JP5708198B2 - 二次電池用炭素材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)平均粒子厚さが2nm〜500nmの範囲内にあり、かつ、平均アスペクト比(平均粒子径/平均粒子厚さ)が10以上である板状粒子を含んで成る二次電池用炭素材。
(2)前記板状粒子の平均粒子径が0.5μm〜500μmの範囲内にある、第(1)項に記載の二次電池用炭素材。
(3)前記板状粒子が熱硬化性樹脂の炭化処理により生成したものである、第(1)項又は第(2)項に記載の二次電池用炭素材。
(4)第(1)項〜第(3)項のいずれか1項に記載の二次電池用炭素材を含む二次電池用導電剤。
(5)第(1)項〜第(3)項のいずれか1項に記載の二次電池用炭素材と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な炭素または金属もしくは半金属もしくはこれらの合金、酸化物、窒化物もしくは炭化物を含む粒子とを含んで成り、該粒子が前記板状粒子の間に配置されている二次電池用負極材。
(6)前記金属もしくは半金属が、ケイ素、スズ、ゲルマニウムおよびアルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む、第(5)項に記載の二次電池用負極材。
(7)第(1)項〜第(3)項のいずれか1項に記載の二次電池用炭素材および/または第(4)項に記載の二次電池用導電剤および/または第(5)項もしくは第(6)項に記載の二次電池用負極材を含む二次電池用電極合剤。
(8)第(7)項に記載の二次電池用電極合剤を含む二次電池用電極。
(9)第(8)項に記載の二次電池用電極を含む二次電池。
(10)リチウムイオン二次電池である、第(9)項に記載の二次電池。
(11)熱可塑性樹脂からなる支持体シートの少なくとも片面上に熱硬化性樹脂の層を設けた積層体を、該支持体シートが実質的に消失するまで炭化処理することを特徴とする、第(1)項に記載の二次電池用炭素材の製造方法。
(12)前記熱硬化性樹脂の層の厚さを調整することにより前記板状粒子の平均粒子厚さを制御する、第(11)項に記載の二次電池用炭素材の製造方法。
(13)熱可塑性樹脂からなる支持体シートの少なくとも片面上に熱硬化性樹脂の層を設けた1以上の積層体と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な炭素または金属もしくは半金属もしくはこれらの合金、酸化物、窒化物もしくは炭化物を含む粒子を含む1以上の層とを交互に配置して複合積層体を得、該複合積層体を、該支持体シートが実質的に消失するまで炭化処理することを特徴とする、第(5)項に記載の二次電池用負極材の製造方法。
(14)前記熱硬化性樹脂の層の厚さを調整することにより前記板状粒子の平均粒子厚さを制御する、第(13)項に記載の二次電池用負極材の製造方法。
1)炭素材1の作製
(熱硬化性樹脂溶液の調製)
熱硬化性樹脂として2gのフェノール樹脂(住友ベークライト(株)製、PR−217)をメタノールに溶解させ、0.2質量%フェノール樹脂溶液を作製した。
(浸漬コーティング)
熱可塑性樹脂からなる支持体シートとして厚さ100μmのポリプロピレンフィルム(長さ30cm×幅20cm)を用意した。この支持体シートを上記フェノール樹脂溶液に常温で5秒浸漬した後、支持体シートを取り出し、周囲雰囲気中で1時間放置して乾燥することにより、支持体シートの両面に熱硬化性樹脂を被覆した熱硬化性樹脂コート支持体シートを得た。
(炭化、粉砕)
得られた熱硬化性樹脂コート支持体シートをアルミナ管に入れ、窒素雰囲気下、1100℃、4時間炭化処理を実施した。得られた炭化物を回転ボールミル(入江商会製1段式−B)で粉砕し(粉砕条件:200rpm、5分間)、得られた粉末状の炭素材を炭素材1とした。
(構造の確認)
走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子株式会社製JSM-7401F)により、得られた粉末状の炭素材1を観察した結果、平均粒子径は約4μmであることを確認した。平均粒子径の測定方法は、作製した炭素材粉末の母体をよく混合した後、約0.03gずつ5か所ランダムにサンプリングして再度混合し、両面テープを貼り付けた板にサンプルを0.05g広げてSEM観察を行い、SEM画像中に見える粒子30個をランダムに観察してそれぞれの粒子径(長径)を測定し、それらの平均値を平均粒子径とした。SEM観察より求めた平均厚さは20nmであった。平均厚さは、両面テープを貼り付けた板にサンプルを0.05g広げてSEM観察を行い、SEM画像中に見える粒子30個をランダムに観察し厚さを求め、それらの平均値を平均厚さと定義した。したがって、炭素材1の平均アスペクト比は200であった。
1)で得た板状粒子、市販のナノ活物質であるケイ素粉末(Si、平均一次粒子径:50nm、Nanostructured & amorphous materials製)、市販の結着剤であるカルボキシメチルセルロース(CMC)(ダイセルファインケム株式会社製CMCダイセル2200)、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業製デンカブラック)を質量比30:100:4:20で混合し、必要に応じ濃縮し粘度を調整し、リチウムイオン二次電池用電極合剤を得た。具体的には、まずCMCを所定量の水に溶解して2質量%水溶液を調製した。次いで、そのCMC水溶液に、上記板状粒子、活物質及び導電助剤を上記質量比になるように所定量添加し、自転・公転ミキサーで攪拌混合した。攪拌混合に際して、最終粘度が5000mPa・secとなるように、自転・公転ミキサーに水を少量ずつ添加した。
上記のリチウムイオン二次電池用電極合剤を20μm厚の銅箔に塗布し、その後、110℃で1時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって加圧成形し、φ13mmの径で打ち抜き、リチウムイオン二次電池用電極を得た。得られた電極の表面をSEMで観察したところ、板状粒子間に活物質が配置されていることが確認された。
上記で作製したリチウムイオン二次電池用電極(負極)、セパレータ(ポリプロピレン製多孔質フィルム:直径φ16、厚さ25μm)、作用極としてリチウム金属(直径φ12、厚さ1mm)の順で、宝泉製2032型コインセル内の所定の位置に配置した。さらに、電解液としてエチレンカーボネートとジエチレンカーボネートの混合液(体積比が1:1)に、過塩素酸リチウムを1[モル/リットル]の濃度で溶解させたものを注液し、リチウムイオン二次電池を作製した。
充電容量については、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が0Vに達した時点から、0Vで定電圧充電を行い、電流密度が1.25mA/gになるまでに充電した電気量を充電容量とした。一方、放電容量については、放電時の電流密度も25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達した時点から、2.5Vで定電圧放電を行い、電流密度が1.25mA/gになるまでに放電した電気量を放電容量とした。なお、充放電特性の評価は、充放電特性評価装置(北斗電工(株)製:HJR−1010mSM8)を用いて行った。
また、以下の式により初回の充放電効率を定義した。
初回充放電効率(%)=初回放電容量(mAh/g)/初回充電容熱硬化性樹脂コート支持体シート量(mAh/g)×100
以上の評価方法を用いて、4)で作製したリチウムイオン二次電池を評価した結果、初期放電容量は1523mAh/g、初回充放電効率(%)は86%であった。
初期充放電特性評価条件を50回繰り返し測定した後に得られた放電容量を50サイクル目の放電容量とした。また、以下の式によりサイクル性(50サイクル容量維持率)を定義した。
サイクル性(%、50サイクル容量維持率)=50サイクル目の放電容量(mAh/g)/初回放電容量(mAh/g)×100
以上の評価方法を用いて、4)で作製したリチウムイオン二次電池を評価した結果、サイクル性(%、50サイクル容量維持率)が90%以上であることを確認した。
炭素材1の構造パラメータおよび実施例1の電極特性を表1にまとめて示す。
フェノール樹脂溶液の濃度を1質量%としたことを除き、実施例1の手順を繰り返すことにより炭素材2を調製し、電極特性を測定した。炭素材2の構造パラメータおよび実施例2の電極特性を表1に示す。
フェノール樹脂を15gのレゾール樹脂(住友ベークライト(株)製、PR−51723)に変更し、メタノールをメタノール/アセトン(質量比1:1)混合溶媒に変更し、1.5質量%レゾール樹脂溶液を作製したこと、及びナノ活物質として酸化珪素粉末(SiOx、x=1〜1.2、平均一次粒子径:約0.5μm)を使用したことを除き、実施例1の手順を繰り返すことにより炭素材3を調製し、電極特性を測定した。炭素材3の構造パラメータおよび実施例3の電極特性を表1に示す。また、炭素材3のSEM写真を図1に示す。
レゾール樹脂溶液の濃度を5質量%としたことを除き、実施例3の手順を繰り返すことにより炭素材4を調製し、電極特性を測定した。炭素材4の構造パラメータおよび実施例4の電極特性を表1に示す。また、炭素材4のSEM写真を図2に示す。
1)炭素材5の作製
(熱硬化性樹脂溶液の調製)
熱硬化性樹脂として25gのレゾール樹脂(住友ベークライト(株)製、PR−51723)をメタノール/アセトン(質量比1:1)混合溶媒に溶解させ、2.5質量%レゾール樹脂溶液を作製した。
(浸漬コーティング1)
熱可塑性樹脂からなる支持体シートとして厚さ100μmのポリプロピレンフィルム(長さ30cm×幅20cm)を用意した。この支持体シートを上記フェノール樹脂溶液に常温で5秒間浸漬した後、支持体シートを取り出し、周囲雰囲気中で1時間放置して乾燥することにより、支持体シートの両面に熱硬化性樹脂を被覆した熱硬化性樹脂コート支持体シートを得た。
(SnO2分散スラリーの調製)
市販のナノ活物質である二酸化スズ粉末(SnO2;平均一次粒子径100nm未満;Aldrich社製)20gをメタノールに加えた後、超音波破砕機で60分間処理して、2質量%SnO2分散スラリーを得た。
(浸漬コーティング2)
熱可塑性樹脂からなる支持体シートとして厚さ100μmのポリプロピレンフィルム(長さ30cm×幅20cm)を用意した。この支持体シートを上記SnO2分散スラリーに常温で5秒間浸漬した後、支持体シートを取り出し、周囲雰囲気中で1時間放置して乾燥することにより、支持体シートの両面にSnO2分散体を被覆したSnO2担持支持体シートを得た。
(複合積層体)
上記熱硬化性樹脂コート支持体シート10枚とSnO2担持支持体シート10枚とを、交互に配置して合計20枚のシートから成る複合積層体を得た。
(炭化、粉砕)
得られた複合積層体をアルミナ管に入れ、窒素雰囲気下、1100℃、4時間炭化処理を実施した。得られた炭化物を回転ボールミル(入江商会製1段式−B)で粉砕し(粉砕条件:50rpm、20秒間)、得られた粉末状の炭素材を炭素材5とした。実施例1と同様にして、得られた炭素材粉末を観察した結果、厚さ数10〜数100nm、一辺の大きさが数μmの板状炭素核粒子が含有されていることを確認した。SEM観察より求めた板状粒子の平均厚さは195nm、平均粒子径は430μmであった。したがって、炭素材5の平均アスペクト比は2205であった。
炭素材5を用いて、ナノ活物質を省略したことを除き、実施例1の手順を繰り返して電極特性を測定した。得られた炭素材5の構造パラメータおよび実施例5の電極特性を表1にまとめて示す。
レゾール樹脂溶液の濃度を1.5質量%としたこと、及びナノ活物質として酸化珪素粉末(SiOx、x=1〜1.2、平均一次粒子径:約0.5μm)を用いたことを除き、実施例5の手順を繰り返すことにより炭素材6を調製し、電極特性を測定した。炭素材6の構造パラメータおよび実施例6の電極特性を表1に示す。また、実施例6で得られた電極を鋏で裁断し、その断面のSEM写真を図3に示す。
フェノール樹脂を80gのレゾール樹脂(住友ベークライト(株)製、PR−51723)に変更し、メタノールをメタノール/アセトン(質量比1:1)混合溶媒に変更し、8質量%レゾール樹脂溶液を作製したことを除き、実施例1の手順を繰り返すことにより炭素材7を調製し、電極特性を測定した。炭素材7の構造パラメータおよび比較例1の電極特性を表1に示す。
レゾール樹脂溶液の濃度を1.5質量%に変更したこと、及びナノ活物質として酸化珪素粉末(SiOx、x=1〜1.2、平均一次粒子径:約0.5μm)を使用したことを除き、比較例1の手順を繰り返すことにより炭素材8を調製し、電極特性を測定した。炭素材8の構造パラメータおよび比較例2の電極特性を表1に示す。
炭素材3を使用せず、導電助剤であるアセチレンブラックの質量比を50としたことを除き、実施例3の手順を繰り返すことにより電極特性を測定した。比較例3の電極特性を表1に示す。
Claims (9)
- 平均粒子厚さが2nm〜500nmの範囲内にあり、かつ、平均アスペクト比(平均粒子径/平均粒子厚さ)が10以上である板状粒子を含んで成る、二次電池用負極材に用いるための炭素材であって、該板状粒子が熱硬化性樹脂の炭化処理により生成したことを特徴とする二次電池用炭素材を含む二次電池用導電剤と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な金属もしくは半金属またはこれらの合金、酸化物、窒化物もしくは炭化物を含む粒子とを含んで成り、該粒子が前記板状粒子の間に配置されている二次電池用負極材。
- 前記板状粒子の平均粒子径が0.5μm〜500μmの範囲内にある、請求項1に記載の二次電池用負極材。
- 前記金属もしくは半金属が、ケイ素、スズ、ゲルマニウムおよびアルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む、請求項1または2に記載の二次電池用負極材。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用負極材を含む二次電池用電極合剤。
- 請求項4に記載の二次電池用電極合剤を含む二次電池用電極。
- 請求項5に記載の二次電池用電極を含む二次電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項6に記載の二次電池。
- 熱可塑性樹脂からなる支持体シートの少なくとも片面上に熱硬化性樹脂の層を設けた1以上の積層体と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な金属もしくは半金属またはこれらの合金、酸化物、窒化物もしくは炭化物を含む粒子を含む1以上の層とを交互に配置して複合積層体を得、該複合積層体を、該支持体シートが実質的に消失するまで炭化処理することを特徴とする、請求項1に記載の二次電池用負極材の製造方法。
- 前記熱硬化性樹脂の層の厚さを調整することにより前記板状粒子の平均粒子厚さを制御する、請求項8に記載の二次電池用負極材の製造方法。
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