JP2021535581A - コアシェル型複合負極材料、その調製方法及び応用 - Google Patents
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Abstract
Description
回収対象正極材料を酸化性雰囲気で焼結し、回収された正極材料を得る工程を含み、
前記酸化性雰囲気におけるガスがCO2を含む。
好ましくは、前記酸化性雰囲気は、CO2と強酸化性ガスを含み、前記強酸化性ガスの分圧比≦0.2であり、例えば0.01、0.05、0.1、0.12、0.15または0.2等である。
好ましくは、前記静的焼結では、収容厚さが1〜100mmであり、好ましくは10〜50mmであり、例えば5mm、10mm、20mm、30mm、50mm、70mm、80mmまたは90mm等である。
(1)廃電池板をチューブ炉に入れ、窒素雰囲気において450〜550℃で1〜3h焼成し、剥離後の廃正極材料を得、その後、ドライ焼成剥離後の廃正極材料を機械破砕し、粒度分布D50が0.5〜5.0μmである回収対象正極材料を得る工程と、
(2)CO2含有酸化性雰囲気において、前記回収対象正極材料を730〜780℃の温度でチューブ炉で10〜15h焼結し、ガス流量が5〜15m3/hであり、回収された正極材料を得、前記CO2含有酸化性雰囲気におけるCO2の分圧比が0.1〜1である工程とを含む。
好ましくは、前記正極材料の炭素含有量が2〜5wt%であり、例えば2.5wt%、2.6wt%、2.8wt%、3wt%、3.4wt%、3.5wt%、3.8wt%、4wt%、4.5wt%または4.7wt%等である。
正極材料の回収方法は、
(1)廃リン酸鉄リチウム板をチューブ炉に入れ、窒素雰囲気において500℃で2h焼成し、剥離後の廃リン酸鉄リチウム材料を得、その後、ドライ焼成剥離後の廃リン酸鉄リチウム材料を気流粉砕し、粒度分布D50が1.5μmである回収対象正極材料を得る工程と、
(2)前記回収対象正極材料をCO2の分圧比が1である酸化性雰囲気に入れ、回収対象正極材料のグラファイト坩堝での材料敷き厚さが30mmであり、750℃で12h焼結し、粒子径D50が2.1μmである正極材料を得る工程とを含む。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における酸化性雰囲気は、CO2とO2との混合雰囲気であり、CO2の分圧比が0.8であり、O2の分圧比が0.2であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における酸化性雰囲気におけるガスは、CO2とO2との混合ガスであり、CO2の分圧比が0.9であり、O2の分圧比が0.1であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における酸化性雰囲気は、CO2とO2との混合雰囲気であり、CO2の分圧比が0.7であり、O2の分圧比が0.3であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における酸化性雰囲気は、CO2と窒素ガスとの混合雰囲気であり、CO2の分圧比が0.9であり、窒素ガスの分圧比が0.1であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における酸化性雰囲気は、CO2と窒素ガスとの混合雰囲気であり、CO2の分圧比が0.1であり、窒素ガスの分圧比が0.9であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における酸化性雰囲気は、CO2と窒素ガスとの混合雰囲気であり、CO2の分圧比が0.05であり、窒素ガスの分圧比が0.95であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における焼結温度が730℃であった。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)における焼結温度が780℃であった。
正極材料の回収方法は、
(1)廃リン酸鉄リチウム板をジメチルスルホキシドに浸漬し、20KHzで10min超音波処理し、ウェット剥離が行われた正極材料を得、前記正極材料をD50が0.8μmになるまでウェットボールミルし、その後、破砕された正極材料を噴霧乾燥し、前記噴霧乾燥のスラリー固形分が5%であり、粒子径D50が1.0μmである回収対象正極材料を得る工程と、
(2)前記回収対象正極材料をCO2の分圧比が1である酸化性雰囲気に入れ、回収対象正極材料のグラファイト坩堝での材料敷き厚さが30mmであり、780℃で10h焼結し、粒子径D50が1.8μmである正極材料を得る工程とを含む。
正極材料の回収方法は、
(1)廃リン酸鉄リチウム板をN,N−ジメチルアセトアミドに浸漬し、40KHzで60min超音波処理し、ウェット剥離が行われた正極材料を得、前記正極材料をD50が0.8μmになるまでウェットボールミルし、その後、破砕された正極材料を噴霧乾燥し、前記噴霧乾燥のスラリー固形分が40%であり、粒子径D50が1.0μmである回収対象正極材料を得る工程と、
(2)前記回収対象正極材料をCO2の分圧比が1である酸化性雰囲気に入れ、回収対象正極材料のグラファイト坩堝での材料敷き厚さが30mmであり、730℃で15h焼結し、粒子径D50が1.5μmである正極材料を得る工程とを含む。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)において、工程(1)で得られた回収対象正極材料を、酸化性雰囲気で酸化を行わず、窒素ガス雰囲気において750℃で12h焼結する。
実施例1との相違点は、以下のとおりである。
工程(2)において、酸化性雰囲気は、分圧比が1である二酸化窒素雰囲気である。
調製された正極材料に対して以下の性能測定を行った。
(1)電池の組立
本出願で作製された正極材料を正極板とし、負極が金属リチウム板であり、セパレータがCelgard2400であり、電解液が1mol/LのLiPF6、炭酸ジメチル及びエチルメチルカーボネートの混合液(体積比1:1:1)であり、CR2025型ボタン電池に組み立てた。正極板の調製プロセスは、調製された正極材料、導電剤であるアセチレンブラック、及びバインダーであるPVDF(ポリビニリデンフルオリド)を93:2:3の質量比で、N−メチルピロリドンであるNMPを溶剤として混合して、スラリーを形成し、その後、それをアルミ箔にコーティングし、コーティングされたアルミ箔を通常使用されたオーブン50℃に入れ、ゆっくり乾燥し、その後、真空オーブンに移動させて、110℃で10h乾燥し、要求される電極板を得、圧延して直径が8.4mmである円板に切断し、正極板とした。
(2)電気化学的測定
常温条件で、製造されたボタン電池を武漢金諾電子有限公司製LAND電池測定システムで測定し、充放電電圧区間が3.0〜4.3Vであり、1C電流密度を170mA/gとして定義し、1C電流密度での200サイクル後の容量維持率を測定し、また、0.1C、0.3C、0.5C、1C、2C、3C、5C、10Cでのレート性能を測定した。
(3)タップ密度測定
タップ密度測定計により測定し、圧力が6600ポンドであり、横断面積が1.3cm2であった。
(4)元素含有率測定
誘導結合プラズマ分光計により測定した。
第1活物質、第2活物質を混合して造粒し、第1前駆体を得るステップ(1)と、
第1前駆体を炭素被覆により改質し、その後、焼結して、コアシェル型複合負極材料を得るステップ(2)とを含み、
ここで、前記第1活物質は、シート状のシリコン系材料であり、前記第2活物質は、シート状のグラファイト材料である。
本出願の方法の任意選択の技術案として、前記シート状のシリコン系材料は、粒子のアスペクト比が15〜100であり且つ1.5が含まれなく、前記粒子のアスペクト比が粒子最大長さと最小長さの比である。
(i)X線回折装置X'PertPro、PANalyticalにより材料の構造を測定する。
(ii)以下の方法により初回充放電性能を測定する。
負極材料、アセチレンブラック、CMC、SBRを質量比95:2:1.5:1.5で純水に分散して混合し、さらに、銅箔集電体に塗布し、真空乾燥させて、負極板を得る。その後、通常の生産プロセスにより、従来の成熟したプロセスで調製された三元系正極板(NCM811)、1mol/LのLiPF6/EC+DMC+EMC(v/v=1:1:1)電解液、SK(12μm)セパレータ、ハウジングを18650円筒形電池に組み立てる。円筒形電池の充放電測定は、武漢金諾電子有限会社製LAND電池測定システムにて、常温条件下、1C倍率、定電流で充放電し、充放電電圧を2.75−4.2Vに抑えて行われ、その測定結果が表1に示される。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が80nmでアスペクト比が8であるシート状シリコン、メディアン径が400nmでアスペクト比が3であるシート状SiO0.98、及びメディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトを質量比30:30:40で混練して前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体Aと葡萄糖とを質量比70:30でエタノールに分散し、乾燥させて前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bを箱型炉に入れ、窒素を導入して、800℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.5μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が200nmでアスペクト比が25であるシート状のシリコン、メディアン径が900nmでアスペクト比が7.0であるシート状Si−Fe合金、及びメディアン径が8μmでアスペクト比が3であるシート状の人造グラファイトを質量比45:5:50で混合して加熱し、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びピッチを質量比80:20でミキサーに入れ、混合して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをチューブ炉中に入れ、アルゴンガスを導入して、900℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.3μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が200nmでアスペクト比が4であるシート状SiO1.05、メディアン径が600nmでアスペクト比が10であるシート状Si−Cu合金、及びメディアン径が10μmでアスペクト比が21であるシート状の天然グラファイトを質量比30:35:35で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体Aを回転炉に入れ、アセチレンガスを導入して、800℃で2h堆積して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをローラーハース窯に入れ、窒素を導入して、700℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.1μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が250nmでアスペクト比が12であるシート状Si−Ni合金、メディアン径が300nmでアスペクト比が6であるシート状SiO1.0、及びメディアン径が3μmでアスペクト比が15であるシート状の人造グラファイトを質量比35:15:60で混練して、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びフェノール樹脂を質量比85:15でミキサーに入れ、混合して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bを真空炉に入れ、窒素ガスを導入して、980℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.3μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が200nmでアスペクト比が8であるシート状のシリコン、メディアン径が3μmでアスペクト比が5であるシート状SiO1.25、及びメディアン径が10μmでアスペクト比が5であるシート状の人造グラファイトを質量比15:25:60で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びスクロースを質量比80:20でエタノールに分散し、乾燥させて前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをチューブ炉中に入れ、窒素ガスを導入して、1000℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.4μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が50nmでアスペクト比が35であるシート状のシリコン、メディアン径が400nmでアスペクト比が6であるシート状SiO0.9、メディアン径が700nmでアスペクト比が18であるシート状Si−Ti合金、及びメディアン径が8μmでアスペクト比が40であるシート状の天然グラファイトを質量比25:10:15:50で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びピッチを質量比65:35でミキサーに入れ、混合して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをローラーハース窯に入れ、窒素ガスを導入して、650℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.8μmであるコアシェル型複合負極材料をステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が150nmでアスペクト比が15であるシート状のシリコン、メディアン径が300nmでアスペクト比が12であるシート状Si−Fe合金、メディアン径が800nmでアスペクト比が20であるシート状SiO0.85、及びメディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の人造グラファイトを質量比15:35:15:45で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びスクロースを質量比85:15でエタノール中に分散し、乾燥させて前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをチューブ炉に入れ、窒素ガスを導入して、850℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.3μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
メディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトをメディアン径が1.5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトに置き替える以外に、実施例1と同じである。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
メディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトをメディアン径が14μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトに置き替える以外に、実施例1と同じである。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
ナノシリコンとSiO0.98とのメディアン径がいずれも400nmであり、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
シリコン系材料は、メディアン径が80nmでアスペクト比が8であるシート状のシリコンであり、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
シリコン系材料は、非シート状ナノシリコン及び非シート状SiO0.98であり、ナノシリコンとSiO0.98とのアスペクト比がいずれも1.1であり、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
天然グラファイトとして、アスペクト比が1.2である非シート状のグラファイトを用い、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
Claims (14)
- 回収対象正極材料を酸化性雰囲気で焼結し、回収された正極材料を得る工程を含み、
前記酸化性雰囲気におけるガスは、CO2を含む
ことを特徴とする正極材料の回収方法。 - 前記酸化性雰囲気におけるCO2の分圧比Pが0.1〜1、好ましくは、0.8〜1であり、
好ましくは、前記P=Pco2/P合計であり,PCO2が酸化性雰囲気におけるCO2の分圧であり、P合計が酸化性雰囲気におけるすべてのガスの合計圧力である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記酸化性雰囲気が、さらに保護性ガスと強酸化性ガスのいずれか1つまたは少なくとも2つの組合せを含み、
好ましくは、前記酸化性雰囲気が、CO2と強酸化性ガスを含み、前記強酸化性ガスの分圧比≦0.2であり、
好ましくは、前記酸化性雰囲気が、CO2と保護性ガスを含み、前記保護性ガスの分圧比≦0.95であり、
好ましくは、前記強酸化性ガスが、酸素ガス、塩素ガス、フッ素ガス、二酸化窒素ガス、オゾンガス及び三酸化硫黄ガスのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、好ましくは、酸素ガスであり、
好ましくは、前記保護性ガスが、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス及びキセノンガスのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、好ましくは、窒素ガスである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 - 前記回収対象正極材料の粒度分布D50が0.5〜5.0μmであり、
好ましくは、前記回収対象正極材料が回収対象となる炭素被覆リン酸鉄リチウムを含み、
好ましくは、前記回収対象正極材料における水含有量が50〜5000ppmである
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記焼結の温度が650〜800℃であり、好ましくは、730〜780℃であり、
好ましくは、前記焼結の時間が5〜20hであり、好ましくは、10〜15hであり、
好ましくは、前記焼結過程のガス流量が2〜20m3/hであり、好ましくは、5〜15m3/hであり、
好ましくは、前記焼結の方式が動的焼結または静的焼結であり、
好ましくは、前記動的焼結が回転窯焼結であり、
好ましくは、前記静的焼結が箱型炉焼結、チューブ炉焼結、ローラーハース窯焼結及びプッシャー窯焼結のいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、
好ましくは、前記静的焼結の収容容器がグラファイト坩堝であり、
好ましくは、前記静的焼結の収容厚さが1〜100mmであり、好ましくは、10〜50mmである
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記回収対象正極材料の調製方法は、廃電池板から廃正極材料を剥離した後、破砕し、回収対象正極材料を得る工程を含み、
好ましくは、前記剥離がウェット浸漬剥離またはドライ焼成剥離を含み、
好ましくは、前記ウェット浸漬剥離が、廃電池板を溶液に浸漬し、分離処理を行うことを含み、
好ましくは、前記分離処理が加熱、攪拌及び超音波処理のいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、
好ましくは、前記加熱の温度が20〜90℃であり、好ましくは、50〜80℃であり、
好ましくは、前記加熱の時間が20〜120minであり、
好ましくは、前記攪拌の回転速度が200〜1000r/minであり、好ましくは、300〜500r/minであり、
好ましくは、前記攪拌の時間が20〜120minであり、
好ましくは、前記超音波処理の周波数が20〜40KHzであり、
好ましくは、前記超音波処理の時間が10〜60minであり、好ましくは、20〜40minであり、
好ましくは、前記溶液が塩基性溶液または有機溶剤であり、
好ましくは、前記塩基性溶液のpHが7〜14であり、好ましくは、9〜11であり、
好ましくは、前記有機溶剤が、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、及びトリメチルホスフェートのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、
好ましくは、前記ドライ焼成剥離が、廃電池板を加熱反応器に入れ、窒素雰囲気またはアルゴン雰囲気で焼成することを含み、
好ましくは、前記焼成の温度が400〜600℃であり、好ましくは、450〜550℃であり、
好ましくは、前記焼成の時間が1〜10hであり、好ましくは、1〜3hであり、
好ましくは、前記加熱反応器が箱型炉、チューブ炉、ローラーハース窯、プッシャー窯または回転窯のいずれか1つを含む
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 - 前記剥離の方式がドライ焼成剥離であり、前記破砕の方式が機械破砕または気流粉砕であり、
好ましくは、前記剥離の方式がウェット浸漬剥離であり、前記破砕の方式がウェットボールミルまたはサンディングであり、
好ましくは、前記剥離の方式がウェット浸漬剥離であり、前記破砕された正極材料を乾燥した後、回収対象正極材料を得、
好ましくは、前記乾燥の方式が吸引濾過、加圧濾過及び噴霧乾燥のいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、
好ましくは、前記噴霧乾燥の吸気口温度が200〜260℃であり、
好ましくは、前記噴霧乾燥の吐出口温度が70〜130℃であり、
好ましくは、前記噴霧乾燥の圧縮空気吸気気圧が0.1〜0.8MPaであり、
好ましくは、前記噴霧乾燥の吸気流速が1〜15m3/hであり、
好ましくは、前記噴霧乾燥の送り速度が0.5〜10L/hであり、
好ましくは、前記噴霧乾燥のスラリー固形分が5%〜40%である
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。 - (1)廃電池板をチューブ炉に入れ、窒素雰囲気において450〜550℃で1〜3h焼成し、剥離後の廃正極材料を得、その後、ドライ焼成剥離後の廃正極材料を機械破砕し、粒度分布D50が0.5〜5.0μmである回収対象正極材料を得る工程と、
(2)CO2含有酸化性雰囲気において、前記回収対象正極材料を730〜780℃の温度でチューブ炉で10〜15h焼結し、ガス流量が5〜15m3/hであり、回収された正極材料を得、前記CO2含有酸化性雰囲気におけるCO2の分圧比が0.1〜1である工程と、を含む
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の正極材料の回収方法。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の正極材料の回収方法により得られることを特徴とする正極材料。
- 前記正極材料がリン酸鉄リチウムを含むことを特徴とする請求項9に記載の正極材料。
- 前記正極材料の粒度分布D50が0.2〜5μmであり、好ましくは、0.5〜2μmであり、
好ましくは、前記正極材料の炭素含有量が2〜5wt%である
ことを特徴とする請求項9に記載の正極材料。 - 電池分野に適用する請求項9〜11のいずれか一項に記載の正極材料の用途。
- 前記正極材料をリチウムイオン電池正極材料分野に適用することを特徴とする請求項12に記載の正極材料の用途。
- 請求項9〜11のいずれか一項に記載の正極材料を含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
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