oxide layer, the characteristics of the battery are good. The characteristics of the battery are good without heat treatment.
From Comparative Example 1, when the coverage by the metal oxide layer is 10%, the characteristics of the battery are relatively poor.
From Comparative Example 2, if the coating with the metal oxide layer is not performed, the characteristics of the battery are relatively poor.
1:全固体型リチウムイオン二次電池
11:正極
111:正極集電体
111a:正極リード
112:正極層
12:固体電解質層
13:負極
131:負極集電体
131a:負極リード
132:負極層
2:複合材料
21:気相法炭素繊維
22:金属酸化物層
1: All-solid-state lithium-ion secondary battery 11: Positive electrode 111: Positive electrode
Claims (15)
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
金属酸化物前駆体が付着した気相法炭素繊維を熱処理して金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 1 to 9.
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent.
A composite including a step of spraying the precursor solution on the gas phase carbon fiber in a fluid state and a step of heat-treating the vapor phase carbon fiber to which the metal oxide precursor is attached to form a metal oxide layer. Material manufacturing method.
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
ゾル−ゲル反応によって金属酸化物前駆体から金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 1 to 9.
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent.
A method for producing a composite material, which comprises a step of spraying the precursor solution onto the fluidized vapor phase carbon fibers and a step of forming a metal oxide layer from the metal oxide precursor by a sol-gel reaction.
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