JP2024017879A - 活物質複合粒子、二次電池、及び活物質複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Siを含む活物質複合粒子であって、低拘束下でのサイクル特性に優れるものを開示する。【解決手段】本開示の活物質複合粒子は、Si及び樹脂を含む。ここで、前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の表層部に占める前記樹脂の面積率は、前記複合粒子の中心部に占める前記樹脂の面積率よりも高い。【選択図】図1A
Description
本願は活物質複合粒子、二次電池、及び活物質複合粒子の製造方法を開示する。
特許文献1には、充電に伴う膨張量が小さい負極活物質であって、Si繊維を含有する不織布状の粒子からなり、所定の平均粒子径(D50)を有し、且つ、非晶質であるものが開示されている。また、特許文献2には、初期不可逆容量が小さい負極活物質であって、Si系粒子の二次粒子と、前記二次粒子の表面に形成されたフッ素化された層とを有するものが開示されている。
Siを含む従来の活物質は、例えば、低拘束下でのサイクル特性について改善の余地がある。
本願は上記課題を解決するための手段として、以下の複数の態様を開示する。
<態様1>
活物質複合粒子であって、Si及び樹脂を含み、
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の表層部に占める前記樹脂の面積率が、前記複合粒子の中心部に占める前記樹脂の面積率よりも高い、
活物質複合粒子。
<態様2>
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の前記中心部に占める空隙率が、前記複合粒子の前記表層部に占める空隙率よりも高い、
態様1の活物質複合粒子。
<態様3>
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の前記中心部に占める前記Siの面積率が、前記複合粒子の前記表層部に占める前記Siの面積率よりも高い、
態様1又は2の活物質複合粒子。
<態様4>
前記表層部が、前記樹脂からなる、
態様1~3のいずれかの活物質複合粒子。
<態様5>
前記中心部が、複数のSi粒子を含む、
態様1~4のいずれかの活物質複合粒子。
<態様6>
前記Si粒子が、多孔質である、
態様5の活物質複合粒子。
<態様7>
前記複合粒子が、前記樹脂を含む前記表層部と、複数の前記Si粒子及び空隙を含む前記中心部とを有する、
態様5又は6の活物質複合粒子。
<態様8>
二次電池であって、正極、電解質層及び負極を有し、
前記負極が、態様1~7のいずれかの活物質複合粒子を含む、
二次電池。
<態様9>
前記正極、前記電解質層及び前記負極のうちの少なくとも1つが、固体電解質を含む、
態様8の二次電池。
<態様10>
Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得ること、及び、
前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得ること、
を含む、活物質複合粒子の製造方法。
<態様11>
スプレードライにより、前記スラリーの液滴化、及び、前記スラリー液滴の気流乾燥が行われる、
態様10の製造方法。
<態様1>
活物質複合粒子であって、Si及び樹脂を含み、
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の表層部に占める前記樹脂の面積率が、前記複合粒子の中心部に占める前記樹脂の面積率よりも高い、
活物質複合粒子。
<態様2>
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の前記中心部に占める空隙率が、前記複合粒子の前記表層部に占める空隙率よりも高い、
態様1の活物質複合粒子。
<態様3>
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の前記中心部に占める前記Siの面積率が、前記複合粒子の前記表層部に占める前記Siの面積率よりも高い、
態様1又は2の活物質複合粒子。
<態様4>
前記表層部が、前記樹脂からなる、
態様1~3のいずれかの活物質複合粒子。
<態様5>
前記中心部が、複数のSi粒子を含む、
態様1~4のいずれかの活物質複合粒子。
<態様6>
前記Si粒子が、多孔質である、
態様5の活物質複合粒子。
<態様7>
前記複合粒子が、前記樹脂を含む前記表層部と、複数の前記Si粒子及び空隙を含む前記中心部とを有する、
態様5又は6の活物質複合粒子。
<態様8>
二次電池であって、正極、電解質層及び負極を有し、
前記負極が、態様1~7のいずれかの活物質複合粒子を含む、
二次電池。
<態様9>
前記正極、前記電解質層及び前記負極のうちの少なくとも1つが、固体電解質を含む、
態様8の二次電池。
<態様10>
Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得ること、及び、
前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得ること、
を含む、活物質複合粒子の製造方法。
<態様11>
スプレードライにより、前記スラリーの液滴化、及び、前記スラリー液滴の気流乾燥が行われる、
態様10の製造方法。
本開示の活物質複合粒子は、低拘束下でのサイクル特性に優れる。
1.活物質複合粒子
図1Aに一実施形態に係る活物質複合粒子1の断面構造を概略的に示す。活物質複合粒子1は、Si及び樹脂を含む。ここで、前記複合粒子1の断面を観察した場合において、前記複合粒子1の表層部1xに占める前記樹脂の面積率は、前記複合粒子1の中心部1yに占める前記樹脂の面積率よりも高い。
図1Aに一実施形態に係る活物質複合粒子1の断面構造を概略的に示す。活物質複合粒子1は、Si及び樹脂を含む。ここで、前記複合粒子1の断面を観察した場合において、前記複合粒子1の表層部1xに占める前記樹脂の面積率は、前記複合粒子1の中心部1yに占める前記樹脂の面積率よりも高い。
1.1 表層部及び中心部
本願において、活物質複合粒子の「表層部」及び「中心部」とは、以下の通りに定義されるものである。すなわち、活物質複合粒子1の断面を観察した場合に、樹脂リッチな最外層とそれよりも内部の層との間に境界が観察される場合は、当該境界の外側の最外層を表層部1x、当該境界の内側の内部層を中心部1yとみなす。一方で、活物質複合粒子1の断面を観察した場合に、表層部1xとそれよりも内側の中心部1yとの間に境界が観察されない場合は、以下の通りにして、表層部1xと中心部1yとを区別するものとする。具体的には、活物質複合粒子1の表層部1xは、以下のようにして特定される。すなわち、図1Bに示されるように、活物質複合粒子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等で観察して、活物質複合粒子の断面の二次元画像を取得し、当該二次元画像における活物質複合粒子の表面から所定の深さまでの領域Xの面積をa1、粒子全体の面積をa1+a2とした場合に、a1/(a1+a2)が0.5となる領域Xを「活物質複合粒子の表層部」とみなす。このようにして特定される「活物質複合粒子の表層部」よりも深い部分(内側の部分)が「活物質複合粒子の中心部」となり得る。
本願において、活物質複合粒子の「表層部」及び「中心部」とは、以下の通りに定義されるものである。すなわち、活物質複合粒子1の断面を観察した場合に、樹脂リッチな最外層とそれよりも内部の層との間に境界が観察される場合は、当該境界の外側の最外層を表層部1x、当該境界の内側の内部層を中心部1yとみなす。一方で、活物質複合粒子1の断面を観察した場合に、表層部1xとそれよりも内側の中心部1yとの間に境界が観察されない場合は、以下の通りにして、表層部1xと中心部1yとを区別するものとする。具体的には、活物質複合粒子1の表層部1xは、以下のようにして特定される。すなわち、図1Bに示されるように、活物質複合粒子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等で観察して、活物質複合粒子の断面の二次元画像を取得し、当該二次元画像における活物質複合粒子の表面から所定の深さまでの領域Xの面積をa1、粒子全体の面積をa1+a2とした場合に、a1/(a1+a2)が0.5となる領域Xを「活物質複合粒子の表層部」とみなす。このようにして特定される「活物質複合粒子の表層部」よりも深い部分(内側の部分)が「活物質複合粒子の中心部」となり得る。
1.1.1 樹脂の面積率
活物質複合粒子1は、当該複合粒子1の断面を観察した場合において、当該複合粒子1の表層部1xに占める樹脂の面積率が、当該複合粒子1の中心部1yに占める樹脂の面積率よりも高い。例えば、活物質複合粒子1は、表層部1xに樹脂リッチな部分を有していてもよく、表層部1xが樹脂からなるものであってもよく、すなわち、表層部1xは、樹脂層2であってもよい。このように、複合粒子1の表層部1xにおける樹脂の比率が高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、複合粒子1全体としての体積変化が表層部1xの樹脂によって緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持され易い。また、表層部1xにおける樹脂の比率が高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、表層部1xの樹脂がクッション材として機能し、複合粒子1の周囲の材料に割れや隙間が生じ難い。そのため、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、優れたサイクル特性が発揮され易い。
活物質複合粒子1は、当該複合粒子1の断面を観察した場合において、当該複合粒子1の表層部1xに占める樹脂の面積率が、当該複合粒子1の中心部1yに占める樹脂の面積率よりも高い。例えば、活物質複合粒子1は、表層部1xに樹脂リッチな部分を有していてもよく、表層部1xが樹脂からなるものであってもよく、すなわち、表層部1xは、樹脂層2であってもよい。このように、複合粒子1の表層部1xにおける樹脂の比率が高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、複合粒子1全体としての体積変化が表層部1xの樹脂によって緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持され易い。また、表層部1xにおける樹脂の比率が高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、表層部1xの樹脂がクッション材として機能し、複合粒子1の周囲の材料に割れや隙間が生じ難い。そのため、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、優れたサイクル特性が発揮され易い。
活物質複合粒子1の表層部1xに占める樹脂の面積率AR1と、複合粒子1の中心部1yに占める樹脂の面積率AR2との比AR1/AR2は、特に限定されるものではない。例えば、比AR1/AR2は、1.0超、1.5以上、2.0以上、2.5以上、3.0以上、3.5以上、4.0以上、4.5以上又は5.0以上であってもよい。比AR1/AR2の上限は特に限定されず、AR2が0%となることもあり得る。また、複合粒子1の表層部1xに占める樹脂の面積率AR1の値は、特に限定されるものではない。例えば、複合粒子1の断面を観察した場合において、表層部1xの全体の面積を100面積%として、当該表層部1xに含まれる樹脂の面積率AR1が70面積%以上100面積%以下、80面積%以上100面積%以下、又は、90面積%以上100面積%以下であってもよい。さらに、複合粒子1の中心部1yに占める樹脂の面積率AR2は、特に限定されるものではない。例えば、複合粒子1の断面を観察した場合において、中心部1yの全体の面積を100面積%として、当該中心部1yに含まれる樹脂の面積率AR2が0面積%以上30積%以下、0面積%以上20面積%以下、又は、0面積%以上10面積%以下であってもよい。
尚、活物質複合粒子1の表層部1xに占める樹脂の面積率AR1や、複合粒子1の中心部1yに占める樹脂の面積率AR2は、複合粒子1の断面についてEDX等によって元素分析し、当該断面において樹脂が存在する領域を特定することによって求めることができる。
1.1.2 空隙率
活物質複合粒子1は、当該複合粒子1の断面を観察した場合において、当該複合粒子1の中心部1yに占める空隙率が、当該複合粒子1の表層部1xに占める空隙率よりも高くてもよい。すなわち、活物質複合粒子1は、中心部1yに空隙3を有していてもよい。また、活物質複合粒子1は、表層部1xに空隙3を有していてもよいし、有していなくてもよい。このように、中心部1yにおける空隙率が表層部1xにおける空隙率よりも高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、当該Siの膨張分を空隙によって吸収することができ、複合粒子1全体としての体積変化が緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持され易い。また、複合粒子1全体としての体積変化が緩和されることで、複合粒子1の周囲の材料に割れや隙間が生じ難い。そのため、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、一層優れたサイクル特性が発揮され易い。
活物質複合粒子1は、当該複合粒子1の断面を観察した場合において、当該複合粒子1の中心部1yに占める空隙率が、当該複合粒子1の表層部1xに占める空隙率よりも高くてもよい。すなわち、活物質複合粒子1は、中心部1yに空隙3を有していてもよい。また、活物質複合粒子1は、表層部1xに空隙3を有していてもよいし、有していなくてもよい。このように、中心部1yにおける空隙率が表層部1xにおける空隙率よりも高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、当該Siの膨張分を空隙によって吸収することができ、複合粒子1全体としての体積変化が緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持され易い。また、複合粒子1全体としての体積変化が緩和されることで、複合粒子1の周囲の材料に割れや隙間が生じ難い。そのため、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、一層優れたサイクル特性が発揮され易い。
活物質複合粒子1の表層部1xに占める空隙率P1と、複合粒子1の中心部1yに占める空隙率P2との比P1/P2は、特に限定されるものではない。例えば、比P1/P2は、1.0未満、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下、0.5以下、0.4以下、0.3以下、0.2以下、又は0.1以下であってもよい。比P1/P2の下限は特に限定されず、0(P1=0%)となることもあり得る。また、複合粒子1の表層部1xに占める空隙率P1の値は、特に限定されるものではない。例えば、複合粒子1の断面を観察した場合において、表層部1xの全体の面積を100面積%として、当該表層部1xに含まれる空隙の面積率P1が0面積%以上10面積%以下、0面積%以上7面積%以下、0面積%以上5面積%以下、0面積%以上3面積%以下、又は、0面積%以上1面積%以下であってもよい。さらに、複合粒子1の中心部1yに占める空隙率P2は、特に限定されるものではない。例えば、複合粒子1の断面を観察した場合において、中心部1yの全体の面積を100面積%として、当該中心部1yに含まれる空隙の面積率P2が0面積%超50面積%以下、10面積%以上50面積%以下、又は、20面積%以上50面積%以下であってもよい。
尚、活物質複合粒子1の表層部1xに占める空隙率P1や、複合粒子1の中心部1yに占める空隙率P2は、複合粒子1の断面についてEDX等によって元素分析し、当該断面において空隙が存在する領域を特定することによって求めることができる。
1.1.3 Siの面積率
活物質複合粒子1は、当該複合粒子1の断面を観察した場合において、当該複合粒子1の中心部1yに占めるSiの面積率が、当該複合粒子1の表層部1xに占めるSiの面積率よりも高くてもよい。すなわち、活物質複合粒子1は、中心部1yにSiリッチな部分を有していてもよい。また、中心部1yは、複数のSi粒子4を含んでいてもよい。このように、中心部1yにおけるSiの面積率が表層部1xにおけるSiの面積率よりも高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、当該Siの膨張が複合粒子1の外部へと及び難く、複合粒子1全体としての体積変化が緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持され易い。また、複合粒子1全体としての体積変化が緩和されることで、複合粒子1の周囲の材料に割れや隙間が生じ難い。そのため、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、一層優れたサイクル特性が発揮され易い。
活物質複合粒子1は、当該複合粒子1の断面を観察した場合において、当該複合粒子1の中心部1yに占めるSiの面積率が、当該複合粒子1の表層部1xに占めるSiの面積率よりも高くてもよい。すなわち、活物質複合粒子1は、中心部1yにSiリッチな部分を有していてもよい。また、中心部1yは、複数のSi粒子4を含んでいてもよい。このように、中心部1yにおけるSiの面積率が表層部1xにおけるSiの面積率よりも高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、当該Siの膨張が複合粒子1の外部へと及び難く、複合粒子1全体としての体積変化が緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持され易い。また、複合粒子1全体としての体積変化が緩和されることで、複合粒子1の周囲の材料に割れや隙間が生じ難い。そのため、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、一層優れたサイクル特性が発揮され易い。
活物質複合粒子1の表層部1xに占めるSiの面積率AR3と、複合粒子1の中心部1yに占めるSiの面積率AR4との比AR3/AR4は、特に限定されるものではない。例えば、比AR3/AR4は、1.0未満、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下、0.5以下、0.4以下、0.3以下、0.2以下、又は0.1以下であってもよい。比AR3/AR4の下限は特に限定されず、0(AR3=0%)となることもあり得る。また、複合粒子1の表層部1xに占めるSiの面積率AR3の値は、特に限定されるものではない。例えば、複合粒子1の断面を観察した場合において、表層部1xの全体の面積を100面積%として、当該表層部1xに含まれるSiの面積率AR3が0面積%以上30面積%以下、0面積%以上20面積%以下、又は、0面積%以上10面積%以下であってもよい。さらに、複合粒子1の中心部1yに占めるSiの面積率AR4は、特に限定されるものではない。例えば、複合粒子1の断面を観察した場合において、中心部1yの全体の面積を100面積%として、当該中心部1yに含まれるSiの面積率AR4が50面積%以上100面積%未満、50面積%以上90面積%以下、又は、50面積%以上80面積%以下であってもよい。
尚、活物質複合粒子1の表層部1xに占めるSiの面積率AR3や、複合粒子1の中心部1yに占めるSiの面積率AR4は、複合粒子1の断面についてEDX等によって元素分析し、当該断面においてSiが存在する領域を特定することによって求めることができる。
1.2 Si
活物質複合粒子1はSiを含む。図1Aに示されるように、活物質複合粒子1において、Siは、例えば、粒子として含まれていてもよい。Si粒子は一次粒子として存在していてもよいし、二次粒子として存在していてもよい。Si粒子の組成は特に限定されるものではない。Si粒子に含まれる全ての元素に占めるSi元素の割合は、例えば、50mol%以上、70mol%以上、又は、90mol%以上であってもよい。Si粒子は、Si元素以外に、Li元素等のその他の元素を含んでいてもよい。その他の元素としては、Li元素のほか、Sn元素、Fe元素、Co元素、Ni元素、Ti元素、Cr元素、B元素、P元素等が挙げられる。また、Si粒子は、酸化物等の不純物を含んでいてもよい。Si粒子は、非晶質であっても結晶であってもよい。Si粒子に含まれる結晶相は特に限定されるものではない。
活物質複合粒子1はSiを含む。図1Aに示されるように、活物質複合粒子1において、Siは、例えば、粒子として含まれていてもよい。Si粒子は一次粒子として存在していてもよいし、二次粒子として存在していてもよい。Si粒子の組成は特に限定されるものではない。Si粒子に含まれる全ての元素に占めるSi元素の割合は、例えば、50mol%以上、70mol%以上、又は、90mol%以上であってもよい。Si粒子は、Si元素以外に、Li元素等のその他の元素を含んでいてもよい。その他の元素としては、Li元素のほか、Sn元素、Fe元素、Co元素、Ni元素、Ti元素、Cr元素、B元素、P元素等が挙げられる。また、Si粒子は、酸化物等の不純物を含んでいてもよい。Si粒子は、非晶質であっても結晶であってもよい。Si粒子に含まれる結晶相は特に限定されるものではない。
活物質複合粒子1に含まれるSiが粒子状である場合、1つの活物質複合粒子1に含まれるSi粒子の数は、特に限定されるものではない。Si粒子の数は、2以上、5以上、10以上、50以上又は100以上であってもよく、10000以下、1000以下又は500以下であってもよい。
活物質複合粒子1に含まれるSiが粒子状である場合、そのサイズは特に限定されるものではない。Si粒子の平均一次粒子径は、例えば、10nm以上、30nm以上、50nm以上、100nm以上、又は、150nm以上であってもよく、10μm以下、5μm以下、3μm以下、2μm以下、又は、1μm以下であってもよい。また、Si粒子の平均二次粒子径は、例えば、100nm以上、1μm以上、又は、2μm以上であってもよく、20μm以下、15μm以下、又は、10μm以下であってもよい。尚、平均一次粒子径及び平均二次粒子径は、SEM等の電子顕微鏡による観察によって求めることができ、例えば、複数の粒子の各々の最大フェレ径の平均値として求められる。サンプル数は、多いことが好ましく、例えば20以上であり、50以上であってもよく、100以上であってもよい。平均一次粒子径及び平均二次粒子径は、例えば、Si粒子の製造条件を適宜変更したり、分級処理を行ったりすることで、適宜調整可能である。
活物質複合粒子1に含まれるSiが粒子状である場合、当該Si粒子は多孔質であってもよい。例えば、中心部1yが複数のSi粒子を含む場合、当該Si粒子が多孔質であることで、充電時のSiの膨張量を低減することができる。多孔質Si粒子における空隙の形態に特に制限はない。多孔質Si粒子は、ナノポーラスシリコンを含む粒子であってもよい。ナノポーラスシリコンとは、ナノメートルオーダー(1000nm未満、好ましくは100nm以下)の細孔径を有する細孔が複数存在するシリコンをいう。多孔質Si粒子は、直径55nm以下の細孔を含むものであってもよい。直径55nm以下の細孔は、プレスによっても潰れ難い。すなわち、直径55nm以下の細孔を含む多孔質Si粒子は、プレス後においても多孔質が維持され易い。例えば、多孔質Si粒子の1gあたり、直径55nm以下の細孔が0.21cc以上、0.22cc/g以上、又は、0.23cc/g以上含まれていてもよく、0.30cc/g以下、0.28cc/g以下、又は、0.26cc/g以下含まれていてもよい。多孔質Si粒子に含まれる直径55nm以下の細孔の量は、例えば、窒素ガス吸着法、DFT法による細孔径分布から求めることができる。
活物質複合粒子1に多孔質Si粒子が含まれる場合、当該多孔質Si粒子は、所定の空隙率を有していてもよい。多孔質Si粒子の空隙率は、例えば、1%以上、5%以上、10%以上、又は、20%以上であってもよく、80%以下、70%以下、60%以下、50%以下、40%以下、又は、30%以下であってもよい。Si粒子の空隙率は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察等により求めることができる。サンプル数は多いことが好ましく、例えば100以上である。空隙率は、これらサンプルから求めた平均値とすることができる。
1.3 樹脂
活物質複合粒子1は樹脂を含む。当該樹脂は、例えば、Si粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有し得る。樹脂の種類は、特に限定されるものではない。樹脂として、二次電池の構成材料として公知である各種のバインダーが採用されてもよい。例えば、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ブチレンゴム(IIR)系バインダー、アクリレートブタジエンゴム(ABR)系バインダー、スチレンブタジエンゴム(SBR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー、ポリイミド(PI)系バインダー、カルボキシメチルセルロース(CMC)系バインダー、ポリアクリル酸塩系バインダー、ポリアクリル酸エステル系バインダー等から選ばれるものであってもよい。特にPVdF系バインダーの性能が高い。PVdF系バインダーは、VdF以外の単量体に由来する単位を有する共重合体であってもよい。樹脂は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
活物質複合粒子1は樹脂を含む。当該樹脂は、例えば、Si粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有し得る。樹脂の種類は、特に限定されるものではない。樹脂として、二次電池の構成材料として公知である各種のバインダーが採用されてもよい。例えば、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ブチレンゴム(IIR)系バインダー、アクリレートブタジエンゴム(ABR)系バインダー、スチレンブタジエンゴム(SBR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー、ポリイミド(PI)系バインダー、カルボキシメチルセルロース(CMC)系バインダー、ポリアクリル酸塩系バインダー、ポリアクリル酸エステル系バインダー等から選ばれるものであってもよい。特にPVdF系バインダーの性能が高い。PVdF系バインダーは、VdF以外の単量体に由来する単位を有する共重合体であってもよい。樹脂は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
活物質複合粒子1にSi粒子が含まれる場合、活物質複合粒子1におけるSi粒子の質量比は特に限定されるものではない。例えば、活物質複合粒子1は、Si粒子を70質量%以上90質量%以下含んでいてもよい。活物質複合粒子1における樹脂の質量比は特に限定されるものではない。例えば、活物質複合粒子1は、樹脂を10質量%以上30質量%以下含んでいてもよい。さらに、活物質複合粒子1に含まれるSi粒子及び樹脂の割合は、複合粒子1を形成することができる程度のものであれば特に限定されない。例えば、Si粒子及び樹脂の合計に占める樹脂の割合は、1質量%以上、5質量%以上、又は、8質量%以上であってもよく、30質量%以下、28質量%以下、26質量%以下、24質量%以下、又は、22質量%以下であってもよい。Si粒子及び樹脂の合計に占める樹脂の割合が1質量%以上30質量%以下である場合、より大きな充放電容量が確保され易い。
1.4 その他の成分
活物質複合粒子1は、上記のSi及び樹脂(並びに空隙)のみからなるものであってもよく、これら以外のその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、各種の固体成分や液体成分等が挙げられる。
活物質複合粒子1は、上記のSi及び樹脂(並びに空隙)のみからなるものであってもよく、これら以外のその他の成分を含んでいてもよい。その他の成分としては、各種の固体成分や液体成分等が挙げられる。
1.5 活物質複合粒子の粒子径
活物質複合粒子1は、複数のSi粒子が樹脂を介して凝集した二次粒子とみなすことができる。複合粒子1の平均粒子径は、特に限定されるものではない。複合粒子1の平均粒子径は、100nm以上、1μm以上、2μm以上、又は、3μm以上であってもよく、20μm以下、15μm以下、又は、10μm以下であってもよい。複合粒子1の平均粒子径は、SEM等の電子顕微鏡による観察によって求めることができ、例えば、複数の複合粒子の最大フェレ径の平均値として求められる。サンプル数は、多いことが好ましく、例えば20以上であり、50以上であってもよく、100以上であってもよい。或いは、複合粒子1のみを取り出し、レーザー回折式粒子分布測定装置を用いて測定される複合粒子1の平均粒子径(D50、メジアン径)が、100nm以上、1μm以上、2μm以上、又は、3μm以上であってもよく、20μm以下、15μm以下、又は、10μm以下であってもよい。
活物質複合粒子1は、複数のSi粒子が樹脂を介して凝集した二次粒子とみなすことができる。複合粒子1の平均粒子径は、特に限定されるものではない。複合粒子1の平均粒子径は、100nm以上、1μm以上、2μm以上、又は、3μm以上であってもよく、20μm以下、15μm以下、又は、10μm以下であってもよい。複合粒子1の平均粒子径は、SEM等の電子顕微鏡による観察によって求めることができ、例えば、複数の複合粒子の最大フェレ径の平均値として求められる。サンプル数は、多いことが好ましく、例えば20以上であり、50以上であってもよく、100以上であってもよい。或いは、複合粒子1のみを取り出し、レーザー回折式粒子分布測定装置を用いて測定される複合粒子1の平均粒子径(D50、メジアン径)が、100nm以上、1μm以上、2μm以上、又は、3μm以上であってもよく、20μm以下、15μm以下、又は、10μm以下であってもよい。
1.6 活物質複合粒子の構造及び形状
上述の通り、活物質複合粒子1は、前記樹脂を含む前記表層部1xと、複数の前記Si粒子及び空隙を含む前記中心部1yとを有するものであってよい。また、活物質複合粒子1は、例えば、二次電池に適用される前の状態において、長径と短径とを有していてもよい。長径と短径との比(長径/短径)は、例えば、1.0以上又は1.1以上であってもよく、1.3以下又は1.2以下であってもよい。一方で、後述するように、活物質複合粒子1を二次電池の負極活物質層に適用する場合、活物質複合粒子1を含む負極活物質合材をプレスすることによって、負極活物質層が形成され得る。この際、複合粒子1は、プレス方向に潰れて、所定以上のアスペクト比を有するものとなり得る。複合粒子1が所定以上のアスペクト比を有する程度にプレスされることで、複合粒子内の接触抵抗、複合粒子同士の接触抵抗、及び、複合粒子と他の材料との接触抵抗等が低減され易い。具体的には、後述する負極の抵抗が一層小さくなる観点から、負極活物質層の断面を観察した場合に、下記抽出方法にて抽出される複数の複合粒子1のうちの半数以上(個数割合で50%以上)が、1.5以上のアスペクト比を有していてもよい。
上述の通り、活物質複合粒子1は、前記樹脂を含む前記表層部1xと、複数の前記Si粒子及び空隙を含む前記中心部1yとを有するものであってよい。また、活物質複合粒子1は、例えば、二次電池に適用される前の状態において、長径と短径とを有していてもよい。長径と短径との比(長径/短径)は、例えば、1.0以上又は1.1以上であってもよく、1.3以下又は1.2以下であってもよい。一方で、後述するように、活物質複合粒子1を二次電池の負極活物質層に適用する場合、活物質複合粒子1を含む負極活物質合材をプレスすることによって、負極活物質層が形成され得る。この際、複合粒子1は、プレス方向に潰れて、所定以上のアスペクト比を有するものとなり得る。複合粒子1が所定以上のアスペクト比を有する程度にプレスされることで、複合粒子内の接触抵抗、複合粒子同士の接触抵抗、及び、複合粒子と他の材料との接触抵抗等が低減され易い。具体的には、後述する負極の抵抗が一層小さくなる観点から、負極活物質層の断面を観察した場合に、下記抽出方法にて抽出される複数の複合粒子1のうちの半数以上(個数割合で50%以上)が、1.5以上のアスペクト比を有していてもよい。
抽出方法:活物質層の断面を観察し、当該断面に含まれる複合粒子を、断面積の大きい順に抽出し、抽出された複合粒子の合計の面積が、当該断面に含まれるすべての複合粒子の合計の面積の80%を超えた時点で、抽出を終了する。
尚、上記の抽出方法は、SEM等によって取得される活物質層の断面画像をもとに、画像解析によって行われるものであってよい。画像解析においては、画像に含まれる複合粒子を楕円近似したうえで、各々の複合粒子のアスペクト比が特定されてもよい。
2.二次電池
図2に一実施形態に係る二次電池100の構成を概略的に示す。図2に示されるように、二次電池100は、正極10、電解質層20及び負極30を有し、前記負極30が、上記の活物質複合粒子1を含む。二次電池100においては、前記正極10、前記電解質層20及び前記負極30のうちの少なくとも1つが、固体電解質を含んでいてもよい。また、二次電池100は、前記正極10、前記電解質層20及び前記負極30のすべてが固体電解質を含んでいてもよい。さらに、二次電池100は、固体電池であってもよい。固体電池とは、キャリアイオン伝導性を有する電解質が主に固体電解質によって構成されているものをいう。ただし、添加剤レベルで液体成分が含まれていてもよい。或いは、二次電池100は、液体成分を実質的に含まない全固体電池であってもよい。
図2に一実施形態に係る二次電池100の構成を概略的に示す。図2に示されるように、二次電池100は、正極10、電解質層20及び負極30を有し、前記負極30が、上記の活物質複合粒子1を含む。二次電池100においては、前記正極10、前記電解質層20及び前記負極30のうちの少なくとも1つが、固体電解質を含んでいてもよい。また、二次電池100は、前記正極10、前記電解質層20及び前記負極30のすべてが固体電解質を含んでいてもよい。さらに、二次電池100は、固体電池であってもよい。固体電池とは、キャリアイオン伝導性を有する電解質が主に固体電解質によって構成されているものをいう。ただし、添加剤レベルで液体成分が含まれていてもよい。或いは、二次電池100は、液体成分を実質的に含まない全固体電池であってもよい。
2.1 正極
正極10は、二次電池の正極として適切に機能し得るものであればよく、その構成は特に限定されるものではない。図2に示されるように、正極10は、正極活物質層11と正極集電体12とを備えるものであってよい。
正極10は、二次電池の正極として適切に機能し得るものであればよく、その構成は特に限定されるものではない。図2に示されるように、正極10は、正極活物質層11と正極集電体12とを備えるものであってよい。
2.1.1 正極活物質層
正極活物質層11は、少なくとも正極活物質を含み、さらに任意に、電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでいてもよい。正極活物質層11はその他に各種の添加剤を含んでいてもよい。正極活物質層11における各成分の含有量は、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。例えば、正極活物質層11全体(固形分全体)を100質量%として、正極活物質の含有量が40質量%以上、50質量%以上、60質量%以上又は70質量%以上であってもよく、100質量%以下又は90質量%以下であってもよい。正極活物質層11の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状の正極活物質層であってもよい。正極活物質層11の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上、1μm以上又は10μm以上であってもよく、2mm以下、1mm以下又は500μm以下であってもよい。
正極活物質層11は、少なくとも正極活物質を含み、さらに任意に、電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでいてもよい。正極活物質層11はその他に各種の添加剤を含んでいてもよい。正極活物質層11における各成分の含有量は、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。例えば、正極活物質層11全体(固形分全体)を100質量%として、正極活物質の含有量が40質量%以上、50質量%以上、60質量%以上又は70質量%以上であってもよく、100質量%以下又は90質量%以下であってもよい。正極活物質層11の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状の正極活物質層であってもよい。正極活物質層11の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上、1μm以上又は10μm以上であってもよく、2mm以下、1mm以下又は500μm以下であってもよい。
正極活物質としては、二次電池の正極活物質として公知のものを用いればよい。公知の活物質のうち、所定のキャリアイオン(例えば、リチウムイオン)を吸蔵放出する電位(充放電電位)が相対的に貴である物質を正極活物質として用いることができる。正極活物質は、例えば、各種のリチウム含有化合物、単体硫黄及び硫黄化合物等から選ばれる少なくとも1種であってもよい。正極活物質としてのリチウム含有化合物は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、Li1±αNi1/3Co1/3Mn1/3O2±δ、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物(Li1+xMn2-x-yMyO4(MはAl、Mg、Co、Fe、Ni及びZnから選ばれる一種以上)で表わされる組成の異種元素置換Li-Mnスピネル等)、チタン酸リチウム、リン酸金属リチウム(LiMPO4等、MはFe、Mn、Co及びNiから選ばれる一種以上)等の各種のリチウム含有酸化物であってもよい。特に、正極活物質が、構成元素として、少なくとも、Liと、Ni、Co及びMnのうちの少なくとも一つと、Oとを含むリチウム含有酸化物を含む場合に、一層高い効果が期待できる。正極活物質は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
正極活物質の形状は、電池の正極活物質として一般的な形状であればよい。正極活物質は、例えば、粒子状であってもよい。正極活物質は、中実のものであってもよく、中空のものであってもよく、空隙を有するものであってもよく、多孔質であってもよい。正極活物質は、一次粒子であってもよいし、複数の一次粒子が凝集した二次粒子であってもよい。正極活物質の平均粒子径D50は、例えば1nm以上、5nm以上又は10nm以上であってもよく、また500μm以下、100μm以下、50μm以下又は30μm以下であってもよい。尚、本願にいう平均粒子径D50とは、レーザー回折・散乱法によって求めた体積基準の粒度分布における積算値50%での粒子径(メジアン径)である。
正極活物質の表面には、イオン伝導性酸化物を含有する保護層が形成されていてもよい。これにより、正極物活物質と硫化物(例えば、後述する硫化物固体電解質)との反応等が抑制され易くなる。イオン伝導性酸化物としては、例えば、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、LiAlO2、Li4SiO4、Li2SiO3、Li3PO4、Li2SO4、Li2TiO3、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、Li2ZrO3、LiNbO3、Li2MoO4、Li2WO4など挙げられる。イオン伝導性酸化物は、PやB等のドープ元素によって一部の元素が置換されたものであってもよい。正極活物質の表面に対する保護層の被覆率(面積率)は、例えば、70%以上であってもよく、80%以上であってもよく、90%以上であってもよい。保護層の厚さは、例えば、0.1nm以上又は1nm以上であってもよく、100nm以下又は20nm以下であってもよい。
正極活物質層11に含まれ得る電解質は、固体電解質であってもよく、液体電解質(電解液)であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。特に、正極活物質層11が電解質として少なくとも固体電解質を含む場合に、一層高い効果が得られ易い。
固体電解質は、二次電池の固体電解質として公知のものを用いればよい。固体電解質は無機固体電解質であっても、有機ポリマー電解質であってもよい。特に、無機固体電解質は、イオン伝導度が高く、耐熱性に優れる。無機固体電解質としては、例えば、ランタンジルコン酸リチウム、LiPON、Li1+XAlXGe2-X(PO4)3、Li-SiO系ガラス、Li-Al-S-O系ガラス等の酸化物固体電解質;Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Si2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI-LiBr、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-GeS2等の硫化物固体電解質を例示することができる。特に、硫化物固体電解質、中でも構成元素として少なくともLi、S及びPを含む硫化物固体電解質の性能が高い。固体電解質は、非晶質であってもよいし、結晶であってもよい。固体電解質は例えば粒子状であってもよい。固体電解質は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
電解液は、所定のキャリアイオン(例えば、リチウムイオン)を含み得る。電解液は、例えば、非水系電解液であってよい。電解液の組成は二次電池の電解液の組成として公知のものと同様とすればよい。例えば、電解液として、カーボネート系溶媒にリチウム塩を所定濃度で溶解させたものを用いることができる。カーボネート系溶媒としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)などが挙げられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6等が挙げられる。
正極活物質層11に含まれ得る導電助剤としては、例えば、気相法炭素繊維(VGCF)やアセチレンブラック(AB)やケッチェンブラック(KB)やカーボンナノチューブ(CNT)やカーボンナノファイバー(CNF)等の炭素材料;ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。導電助剤は、例えば、粒子状又は繊維状であってもよく、その大きさは特に限定されるものではない。導電助剤は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
正極活物質層11に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ブチレンゴム(IIR)系バインダー、アクリレートブタジエンゴム(ABR)系バインダー、スチレンブタジエンゴム(SBR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー、ポリイミド(PI)系バインダー等が挙げられる。バインダーは1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
2.1.2 正極集電体
図2に示されるように、正極10は、上記の正極活物質層11と接触する正極集電体12を備えていてもよい。正極集電体12は、電池の正極集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。また、正極集電体12は、箔状、板状、メッシュ状、パンチングメタル状、及び、発泡体等であってよい。正極集電体12は、金属箔又は金属メッシュによって構成されていてもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。正極集電体12は、複数枚の箔からなっていてもよい。正極集電体12を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、酸化耐性を確保する観点等から、正極集電体12がAlを含むものであってもよい。正極集電体12は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、正極集電体12は、金属箔や基材に上記の金属がめっき又は蒸着されたものであってもよい。また、正極集電体12が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。正極集電体12の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。
図2に示されるように、正極10は、上記の正極活物質層11と接触する正極集電体12を備えていてもよい。正極集電体12は、電池の正極集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。また、正極集電体12は、箔状、板状、メッシュ状、パンチングメタル状、及び、発泡体等であってよい。正極集電体12は、金属箔又は金属メッシュによって構成されていてもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。正極集電体12は、複数枚の箔からなっていてもよい。正極集電体12を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、酸化耐性を確保する観点等から、正極集電体12がAlを含むものであってもよい。正極集電体12は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、正極集電体12は、金属箔や基材に上記の金属がめっき又は蒸着されたものであってもよい。また、正極集電体12が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。正極集電体12の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。
2.2 電解質層
電解質層20は、正極10と負極30との間に配置され、セパレータとして機能し得る。電解質層20は、少なくとも電解質を含み、さらに任意に、バインダー等を含んでいてもよい。電解質層20は、さらに、各種の添加剤を含んでいてもよい。電解質層20における各成分の含有量は特に限定されず、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。電解質層20の形状は特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状であってもよい。電解質層20の厚みは特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、2mm以下又は1mm以下であってもよい。
電解質層20は、正極10と負極30との間に配置され、セパレータとして機能し得る。電解質層20は、少なくとも電解質を含み、さらに任意に、バインダー等を含んでいてもよい。電解質層20は、さらに、各種の添加剤を含んでいてもよい。電解質層20における各成分の含有量は特に限定されず、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。電解質層20の形状は特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状であってもよい。電解質層20の厚みは特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、2mm以下又は1mm以下であってもよい。
2.2.1 電解質
電解質層20に含まれる電解質としては、上述の正極活物質層に含まれ得る電解質として例示されたものの中から適宜選択されればよい。特に、固体電解質、中でも硫化物固体電解質、さらにその中でも構成元素として少なくともLi、S及びPを含む硫化物固体電解質を含む電解質層20の性能が高い。電解質が固体電解質である場合、当該固体電解質は非晶質であってもよいし、結晶であってもよい。電解質が固体電解質である場合、当該固体電解質は例えば粒子状であってもよい。電解質は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
電解質層20に含まれる電解質としては、上述の正極活物質層に含まれ得る電解質として例示されたものの中から適宜選択されればよい。特に、固体電解質、中でも硫化物固体電解質、さらにその中でも構成元素として少なくともLi、S及びPを含む硫化物固体電解質を含む電解質層20の性能が高い。電解質が固体電解質である場合、当該固体電解質は非晶質であってもよいし、結晶であってもよい。電解質が固体電解質である場合、当該固体電解質は例えば粒子状であってもよい。電解質は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
2.2.2 バインダー
電解質層20に含まれ得るバインダーは、例えば、上述の正極活物質層に含まれ得るバインダーとして例示したものの中から適宜選択されればよい。
電解質層20に含まれ得るバインダーは、例えば、上述の正極活物質層に含まれ得るバインダーとして例示したものの中から適宜選択されればよい。
2.3 負極
負極30は、上記の活物質複合粒子1を含み、且つ、二次電池の負極として適切に機能し得るものであればよく、その構成は特に限定されるものではない。図2に示されるように、負極30は、負極活物質層31と負極集電体32とを備えるものであってよい。
負極30は、上記の活物質複合粒子1を含み、且つ、二次電池の負極として適切に機能し得るものであればよく、その構成は特に限定されるものではない。図2に示されるように、負極30は、負極活物質層31と負極集電体32とを備えるものであってよい。
2.3.1 負極活物質層
負極活物質層31は、少なくとも活物質複合粒子1を含み、さらに任意に、その他の活物質、電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでいてもよい。負極活物質層31はその他に各種の添加剤を含んでいてもよい。負極活物質層31における各成分の含有量は、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。例えば、負極活物質層31全体(固形分全体)を100質量%として、活物質複合粒子1の含有量が40質量%以上、50質量%以上、60質量%以上又は70質量%以上であってもよく、100質量%以下又は90質量%以下であってもよい。負極活物質層31の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状の負極活物質層であってもよい。負極活物質層31の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上、1μm以上又は10μm以上であってもよく、2mm以下、1mm以下又は500μm以下であってもよい。
負極活物質層31は、少なくとも活物質複合粒子1を含み、さらに任意に、その他の活物質、電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでいてもよい。負極活物質層31はその他に各種の添加剤を含んでいてもよい。負極活物質層31における各成分の含有量は、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。例えば、負極活物質層31全体(固形分全体)を100質量%として、活物質複合粒子1の含有量が40質量%以上、50質量%以上、60質量%以上又は70質量%以上であってもよく、100質量%以下又は90質量%以下であってもよい。負極活物質層31の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状の負極活物質層であってもよい。負極活物質層31の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上、1μm以上又は10μm以上であってもよく、2mm以下、1mm以下又は500μm以下であってもよい。
活物質複合粒子1については、上述の通りである。尚、負極活物質層31において、活物質複合粒子1がプレスされた状態で含まれていてもよい。すなわち、活物質複合粒子1を二次電池100の負極活物質層31に適用する場合、活物質複合粒子1を含む負極活物質合材をプレスすることによって、負極活物質層31が形成され得る。この際、複合粒子1は、プレス方向に潰れて、所定以上のアスペクト比を有するものとなり得る。複合粒子1が所定以上のアスペクト比を有する程度にプレスされることで、複合粒子1内の接触抵抗、複合粒子1同士の接触抵抗、及び、複合粒子1と他の材料との接触抵抗等が低減され易い。この場合の複合粒子1のアスペクト比の一例については、上述した通りである。
活物質複合粒子1以外の負極活物質としては、二次電池の負極活物質として公知のものを用いればよい。公知の活物質のうち、所定のキャリアイオン(例えば、リチウムイオン)を吸蔵放出する電位(充放電電位)が相対的に卑である物質を負極活物質として用いることができる。その他の負極活物質は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。二次電池の性能を一層高める観点からは、負極活物質層31に含まれる負極活物質全体に占める活物質複合粒子1の割合が高いほうがよい。例えば、活物質複合粒子1とその他の負極活物質との合計を100質量%として、活物質複合粒子1が50質量%以上、60質量%以上70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、又は95質量%以上含まれていてもよい。上限は100質量%である。
負極活物質層31に含まれ得る電解質は、固体電解質であってもよく、液体電解質(電解液)であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。特に、負極活物質層31が電解質として少なくとも固体電解質を含む場合に、一層高い効果が得られ易い。負極活物質層31は、固体電解質、中でも硫化物固体電解質、さらにその中でも構成元素としてLi、S及びPを含む硫化物固体電解質、を含むものであってもよい。負極活物質層31に含まれ得る導電助剤としては上述の炭素材料や上述の金属材料等が挙げられる。負極活物質層31に含まれ得るバインダーは、例えば、上述の正極活物質層11に含まれ得るバインダーとして例示したものの中から適宜選択されればよい。
2.3.2 負極集電体
図2に示されるように、負極30は、上記の負極活物質層31と接触する負極集電体32を備えていてもよい。負極集電体32は、電池の負極集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。また、負極集電体32は、箔状、板状、メッシュ状、パンチングメタル状、及び、発泡体等であってよい。負極集電体32は、金属箔又は金属メッシュであってもよく、或いは、カーボンシートであってもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。負極集電体32は、複数枚の箔やシートからなっていてもよい。負極集電体32を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、還元耐性を確保する観点及びリチウムと合金化し難い観点から、負極集電体32がCu、Ni及びステンレス鋼から選ばれる少なくとも1種の金属を含むものであってもよい。負極集電体32は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、負極集電体32は、金属箔や基材に上記の金属がめっき又は蒸着されたものであってもよい。また、負極集電体32が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔の間に何らかの層を有していてもよい。負極集電体32の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。
図2に示されるように、負極30は、上記の負極活物質層31と接触する負極集電体32を備えていてもよい。負極集電体32は、電池の負極集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。また、負極集電体32は、箔状、板状、メッシュ状、パンチングメタル状、及び、発泡体等であってよい。負極集電体32は、金属箔又は金属メッシュであってもよく、或いは、カーボンシートであってもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。負極集電体32は、複数枚の箔やシートからなっていてもよい。負極集電体32を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、還元耐性を確保する観点及びリチウムと合金化し難い観点から、負極集電体32がCu、Ni及びステンレス鋼から選ばれる少なくとも1種の金属を含むものであってもよい。負極集電体32は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、負極集電体32は、金属箔や基材に上記の金属がめっき又は蒸着されたものであってもよい。また、負極集電体32が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔の間に何らかの層を有していてもよい。負極集電体32の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。
2.4 その他の構成
二次電池100は、上記の各構成が外装体の内部に収容されたものであってもよい。外装体は、電池の外装体として公知のものをいずれも採用可能である。また、複数の二次電池100が、任意に電気的に接続され、また、任意に重ね合わされて、組電池とされていてもよい。この場合、公知の電池ケースの内部に当該組電池が収容されてもよい。二次電池100は、このほか必要な端子等の自明な構成を備えていてよい。二次電池100の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、及び角型等を挙げることができる。
二次電池100は、上記の各構成が外装体の内部に収容されたものであってもよい。外装体は、電池の外装体として公知のものをいずれも採用可能である。また、複数の二次電池100が、任意に電気的に接続され、また、任意に重ね合わされて、組電池とされていてもよい。この場合、公知の電池ケースの内部に当該組電池が収容されてもよい。二次電池100は、このほか必要な端子等の自明な構成を備えていてよい。二次電池100の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、及び角型等を挙げることができる。
3.二次電池の製造方法
二次電池100は、公知の方法を応用することで製造することができる。例えば以下のようにして製造することができる。ただし、二次電池100の製造方法は、以下の方法に限定されるものではなく、例えば、乾式成形等によって各層が形成されてもよい。
(1)負極活物質層を構成する活物質複合粒子等を溶媒に分散させて負極スラリーを得る。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、水や各種有機溶媒を用いることができる。その後、ドクターブレード等を用いて、負極スラリーを負極集電体或いは後述の電解質層の表面に塗工し、その後乾燥させることで、負極集電体或いは電解質層の表面に負極活物質層を形成し、負極とする。ここで、負極活物質層がプレス成形されてもよい。
(2)正極活物質層を構成する正極活物質等を溶媒に分散させて正極スラリーを得る。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、水や各種有機溶媒を用いることができる。その後、ドクターブレード等を用いて、正極スラリーを正極集電体或いは後述の電解質層の表面に塗工し、その後乾燥させることで、正極集電体或いは電解質層の表面に正極活物質層を形成し、正極とする。ここで、正極活物質層はプレス成形されてもよい。
(3)負極と正極とで電解質層を挟み込むように各層を積層し、負極集電体、負極活物質層、電解質層、正極活物質層及び正極集電体をこの順に有する積層体を得る。電解質層は、例えば、電解質とバインダーとを含む電解質合剤を成形して得られたものであってよく、プレス成形されて得られたものであってもよい。ここで、さらに積層体がプレス成形されてもよい。積層体には必要に応じて端子等のその他の部材が取り付けられる。電解液を用いる場合は、電解質層にセパレータを採用してもよい。
(4)積層体を電池ケースに収容して密封することで、二次電池が得られる。
二次電池100は、公知の方法を応用することで製造することができる。例えば以下のようにして製造することができる。ただし、二次電池100の製造方法は、以下の方法に限定されるものではなく、例えば、乾式成形等によって各層が形成されてもよい。
(1)負極活物質層を構成する活物質複合粒子等を溶媒に分散させて負極スラリーを得る。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、水や各種有機溶媒を用いることができる。その後、ドクターブレード等を用いて、負極スラリーを負極集電体或いは後述の電解質層の表面に塗工し、その後乾燥させることで、負極集電体或いは電解質層の表面に負極活物質層を形成し、負極とする。ここで、負極活物質層がプレス成形されてもよい。
(2)正極活物質層を構成する正極活物質等を溶媒に分散させて正極スラリーを得る。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、水や各種有機溶媒を用いることができる。その後、ドクターブレード等を用いて、正極スラリーを正極集電体或いは後述の電解質層の表面に塗工し、その後乾燥させることで、正極集電体或いは電解質層の表面に正極活物質層を形成し、正極とする。ここで、正極活物質層はプレス成形されてもよい。
(3)負極と正極とで電解質層を挟み込むように各層を積層し、負極集電体、負極活物質層、電解質層、正極活物質層及び正極集電体をこの順に有する積層体を得る。電解質層は、例えば、電解質とバインダーとを含む電解質合剤を成形して得られたものであってよく、プレス成形されて得られたものであってもよい。ここで、さらに積層体がプレス成形されてもよい。積層体には必要に応じて端子等のその他の部材が取り付けられる。電解液を用いる場合は、電解質層にセパレータを採用してもよい。
(4)積層体を電池ケースに収容して密封することで、二次電池が得られる。
4.活物質複合粒子の製造方法
上記本開示の活物質複合粒子は、例えば、図3に示されるような流れで製造することができる。すなわち、図3に示されるように、本開示の活物質複合粒子の製造方法は、Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得ること(工程S1)、及び、前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得ること(工程S2)、を含む。本開示の製造方法においては、後述するように、スプレードライにより、前記スラリーの液滴化、及び、前記スラリー液滴の気流乾燥が行われてもよい。
上記本開示の活物質複合粒子は、例えば、図3に示されるような流れで製造することができる。すなわち、図3に示されるように、本開示の活物質複合粒子の製造方法は、Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得ること(工程S1)、及び、前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得ること(工程S2)、を含む。本開示の製造方法においては、後述するように、スプレードライにより、前記スラリーの液滴化、及び、前記スラリー液滴の気流乾燥が行われてもよい。
4.1 工程S1
工程S1においては、Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得る。Si粒子及び樹脂については上述の通りである。溶媒は、Si粒子を分散でき、また、樹脂を溶解可能なものであればよい。例えば、炭酸ジメチル等の各種の有機溶媒が採用され得る。
工程S1においては、Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得る。Si粒子及び樹脂については上述の通りである。溶媒は、Si粒子を分散でき、また、樹脂を溶解可能なものであればよい。例えば、炭酸ジメチル等の各種の有機溶媒が採用され得る。
工程S1における「スラリー」とは、Si粒子と樹脂と溶媒とを含む懸濁体又は懸濁液であって、液滴化できる程度の流動性を有するものであればよい。工程S1において、スラリーは、例えば、スプレーノズルやロータリーアトマイザーを用いて液滴化できる程度の流動性を有するものであってもよい。尚、スラリーは、上記したSi粒子、樹脂及び溶媒の他に、何らかの固体成分や液体成分を含んでいてもよい。
工程S1におけるスラリーの「液滴化」とは、Si粒子、樹脂及び溶媒を含むスラリーを、Si粒子、樹脂及び溶媒を含む粒とすることを意味する。工程S1において、Si粒子、樹脂及び溶媒を含むスラリーを液滴化させる方法は、特に限定されるものではない。例えば、スラリーを噴霧することによって液滴化させる方法が挙げられる。スラリーを噴霧する場合、スプレーノズルを用いてもよい。スプレーノズルを用いてスラリーを噴霧する方法としては、加圧ノズル法や二流体ノズル法等が挙げられるが、これらに限定されない。
スプレーノズルを用いてスラリーを噴霧する場合、ノズル径は特に限定されるものではない。ノズル径は、例えば、0.1mm以上又は1mm以上であってもよいし、10mm以下又は1mm以下であってもよい。また、スラリーの噴霧速度(スプレーノズルに対するスラリーの供給速度)も特に限定されるものではない。スラリーの粘度や固形分濃度、ノズル寸法等に応じて噴霧速度を調整してもよい。
スラリーを液滴化させる方法としては、上記したようなスプレーノズルを用いてスラリーを噴霧する方法の他、例えば、回転している円板上にSi粒子、樹脂及び溶媒を含むスラリーを一定速度で供給して遠心力により液滴化させる方法も例示できる。この場合においても、スラリーの供給速度は、スラリーの粘度や固形分濃度等に応じて調整されればよい。或いは、Si粒子、樹脂及び溶媒を含むスラリーの表面に高い電圧を印加して液滴化させる方法等を採用することもできる。
本開示の製造方法においては、例えば、スプレードライヤーによって、スラリーの液滴化(工程S1)と後述の気流乾燥(工程S2)とを行ってもよい。スプレードライヤーの方式は特に限定されるものではなく、上記のスプレーノズルを用いる方式や、回転円板を用いる方式等が挙げられる。
「スラリー液滴」は、Si粒子、樹脂及び溶媒を含むスラリーの粒である。スラリー液滴の大きさは特に限定されるものではない。スラリー液滴の径(球相当直径)は、例えば、0.5μm以上又は5μm以上であってもよいし、5000μm以下又は1000μm以下であってもよい。スラリー液滴の径は、例えば、スラリー液滴を撮像して得られる2次元画像を用いて測定することができ、或いは、レーザー回折式の粒度分布計を用いて測定することもできる。或いは、スラリー液滴を形成する装置の運転条件等から液滴径を推定することもできる。
4.2 工程S2
工程S2においては、前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得る。
工程S2においては、前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得る。
本開示の製造方法において「気流乾燥」とは、スラリー液滴を高温の気流中で浮遊させつつ乾燥することを意味する。「気流乾燥」は、乾燥だけではなく、動的な気流を用いることによる付随的な操作を含み得る。気流乾燥によってスラリー液滴に熱風を当て続けることで、スラリー液滴に対して力が印加され続けることとなる。これを利用して、例えば、工程S2は、気流乾燥によって、スラリー液滴や造粒体を解す(解砕する)ことを含んでいてもよい。言い換えれば、本開示の方法においては、スラリー液滴の造粒が生じた場合でも、気流乾燥によって造粒体を解砕することができる。そのため、固形分濃度の低いスラリーを用いることもでき、処理速度を増加させ易い。工程S2においては、上記の乾燥と解砕とが同時に行われてもよいし、別々に行われてもよい。工程S2においては、スラリー液滴の乾燥が優位となる第1の気流乾燥と、造粒体の解砕が優位となる第2の気流乾燥とを行ってもよい。また、工程S2を繰り返し行ってもよい。
工程S2において、加熱気体の温度は、スラリー液滴から溶媒を揮発させることが可能な温度であればよい。例えば100℃以上、110℃以上、120℃以上又は130℃以上であってもよく、180℃以下、170℃以下、160℃以下又は150℃以下であってもよい。
工程S2において、加熱気体の給気量(流量)は、用いる装置の大きさやスラリー液滴の供給量等を考慮して適宜設定することができる。例えば、加熱気体の流量は、0.10m3/分以上、0.15m3/分以上、0.20m3/分以上、0.25m3/分以上、0.30m3/分以上、0.35m3/分以上、0.40m3/分以上、0.45m3/分以上、又は0.50m3/分以上であってもよく、また5.00m3/分以下、4.00m3/分以下、3.00m3/分以下、2.00m3/分以下、又は1.00m3/分以下であってもよい。
工程S2において、加熱気体の給気速度(流速)についても、用いる装置の大きさやスラリー液滴の供給量等を考慮して適宜設定することができる。例えば、加熱気体の流速は、系内の少なくとも一部において、1m/秒以上又は5m/秒以上であってもよく、50m/秒以下又は10m/秒以下であってもよい。
工程S2において、加熱気体による処理時間(乾燥時間)についても、用いる装置の大きさやスラリー液滴の供給量等を考慮して適宜設定することができる。例えば、処理時間は、5秒以下、又は1秒以下であってもよい。
工程S2においては、Si粒子、樹脂及び溶媒に対して実質的に不活性である加熱気体を用いてもよい。例えば、空気等の酸素含有ガスや、窒素やアルゴン等の不活性ガス、低露点のドライエアー等を用いることができる。その場合の露点は、-10℃以下、-50℃以下であってもよいし、-70℃以下であってもよい。
気流乾燥を行う装置としては、例えば、スプレードライヤーを用いることができるが、これに限定されない。
以上の製造方法によれば、例えば、複数のSi粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリー液滴が気流乾燥され、溶媒の揮発とともに樹脂を複合粒子の表層に濃化させることができ、また、複合粒子の中心部に複数のSi粒子を配置するとともに空隙を形成することができる。結果として、本開示の活物質複合粒子1が得られる。すなわち、複合粒子1の断面を観察した場合において、複合粒子1の表層部1xに占める樹脂の面積率が、複合粒子1の中心部1yに占める樹脂の面積率よりも高くなる。また、複合粒子1の断面を観察した場合において、前記複合粒子1の前記中心部1yに占める空隙率が、前記複合粒子1の前記表層部1xに占める空隙率よりも高くなり易く、前記複合粒子1の前記中心部1yに占める前記Siの面積率が、前記複合粒子1の前記表層部1xに占める前記Siの面積率よりも高くなり易い。
5.二次電池の充放電方法及び二次電池のサイクル特性を改善する方法
本開示の活物質複合粒子が二次電池の負極に含まれる場合、当該二次電池のサイクル特性が改善され易い。すなわち、本開示の二次電池の充放電方法や二次電池のサイクル特性を改善する方法は、前記二次電池の充電及び放電を繰り返すことを含み、前記二次電池が、正極、電解質層及び負極を有し、前記負極が、本開示の活物質複合粒子を含むことを特徴とする。
本開示の活物質複合粒子が二次電池の負極に含まれる場合、当該二次電池のサイクル特性が改善され易い。すなわち、本開示の二次電池の充放電方法や二次電池のサイクル特性を改善する方法は、前記二次電池の充電及び放電を繰り返すことを含み、前記二次電池が、正極、電解質層及び負極を有し、前記負極が、本開示の活物質複合粒子を含むことを特徴とする。
6.二次電池を有する車両
上述の通り、本開示の活物質複合粒子が二次電池の負極に含まれる場合、当該二次電池のサイクル特性の改善が期待できる。このように充放電サイクル特性に優れる二次電池は、例えば、ハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)及び電気自動車(BEV)から選ばれる少なくとも1種の車両において好適に使用され得る。すなわち、本開示の技術は、二次電池を有する車両であって、前記二次電池が、正極、電解質層及び負極を有し、前記負極が、本開示の活物質複合粒子を含むもの、としての側面も有する。
上述の通り、本開示の活物質複合粒子が二次電池の負極に含まれる場合、当該二次電池のサイクル特性の改善が期待できる。このように充放電サイクル特性に優れる二次電池は、例えば、ハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)及び電気自動車(BEV)から選ばれる少なくとも1種の車両において好適に使用され得る。すなわち、本開示の技術は、二次電池を有する車両であって、前記二次電池が、正極、電解質層及び負極を有し、前記負極が、本開示の活物質複合粒子を含むもの、としての側面も有する。
以下、実施例を示しつつ、本開示の技術についてさらに詳細に説明するが、本開示の技術は以下の実施例に限定されるものではない。
1.負極活物質の作製
1.1 比較例:ナノポーラスSi粒子の作製
Si粒子(粒径0.5μm、高純度化学社製)0.65gと、Li金属(本城金属製)0.60gとを、Ar雰囲気下でメノウ乳鉢を用いて混合して、LiSi前駆体を得た。Ar雰囲気下のガラス反応器内で、LiSi前駆体1.0gと、分散媒(1,3,5-トリメチルベンゼン、ナカライテスク製)125mlとを、超音波ホモジナイザー(UH-50、SMT社製)を用いて混合した。混合後に得られたLiSi前駆体分散液を0℃に冷却し、エタノール(ナカライテスク製)125mlを滴下して、120分間反応させた。反応後、更に酢酸(ナカライテスク製)50mlを滴下して、60分間反応させた。反応後、吸引ろ過にて液体と固体反応物(負極活物質)とを分離した。得られた固体反応物を120℃で2時間真空乾燥して、ナノポーラスSi粒子を回収した。
1.1 比較例:ナノポーラスSi粒子の作製
Si粒子(粒径0.5μm、高純度化学社製)0.65gと、Li金属(本城金属製)0.60gとを、Ar雰囲気下でメノウ乳鉢を用いて混合して、LiSi前駆体を得た。Ar雰囲気下のガラス反応器内で、LiSi前駆体1.0gと、分散媒(1,3,5-トリメチルベンゼン、ナカライテスク製)125mlとを、超音波ホモジナイザー(UH-50、SMT社製)を用いて混合した。混合後に得られたLiSi前駆体分散液を0℃に冷却し、エタノール(ナカライテスク製)125mlを滴下して、120分間反応させた。反応後、更に酢酸(ナカライテスク製)50mlを滴下して、60分間反応させた。反応後、吸引ろ過にて液体と固体反応物(負極活物質)とを分離した。得られた固体反応物を120℃で2時間真空乾燥して、ナノポーラスSi粒子を回収した。
1.2 実施例:活物質複合粒子の作製
Si粒子(粒径0.1μm、高純度化学社製)と、PVdF-HFPバインダー(株式会社クレハ製)とを、質量比で、Si粒子:バインダー=100:26.7の割合となるように炭酸ジメチル(ナカライテスク社製)に分散、溶解させ、スラリーを得た。このスラリーを、温度140℃の条件下で窒素ガス雰囲気のスプレードライヤー内に噴霧して液滴化しつつ、気流乾燥を行った。気流乾燥後、Si粒子と樹脂としてのPVdF-HFPバインダーとを含む活物質複合粒子を回収した。
Si粒子(粒径0.1μm、高純度化学社製)と、PVdF-HFPバインダー(株式会社クレハ製)とを、質量比で、Si粒子:バインダー=100:26.7の割合となるように炭酸ジメチル(ナカライテスク社製)に分散、溶解させ、スラリーを得た。このスラリーを、温度140℃の条件下で窒素ガス雰囲気のスプレードライヤー内に噴霧して液滴化しつつ、気流乾燥を行った。気流乾燥後、Si粒子と樹脂としてのPVdF-HFPバインダーとを含む活物質複合粒子を回収した。
2.固体電解質の作製
Li2S(フルウチ化学製)0.550gと、P2S5(アルドリッチ製)0.887gと、LiI(日宝化学製)0.285gと、LiBr(高純度化学製)0.277gとを、メノウ乳鉢で5分間混合した。得られた混合物に、n-ヘプタン(脱水グレード、関東化学製)を4g加え、遊星型ボールミルを用いて40時間メカニカルミリングすることで硫化物固体電解質を得た。
Li2S(フルウチ化学製)0.550gと、P2S5(アルドリッチ製)0.887gと、LiI(日宝化学製)0.285gと、LiBr(高純度化学製)0.277gとを、メノウ乳鉢で5分間混合した。得られた混合物に、n-ヘプタン(脱水グレード、関東化学製)を4g加え、遊星型ボールミルを用いて40時間メカニカルミリングすることで硫化物固体電解質を得た。
3.正極合材の作製
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業社製)に、LiNbO3を用いて表面処理を施して正極活物質を得た。この正極活物質1.5gと、導電助剤(VGCF、昭和電工社製)0.023gと、上記の硫化物固体電解質0.239gと、バインダー(PVdF、クレハ社製)0.011gと、酪酸ブチル(キシダ化学社製)0.8gとを、超音波ホモジナイザー(UH-50、SMT社製)を用いて混合し、正極合材を得た。
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業社製)に、LiNbO3を用いて表面処理を施して正極活物質を得た。この正極活物質1.5gと、導電助剤(VGCF、昭和電工社製)0.023gと、上記の硫化物固体電解質0.239gと、バインダー(PVdF、クレハ社製)0.011gと、酪酸ブチル(キシダ化学社製)0.8gとを、超音波ホモジナイザー(UH-50、SMT社製)を用いて混合し、正極合材を得た。
4.負極合材の作製
上記の比較例又は実施例に係る負極活物質1.0gと、導電助剤(VGCF、昭和電工社製)0.04gと、上記の硫化物固体電解質0.776gと、バインダー(PVdF、クレハ社製)0.02gと、酪酸ブチル(キシダ化学社製)1.7gとを、超音波ホモジナイザー(UH-50、SMT社製)を用いて混合し、負極合材を得た。
上記の比較例又は実施例に係る負極活物質1.0gと、導電助剤(VGCF、昭和電工社製)0.04gと、上記の硫化物固体電解質0.776gと、バインダー(PVdF、クレハ社製)0.02gと、酪酸ブチル(キシダ化学社製)1.7gとを、超音波ホモジナイザー(UH-50、SMT社製)を用いて混合し、負極合材を得た。
5.評価用電池の作製
1cm2のセラミックス製の型に上記の硫化物固体電解質0.065gを入れて、1ton/cm2でプレスし、固体電解質層を作製した。その片側に上記の正極合材0.018gを入れ、1ton/cm2でプレスして正極活物質層を作製した。正極活物質層とは逆側に上記の負極合材0.0054gを入れ4ton/cm2でプレスすることで負極活物質層を作製した。また正極集電体にAl箔を、負極集電体にCu箔を用いた。これにより、評価用電池(全固体電池)を作製した。
1cm2のセラミックス製の型に上記の硫化物固体電解質0.065gを入れて、1ton/cm2でプレスし、固体電解質層を作製した。その片側に上記の正極合材0.018gを入れ、1ton/cm2でプレスして正極活物質層を作製した。正極活物質層とは逆側に上記の負極合材0.0054gを入れ4ton/cm2でプレスすることで負極活物質層を作製した。また正極集電体にAl箔を、負極集電体にCu箔を用いた。これにより、評価用電池(全固体電池)を作製した。
6.評価
6.1 活物質複合粒子の断面観察及び画像処理
実施例に係る活物質複合粒子について、プレス前の断面構造及びプレス後の断面構造をSEMで観察し、複合粒子の断面に含まれる元素をEDXで分析し、画像処理によって、複合粒子の断面構造を特定した。図4Aがプレス前の複合粒子についての断面SEM画像、図4Bが、図4Aを画像処理した結果であり、図5Aがプレス後の複合粒子についての断面SEM画像、図5Bが、図5Aを画像処理した結果である。
6.1 活物質複合粒子の断面観察及び画像処理
実施例に係る活物質複合粒子について、プレス前の断面構造及びプレス後の断面構造をSEMで観察し、複合粒子の断面に含まれる元素をEDXで分析し、画像処理によって、複合粒子の断面構造を特定した。図4Aがプレス前の複合粒子についての断面SEM画像、図4Bが、図4Aを画像処理した結果であり、図5Aがプレス後の複合粒子についての断面SEM画像、図5Bが、図5Aを画像処理した結果である。
図4A及びBに示されるように、実施例に係る活物質複合粒子は、複数のナノポーラスSi粒子とバインダーとを含んでおり、その断面を観察した場合において、複合粒子の表層部には、多量のバインダーが存在している(図4Bにおける黒い部分)。一方、複合粒子の中心部には、バインダーがほとんど存在せず、複数のナノポーラスSi粒子と空隙とが存在している(図4Bにおける灰色の部分と白色の部分)ことが分かる。すなわち、実施例に係る活物質複合粒子は、複合粒子の断面を観察した場合において、(I)複合粒子の表層部に占める樹脂の面積率が、複合粒子の中心部に占める樹脂の面積率よりも高いものであった。また、(II)複合粒子の中心部に占める空隙率が、複合粒子の表層部に占める空隙率よりも高く、(III)複合粒子の中心部に占めるSiの面積率が、複合粒子の表層部に占めるSiの面積率よりも高いものであった。
図5A及びBの画像中央部に、偏平状の活物質複合粒子が存在する。図5A及びBに示されるように、実施例に係る活物質複合粒子は、プレスによってプレス方向に潰れ、アスペクト比が大きくなっている。図5Bから明らかなように、偏平状の活物質複合粒子は、バインダーからなる最外層(黒い部分)が存在し、さらに、当該最外層よりも内部(中心部)に、空隙(白い部分)が存在し、当該空隙とともに複数のSi粒子(灰色の部分)が存在していることが分かる。すなわち、図5A及びBから、実施例に係る活物質複合粒子は、プレス後においても上記(I)~(III)の構造を維持していることが分かる。
図4A及びB、並びに、図5A及びBに示されるように、実施例に係る活物質複合粒子は、最外層としてのバインダー層と、当該バインダー層の内側にある中心部であって、複数ナノポーラスSi粒子と空隙を有する部分と、が明確に分かれている。プレス後の14個の複合粒子、及び、プレス前の7個の複合粒子を対象に、断面SEM画像をもとに、当該複合粒子の断面全体に占める最外層の面積比([最外層の面積]/[複合粒子の断面全体の面積])と、当該複合粒子の断面全体に占める中心部に含まれるSiの面積比([中心部のSiの面積]/[複合粒子の断面全体の面積])と、当該複合粒子の断面全体に占める中心部に含まれる空隙の面積比([中心部の空隙の面積]/[複合粒子の断面全体の面積])とを特定した。結果を下記表1に示す。
表1に示される結果から、実施例に係る活物質複合粒子は、プレス前後において各面積比が大きく変わるものの、プレス前後を通じて、上記(I)~(III)の構造を維持していることが分かる。
6.2 評価用電池の耐久試験
低拘束状態(拘束圧:0.2MPa)又は高拘束状態(拘束圧:5.0MPa)にある評価用電池について、0.3mAで4.35VまでCC/CV充電した後、0.3mAで2.5VまでCC/CV放電を行った。これを5回繰り返した。その後、以下のDC-IR測定を行い、初期の抵抗値を求めた。
低拘束状態(拘束圧:0.2MPa)又は高拘束状態(拘束圧:5.0MPa)にある評価用電池について、0.3mAで4.35VまでCC/CV充電した後、0.3mAで2.5VまでCC/CV放電を行った。これを5回繰り返した。その後、以下のDC-IR測定を行い、初期の抵抗値を求めた。
DC-IR測定:電圧を3.7Vに調整した後、10mAの電流を5秒間流したときの電圧降下から抵抗値を求めた。
上記の評価用電池について、さらに、1.4mAで4.1VまでCC充電した後、1.4mAで3.1VまでCC放電を行うのを1サイクルとして500サイクル繰り返した。その後、初期の場合と同様にDC-IR測定を行い、500サイクル後の抵抗値を求めた。以下の式より、抵抗増加率を求めた。
[抵抗増加率]=([500サイクル後の抵抗値]/[初期の抵抗値]-1)×100
[抵抗増加率]=([500サイクル後の抵抗値]/[初期の抵抗値]-1)×100
結果を図6に示す。図6に示されるように、比較例に係る電池は、低拘束圧下及び高拘束圧下において抵抗増加率が高く、特に、低拘束圧下において抵抗増加率が高くなった。これに対し、実施例に係る電池は、低拘束圧下であっても高拘束圧下であっても、抵抗増加率を低く抑えることができた。これは、以下のメカニズムによるものと推定される。
実施例に係る活物質複合粒子は、上述の通り、表層部に占める樹脂の面積率が、中心部に占める樹脂の面積率よりも高い。このように、複合粒子の表層部における樹脂の比率が高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、複合粒子全体としての体積変化が表層部の樹脂によって緩和され、複合粒子全体としての形状が保持されたものと考えられる。また、表層部における樹脂の比率が高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、表層部の樹脂がクッション材として機能し、複合粒子の周囲の電池材料に割れや隙間が生じ難かったものと考えられる。これにより、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、優れたサイクル特性が発揮されたものと考えられる。
或いは、実施例に係る活物質複合粒子は、上述の通り、中心部に占める空隙率が、表層部に占める空隙率よりも高い。このように、中心部における空隙率が表層部における空隙率よりも高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、当該Siの膨張分を空隙によって吸収することができ、複合粒子1全体としての体積変化が緩和され、複合粒子1全体としての形状が保持されたものと考えられる。また、複合粒子全体としての体積変化が緩和されることで、複合粒子の周囲の電池材料に割れや隙間が生じ難かったものと考えられる。これにより、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、優れたサイクル特性が発揮されたものと考えられる。
或いは、実施例に係る活物質複合粒子は、上述の通り、中心部に占めるSiの面積率が、表層部に占めるSiの面積率よりも高い。このように、中心部におけるSiの面積率が表層部におけるSiの面積率よりも高いことで、充電によってSiが膨張した場合でも、当該Siの膨張が複合粒子の外部へと及び難く、複合粒子全体としての体積変化が緩和され、複合粒子全体としての形状が保持されたものと考えられる。また、複合粒子全体としての体積変化が緩和されることで、複合粒子の周囲の電池材料に割れや隙間が生じ難かったものと考えられる。これにより、高拘束圧下及び低拘束下のいずれにおいても、優れたサイクル特性が発揮されたものと考えられる。
尚、上記実施例では、活物質複合粒子を構成するSiとして、ナノポーラスSi粒子を用い、活物質複合粒子を構成する樹脂として、PVdF系バインダーを用いた場合を例示したが、本開示の技術はこの形態に限定されるものではない。
以上の通り、活物質複合粒子であって、Si及び樹脂を含み、前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の表層部に占める前記樹脂の面積率が、前記複合粒子の中心部に占める前記樹脂の面積率よりも高いものは、低拘束下でのサイクル特性に優れたものといえる。
1 活物質複合粒子
2 樹脂層
3 空隙
4 Si粒子
10 正極
11 正極活物質層
12 正極集電体
20 電解質層
30 負極
31 負極活物質層
32 負極集電体
100 二次電池
2 樹脂層
3 空隙
4 Si粒子
10 正極
11 正極活物質層
12 正極集電体
20 電解質層
30 負極
31 負極活物質層
32 負極集電体
100 二次電池
Claims (11)
- 活物質複合粒子であって、Si及び樹脂を含み、
前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の表層部に占める前記樹脂の面積率が、前記複合粒子の中心部に占める前記樹脂の面積率よりも高い、
活物質複合粒子。 - 前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の前記中心部に占める空隙率が、前記複合粒子の前記表層部に占める空隙率よりも高い、
請求項1に記載の活物質複合粒子。 - 前記複合粒子の断面を観察した場合において、前記複合粒子の前記中心部に占める前記Siの面積率が、前記複合粒子の前記表層部に占める前記Siの面積率よりも高い、
請求項1に記載の活物質複合粒子。 - 前記表層部が、前記樹脂からなる、
請求項1に記載の活物質複合粒子。 - 前記中心部が、複数のSi粒子を含む、
請求項1に記載の活物質複合粒子。 - 前記Si粒子が、多孔質である、
請求項5に記載の活物質複合粒子。 - 前記複合粒子が、前記樹脂を含む前記表層部と、複数の前記Si粒子及び空隙を含む前記中心部とを有する、
請求項5に記載の活物質複合粒子。 - 二次電池であって、正極、電解質層及び負極を有し、
前記負極が、請求項1~7のいずれか1項に記載の活物質複合粒子を含む、
二次電池。 - 前記正極、前記電解質層及び前記負極のうちの少なくとも1つが、固体電解質を含む、
請求項8に記載の二次電池。 - Si粒子と樹脂と溶媒とを含むスラリーを液滴化させて、スラリー液滴を得ること、及び、
前記スラリー液滴を加熱気体中で気流乾燥させて、Si粒子と樹脂とを含む活物質複合体を得ること、
を含む、活物質複合粒子の製造方法。 - スプレードライにより、前記スラリーの液滴化、及び、前記スラリー液滴の気流乾燥が行われる、
請求項10に記載の製造方法。
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