JP3987853B2 - 電極材料およびその製造方法、並びに非水二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料が、SiまたはSnの単体、酸化物、合金または固溶体であり、
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料の割合が、前記複合体粒子の全質量に対して30質量%以上80質量%以下であり、
前記複合体粒子の形状が、球状または略球状で、内部に空隙を有し、
前記複合体粒子のJIS R1628に基づき測定されるタップかさ密度をD1(g/cm3)、前記複合体粒子の真密度をD2(g/cm3)、前記複合体粒子の空隙体積占有率(%)をVs=(1−1.35×D1/D2)×100とした場合、Vsが35%以上70%以下である電極材料を提供する。
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料と、前記導電性材料と、樹脂とを混合して造粒することにより複合体粒子を形成する工程と、
前記複合体粒子を加熱して前記樹脂を燃焼または昇華させて除去することにより、前記複合体粒子内に空隙を形成する工程とを含む電極材料の製造方法を提供する。
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料と、前記導電性材料とを溶媒中で分散させて混合物とし、前記混合物を噴霧して乾燥するスプレードライ法により造粒することにより複合体粒子を形成する工程を含む電極材料の製造方法を提供する。
前記電極材料が、リチウムと合金化可能な元素としてSiを含み、
充電によりLiとSiとの合金であるLixSiが形成され、
前記xが、x≦2.625の範囲となるように前記充電が制御される非水二次電池の製造方法を提供する。
平均粒径1μmのSi粉末と、平均繊維長5μmで直径0.2μmの繊維状炭素(CF:カーボンファイバー)と、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:CF:黒鉛=60:30:10の配合比で混合し、これらを撹拌式の転動造粒機を用いて造粒した。その結果、平均粒径10μmの複合体粒子が得られた。その複合体粒子の真密度(D2)は2.20g/cm3、タップかさ密度(D1)は0.8g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率Vsは、Vs=(1−1.35×D1/D2)×100の式から51%と求まった。
平均粒径1μmのSi粉末と、平均繊維長5μmで直径0.2μmのCFと、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:CF:黒鉛=60:30:10の配合比で混合し、これらを撹拌式の転動造粒機を用いて造粒した。その結果、平均粒径10μmの複合体粒子が得られた。このようにして作製した複合体粒子のSEM写真を図1に示す。
平均粒径2μmのSi粒子と、平均繊維長5μmで直径0.2μmのCFと、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:CF:黒鉛=60:30:10の配合比で用いた以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して56質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は0.98g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は40%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は62%であり、放電時の体積収縮率は88%であった。
実施例1と同じ原料を用いて、配合比を質量比でSi:CF:黒鉛=40:35:25とした以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して37質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は0.81g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は50%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は50%であり、放電時の体積収縮率は92%であった。
実施例1と同じ原料を用いて、配合比を質量比でSi:CF:黒鉛=75:15:10とした以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して70質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.25g/cm3、タップかさ密度は1.0g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は40%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は55%であり、放電時の体積収縮率は85%であった。
平均粒径1μmのSi粒子と、平均繊維長10μmで直径0.1μmのCFと、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:CF:黒鉛=60:30:10の配合比で用いた以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対しては56質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は0.73g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は55%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は45%であり、放電時の体積収縮率は92%であった。
平均粒径1μmのSi粒子と、平均繊維長10μmで直径0.2μmのCFとを、質量比でSi:CF=60:40の配合比で用いた以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子をコールタールピッチでコーティングした後、1300℃で焼成して複合体粒子の表面をハードカーボンで被覆した。
実施例1と同じ原料に、さらに平均粒径0.2μmのポリスチレン粒子(PS)を加え、質量比でSi:CF:黒鉛:PS=30:15:5:50の配合比で用いた以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。用いたPSはCVD処理時に燃焼または昇華するため粒子内に新たな空隙が形成される。最終的に得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して56質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は0.73g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は55%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は48%であり、放電時の体積収縮率は90%であった。
平均粒径0.2μmのSi粒子と、平均繊維長5μmで直径0.2μmのCFと、平均粒径0.05μmのケッチェンブラック(KB)とを、質量比でSi:CF:KB=60:30:10の配合比で用いた以外は、実施例2と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して56質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.10g/cm3、タップかさ密度は0.68g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は56%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は50%であり、放電時の体積収縮率は95%であった。
平均粒径0.2μmのSi粉末と、平均繊維長5μmで直径0.2μmのCFと、平均粒径0.05μmのKBと、分散剤としてのポリビニルピロリドン(PVP)とを、質量比でSi:CF:KB:PVP=60:30:10:4の配合比でエタノール中にて混合した。この混合物を湿式のジェットミルで分散混合し、その後得られたスラリーをスプレードライ法にて造粒した。その結果、平均粒径10μmの造粒体が得られた。続いて、トルエンをカーボン源として、CVD法により1000℃で複合体粒子を炭素で被覆した。被覆した炭素量は被覆前後の複合体粒子の質量変化から求めた。その複合体粒子の組成は、質量比でSi:CF:KB:CVD炭素=50:25:8:17であった。得られた複合体粒子の真密度は2.10g/cm3、タップかさ密度は0.68g/cm3であった。従って、空隙体積占有率は58%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は48%であり、放電時の体積収縮率は95%であった。
平均粒径0.2μmのSi粉末と、平均粒径0.05μmのKBと、分散剤としてのPVPとを、質量比でSi:KB:PVP=70:30:3の配合比でエタノール中にて混合した。この混合物を湿式のジェットミルで分散混合し、その後得られたスラリーをスプレードライ法にて造粒した。その結果、平均粒径3μmの造粒体が得られた。得られた造粒体(Si/KB造粒体)と、平均繊維長5μmで直径0.2μmのCFとを、質量比でSi/KB造粒体:CF=85:15の配合比で混合し、その混合体を転動流動法にて造粒した。その結果、平均粒径15μmの複合体粒子が得られた。続いて、トルエンをカーボン源として、CVD法により1000℃で複合体粒子を炭素で被覆した。被覆した炭素量は被覆前後の複合体粒子の質量変化から求めた。その複合体粒子の組成は、質量比でSi:CF:KB:CVD炭素=50:10:25:15であった。得られた複合体粒子の真密度は2.10g/cm3、タップかさ密度は0.65g/cm3であった。従って、空隙体積占有率は60%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は47%であり、放電時の体積収縮率は95%であった。
平均粒径1.0μmのSi粉末と、平均粒径0.05μmのKBと、分散剤のPVPとを、質量比でSi:KB:PVP=70:30:3の配合比でエタノール中にて混合した。この混合物を湿式のジェットミルで分散混合し、その後得られたスラリーをスプレードライ法にて造粒した。その結果、平均粒径5μmの造粒体が得られた。続いて、トルエンをカーボン源として、CVD法により1000℃で造粒体を炭素で被覆した。得られた複合体粒子をさらにコールタールピッチでコーティングした後、1300℃で焼成して複合体粒子の表面をハードカーボンで被覆した。
平均粒径1.0μmのSi粉末と、平均粒径0.05μmのKBと、分散剤のPVPとを、質量比でSi:KB:PVP=60:40:4の配合比でエタノール中にて混合した。この混合物を湿式のジェットミルで分散混合し、その後得られたスラリーをスプレードライ法にて造粒した。その結果、平均粒径5μmの造粒体が得られた。続いて、カーボン源なしに1000℃で造粒体を焼成した。最終的に得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して56質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.10g/cm3、タップかさ密度は0.75g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は52%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は55%であり、放電時の体積収縮率は85%であった。
平均粒径1.0μmのSi/Si2Ni複合体粉末と、平均粒径0.05μmのKBと、分散剤のPVPとを、質量比でSi:KB:PVP=85:15:1の配合比でエタノール中にて混合した。この混合物を湿式のジェットミルで分散混合し、その後得られたスラリーをスプレードライ法にて造粒した。その結果、平均粒径7μmの造粒体が得られた。続いて、トルエンをカーボン源として、CVD法により850℃で造粒体を炭素で被覆した。最終的に得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して40質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は3.10g/cm3、タップかさ密度は1.15g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は50%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は40%であり、放電時の体積収縮率は93%であった。
平均粒径1μmのSi粉末と、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:黒鉛=60:40の配合比で用いた以外は、実施例1と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して56質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は1.14g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は30%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は100%であり、放電時の体積収縮率は77%であった。
平均粒径1μmのSi粉末と、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:黒鉛=90:10の配合比で用いた以外は実施例1と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して84質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は1.10g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は32%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は110%であり、放電時の体積収縮率は70%であった。
平均粒径1μmのSi粉末と、平均粒径2μmの黒鉛とを、質量比でSi:黒鉛=25:75の配合比で用いた以外は、実施例1と同様にして複合体粒子を作製した。得られた複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して20質量%であり、また、その複合体粒子の真密度は2.20g/cm3、タップかさ密度は1.17g/cm3であった。従って、この複合体粒子の空隙体積占有率は28%と求まった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は75%であり、放電時の体積収縮率は83%と求まった。
コールタールピッチのテトラヒドロフラン(THF)溶液にテトラメトキシシラン(TMOS)を溶解した。この溶液に平均粒径5μmの黒鉛を添加して、還流しながら攪拌・混合した。それぞれの配合比は質量比でTHF:コールタールピッチ:TMOS:黒鉛=10:1:1:3である。次いで、THFを真空乾燥して除去した。得られた粉末を窒素気流中、1000℃でコールタールピッチおよびTMOSを分解・炭素化して、珪素を含有する黒鉛および非晶質炭素からなる複合体粒子を得た。この複合体粒子のSi含有率は、複合体粒子の全質量に対して6質量%であり、その複合体粒子の空隙体積占有率は12%であった。また、実施例1と同様にして測定した充電時の体積膨張率は30%であり、放電時の体積収縮率は80%であった。
平均粒径2μmのSi粒子と、平均繊維長5μmで直径0.2μmのCFとを、質量比でSi:CF=60:40の配合比で乳鉢により混合して、電極材料とした。この電極材料は、SiとCFとが単に混合されているのみで、複合体は形成されなかった。この電極材料を用いて実施例1と同様にして負極を作製した。
Claims (13)
- リチウムと合金化可能な元素を含む材料と、導電性材料とを含む複合体粒子からなる電極材料であって、
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料が、SiまたはSnの単体、酸化物、合金または固溶体であり、
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料の割合が、前記複合体粒子の全質量に対して30質量%以上80質量%以下であり、
前記複合体粒子の形状が、球状または略球状で、内部に空隙を有し、
前記複合体粒子のJIS R1628に基づき測定されるタップかさ密度をD1(g/cm3)、前記複合体粒子の真密度をD2(g/cm3)、前記複合体粒子の空隙体積占有率(%)をVs=(1−1.35×D1/D2)×100とした場合、Vsが35%以上70%以下であることを特徴とする電極材料。 - 前記導電性材料が、繊維状炭素材料、カーボンブラック、人造黒鉛、易黒鉛化炭素または難黒鉛化炭素である請求項1に記載の電極材料。
- 前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料は、平均粒径が2μm以下の粒子である請求項1または2に記載の電極材料。
- 前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料が、SiにBまたはPをドープしたn型またはp型の半導体である請求項1または2に記載の電極材料。
- 前記複合体粒子が、炭素を含む材料によって被覆されている請求項1〜4のいずれかに記載の電極材料。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の電極材料の製造方法であって、
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料と、前記導電性材料と、樹脂とを混合して造粒することにより複合体粒子を形成する工程と、
前記複合体粒子を加熱して前記樹脂を燃焼または昇華させて除去することにより、前記複合体粒子内に空隙を形成する工程とを含む電極材料の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の電極材料の製造方法であって、
前記リチウムと合金化可能な元素を含む材料と、前記導電性材料とを溶媒中で分散させて混合物とし、前記混合物を噴霧して乾燥するスプレードライ法により造粒することにより複合体粒子を形成する工程を含む電極材料の製造方法。 - 請求項6または7に記載の製造方法を実施した後に、前記複合体粒子を、炭素を含む材料により被覆する工程を含む電極材料の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の電極材料を含む負極と、正極と、非水電解質とを備えた非水二次電池。
- 前記非水電解質が、エチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートと、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートおよびメチルエチルカーボネートより選ばれる少なくとも1種の有機溶媒との混合溶媒を含む液状電解質またはゲル状ポリマー電解質である請求項9に記載の非水二次電池。
- 請求項9または10に記載の非水二次電池の製造方法であって、
前記電極材料が、リチウムと合金化可能な元素としてSiを含み、
充電によりLiとSiとの合金であるLixSiが形成され、
前記xが、x≦2.625の範囲となるように前記充電が制御される非水二次電池の製造方法。 - 前記充電が、定電流−定電圧充電である請求項11に記載の非水二次電池の製造方法。
- 前記充電が、10mA/cm2以下の電流密度で行われる請求項11または12に記載の非水二次電池の製造方法。
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