JP2023534754A - ケイ素/酸素複合材料、負極材料、負極、リチウムイオン電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本開示はケイ素/酸素複合材料、負極材料、負極、リチウムイオン電池及びその製造方法を開示する。前記ケイ素/酸素複合材料は、コアと、前記コアの表面に形成された炭素層と、を含み、前記コアはリチウム含有化合物と非金属ケイ素含有材料を含み、前記非金属ケイ素含有材料はナノケイ素及び酸化ケイ素のうちの少なくとも1種であり、前記非金属ケイ素含有材料は前記リチウム含有化合物に分散しており、前記ケイ素/酸素複合材料のサイズD10が3.0μm~8.2μmである。本開示は、ケイ素/酸素複合材料の粒子径D10を3.0μm~8.2μmの間に制御することにより、プレリチウム化の均一性を向上させ、ナノケイ素が粒子の表面に露出しないようにし、期待される初回効率上昇及び良好なサイクル安定性を得る一方、ケイ素/酸素複合材料は、適切な電子やイオン伝導経路を有するので、粒子の内部抵抗を小さくし、材料のレート特性及びサイクル特性を向上させる。また、製造された負極及びリチウムイオン電池は、高い初回クーロン効率及び優れたサイクル特性を持つ。
Description
本願は2020年08月31日に中国特許庁に提出された、出願番号が2020108985859、名称が「ケイ素/酸素複合材料、その製造方法、負極材料及びリチウムイオン電池」である中国特許出願の優先権を主張しており、その全内容は引用により本願に組み込まれている。
本開示は電池材料の技術分野に属し、ケイ素/酸素複合材料の負極材料、負極、リチウムイオン電池及びその製造方法に関する。
リチウムイオン電池は動作電圧が高く、サイクル寿命が長く、メモリー効果がなく、自己放電が小さく、環境に優しいなどの利点があるため、携帯電子製品や電気自動車に広く使用されている。
現在、市販されているリチウムイオン電池は主として黒鉛系負極材料を採用しているが、黒鉛系負極材料の理論比容量は372mAh/gと低く、将来のリチウムイオン電池の高エネルギー密度化に対応できていない。従来のSiは理論容量が最大4200mAh/gであるにもかかわらず、その膨張が300%であり、サイクル特性に悪影響を与え、これにより、マーケティングやアプリケーションが制限されてしまう。一方、ケイ素/酸素材料は、リサイクル特性が良いが、初回効率が悪い。初回充電では、SEI膜形成のために20~50%のリチウムが消費され、これにより、初回クーロン効率が大幅に低下する。
現在多く研究されているケイ素/酸素材料の初回効率を高める方法はプレリチウム化であるが、プレリチウム化は、初回効率を高める反面、ケイ素/酸素材料のサイクル劣化をもたらす。プレリチウム化材料の応用価値を高めるために、プレリチウム化材料のサイクル特性を改善することは非常に重要な意義がある。また、ケイ素系材料の発展と応用に対しても大きな推進作用がある。
他の方式では、リチウムをドープすることにより初回効率などを向上させるが、得られたケイ素系負極はサイクル効果の向上が低かったり、ケイ素/酸素材料のサイクル劣化をもたらしたりするなどの多くの問題点がある。
このため、リチウムドープ後のサイクル特性が良好であり、かつ優れた初回クーロン効率と理論容量とを両立させるケイ素/酸素複合材料、その製造方法、負極材料及びリチウムイオン電池を提供することが必要である。
本開示は、コアと、前記コアの表面に形成された炭素層と、を含み、前記コアはリチウム含有化合物と非金属ケイ素含有材料を含み、前記非金属ケイ素含有材料はナノケイ素及び酸化ケイ素のうちの少なくとも1種を含み、前記非金属ケイ素含有材料は前記リチウム含有化合物に分散しており、
サイズD10が3.0μm~8.2μmであるケイ素/酸素複合材料を提供する。
サイズD10が3.0μm~8.2μmであるケイ素/酸素複合材料を提供する。
いくつかの実施形態では、前記リチウム含有化合物はケイ酸リチウム、炭酸リチウム、アルミン酸リチウム及び硝酸リチウムのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記リチウム含有化合物は塩化リチウム、窒化リチウム、炭化リチウム、硫化リチウム、硫酸リチウムのうちの少なくとも1種をさらに含む。
いくつかの実施形態では、前記酸化ケイ素の化学式はSiOx(0<x≦1.8)である。
いくつかの実施形態では、前記ナノケイ素は酸化ケイ素に分散しており、及び/又は、前記ナノケイ素はリチウム含有化合物に分散している。
いくつかの実施形態では、前記酸化ケイ素に分散しているナノケイ素と前記前記リチウム含有化合物に分散しているナノケイ素との質量比が(15~46):(54~75)である。
いくつかの実施形態では、前記ナノケイ素のサイズD50が0~15nm(0を除く)である。
いくつかの実施形態では、前記ナノケイ素と前記リチウム含有化合物とのモル比が(0.5~10):1である。
いくつかの実施形態では、前記酸化ケイ素と前記リチウム含有化合物とのモル比が(0.2~2):1である。
いくつかの実施形態では、前記炭素層は、アモルファスカーボン、グラフェンシート層、黒鉛化可能なソフトカーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ及び導電性カーボンブラックのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、前記ケイ素/酸素複合材料の質量100%に対し、前記炭素層の含有量が1質量%~15質量%である。
いくつかの実施形態では、前記ケイ素/酸素複合材料において、前記炭素層の厚さが200nm~1000nmである。
本開示は、
粒子径D10が2.5μm~7.5μmとなるようにケイ素源の粒子径を調整するステップと、
前記粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源を混合して焼成し、前記ケイ素/酸素複合材料を得るステップと、を含み、
前記ケイ素/酸素複合材料の粒子径D10が3.0μm~8.2μmであるケイ素/酸素複合材料の製造方法を提供する。
粒子径D10が2.5μm~7.5μmとなるようにケイ素源の粒子径を調整するステップと、
前記粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源を混合して焼成し、前記ケイ素/酸素複合材料を得るステップと、を含み、
前記ケイ素/酸素複合材料の粒子径D10が3.0μm~8.2μmであるケイ素/酸素複合材料の製造方法を提供する。
いくつかの実施形態では、前記ケイ素源の製造には、不活性雰囲気下で酸化ケイ素ガスを生成し得る原料を加熱し、酸化ケイ素ガスを生成し、冷却して前記ケイ素源を得ることが含まれる。
いくつかの実施形態では、前記ケイ素源は一酸化ケイ素である。
いくつかの実施形態では、前記不活性雰囲気はヘリウムガス雰囲気、ネオンガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、クリプトンガス雰囲気、キセノンガス雰囲気及び窒素ガス雰囲気のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記加熱温度は900℃~1500℃である。いくつかの実施形態では、前記酸化ケイ素ガスを生成し得る原料はSiとSiO2の混合物である。
いくつかの実施形態では、前記粒子径の調整方法は破砕、ボールミーリング及び分級のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記炭素被覆方法は気相炭素被覆法及び固相炭素被覆法のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記気相炭素被覆法は、保護性雰囲気下で、前記粒子径を調整されたケイ素源と有機炭素源とを混合し、加熱して前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む。
いくつかの実施形態では、前記保護性雰囲気におけるガスは水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス及びキセノンガスのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記炭素源は600℃~1000℃の加熱温度で分解して炭素層を形成する有機炭素源を含む。
いくつかの実施形態では、前記有機炭素源はアルカン、アルケン、アルキン、ケトン、芳香族炭化水素のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記有機炭素源はメタン、エチレン、アセチレン、アセトン及びベンゼンのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記加熱温度は600℃~1000℃である。
いくつかの実施形態では、前記固相炭素被覆法は、前記粒子径を調整されたケイ素源と被覆炭素源を融合し、炭化して前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む。
いくつかの実施形態では、前記融合時間は0.2h~1hである。
いくつかの実施形態では、前記被覆炭素源は針状コークス、樹脂、多価アルコール、エノールのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記被覆炭素源は石炭コークス、石油コークス、糖類、有機酸及びアスファルトのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記炭化温度は600℃~1000℃である。
いくつかの実施形態では、前記炭化時間は3h~10hである。
いくつかの実施形態では、前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体の粒度D10が3.0μm~8.2μmである。
いくつかの実施形態では、前記リチウム源は酸素不含リチウム化合物を含む。
いくつかの実施形態では、前記リチウム源は水素化リチウム、アミノリチウム、アルキルリチウム、水素化アルミニウムリチウム、リチウム単体及び水素化ホウ素リチウムのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記リチウム源の粒子径D10が0.5μm~10μmである。
いくつかの実施形態では、前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体と前記リチウム源とのモル比が(1.4~3):1である。
いくつかの実施形態では、前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体と前記リチウム源の混合方式はVC混合、ニーディング、融合、混練、分散及び撹拌のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記焼成は非酸素ガス環境にて行われる。
いくつかの実施形態では、前記非酸素ガス環境は真空雰囲気、水素ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、ヘリウムガス雰囲気、ネオンガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、クリプトンガス雰囲気及びキセノンガス雰囲気のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、前記焼成温度が300℃~1000℃、好ましくは450℃~800℃である。
好適な技術的解決手段では、前記ケイ素/酸素複合材料の製造方法は、
不活性雰囲気下で、SiとSiO2の混合物を900℃~1500℃に加熱し、酸化ケイ素ガスを生成して冷却し、粒子径を調整し、粒子径D10が2.5μm~7.5μmのケイ素源を得るステップと、
前記粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、粒度D10が3.0μm~8.2μmの炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源を混合して、非酸素ガス環境にて温度450℃~800℃の焼成を行い、粒子径D10が3.0μm~8.2μmのケイ素/酸素複合材料を得るステップと、を含む。
不活性雰囲気下で、SiとSiO2の混合物を900℃~1500℃に加熱し、酸化ケイ素ガスを生成して冷却し、粒子径を調整し、粒子径D10が2.5μm~7.5μmのケイ素源を得るステップと、
前記粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、粒度D10が3.0μm~8.2μmの炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源を混合して、非酸素ガス環境にて温度450℃~800℃の焼成を行い、粒子径D10が3.0μm~8.2μmのケイ素/酸素複合材料を得るステップと、を含む。
本開示は、前記ケイ素/酸素複合材料又は前記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料を含む負極材料を提供する。
いくつかの実施形態では、前記負極材料は、黒鉛と、前記ケイ素/酸素複合材料又は前記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料との複合体である。
いくつかの実施形態では、前記負極材料は、チタン酸リチウムと、前記ケイ素/酸素複合材料又は前記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料との複合体である。
本開示は、前記ケイ素/酸素複合材料を含む負極を提供する。
本開示は、前記ケイ素/酸素複合材料又は前記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料を含むリチウムイオン電池を提供する。
本開示の利点は以下の明細書において説明され、利点の一部は明細書により明らかになり、又は本開示の実施例を実施することにより得られる。
以下、図面を参照して実施形態によって本開示の技術的解決手段についてさらに説明する。
本開示の目的、技術的解決手段及び利点をより明確にするために、以下、図面及び実施例を参照して、本開示についてさらに詳細に説明する。ここで説明される実施例は本開示を解釈することにのみ使用され、本開示を限定するものではないことが理解されるべきである。さらに、以下で説明される本開示の各実施形態に係る技術的特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせられてもよい。本開示の実施例の原理を逸脱することなく、いくつかの改良と修飾を行ってもよく、これらの改良と修飾も本開示の実施例の特許範囲に属する。
いくつかの実施形態は、ケイ素/酸素複合材料を提供し、従来技術ではプレリチウム化材料のサイクル特性が劣るという問題を解決し、優れたサイクル特性、初回クーロン効率及び理論容量を兼ね備えるケイ素/酸素複合材料が得られる。別のいくつかの実施形態は、上記ケイ素/酸素複合材料の製造方法を提供する。別のいくつかの実施形態は上記ケイ素/酸素複合材料を含む負極材料を提供する。さらなるいくつかの実施形態は上記ケイ素/酸素複合材料を含む電池を提供する。
I.ケイ素/酸素複合材料
一実施形態に係るケイ素/酸素複合材料100は、コアと、コアの表面に形成された炭素層160と、を含み、コアはリチウム含有化合物120と非金属ケイ素含有材料140を含み、非金属ケイ素含有材料140はリチウム含有化合物120に分散しており、非金属ケイ素含有材料140はナノケイ素142及び酸化ケイ素144のうちの少なくとも1種を含み、ナノケイ素142及び酸化ケイ素144のうちの少なくとも1種はリチウム含有化合物120に分散している。
一実施形態に係るケイ素/酸素複合材料100は、コアと、コアの表面に形成された炭素層160と、を含み、コアはリチウム含有化合物120と非金属ケイ素含有材料140を含み、非金属ケイ素含有材料140はリチウム含有化合物120に分散しており、非金属ケイ素含有材料140はナノケイ素142及び酸化ケイ素144のうちの少なくとも1種を含み、ナノケイ素142及び酸化ケイ素144のうちの少なくとも1種はリチウム含有化合物120に分散している。
ケイ素/酸素複合材料100のサイズD10は3.0μm~8.2μm、3.2μm~8.1μm、3.2μm~6μm、又は6~8.1μmであり、例えば3.2μm、3.5μm、3.8μm、4μm、4.2μm、4.5μm、4.8μm、5μm、5.2μm、5.5μm、5.8μm、6μm、6.2μm、6.5μm、7μm、7.2μm、7.5μm、7.8μm又は8μmなどであってもよい。
本開示の実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100の粒子径D10を3.0μm~8.2μmの間に制御することにより、プレリチウム化の均一性を向上させ、ナノケイ素142がケイ素/酸素複合材料100の表面に露出しないようにし、期待される初回効率上昇及び良好なサイクル安定性を得る一方、ケイ素/酸素複合材料100内に適切な電子、イオン伝導経路を有するので、ケイ素/酸素複合材料100の内部抵抗を小さくし、ケイ素/酸素複合材料100のレート特性及びサイクル特性を向上させる。D10<3.0μmでは、プレリチウム化の過程で小粒子ナノケイ素142のプレリチウム化が必要以上に行われやすく、これにより、ナノケイ素142がケイ素/酸素複合材料100の表面に露出し、ケイ素/酸素複合材料100のシリコン酸化を引き起こし、ケイ素/酸素複合材料100の容量を低下させ、一方では、充放電時のナノケイ素142の体積変化膨張が制限、抑制できず、サイクル特性の劣化を招く。D10>8.2μmでは、ケイ素/酸素複合材料100全体の粒子が大きすぎ、ケイ素/酸素複合材料100の内部の電子、イオン伝導経路が長く、これにより、分極現象が深刻化しやすく、ケイ素/酸素複合材料100の内部抵抗が増大し、ケイ素/酸素複合材料100の各性能が劣化する。
本開示の実施形態の製品中のリチウム含有化合物120と炭素層160によって、充放電中のナノケイ素142の大きな体積変化を効果的に抑制し、材料のサイクル安定性を向上させることができ、また、リチウム含有化合物120は材料のイオン伝導能力を高め、ナノケイ素142のリチウムのインターカレーション・デインターカレーション速度を改善することもできる。
(A)非金属ケイ素含有材料140及びリチウム含有化合物120
いくつかの実施形態では、リチウム含有化合物120は、ケイ酸リチウム、炭酸リチウム、アルミン酸リチウム及び硝酸リチウムのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、リチウム含有化合物120は、ケイ酸リチウム、炭酸リチウム、アルミン酸リチウム及び硝酸リチウムのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、リチウム含有化合物120は、塩化リチウム、窒化リチウム、炭化リチウム、硫化リチウム、硫酸リチウムのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、酸化ケイ素144の化学式はSiOx(0<x≦1.8、例えば0.2、0.5、0.8、1、1.2又は1.5など)である。
xが0<x≦1.8の範囲であることにより、電極材料の膨張率を下げ、電池のサイクル特性を向上させ、初回効率を高める。xが0である場合、反応に必要な酸素がなく、その結果、電極材料の膨張率が増加し、材料のサイクル特性が低下し、xが多すぎる場合、材料中の酸素の割合が大きくなり、材料効率が低く、初回効率が低下する。いくつかの実施形態では、酸化ケイ素144の化学式はSiOx(xの範囲は0<x≦1.8、0<x<1.8、0<x≦1.6、0.2≦x≦1.8又は0.5≦x<1.8であってもよく、例えば0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8であってもよい。)である。
いくつかの実施形態では、ナノケイ素142は酸化ケイ素144に分散しており、及び/又は、ナノケイ素142はリチウム含有化合物120に分散している。
理論的に制限されないが、いくつかの実施形態では、ナノケイ素142は酸化ケイ素144に分散している。いくつかの実施形態では、図7に示すように、ナノケイ素142の一部は酸化ケイ素144に分散しており、残りのナノケイ素142はリチウム含有化合物120に分散している。いくつかの実施形態では、酸化ケイ素144に分散しているナノケイ素142とリチウム含有化合物120に分散しているナノケイ素142との質量比は(15~46):(54~75)、例えば15:75、20:75、25:75、35:75、20:70、20:60、20:50、40:54、40:60又は40:73などであってもよく、理論的に制限されないが、ナノケイ素142の分散比が上記比の範囲内であることにより、材料の初回可逆容量が向上する。いくつかの実施形態では、ナノケイ素142のサイズD50は0~15nm(0を除く)であり、例えば0.5nm、1nm、2nm、3nm、5nm、8nm、9nm、10nm、12nm又は15nmなどであってもよい。
いくつかの実施形態では、ナノケイ素142の平均結晶子サイズは0~15nm(0を除く)であり、例えば0.5nm、1nm、2nm、3nm、5nm、8nm、9nm、10nm、12nm又は15nmなどであってもよい。本明細書では、「結晶子サイズ」とはナノケイ素142の結晶状態のサイズを指す。実施形態では、ナノケイ素142がこの範囲内であると、材料の膨張や材料のサイクル特性の劣化を引き起こすことはない。ナノケイ素142の結晶子サイズが大きすぎると、材料の膨張を引き起こし、材料のサイクル特性に悪影響を与える。
いくつかの実施形態では、ナノケイ素142とリチウム含有化合物120とのモル比は(0.5~10):1であり、例えば0.5:1、1:1、2:1、3:1、3.5:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1又は10:1などであってもよい。ナノケイ素142の含有量が多すぎると、リチウム含有化合物120の含有量が小さく、材料の膨張が進み、サイクル特性が劣化し、ナノケイ素142の含有量が少なすぎると、リチウム含有化合物120の含有量が多すぎ、材料の電子伝導能力が低下し、製造された電池の分極が深刻になり、材料の性能の発揮に不利である。
いくつかの実施形態では、酸化ケイ素144とリチウム含有化合物120とのモル比は(0.2~2):1であり、例えば0.2:1、0.4:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.5:1、1.6:1、1.8:1又は2:1などであってもよい。酸化ケイ素144の含有量が多すぎると、材料の初回効率の上昇が少なく、製造された電極群の初回効率が低く、これにより、電池の正極理論容量の発揮が抑制され、酸化ケイ素144の含有量が少なすぎると、材料のサイクル特性が劣化する。
(B)炭素層
いくつかの実施形態では、炭素層160は前記ケイ素/酸素複合材料100のコアの表面に形成される。
いくつかの実施形態では、炭素層160は前記ケイ素/酸素複合材料100のコアの表面に形成される。
いくつかの実施形態では、炭素層160はアモルファスカーボン、グラフェンシート層、黒鉛化可能なソフトカーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ及び導電性カーボンブラックのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100の質量100%に対し、炭素層160の含有量は1質量%~15質量%であり、例えば1質量%、2質量%、3質量%、4質量%、4.5質量%、5質量%、6質量%、7質量%、8質量%、10質量%、11.5質量%、13質量%又は15質量%などであってもよい。
いくつかの実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100において、炭素層160の厚さは200nm~1000nmであり、例えば200nm、300nm、350nm、400nm、450nm、550nm、600nm、700nm、800nm又は1000nmなどであってもよい。炭素層160の厚さが200~1000nmの範囲内であることにより、分子材料の容量を低下させることなく、材料の導電性をさらに向上させることができる。該炭素層160が薄すぎると、材料の導電性の上昇が不十分であり、炭素層160が厚すぎると、分子材料の容量が低い。
II.ケイ素/酸素複合材料の製造
上記ケイ素/酸素複合材料100の製造方法であって、製造方法のプロセスのフローチャートは図3に示され、ステップS100~S300を含む。
上記ケイ素/酸素複合材料100の製造方法であって、製造方法のプロセスのフローチャートは図3に示され、ステップS100~S300を含む。
ステップS100、粒子径D10が2.5μm~7.5μmとなるようにケイ素源の粒子径を調整する。
なお、ケイ素源の粒子径D10は2.5μm~7.5μm、2.5μm~2.6μm、2.6μm~5.6μm、又は5.6μm~7.5μm、例えば3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm又は7μmなどに制御される。ケイ素源の粒子径D10が2.5μm~7.5μmの範囲であることにより、最終的に得られたケイ素/酸素複合材料100の粒子径D10は3.0μm~8.2μmであり、また、ケイ素/酸素複合材料100の粒子径D10が3.0μm~8.2μmの範囲であることにより、プレリチウム化の均一性をさらに向上させ、ナノケイ素142がケイ素/酸素複合材料100の表面に露出しないことをさらに確保し、さらに、初回クーロン効率の更なる上昇及び良好なサイクル安定性を得て、これにより、ケイ素/酸素複合材料100には優れた電気化学的特性を付与する。ケイ素源の粒子径D10が2.5μm未満であると、後続のプレリチウム化の過程では小粒子ナノケイ素142のプレリチウム化が必要以上に行われやすく、その結果、最終製品のサイクル特性が劣化し、ケイ素源の粒子径D10が7.5μmを超えると、粒子は大きすぎて、電子、イオン伝達経路が長くなり、ケイ素/酸素複合材料100全体の性能の発揮に不利であり、これにより、電極材料の初回効率及びサイクル特性がいずれも劣化する。
いくつかの実施形態では、ケイ素源は一酸化ケイ素である。
いくつかの実施形態では、ケイ素源はステップS110によって製造されてもよい。
いくつかの実施形態では、ステップS110、不活性雰囲気下で酸化ケイ素ガスを生成する原料を加熱し、酸化ケイ素ガスを生成し、冷却してケイ素源を得る。
いくつかの実施形態では、粒子径の調整方法は破砕、ボールミーリング及び分級のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、不活性雰囲気は、ヘリウムガス雰囲気、ネオンガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、クリプトンガス雰囲気、キセノンガス雰囲気及び窒素ガス雰囲気のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、加熱温度は900℃~1500℃であり、いくつかの実施形態では、加熱温度は950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃又は1450℃などであってもよい。本実施形態では、加熱温度が高すぎると、ケイ素結晶粒が急速に成長し、サイクル特性が低下し、焼成温度が低すぎると、リチウム含有化合物120とケイ素源とが完全に反応できず、期待されるプレリチウム化効果が実現されにくい。
いくつかの実施形態では、前記酸化ケイ素ガスを生成し得る原料は、SiとO2の混合物、SiO2と炭素の混合物、又はケイ素、ケイ素を含有する酸化物SiOm(1≦m≦6)のうちの少なくとも2種の混合物からなる群から選ばれる1種である。
いくつかの実施形態では、酸化ケイ素ガスを生成し得る原料はSiとSiO2の混合物である。
なお、酸化ケイ素ガスを生成し得る原料中のSiとSiO2の割合は特に限定されず、当業者によって経験に基づいて決定されてもよく、一例としてSiとSiO2のモル比は2:1である。
ステップS200、粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得る。
いくつかの実施形態では、炭素被覆方法は気相炭素被覆法及び固相炭素被覆法のうちの少なくとも1種を含む。
(a)気相炭素被覆法:
いくつかの実施形態では、気相炭素被覆法は、保護性雰囲気下で、粒子径を調整されたケイ素源と有機炭素源とを混合し、加熱して炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む。
いくつかの実施形態では、気相炭素被覆法は、保護性雰囲気下で、粒子径を調整されたケイ素源と有機炭素源とを混合し、加熱して炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む。
いくつかの実施形態では、保護性雰囲気におけるガスは酸素元素を含まないガスを含む。
いくつかの実施形態では、保護性雰囲気におけるガスは、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス及びキセノンガスのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、有機炭素源は加熱温度600℃~1000℃で分解して炭素層160を形成する有機炭素源である。
いくつかの実施形態では、有機炭素源は、アルカン、アルケン、アルキン、ケトン、芳香族炭化水素のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、アルカンはCmH(2m+2)(1≦m≦15)である。
いくつかの実施形態では、アルカンは、パラフィン及びシクロアルカンのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、アルカンは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソヘキサンのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、アルケンはCnH2n(1≦n≦15)である。
いくつかの実施形態では、アルケンは、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテンのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、アルキンはCpH(2p-2)(1≦p≦15)である。
いくつかの実施形態では、アルキンは、アセチレン、プロピン、プロピン、ブチン、ペンチンのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、ケトンはアセトン、ブタノン、ペンタノンのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、芳香族炭化水素はベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、プロピルベンゼンのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、有機炭素源はメタン、エチレン、アセチレン、アセトン及びベンゼンのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、加熱温度は600℃~1000℃であり、例えば650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃又は950℃などであってもよい。
(b)固相炭素被覆法:
いくつかの実施形態では、固相炭素被覆法は、粒子径を調整されたケイ素源と被覆炭素源とを融合し、炭化して炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む。
いくつかの実施形態では、固相炭素被覆法は、粒子径を調整されたケイ素源と被覆炭素源とを融合し、炭化して炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む。
いくつかの実施形態では、融合時間は0.2h~1hであり、例えば0.3h、0.4h、0.5h、0.6h、0.7h、0.8h又は0.9hなどであってもよい。
いくつかの実施形態では、融合は融合機にて行われ、融合機の利用可能な回転数は500r/min~3000r/minであり、例えば800r/min、1000r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min、2000r/min、2200r/min、2500r/min又は2800r/minなどであってもよい。
いくつかの実施形態では、被覆炭素源は易黒鉛化炭素材料を含む。いくつかの実施形態では、被覆炭素源は針状コークス、樹脂、多価アルコール、エノールのうちの少なくとも1種をさらに含む。
いくつかの実施形態では、被覆炭素源は石炭コークス、石油コークス、糖類、有機酸及びアスファルトのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、糖類は、スクロース、グリコ―ス、フルクトース又はラクトースのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、有機酸は、カルボキシル、スルホン酸、スルフィン酸又はチオノチオール酸のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、多価アルコール及び/又はエノールは、ポリエチレングリコール又はポリビニルアルコールのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、炭化温度は600℃~1000℃であり、例えば650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃又は950℃などであってもよい。
いくつかの実施形態では、炭化時間は3h~10hであり、例えば3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h又は9.5hなどであってもよい。
いくつかの実施形態では、炭素含有ケイ素/酸素前駆体の粒度D10は3.0μm~8.2μm、3.2μm~8.1μm、3.0μm~3.2μm、3.0μm~6μm、又は6μm~8.1μmであり、例えば3.2μm、3.5μm、3.8μm、4μm、4.2μm、4.5μm、4.8μm、5μm、5.2μm、5.5μm、5.8μm、6μm、6.2μm、6.5μm、7μm、7.2μm、7.5μm、7.8μm又は8μmなどであってもよい。理論的に制限されないが、炭素含有ケイ素/酸素前駆体の粒度D10はケイ素/酸素複合材料100のD10によって決定され、炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とを混合する過程では、リチウム源は、ケイ素/酸素前駆体の炭素被覆層を透過して、ケイ素/酸素前駆体のコアの酸化ケイ素144と反応するので、ケイ素/酸素複合材料100の生成過程において、最終的なケイ素/酸素複合材料100の粒子径D10の大きさにほぼ影響を与えず、即ち、炭素含有ケイ素/酸素前駆体D10から最終的なケイ素/酸素複合材料100まで、材料の粒子径D10の大きさがあまり変化していない。
ステップS300、炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とを混合して焼成し、ケイ素/酸素複合材料100を得る。
いくつかの実施形態では、リチウム源は酸素不含リチウム化合物である。理論的に制限されないが、酸素不含リチウム源とすることにより、プレリチウム化による酸素元素の混入を回避し、材料の初回効率が期待した通り上昇することをさらに確保する。さらに、酸素不含リチウム源とすることにより、材料のプレリチウム化の深さを大きくし、プレリチウム化生成物が粒子の表面に濃縮されることを回避し、材料が加工されにくくなるというリストを低減させる。
いくつかの実施形態では、リチウム源は水素化リチウム、アミノリチウム、アルキルリチウム、水素化アルミニウムリチウム、リチウム単体及び水素化ホウ素リチウムのうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、リチウム源の粒子径D10は0.5μm~10μm、1μm~9μm、2μm~8μm、又は1μm~7μmであり、例えば0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm又は10μmなどであってもよい。リチウム源の粒子径D10が0.5μm~10μmの範囲内であることにより、リチウム源の使用をより安全にし、以上の技術的特徴と組み合わせてプレリチウム化の均一性をさらに向上させる。リチウム源の粒子径D10<0.5μmでは、使用過程で安全上のリスクが高く、そして変質しやすく、粒子径D10>10μmでは、プレリチウム化の均一性が低下し、粒子の一部が必要以上にプレリチウム化されてしまい、その結果、プレリチウム化後の材料の総合的な特性が低下する。
いくつかの実施形態では、炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とのモル比は(1.4~3):1であり、いくつかの実施形態では、炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とのモル比は1.4:1、1.6:1、1.8:1、2:1、2.2:1、2.5:1、2.8:1又は3:1などである。炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とのモル比が上記範囲であることにより、材料の初回効率及び保存安定性がさらに向上し、当該割合が低すぎる、即ち、炭素含有ケイ素/酸素前駆体の割合が低すぎると、材料の構造が破壊され、また、材料の保存安定性が劣り、材料が空気と反応して使用できなくなりやすく、上記割合が高すぎる、即ち、炭素含有ケイ素/酸素前駆体の割合が高すぎると、ケイ素/酸素材料の初回クーロン効率の上昇が不十分である。
いくつかの実施形態では、炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源の混合方式はVC混合、ニーディング、融合、混練、分散及び撹拌のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、焼成非酸素ガスは環境にて行われる。
いくつかの実施形態では、非酸素ガス環境は真空雰囲気、水素ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、ヘリウムガス雰囲気、ネオンガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、クリプトンガス雰囲気及びキセノンガス雰囲気のうちの少なくとも1種を含む。
いくつかの実施形態では、焼成温度は300℃~1000℃、300℃~600℃、600-800、600℃~800℃、又は800℃~1000℃であり、例えば350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃又は950℃など)であってもよく、焼成温度が300℃~1000℃であると、以上の技術的特徴と組み合わせて材料のサイクル容量及び初回効率を高いレベルに維持し、温度が低すぎると、反応が不完全になり、材料の初回効率低下を招き、温度が高すぎると、ナノケイ素142は急速に成長し、サイクル特性低下、材料のサイクル容量維持率の低下を招く。最適な性能を実現する温度の範囲は450℃~800℃である。
上記実施形態では、まず、ケイ素源に炭素を被覆して、次に、リチウム源と混合して反応させ、このように、ケイ素源中の不可逆的なリチウム消費相がリチウム源によって予め消費されておき、これによって、ケイ素酸素材料の初回クーロン効率が向上する一方、生成したリチウム含有化合物120は内部のナノケイ素142の体積変化を効果的に緩衝し、材料のサイクル特性を向上させる。また、予め被覆された炭素層160はプレリチウム化反応の激しさを低下させ、プレリチウム化の過程でナノケイ素142の結晶粒が急激に成長することを回避する。
いくつかの実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100の製造方法は、
不活性雰囲気下で、SiとSiO2の混合物を900℃~1500℃に加熱し、酸化ケイ素ガスを生成して冷却し、粒子径を調整し、粒子径D10が2.5μm~7.5μmのケイ素源を得るステップと、
粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、粒度D10が3.0μm~8.2μmの炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とを混合し、非酸素ガス環境にて温度450℃~800℃の焼成を行い、粒子径D10が3.0μm~8.2μmのケイ素/酸素複合材料100を得るステップと、を含む。
不活性雰囲気下で、SiとSiO2の混合物を900℃~1500℃に加熱し、酸化ケイ素ガスを生成して冷却し、粒子径を調整し、粒子径D10が2.5μm~7.5μmのケイ素源を得るステップと、
粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、粒度D10が3.0μm~8.2μmの炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源とを混合し、非酸素ガス環境にて温度450℃~800℃の焼成を行い、粒子径D10が3.0μm~8.2μmのケイ素/酸素複合材料100を得るステップと、を含む。
III、負極材料及び負極
ケイ素/酸素複合材料100は負極活物質、例えばリチウムイオン電池200中の負極活物質として有用である。
ケイ素/酸素複合材料100は負極活物質、例えばリチウムイオン電池200中の負極活物質として有用である。
一実施形態は、上記ケイ素/酸素複合材料100を含む負極材料を提供する。
いくつかの実施形態では、負極材料は上記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料を含む。
いくつかの実施形態では、負極材料は、黒鉛と、上記のいくつかの実施形態におけるケイ素/酸素複合材料100との複合体である。
いくつかの実施形態では、負極材料は、黒鉛と、上記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料との複合体である。
いくつかの実施形態では、負極材料は、チタン酸リチウムと、上記のいくつかの実施形態におけるケイ素/酸素複合材料100との複合体である。
いくつかの実施形態では、負極材料はチタン酸リチウムと、上記ケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料との複合体である。
いくつかの実施形態では、負極材料はバインダをさらに含む。
いくつかの実施形態では、負極材料は導電剤をさらに含む。いくつかの実施形態では、負極材料は上記ケイ素/酸素複合材料100と、バインダと、導電剤と、を含む。
いくつかの実施形態では、負極材料は黒鉛をさらに含む。いくつかの実施形態では、負極材料は、上記ケイ素/酸素複合材料100と、バインダと、導電剤と、黒鉛と、を含む。
一実施形態では、上記成分を混合するステップを含む負極材料の製造方法が提供される。一実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100、導電剤及びバインダを混合するステップを含む負極材料の製造方法が提供される。一実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100、導電剤、バインダ及び黒鉛を混合するステップを含む負極材料の製造方法が提供される。
一実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100を含む負極240が提供される。
図8に示すように、いくつかの実施形態では、負極240は、負極集電体242と、負極集電体242上に位置する負極性材料層244と、を含み、負極性材料層244は上記負極材料を含む。
一実施形態では、負極集電体242上に負極材料を含むスラリーを塗布するステップを含む負極240の製造方法が提供される。
いくつかの実施形態では、負極集電体242と、負極集電体242上に位置する負極活物質層244と、を含み、負極活物質層244は上記ケイ素/酸素複合材料100を含む負極240が提供される。いくつかの実施形態では、負極活物質層244は導電剤とバインダをさらに含む。いくつかの実施形態では、負極活物質層244は黒鉛をさらに含む。
いくつかの実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100、導電剤及びバインダの質量比が(93~98):(1.0~2.0):(1.0~5.0)である。
いくつかの実施形態では、ケイ素/酸素複合材料100を含むスラリーを前記負極集電体242上に施し、前記負極集電体242上に負極活物質層244を形成するステップと、前記負極活物質層244を乾燥させるステップと、を含む負極240の製造方法が提供される。
いくつかの実施形態では、乾燥は真空乾燥であってもよい。いくつかの実施形態では、スラリーの全固形分は30~60%である。いくつかの実施形態では、スラリー中のケイ素/酸素複合材料100、導電剤及びバインダの全固形分は30~60%である。
いくつかの実施形態では、スラリー中のケイ素/酸素複合材料100、導電剤、バインダ及び黒鉛の全固形分は30~60%である。
いくつかの実施形態では、スラリーを前記負極集電体242上に施す前に、負極活物質層244中の各成分(例えばケイ素/酸素複合材料100、導電剤、バインダ、及び任意の黒鉛)を溶媒に分散させて、スラリーを形成するステップを含む。
いくつかの実施形態では、負極集電体242は金属であってもよい。いくつかの実施形態では、負極集電体242は、銅箔集電体、アルミ箔集電体のうちの1種を含むが、これらに限定されるものではない。
スラリーは溶媒を含んでもよい。いくつかの実施形態では、該溶媒は水を含むが、これらに限定されるものではない。
バインダは負極活物質粒子同士及び集電体242との粘着性を改善することができる。いくつかの実施形態では、バインダは非水性バインダ又は水性バインダのうちの少なくとも1種を含む。非水性バインダは、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリフルオロエチレン、エチレンオキシを含む重合体、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドイミド、又はポリイミドのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。水性バインダは、ゴム系バインダ又はポリマー樹脂系バインダのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。
導電剤は電極の導電性を向上させることができる。導電剤は、導電率の高い材料、例えば金、銅、ニッケル、アルミ、銀、及び/又は類似の金属粉末又は金属繊維及び/又は類似の金属系材料;天然黒鉛、人造黒鉛、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、炭素繊維及び/又は類似の炭素系材料;ポリフェニレン誘導体及び/又は類似の導電性高分子;及び/又はこれらの混合物を含むが、これらに限定されるものではない。
IV、リチウムイオン電池
いくつかの実施形態は上記ケイ素/酸素複合材料100を含むリチウムイオン電池200を提供する。
いくつかの実施形態は上記ケイ素/酸素複合材料100を含むリチウムイオン電池200を提供する。
図9に示すように、いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池200は、正極220と、負極240と、電解液260と、を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池200は、正極220と、負極240と、電解液260と、を含んでもよく、負極240は負極集電体242と、前記負極集電体242上に設けられる負極活物質層244と、を含み、前記負極活物質層244は前記ケイ素/酸素複合材料100を含む。
図9に示すように、いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池200は正極220と負極240との間に介在しているセパレータ280を含んでもよい。セパレータ280はポリマー微多孔膜、例えばポリプロピレン微多孔膜であってもよい。セパレータ280は市販品であってもよい。
いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池200はケース290を含んでもよい。正極220、負極240、セパレータ280、電解液260はケース290内に収納されてもよい。
いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池200はケース290を含んでもよい。正極220、負極240、セパレータ280、電解液260はケース290内に収納されてもよい。
いくつかの実施形態では、リチウムイオン電池200は円筒型電池、角型電池又はボタン型電池であってもよい。リチウムイオン電池200は剛性ケース型電池又はソフトパック型電池であってもよい。
いくつかの実施形態では、正極220は正極集電体と、正極集電体上に設けられる正極活物質層と、を含む。正極活物質層はリチウムイオンを可逆的にインターカレーション・デインターカレーションすることのできる正極活物質を含み、正極活物質の例はLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1-x-yCoxMyO2(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1、かつMは例えばAl、Sr、Mg又はLaの金属である)、リチウム-遷移金属酸化物のうちの1種を含むが、これらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、電解液260は非水有機溶媒、例えば炭酸エステル、エステル、エーテル又はケトンのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、炭酸エステルは、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジプロピル(DPC)、炭酸メチルプロピル(MPC)、炭酸エチルプロピル(EPC)、炭酸メチルエチル(MEC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)又は炭酸ブテン(BC)のうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。エステルは、ブチロラクトン(BL)、デカノラクトン、バレロラクトン(BL)、メバロノラクトン、カプロラクトン(BC)、酢酸メチル、酢酸エチル又は酢酸プロピルのうちの少なくとも1種を含むが、これらに限定されるものではない。エーテルはジブチルエーテルを含んでもよいが、これらに限定されるものではない。ケトンはポリメチルビニルケトンを含むが、これらに限定されるものではない。
[発明の効果]
[発明の効果]
上記実施形態は以下の有益な効果を有するが、その効果はこれらに限定されるものではない。
上記実施形態では、コアとコアの表面に形成された炭素層160とを含むケイ素/酸素複合材料100の構造が製造され、コアはリチウム含有化合物120と非金属ケイ素含有材料140を含み、非金属ケイ素含有材料140はナノケイ素142及び酸化ケイ素144のうちの少なくとも1種を含み、非金属ケイ素含有材料140は前記リチウム含有化合物120に分散しており、また、ケイ素/酸素複合材料100の粒子径D10が3.0μm~8.2μmに制御され、これによって、以下の有益な効果がある。
プレリチウム化の均一性を向上させ、期待される初回効率上昇及び良好なサイクル安定性を得る一方、ケイ素/酸素複合材料100内に適切な電子、イオン伝導経路を有するので、ケイ素/酸素複合材料100の内部抵抗を小さくし、ケイ素/酸素複合材料100のレート特性及びサイクル特性を向上させることができる。
さらに、ケイ素/酸素複合材料100の粒子径D10を3.0μm~8.2μmの間に制御するとともに、上記実施形態のケイ素源の粒子径D10を2.5μm~7.5μmの間に調整し、すなわち、ケイ素源の粒子径も相乗的に制御することによって、プレリチウム化の均一性をさらに向上させ、ナノケイ素142を完全に被覆することを確保し、また、初回クーロン効率をさらに向上させ、サイクル安定性をさらに良好にし、一方、ケイ素/酸素複合材料のレート特性及びサイクル特性をさらに向上させる。
実施例
以下、本開示の代表的かつ非限定的な実施例を示す。
以下、本開示の代表的かつ非限定的な実施例を示す。
実施例1
ケイ素/酸素複合材料の製造方法であって、以下のステップを含む。
ケイ素粉末1kgとシリカ2.1kgを秤量し、それぞれ真空反応炉に投入して、アルゴン雰囲気下で1300℃に昇温して10h反応させた後、室温に冷却し、材料を取り出して、破砕、ボールミーリング、分級を行い、D10=2.6μmの一酸化ケイ素(すなわちケイ素源)粒子を得た。
一酸化ケイ素粒子1kgを秤量してCVDロータリーキルンに投入し、800℃に加熱して、アセチレンガスを0.5L/minの通気量で導入して、100min反応後、室温に冷却し、材料を取り出して、D10=3.2μmの炭素含有一酸化ケイ素(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)粒子を得た。
炭素含有一酸化ケイ素1kgと粒子径D10が0.5μmの水素化リチウム200gとを回転数1000r/minの融合機に投入して20min融合し、取り出して黒鉛るつぼに入れ、雰囲気炉に入れて焼成し、導入するガスをアルゴンガスとし、焼成温度を600℃とし、2h保温した後、室温に冷却し、ケイ素/酸素複合材料を得た。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.8)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含み、酸化ケイ素はケイ酸リチウムに分散しており、ナノケイ素の一部は酸化ケイ素に分散しており、残りのナノケイ素はケイ酸リチウムに分散している。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は6:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.2:1である。
図1は本実施例のケイ素/酸素複合材料のSEM写真であり、図から分かるように、ケイ素/酸素複合材料の粒度の均一性が高く、このことから、本実施例では、ケイ素源の粒子径については粒子径D10が2.5μm~7.5μmの間に制御されるとともに、ケイ素/酸素複合材料の粒子径D10が3.0μm~8.2μmの間に制御されることによって、プレリチウム化の均一性を向上させ、ケイ素/酸素複合材料に初回クーロン効率の上昇及び良好なサイクル安定性を付与することが明らかになり、表1の実施例1を比較例1及び2と比較した結果、本実施例のケイ素/酸素複合材料はより高い初回クーロン効率、50サイクル容量維持率を有することも分かった。
ケイ素/酸素複合材料の製造方法であって、以下のステップを含む。
ケイ素粉末1kgとシリカ2.1kgを秤量し、それぞれ真空反応炉に投入して、アルゴン雰囲気下で1300℃に昇温して10h反応させた後、室温に冷却し、材料を取り出して、破砕、ボールミーリング、分級を行い、D10=2.6μmの一酸化ケイ素(すなわちケイ素源)粒子を得た。
一酸化ケイ素粒子1kgを秤量してCVDロータリーキルンに投入し、800℃に加熱して、アセチレンガスを0.5L/minの通気量で導入して、100min反応後、室温に冷却し、材料を取り出して、D10=3.2μmの炭素含有一酸化ケイ素(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)粒子を得た。
炭素含有一酸化ケイ素1kgと粒子径D10が0.5μmの水素化リチウム200gとを回転数1000r/minの融合機に投入して20min融合し、取り出して黒鉛るつぼに入れ、雰囲気炉に入れて焼成し、導入するガスをアルゴンガスとし、焼成温度を600℃とし、2h保温した後、室温に冷却し、ケイ素/酸素複合材料を得た。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.8)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含み、酸化ケイ素はケイ酸リチウムに分散しており、ナノケイ素の一部は酸化ケイ素に分散しており、残りのナノケイ素はケイ酸リチウムに分散している。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は6:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.2:1である。
図1は本実施例のケイ素/酸素複合材料のSEM写真であり、図から分かるように、ケイ素/酸素複合材料の粒度の均一性が高く、このことから、本実施例では、ケイ素源の粒子径については粒子径D10が2.5μm~7.5μmの間に制御されるとともに、ケイ素/酸素複合材料の粒子径D10が3.0μm~8.2μmの間に制御されることによって、プレリチウム化の均一性を向上させ、ケイ素/酸素複合材料に初回クーロン効率の上昇及び良好なサイクル安定性を付与することが明らかになり、表1の実施例1を比較例1及び2と比較した結果、本実施例のケイ素/酸素複合材料はより高い初回クーロン効率、50サイクル容量維持率を有することも分かった。
実施例2
ケイ素/酸素複合材料の製造方法であって、以下のステップを含む。
ケイ素粉末1kgとシリカ2.1kgを秤量し、それぞれ真空反応炉に投入して、アルゴン雰囲気下で1300℃に昇温して10h反応させた後、室温に冷却し、材料を取り出して、破砕、ボールミーリング、分級を行い、D10=5.6μmの一酸化ケイ素粒子(すなわちケイ素源)を得た。
一酸化ケイ素粒子1kgを秤量してCVDロータリーキルンに投入し、800℃に加熱して、アセチレンガスを0.5L/minの通気量で導入して、100min反応後、室温に冷却し、材料を取り出して、D10=6.0μmの炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)を得た。
炭素含有一酸化ケイ素1kgと粒子径D10が0.5μmの水素化アルミニウムリチウム380gとを回転数2000r/minの融合機に入れて20min融合し、取り出して黒鉛るつぼに入れ、雰囲気炉に入れて焼成し、導入するガスをアルゴンガス、焼成温度を600℃とし、2h保温した後、室温に冷却して、取り出してケイ素/酸素複合材料を得た。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が6μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.2)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含み、酸化ケイ素はケイ酸リチウムに分散しており、ナノケイ素の一部は酸化ケイ素に分散しており、残りのナノケイ素はケイ酸リチウムに分散している。酸化ケイ素に分散しているナノケイ素とリチウム含有化合物に分散しているナノケイ素との質量比は。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は3:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.8:1である。
図4は本実施例のケイ素/酸素複合材料のSEM写真であり、図から分かるように、ケイ素/酸素複合材料の粒度も均一性の高い状態を示し、また、ケイ素/酸素複合材料の表面に露出したナノケイ素のクラスターが認められなかった。
ケイ素/酸素複合材料の製造方法であって、以下のステップを含む。
ケイ素粉末1kgとシリカ2.1kgを秤量し、それぞれ真空反応炉に投入して、アルゴン雰囲気下で1300℃に昇温して10h反応させた後、室温に冷却し、材料を取り出して、破砕、ボールミーリング、分級を行い、D10=5.6μmの一酸化ケイ素粒子(すなわちケイ素源)を得た。
一酸化ケイ素粒子1kgを秤量してCVDロータリーキルンに投入し、800℃に加熱して、アセチレンガスを0.5L/minの通気量で導入して、100min反応後、室温に冷却し、材料を取り出して、D10=6.0μmの炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)を得た。
炭素含有一酸化ケイ素1kgと粒子径D10が0.5μmの水素化アルミニウムリチウム380gとを回転数2000r/minの融合機に入れて20min融合し、取り出して黒鉛るつぼに入れ、雰囲気炉に入れて焼成し、導入するガスをアルゴンガス、焼成温度を600℃とし、2h保温した後、室温に冷却して、取り出してケイ素/酸素複合材料を得た。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が6μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.2)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含み、酸化ケイ素はケイ酸リチウムに分散しており、ナノケイ素の一部は酸化ケイ素に分散しており、残りのナノケイ素はケイ酸リチウムに分散している。酸化ケイ素に分散しているナノケイ素とリチウム含有化合物に分散しているナノケイ素との質量比は。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は3:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.8:1である。
図4は本実施例のケイ素/酸素複合材料のSEM写真であり、図から分かるように、ケイ素/酸素複合材料の粒度も均一性の高い状態を示し、また、ケイ素/酸素複合材料の表面に露出したナノケイ素のクラスターが認められなかった。
実施例3
ケイ素/酸素複合材料の製造方法であって、以下のステップを含む。
ケイ素粉末1kgとシリカ2.1kgを秤量し、それぞれ真空反応炉に投入して、アルゴン雰囲気下で1300℃に昇温して10h反応させた後、室温に冷却し、材料を取り出して、破砕、ボールミーリング、分級を行い、D10=7.5μmの一酸化ケイ素粒子(すなわちケイ素源)を得た。
一酸化ケイ素粒子1kgを秤量してCVDロータリーキルンに投入し、800℃に加熱して、アセチレンガスを0.5L/minの通気量で導入して、100min反応後、室温に冷却し、材料を取り出して、D10=8.1μmの炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)を得た。
炭素含有一酸化ケイ素1kg与粒子径D10が1.5μmのアミノリチウム220gを回転数1500r/minの融合機に入れて20min融合し、取り出して黒鉛るつぼに入れ、雰囲気炉に入れて焼成し、導入するガスをアルゴンガス、焼成温度を600℃とし、2h保温した後、室温に冷却し、取り出してケイ素/酸素複合材料を得た。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が8.1μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.6)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含み、酸化ケイ素はケイ酸リチウムに分散しており、ナノケイ素の一部は酸化ケイ素に分散しており、残りのナノケイ素はケイ酸リチウムに分散している。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1.1:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2:1である。
図5は本実施例のケイ素/酸素複合材料のSEM写真であり、図から分かるように、実施例1及び2と同様に、ケイ素/酸素複合材料の粒度は高い均一性を示し、また、ケイ素/酸素複合材料の表面に露出したナノケイ素のクラスターが認められなかった。
ケイ素/酸素複合材料の製造方法であって、以下のステップを含む。
ケイ素粉末1kgとシリカ2.1kgを秤量し、それぞれ真空反応炉に投入して、アルゴン雰囲気下で1300℃に昇温して10h反応させた後、室温に冷却し、材料を取り出して、破砕、ボールミーリング、分級を行い、D10=7.5μmの一酸化ケイ素粒子(すなわちケイ素源)を得た。
一酸化ケイ素粒子1kgを秤量してCVDロータリーキルンに投入し、800℃に加熱して、アセチレンガスを0.5L/minの通気量で導入して、100min反応後、室温に冷却し、材料を取り出して、D10=8.1μmの炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)を得た。
炭素含有一酸化ケイ素1kg与粒子径D10が1.5μmのアミノリチウム220gを回転数1500r/minの融合機に入れて20min融合し、取り出して黒鉛るつぼに入れ、雰囲気炉に入れて焼成し、導入するガスをアルゴンガス、焼成温度を600℃とし、2h保温した後、室温に冷却し、取り出してケイ素/酸素複合材料を得た。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が8.1μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.6)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含み、酸化ケイ素はケイ酸リチウムに分散しており、ナノケイ素の一部は酸化ケイ素に分散しており、残りのナノケイ素はケイ酸リチウムに分散している。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1.1:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2:1である。
図5は本実施例のケイ素/酸素複合材料のSEM写真であり、図から分かるように、実施例1及び2と同様に、ケイ素/酸素複合材料の粒度は高い均一性を示し、また、ケイ素/酸素複合材料の表面に露出したナノケイ素のクラスターが認められなかった。
実施例4
実施例1と比較して、焼成温度が200℃である点は相違する。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.8)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2.3:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1:1である。
実施例1と比較して、焼成温度が200℃である点は相違する。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.8)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2.3:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1:1である。
実施例5
実施例1と比較して、焼成温度が1100℃である点は相違する。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.6)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.8:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1.4:1である。
実施例1と比較して、焼成温度が1100℃である点は相違する。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.6)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.8:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1.4:1である。
実施例6
実施例1と比較して、一酸化ケイ素の粒子D10は2.2μmであり、炭素含有一酸化ケイ素粒子の粒度D10は実施例1と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.9)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2.3:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1:1である。
実施例1と比較して、一酸化ケイ素の粒子D10は2.2μmであり、炭素含有一酸化ケイ素粒子の粒度D10は実施例1と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.9)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2.3:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1:1である。
実施例7
実施例3と比較して、一酸化ケイ素粒子D10は7.8μmであり、炭素含有一酸化ケイ素粒子の粒度D10は実施例3と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が8.1μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.1)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1.1:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2:1である。
実施例3と比較して、一酸化ケイ素粒子D10は7.8μmであり、炭素含有一酸化ケイ素粒子の粒度D10は実施例3と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が8.1μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.1)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は1.1:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は2:1である。
実施例8
実施例1と比較して、水素化リチウムの粒子径D10は0.2μmである以外、残りの条件は実施例と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.5)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は10:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.005:1である。
実施例1と比較して、水素化リチウムの粒子径D10は0.2μmである以外、残りの条件は実施例と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=0.5)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は10:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.005:1である。
実施例9
実施例1と比較して、水素化リチウムの粒子径D10は15μmである以外、残りの条件は実施例と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.85)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.12:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は5:1である。
実施例1と比較して、水素化リチウムの粒子径D10は15μmである以外、残りの条件は実施例と同様であった。
本実施例で製造されたケイ素/酸素複合材料は、粒子径D10が3.2μmであり、酸化ケイ素SiOx(x=1.85)、ナノケイ素、ケイ酸リチウム及び炭素層を含む。ナノケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は0.12:1であり、酸化ケイ素とケイ酸リチウムとのモル比は5:1である。
比較例1
実施例1と比較して、一酸化ケイ素(すなわちケイ素源)粒子の粒子径D10=2.0μm、炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)の粒子径D10=2.5μm、最終的に製造されたケイ素/酸素複合材料の粒子径D10=2.5μmである以外、残りの条件は実施例1と同様であった。
実施例1と比較して、一酸化ケイ素(すなわちケイ素源)粒子の粒子径D10=2.0μm、炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)の粒子径D10=2.5μm、最終的に製造されたケイ素/酸素複合材料の粒子径D10=2.5μmである以外、残りの条件は実施例1と同様であった。
比較例2
実施例1と比較して、一酸化ケイ素(すなわちケイ素源)粒子の粒子径D10=10μm、炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)の粒子径D10=10.5μm、最終的に製造されたケイ素/酸素複合材料の粒子径D10=10.5μmである以外、残りの条件は実施例1と同様であった。
図2は実施例1、比較例1及び比較例2で得られたケイ素/酸素複合材料の半電池の50サイクル容量維持率の比較図であり、図から分かるように、実施例1で得られたケイ素/酸素複合材料の後期のサイクル特性が安定し、容量減衰が減少し、一方、比較例1及び本比較例2の方法で得られたケイ素/酸素複合材料は容量維持率が低く、サイクル特性が劣る。
図6は実施例2及び実施例3で得られたケイ素/酸素複合材料の半電池の50サイクル容量維持率図であり、図から分かるように、実施例2及び3で得られたケイ素/酸素複合材料も安定的な後期のサイクル特性を有し、また、容量減衰が減少する。
実施例1と比較して、一酸化ケイ素(すなわちケイ素源)粒子の粒子径D10=10μm、炭素含有一酸化ケイ素粒子(すなわち炭素含有ケイ素/酸素前駆体)の粒子径D10=10.5μm、最終的に製造されたケイ素/酸素複合材料の粒子径D10=10.5μmである以外、残りの条件は実施例1と同様であった。
図2は実施例1、比較例1及び比較例2で得られたケイ素/酸素複合材料の半電池の50サイクル容量維持率の比較図であり、図から分かるように、実施例1で得られたケイ素/酸素複合材料の後期のサイクル特性が安定し、容量減衰が減少し、一方、比較例1及び本比較例2の方法で得られたケイ素/酸素複合材料は容量維持率が低く、サイクル特性が劣る。
図6は実施例2及び実施例3で得られたケイ素/酸素複合材料の半電池の50サイクル容量維持率図であり、図から分かるように、実施例2及び3で得られたケイ素/酸素複合材料も安定的な後期のサイクル特性を有し、また、容量減衰が減少する。
性能テスト
各実施例と比較例で得られたケイ素/酸素複合材料について以下のように性能をテストした。
各実施例と比較例で得られたケイ素/酸素複合材料について以下のように性能をテストした。
(1)日立社製のS4800走査型顕微鏡を用いてサンプルの表面形態を観察した。
(2)マルビン2000レーザー粒度計を用いて材料の粒子サイズをテストし、テスト方法としては、50mLビーカーに分散剤と測定対象試料を入れ、所定量の純水を加え、ガラス棒で十分に撹拌し、均一に分散させたサンプルを測定カップに入れ、測定をクリックすると、サンプルごとに3回測定し、該サンプルの粒子サイズとしてその平均値を取った。
(3)サイクル特性のテスト
I、ボタン型リチウムイオン電池の製造
実施例及び比較例で製造されたケイ素/酸素複合材料と黒鉛とを1:9の質量比で均一に混合したものを活物質とし、SBR(スチレンブタジエンゴム)+CMC(カルボキシメチルセルロース)を1:1の質量比で混合したものを水に加えて溶解し、均一な溶液とし、質量百分率を1.2%に制御して、バインダとし、導電剤として導電性カーボンブラックを用い、活物質、導電剤、バインダを85:15:10の質量比で混合し、混合スラリーを銅箔負極集電体上に塗布して、スラリーの全固形分を50%に制御し、最後に、ベークして圧延し、上層を負極活物質層とした負極極板を得た。金属リチウム板(直径10cm、厚さ1.2cm、江西▲ガン▼峰▲リ▼業製)を対電極、PP/PE(厚さ16μm、上海恩捷社製)をセパレータ、LiPF6/EC+DEC+DMC(EC、DEC及びDMCの体積比は1:1:1)を電解液として、アルゴンガスが充填されているグローブボックス(MBRAUNグローブボックス)にて組み立ててボタン電池とした。
I、ボタン型リチウムイオン電池の製造
実施例及び比較例で製造されたケイ素/酸素複合材料と黒鉛とを1:9の質量比で均一に混合したものを活物質とし、SBR(スチレンブタジエンゴム)+CMC(カルボキシメチルセルロース)を1:1の質量比で混合したものを水に加えて溶解し、均一な溶液とし、質量百分率を1.2%に制御して、バインダとし、導電剤として導電性カーボンブラックを用い、活物質、導電剤、バインダを85:15:10の質量比で混合し、混合スラリーを銅箔負極集電体上に塗布して、スラリーの全固形分を50%に制御し、最後に、ベークして圧延し、上層を負極活物質層とした負極極板を得た。金属リチウム板(直径10cm、厚さ1.2cm、江西▲ガン▼峰▲リ▼業製)を対電極、PP/PE(厚さ16μm、上海恩捷社製)をセパレータ、LiPF6/EC+DEC+DMC(EC、DEC及びDMCの体積比は1:1:1)を電解液として、アルゴンガスが充填されているグローブボックス(MBRAUNグローブボックス)にて組み立ててボタン電池とした。
II、電気化学的特性の特定
50サイクル容量維持率(%)テスト
50サイクル維持率(%)=50サイクル目の放電比容量/1サイクル目の放電比容量×100% (式1)
藍電社製の5V/10mA型電池テスター(CT2001A、武漢金諾電子有限公司LAND電池テストシステム)を用いて電池の50サイクルまでの電気化学的特性をテストし、充電電圧を1.5Vとし、0.01Vまで放電し、充放電速度を0.1Cとした。電池の1サイクル及び50サイクル目の放電比容量を測定し、50サイクル容量維持率を算出し、実施例1~9及び比較例1~2に記載のケイ素/酸素複合材料のテストデータを表1に示す。
50サイクル容量維持率(%)テスト
50サイクル維持率(%)=50サイクル目の放電比容量/1サイクル目の放電比容量×100% (式1)
藍電社製の5V/10mA型電池テスター(CT2001A、武漢金諾電子有限公司LAND電池テストシステム)を用いて電池の50サイクルまでの電気化学的特性をテストし、充電電圧を1.5Vとし、0.01Vまで放電し、充放電速度を0.1Cとした。電池の1サイクル及び50サイクル目の放電比容量を測定し、50サイクル容量維持率を算出し、実施例1~9及び比較例1~2に記載のケイ素/酸素複合材料のテストデータを表1に示す。
(4)1サイクル目の性能のテスト
I、リチウムイオン電池の製造
図9に示すように、実施例及び比較例で製造されたケイ素/酸素複合材料100を活物質とし、SBR(スチレンブタジエンゴム)+CMC(カルボキシメチルセルロース)を1:1の質量比で混合したものを水に加えて溶解し、均一な溶液とし、質量百分率を1.2%に制御して、バインダとし、導電剤として導電性カーボンブラックを用い、活物質、導電剤、バインダを85:15:10の質量比で混合し、混合スラリーを銅箔負極集電体242上に塗布し、スラリーの全固形分を50%に制御し、最後に、ベークして圧延し、上層として負極活物質層244が形成された負極240の極板を得た。金属リチウム板(直径10cm、厚さ1.2cm、江西▲ガン▼峰▲リ▼業製)を対電極(すなわち正極220)、PP(ポリプロピレン)(セパレータの厚さ16μm、上海恩捷社製)をセパレータ280、LiPF6/EC+DEC+DMC(EC、DEC及びDMCの体積比は1:1:1)を電解液260として、ケース290を用いて、アルゴンガスが充填されているグローブボックス(MBRAUNグローブボックス)にて組み立てて模擬電池200とした。
I、リチウムイオン電池の製造
図9に示すように、実施例及び比較例で製造されたケイ素/酸素複合材料100を活物質とし、SBR(スチレンブタジエンゴム)+CMC(カルボキシメチルセルロース)を1:1の質量比で混合したものを水に加えて溶解し、均一な溶液とし、質量百分率を1.2%に制御して、バインダとし、導電剤として導電性カーボンブラックを用い、活物質、導電剤、バインダを85:15:10の質量比で混合し、混合スラリーを銅箔負極集電体242上に塗布し、スラリーの全固形分を50%に制御し、最後に、ベークして圧延し、上層として負極活物質層244が形成された負極240の極板を得た。金属リチウム板(直径10cm、厚さ1.2cm、江西▲ガン▼峰▲リ▼業製)を対電極(すなわち正極220)、PP(ポリプロピレン)(セパレータの厚さ16μm、上海恩捷社製)をセパレータ280、LiPF6/EC+DEC+DMC(EC、DEC及びDMCの体積比は1:1:1)を電解液260として、ケース290を用いて、アルゴンガスが充填されているグローブボックス(MBRAUNグローブボックス)にて組み立てて模擬電池200とした。
II、電気化学的特性のテスト
II、電池特性のテスト
初回可逆比容量(mAh/g):以下の藍電社製の5V/10mA型電池テスターを用いて測定し、データを得た。
II、電池特性のテスト
初回可逆比容量(mAh/g):以下の藍電社製の5V/10mA型電池テスターを用いて測定し、データを得た。
初回クーロン効率(%)の式は、『ケイ素炭素』 GB/T 38823-2020のD6.1に記載の式D.3を参照する。ここで、以下のテスト方法及び器具によって測定し、式により計算した。
藍電社製の5V/10mA型電池テスター(CT2001A、武漢金諾電子有限公司LAND電池テストシステム)を用いてボタン型電池の初回クーロン効率及び初回充電比容量をテストし、充電電圧を1.5Vとし、0.01Vまで放電し、充放電速度を0.1Cとし、実施例1~9及び比較例1~2に記載のケイ素/酸素複合材料のテストデータを表1に示す。
表1のデータから分かるように、実施例の方法によって製造されるケイ素/酸素複合材料は、容量、初回クーロン効率、サイクル特性が全て優れていた。製造されたケイ素/酸素複合材料において、ナノケイ素はより均一に分散している。
実施例1及び実施例4~5の比較から、プレリチウム化反応温度は材料のサイクル特性に大きな影響を与えることが分かり、実施例1では、プレリチウム化反応温度が300℃~1000℃の範囲内に制御されることによって、材料のサイクル容量維持率及び初回効率が向上する。一方、実施例4~5では、温度が高すぎると、材料のサイクル容量維持率が低く、温度が低すぎると、材料の初回効率が低くなる。
実施例1及び実施例6~7の比較から分かるように、一酸化ケイ素粒子の粒子径D10は材料特性に明らかな影響を与え、プレリチウム化の均一性をさらに向上させるとともに、ナノケイ素がケイ素/酸素複合材料の表面に露出しないことをさらに確保し、また、初回クーロン効率の更なる上昇及び良好なサイクル安定性を確保し、一方、一酸化ケイ素粒子が大きすぎると、材料の初回効率、サイクルは全て劣化し、粒子が小さすぎると、材料のサイクル特性は劣る。
実施例1及び実施例8~9の比較から分かるように、リチウム源のD10の粒子径も材料の特性に明らかな影響を与え、使用をより安全にし、以上の技術的特徴と組み合わせてプレリチウム化の均一性をさらに向上させる。使用されるリチウム源のD10粒子径が大きすぎても小さすぎても、プレリチウム化後の材料の特性改善に不利である。その原因としては、リチウム源D10=0.2μmである場合、粒子は小さすぎて、性能が活発すぎ、変質しやすく、D20=15μmでは、粒子は大きすぎ、プレリチウム化の均一性が低下し、粒子の一部が必要以上にプレリチウム化されやすく、その結果、プレリチウム化後の材料の特性が低下するからである。
実施例1及び比較例1~2の比較から分かるように、本開示の実施例では、炭素のケイ素/酸素前駆体の粒子径が3.0μm~8.2μmの範囲内であることにより、プレリチウム化の均一性をさらに向上させ、ナノケイ素142がケイ素/酸素複合材料100の表面に露出しないことをさらに確保し、また、初回クーロン効率の更なる上昇及び良好なサイクル安定性を得る。炭素含有ケイ素/酸素前駆体の粒子径D10>8.2μm又はD10<3μmでは、対応する材料のサイクル保持率は低く、その原因としては、D10<3.0μmでは、プレリチウム化の過程でこの部分の小粒子が必要以上にプレリチウム化されやすく、これにより、含有するケイ素が表面に露出し、繰り返して充電するときに生じた体積変化が緩和、抑制できなくなり、その結果、サイクル特性が劣り、D10>8.2μmでは、粒子は全体として大きすぎ、粒子内部の電子、イオン伝導経路が長く、これにより、電極の分極が深刻化し、粒子の内部抵抗が増大し、その結果、材料のサイクル寿命が短縮されるからである。このため、実施例1と比較して、比較例1~2の特性が劣る。
本開示は上記実施例によって本開示の詳細なプロセス設備やプロセスの流れを説明したいが、本開示は上記の詳細なプロセス設備やプロセスの流れに限定されず、即ち、本開示は上記の詳細なプロセス設備やプロセスの流れによってしか実施できないわけではないことを出願者が声明する。当業者にとって明らかなように、本開示に対する全ての改良、本開示の製品の各原料の同等置換や補助成分の追加、具体的な形態の選択などは全て本開示の特許範囲及び開示範囲内である。
本開示は、ケイ素/酸素複合材料、負極材料、負極、リチウムイオン電池及びその製造方法を提供する。本開示によるケイ素/酸素複合材料は、高い初回効率及び良好なサイクル安定性を有し、一方、ケイ素/酸素複合材料はケイ素/酸素複合材料内に適切な電子、イオン伝導経路を有するので、内部抵抗を小さくし、高いレート特性及びサイクル特性を持ち、製造された負極材料、負極及びリチウムイオン電池は、高い初回効率及び高いサイクル特性を有する。
100 ケイ素/酸素複合材料
120 リチウム含有化合物
140 非金属ケイ素含有材料
142 ナノケイ素
144 酸化ケイ素
160 炭素層
200 電池
220 正極
240 負極
242 負極集電体
244 負極活物質層
260 電解液
280 セパレータ
290 ケース
120 リチウム含有化合物
140 非金属ケイ素含有材料
142 ナノケイ素
144 酸化ケイ素
160 炭素層
200 電池
220 正極
240 負極
242 負極集電体
244 負極活物質層
260 電解液
280 セパレータ
290 ケース
Claims (15)
- コアと、前記コアの表面に形成された炭素層(160)と、を含み、前記コアはリチウム含有化合物(120)と非金属ケイ素含有材料(140)を含み、前記非金属ケイ素含有材料(140)はナノケイ素(142)及び酸化ケイ素(144)のうちの少なくとも1種を含み、前記非金属ケイ素含有材料は前記リチウム含有化合物(120)に分散しており、
D10が3.0μm~8.2μmであるケイ素/酸素複合材料(100)。 - 前記リチウム含有化合物(120)はケイ酸リチウム、炭酸リチウム、アルミン酸リチウム及び硝酸リチウムのうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記酸化ケイ素(144)の化学式はSiOx(0<x≦1.8)であり、及び/又は
前記ナノケイ素(142)は酸化ケイ素(144)に分散しており、及び/又は、前記ナノケイ素(142)はリチウム含有化合物(120)に分散しており、及び/又は
前記前記酸化ケイ素(144)に分散しているナノケイ素(142)と前記前記リチウム含有化合物(120)に分散しているナノケイ素(142)との質量比が(15~46):(54~75)であり、及び/又は
前記ナノケイ素(142)のD50が0~15nm(0を除く)である請求項1に記載のケイ素/酸素複合材料(100)。 - 前記リチウム含有化合物(120)は塩化リチウム、窒化リチウム、炭化リチウム、硫化リチウム、硫酸リチウムのうちの少なくとも1種を含む請求項1に記載のケイ素/酸素複合材料(100)。
- 前記ナノケイ素(142)と前記リチウム含有化合物(120)とのモル比が(0.5~10):1であり、及び/又は
前記酸化ケイ素(144)と前記リチウム含有化合物(120)とのモル比が(0.2~2):1であり、及び/又は
前記炭素層(160)はアモルファスカーボン、グラフェンシート層、黒鉛化可能なソフトカーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ及び導電性カーボンブラックのうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記ケイ素/酸素複合材料(100)の質量100%に対し、前記炭素層(160)の含有量が1質量%~15質量%であり、及び/又は
前記炭素層(160)の厚さが200nm~1000nmである請求項1~3のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料(100)。 - 粒子径D10が2.5μm~7.5μmとなるようにケイ素源の粒子径を調整するステップと、
前記粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源を混合して焼成し、前記ケイ素/酸素複合材料(100)を得るステップと、を含み、
前記ケイ素/酸素複合材料(100)の粒子径D10が3.0μm~8.2μmであるケイ素/酸素複合材料(100)の製造方法。 - 前記ケイ素源の製造には、不活性雰囲気下で酸化ケイ素ガスを生成し得る原料を加熱し、酸化ケイ素ガスを生成し、冷却して前記ケイ素源を得ることが含まれる請求項5に記載の方法。
- 以下の特徴(1)~(5)の少なくとも1つを含む請求項6に記載の方法。
(1)前記ケイ素源は一酸化ケイ素であること
(2)前記不活性雰囲気はヘリウムガス雰囲気、ネオンガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、クリプトンガス雰囲気、キセノンガス雰囲気及び窒素ガス雰囲気のうちの少なくとも1種を含むこと
(3)前記加熱温度は900℃~1500℃であること
(4)前記酸化ケイ素ガスを生成し得る原料はSiとSiO2の混合物であること
(5)前記粒子径の調整方法は破砕、ボールミーリング及び分級のうちの少なくとも1種を含むこと - 前記炭素被覆方法は気相炭素被覆法及び固相炭素被覆法のうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記気相炭素被覆法は、保護性雰囲気下で、前記粒子径を調整されたケイ素源と有機炭素源を混合し、加熱して前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含み、及び/又は
前記固相炭素被覆法は、前記粒子径を調整されたケイ素源と被覆炭素源を融合し、炭化して前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得ることを含む請求項5~7のいずれか1項に記載の方法。 - 前記保護性雰囲気におけるガスは水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス及びキセノンガスのうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記有機炭素源はメタン、エチレン、アセチレン、アセトン及びベンゼンのうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記加熱温度は600℃~1000℃であり、及び/又は
前記融合時間は0.2h~1hであり、及び/又は
前記被覆炭素源は石炭コークス、石油コークス、糖類、有機酸及びアスファルトのうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記炭化温度は600℃~1000℃であり、及び/又は
前記炭化時間は3h~10hであり、及び/又は
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体の粒子径D10が3.0μm~8.2μmである請求項8に記載の方法。 - 前記炭素源は600℃~1000℃の加熱温度で分解して炭素層(160)を形成する有機炭素源を含み、及び/又は
前記有機炭素源はアルカン、アルケン、アルキン、ケトン、芳香族炭化水素のうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記被覆炭素源は針状コークス、樹脂、多価アルコール、エノールのうちの少なくとも1種を含む請求項8に記載の方法。 - 前記リチウム源は酸素不含リチウム化合物を含み、及び/又は
前記リチウム源は水素化リチウム、アミノリチウム、アルキルリチウム、水素化アルミニウムリチウム、リチウム単体及び水素化ホウ素リチウムのうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記リチウム源の粒子径D10が0.5μm~10μmであり、及び/又は
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体と前記リチウム源とのモル比が(1.4~3):1であり、及び/又は
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体と前記リチウム源の混合方式はVC混合、ニーディング、融合、混練、分散及び撹拌のうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記焼成は非酸素ガス環境にて行われ、及び/又は
前記非酸素ガス環境は真空雰囲気、水素ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、ヘリウムガス雰囲気、ネオンガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、クリプトンガス雰囲気及びキセノンガス雰囲気のうちの少なくとも1種を含み、及び/又は
前記焼成温度が300℃~1000℃である請求項5~10のいずれか1項に記載の方法。 - 不活性雰囲気下で、SiとSiO2の混合物を900℃~1500℃に加熱し、酸化ケイ素ガスを生成して冷却し、粒子径を調整し、粒子径D10が2.5μm~7.5μmのケイ素源を得るステップと、
前記粒子径を調整されたケイ素源に炭素を被覆して、粒度D10が3.0μm~8.2μmの炭素含有ケイ素/酸素前駆体を得るステップと、
前記炭素含有ケイ素/酸素前駆体とリチウム源を混合して、非酸素ガス環境にて温度450℃~800℃の焼成を行い、粒子径D10が3.0μm~8.2μmのケイ素/酸素複合材料(100)を得るステップと、を含む請求項5~10のいずれか1項に記載の方法。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料(100)又は請求項5~12のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料を含み、
好ましくは、前記負極材料は、黒鉛と請求項1~4のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料(100)又は請求項5~12のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料との複合体であり、
好ましくは、チタン酸リチウムと請求項1~4のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料(100)又は請求項5~12のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料との複合体である、負極材料。 - 請求項13に記載の負極材料を含む負極(240)。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料(100)又は請求項5~12のいずれか1項に記載のケイ素/酸素複合材料の製造方法によって得られるケイ素/酸素複合材料を含むリチウムイオン電池(200)。
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