JP5907654B2 - バッテリ電極用の材料、これを含有したバッテリ電極、ならびにこれらの電極を具備したバッテリ、およびバッテリ電極用の材料の調製方法 - Google Patents
バッテリ電極用の材料、これを含有したバッテリ電極、ならびにこれらの電極を具備したバッテリ、およびバッテリ電極用の材料の調製方法 Download PDFInfo
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Description
1.)分量が5〜95重量%、好ましくは10〜90重量%である、電気化学活性を示す材料
2.)分量が5〜95重量%、好ましくは10〜90重量%である、ガラスをベースとする材料、
ならびに、オプションとして、それに加えて、
3.)0〜50体積%の細孔
4.)0〜80重量%の導電性粒子
5.)0〜25重量%の天然または合成結合剤
から成ると好適である。
−LixNiO2、LixCoO2、および混晶相(ほかにもAl、Mn、またはFeを含む)、
−LixMn2O4、
−LixFePo4、LixVPO4、LixMnPo4、LixCoPO4、LixNiPO4、および混晶相、
−LiNiVO4
から成る群の中から選ばれる、少なくとも一つの電気化学活性を示す材料を含有している。
1.)分量が5〜95重量%、好ましくは10〜90重量%である、電気化学活性を示す材料
2.)結合剤、担体、または埋封剤として使用可能な、分量が5〜95重量%、好ましくは10〜90重量%である、ガラスをベースとする材料(ガラス、ガラスセラミックス)、
ならびに、オプションとして、それに加えて、
3.)0〜50体積%の細孔
4.)0〜80重量%の導電性粒子
5.)0〜25重量%の天然または合成結合剤
から成っている。
−LixCoO2、LixNiO2、もしくは、ほかにもAl、Mn、またはFeを含む混晶相をベースとする、正極材料;LiFePO4もしくはそのMn、V、Co、またはNiを含む類似物をベースとする、オリビン型の混晶、LixMn2O4をベースとする、スピネル型の混晶;LiNiVO4などのバナジナイトをベースとする化合物、または、
−炭素または炭素成分を含む貯蔵材料、および/または、
−純珪素、および/または、
−例えばSi−Sn、Si−Li、Si−Sb、Si−C、Si−Sb−C、Si−Co−C、Si−AlなどのSiの合金、および/または、
−ドープしたSi(ドーパント:P、B、As、Sb、Ga、In)、および/または、
−炭化珪素、および/または、
−純錫、および/または、
−例えばSn2Fe、V2Sn3、CeSn2、Ag3Sn、Cu6Sn5、Sn−Fe−C、Sn−Al−Cなどの錫の合金、および/または、
−純アンチモン、および/または、
−例えばCoSb3、CuSb、Ag3Sbなどのアンチモンの合金、および/または、
−イオンを貯蔵するガラス
が検討対象となる。
−純SiO2
−改質SiO2、例えばドープされたSiO2
−石英ガラス、例えばSiO2−B2O3ガラス、非常に好ましくはLi2O−B2O3およびSiO2を含有したガラス
−燐酸塩ガラス、例えば70質量%超のP2O5を含有した、非常に好ましくはP2O5>80質量%である、燐酸塩ガラス−硼酸塩ガラス、例えば、硼燐珪酸塩ガラス、または、R=Mg、Caとしたとき、B2O3−Al2O3−RO系ガラス
−アルミン酸塩ガラス、例えば、R=Mg、Caとしたとき、Al2O3−B2O3−RO系ガラス
の中から、一つ一つ選択されるか、または、後ほど列記する個々の成分の混合比で、または、後ほど列記する個々の成分の内、複数の成分の混合比で、選択されるようになっている。
a)無機であるという特徴により、ガラスをベースとする/含む溶液は、ポリマー、特に有機ポリマーを含有したこれまでの構成よりも、温度安定性に優れている。それにより、セルの安全性が向上され、ひいてはシステム全体の安全性が向上される。ポリマーは、場合により存在する結合剤が占める割合は別にして、なおも存在するとしても、極僅かな量にしか過ぎない。
b)ガラスは、そのマトリックスとしての作用に関して、可変性を示す。例えばガラスは、Siが完全に取り囲まれている限りは、硬質のマトリックスとして作用し、これに取り囲まれている活性を示す貯蔵粒子の体積変化に、反作用を及ぼすことができる。
c)ガラスには、適切な成形方式(例えば焼結、拡散浸透)により、高い比表面積を備えることができる。ガラスは、珪素の析出または化学的な表面改質のための、担体もしくは出発材料として、利用することができる。
d)ガラスは、狙い通りの半結晶化が可能である。その際には、それぞれの晶相もしくはガラス相のイオン伝導率を、それぞれの相の比率により、狙い通りに調整することができる。
a)マトリックスと既存活性粒子との化合
b)マトリックスからの活性成分の現場調製
c)ガラス状担持マトリックス表面での活性成分の現場調製
−活性材料を、ゾル・ゲル・ガラスから成るスラリーまたはスリップ中に混ぜ入れる。続いて温度を上昇して、好適には最低200℃の温度で乾燥させ、有機または無機の結合剤を放出させる。
−活性材料を、アルカリ珪酸塩、例えばメタ珪酸塩から成るスラリー中に混ぜ入れる。続いて温度を上昇して、好適には最低200℃の温度で乾燥させ、有機または無機の結合剤を放出させる。
−活性材料を、低融点のガラスまたはガラスセラミックス中に混ぜ入れる。その際にSi粒子の空気に触れた部分は、薬品の侵襲、特に酸化物の侵襲からSi粒子を保護することができるSiO2皮膜により占有される。
−活性材料を、上記に記載のガラスと焼結する。
−自発的な分離
−温度により駆動される分離により、または、
−ガラスセラミックス・プロセス
により、ガラスの内部または表面上に生成されるとよい。
−珪酸塩マトリックスから析出したSb2O3ガラス
−Li−バナジナイト−燐酸塩ガラスセラミックス
−フラッシュガラス、特に半導体を含有したスティープ・エッジフィルタ・ガラス
−非常に好ましくは、特にスピノーダル分解が生じる部分系の、Li2O−B2O3−SiO2系ガラス、およびNa2O−B2O3−SiO2系ガラス
−特にスピノーダル分解が生じる部分系の、BaO−SiO2系ガラスおよびBaO−B2O3−SiO2系ガラス
−Li2O−P2O5系ガラス、もしくはLi2O−B2O3−P2O5系ガラス、もしくはLi2O−P2O5−SiO2系ガラス
−Si金属の熱膨張係数に対して実質的に適合化されたガラス・ソルダー
−多孔質石英ガラスについては、分離した硼珪酸塩ガラスも含めて、強い還元性ガスを表面に沿って通過させ、このガスにより表面の一部をSiに還元する。
−エッチング法:珪酸塩ガラス粉末に、例えばAlCl3溶液を含浸させて調質する。その結果、Si4+の還元によりSi粒子が生成される。
−ガラス粉末/ガラスセラミックス粉末(「GK」:Glaskeramik)を、固形または液状のSi化合物、特にシランと混合し、続いて調質する。Si化合物の分解により、ガラス/ガラスセラミックス粒子に取り囲まれたSi粒子が得られるが、他の反応性生物は気状であり、漏出する、または吸引される。同じ調質ステップまたは次の調質ステップ(温度を好適には>200℃に上昇して)において、先に浮動していたガラス/GK粒子を、オプションにより、稠密または部分的に焼結する。Si化合物については、例えば、いずれも室温で液状であるトリシラン(Si3H8)またはテトラシラン(Si4H10)を使用することができる。あるいは、カルボニル、アセチルアセトネート、オキサレート、またはその他の適切な珪素化合物を導入することができる。適正な工程管理を遵守しなければならない−それによりシランを、分解の目的で、気密状態でSiおよびH2に保つことができる。気状のSi化合物(例えばモノシランまたはジシラン)も使用可能であるが、その場合はこれらを、分解の目的で、ガラス粒子/ガラスセラミックス粒子から成る圧粉体に通して導かなければならない。
−多孔質ガラス/ガラスセラミックス体の、好適には連続細孔または網状細孔に、分解可能な固形、液状、または気状のSi化合物を、Si化合物が固形または液状である場合は、溶液/懸濁液を利用し、そうでない場合は細孔に通すことにより、浸透させ、引き続いて、または浸透の間に、熱分解し、その後は時と場合に応じて稠密に焼結する。
−金属性のAl粒子を低融点のガラス融液中に挿入して、SiO2を還元してAlを酸化する。
多孔質ガラスへのSiの析出
実施例1は、例えばVycor(登録商標)法により作製されたガラスである多孔質ガラスの作製、ならびに発生した多孔質構造での引き続くSiの析出に関するものである。
・基礎ガラス(好ましくはVYCOR(登録商標)ガラスの範囲にある3元システムM2O−B2O3−SiO2の組成物を備える)の溶解、
・基礎ガラスを圧縮、引き伸ばし、吹き付け、熱処理(時間および温度に依存して)により成形、
・成形体の表面を(例えばフッ酸、苛性ソーダ液により、または機械的にも)酸腐食、
・好ましくはアルコール、水、または希薄ソーダ溶液により実施することのできる洗浄工程、
・酸または無機塩溶液による、好ましくは約90〜100℃の温度での抽出工程、
・多孔質VYCOR(登録商標)ガラスに至る洗浄工程、乾燥、ならびに
・好ましくは1000〜1300℃で実施される焼成工程、そして石英ガラスが得られる。
Si高含有焼結体の作製
Si高含有の焼結体を作製するために、70〜95重量%のSi粉末が30〜5重量%のソルダーガラスと混合される。
Siが堆積された多孔質ゾル・ゲル・ガラス
活性材料ならびに場合により、例えば前に説明したさらなる粒子状導電材料が、ゾル・ゲル・ガラスからなるスラリーまたはスリップに導入される。
Si高含有アノード層の作製
Si高含有のアノード層(Si>90体積%)を作製するために、実施例2または3と同様に処置され、焼成後に得られた焼結体が製粉され、得られたセラミックス粉末が引き続き、例えばPVDF、ポリフッ化ビニリデンのような結合剤ならびに溶剤、および好ましくは銅または黒鉛のような導電材料と混合される。
この材料は、リチウムが完全に積み込まれた、リチウム貯蔵材料28からなる粒子、同じ材料の非化学量論的なリチウムまたは化学量論以下のリチウムを含む粒子29、ならびにこれにより発生した細孔30を含むガラスマトリックス27からなる。その他この材料にはさらに、電子伝導性の粒子31と32が含まれている。
この材料は非導電性ガラス34からなり、この非導電性ガラスの表面は電子伝導性層35により覆われ、この電子伝導性層の上にはリチウム貯蔵材料36のナノ粒子が支持されている。例えばゾル・ゲル工程により、または熱的偏折と引き続く溶出により作製することのできるガラスは、細孔37とともに多孔質の浸透構造を形成し、これにより電解材料の浸透を可能にする。
Claims (23)
- 多孔質体であるガラス、および
電気化学活性を示すLiイオン貯蔵成分
を含んで成り、
第1の相が該ガラスを含み、第2の相が該Liイオン貯蔵成分を含む、少なくとも2相のコンポジットであることを特徴とし、
前記ガラスが、10−5S/cmを上回るイオン伝導率を有していることを特徴とする、バッテリ電極用の材料。 - 前記ガラスが、ガラスセラミックスであるか、またはガラスセラミックスを含む、請求項1に記載のバッテリ電極用の材料。
- 前記ガラスが、前記第2の相のための結合剤、担体、または埋封材料として作用する、請求項1または2に記載のバッテリ電極用の材料。
- 前記ガラスが、珪酸塩、燐酸塩、硼酸塩、アルミン酸塩から成る群の中から選ばれている、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料。
- 前記ガラスが弗素を含有する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料。
- 当該材料の有機物含有量が、5重量%未満である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料であって、
前記Liイオン貯蔵成分が、
−LixNiO2、LixCoO2、およびそれらの混晶からなる相、ならびにそれらに加えてAl、Mn、またはFeを含む混晶からなる相、
−LixMn2O4、
−LixFePO4、LixVPO4、LixMnPO4、LixCoPO4、LixNiPO4、およびそれらの混晶からなる相、ならびに
−LiNiVO4
から成る群の中から選ばれる、バッテリ電極用の材料。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料であって、前記Liイオン貯蔵成分が、C、Si、Sn、As、Sb、Al、Zn、Liから成る群の中から選ばれる成分を含み、
前記バッテリ電極が負極である、バッテリ電極用の材料。 - 前記Liイオン貯蔵成分が、Si、またはSn、またはそれらの合金から成る群の中から選ばれる、請求項8に記載のバッテリ電極用の材料。
- 当該材料がさらに、黒鉛またはカーボンブラックとしての炭素、金属、合金、または半金属から成る電子伝導性粒子を含む、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料。
- 前記Liイオン貯蔵成分が、100nmよりも大きな最小サイズを有する粒子から成る、請求項1乃至10のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料。
- 前記Liイオン貯蔵成分が、焼結された前記ガラスに含まれる、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料。
- 前記Liイオン貯蔵成分の表面が、少なくとも部分的に、前記電子伝導性粒子により包み込まれた、または、前記電子伝導性粒子が、前記Liイオン貯蔵成分の表面に付着した、請求項10記載のバッテリ電極用の材料。
- 請求項1乃至13のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料であって、
5〜95重量%の前記Liイオン貯蔵成分、および/または、
前記Liイオン貯蔵成分のための結合剤、担体、または埋封材料としての5〜95重量%の前記ガラス
を含んでいる、バッテリ電極用の材料。 - 請求項1乃至14のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料であって、
50体積%以下の細孔、
を含んでいる、バッテリ電極用の材料。 - 請求項10または13に記載のバッテリ電極用の材料であって、
0〜80重量%の前記電子伝導性粒子、および/または、
0〜25重量%の天然または合成結合剤
を含んでいる、バッテリ電極用の材料。 - 請求項1乃至16のいずれか1項に記載の材料から成る、Liイオン二次バッテリ用の電極。
- 請求項17に記載の電極を有する、Liイオン二次バッテリ。
- 請求項1乃至16のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料の調製方法であって、多孔質体であるガラスと、電気化学活性を示すLiイオン貯蔵成分とを使用する、バッテリ電極用の材料の調製方法。
- 前記ガラスと、前記Liイオン貯蔵成分とが接合されてコンポジットを構成する、請求項19に記載のバッテリ電極用の材料の調製方法。
- 前記Liイオン貯蔵成分を、前記ガラスに埋め込んだり接触させたりする前に、前記Liイオン貯蔵成分にLiが装入される、請求項19または20に記載のバッテリ電極用の材料の調製方法。
- 前記Liイオン貯蔵成分を、前記ガラスに埋め込んだり接触させたりする前に、前記Liイオン貯蔵成分にLiが部分的に装入される、請求項19乃至21のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料の調製方法。
- 前記Liイオン貯蔵成分が、前記ガラス中に含有されるSiO2の反応から生成されている、請求項19乃至22のいずれか1項に記載のバッテリ電極用の材料の調製方法。
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