JP6523484B2 - 複合コア−シェル粒子 - Google Patents
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Description
1) ケイ素粒子を1つ以上の犠牲材料でコーティングすること、
2) 工程1)の生成物を1つ以上の炭素前駆体でコーティングすること、
3) 工程2)の生成物の犠牲材料での炭化であって、この炭化工程またはさらなる工程4)において犠牲材料が分解され、遊離されて多孔質複合材料を形成すること、
5) 得られた多孔質複合材料をシェル用の本発明による1つ以上の炭素前駆体でコーティングすること、
6) 工程5)の生成物の炭化、および続いて
7) 場合により、例えば、篩い分けまたは選別のような典型的な分級技術を用いて、標準より小さいまたは大きい粒子を除去すること
によって、コア−シェル複合粒子を製造する方法を提供する。
顕微鏡研究は、Zeiss Ultra 55走査型電子顕微鏡およびINCA X−サイトエネルギー分散型X線分光計を用いて行った。帯電現象を防止するために、Baltec SCD500スパッタ/炭素コーティング装置を用いて試料上に炭素を蒸着した。図に示されるコア−シェル複合粒子の断面は、6kVでLeica TIC 3Xイオンカッターを使用して作成した。
実施例で報告したC含有率は、Leco CS 230分析器を用いて決定した。Oおよび場合によりNおよびH含有率を決定するために、Leco TCH−600分析器を使用した。得られたコア−シェル複合粒子中の他の示された元素の定性的および定量的決定は、ICP(誘導結合プラズマ)発光分光法(Perkin Elmer製のOptima 7300 DV)によって決定した。試料は、この目的のために、マイクロ波(Anton Paar製のMicrowave 3000)中で酸(HF/HNO3)で蒸解した。ICP−OESの決定は、酸性水溶液(例えば、酸性化された水道水、排水および他の水試料、土壌および堆積物の王水抽出物)の分析に使用されるISO 11885「water quality−determination of selected elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry(ICP−OES)(ISO 11885:2007);ドイツ語版EN ISO 11885:2009」に基づく。
本発明の目的のために、粒度分布の決定は、Horiba LA950を用いた静的レーザー光散乱法により、ISO 13320に従って実施した。ここで、試料の調製において、個々の粒子の代わりにアグロメレートの大きさを測定しないように、測定溶液中の粒子の分散に特に注意を払わなければならない。ここで調べたコア−シェル複合粒子の場合、粒子をエタノール中に分散させた。この目的のために、必要に応じて、分散液を、測定前に超音波プローブLS24d5を備えたHielscher Ultrasonic Laboratory Instrument Model UIS250v中で250Wの超音波で4分間処理した。
Mettler Thermobalance TGA851を用いた熱重量分析により、複合材料中の種々の炭素修飾(非晶質炭素(C)に加えて導電性カーボンブラック(CCB))の比を決定した。温度範囲25から1000℃、加熱速度10℃/分で測定ガスとしての酸素下で測定を行った。導電性カーボンブラックおよびCの存在下では、総炭素の燃焼によって生じる質量の減少は、400から650℃の温度範囲で2段階で起こり、その比から、関連する実施例に示されたC:CCB比を決定した。
材料の比表面積は、窒素とSorptomatic 199090装置(Porotec)またはSA−9603MP装置(Horiba)を用いたガス吸着を介してBET法により測定した。
液体媒体に対するコア−シェル複合粒子中のケイ素のアクセス可能性の決定は、(元素分析から)既知のケイ素含有率を有する材料について以下の試験方法を用いて行った。
見掛け密度(=細孔空間を含む体積に基づく多孔質固体の密度)は、規格DIN51901「Testing of carbonaceous materials−determination of density by the xylene method−solid materials」に基づく方法を用いて、少なくとも2回の測定の平均として、キシレン中の複合粉体の分散液についてのピクノメトリーによって決定した。
得られたコア−シェル複合粒子の実施例に示された理論容量を実験的に決定せず、代わりに材料の元素組成から計算した。ここでは、純粋な成分の以下の容量を計算の基礎として使用した:Si 4149mAh/g;(非晶質)炭素 100mAh/g;N(非晶質Cマトリックスの一部として)100mAh/g。さらに、計算では、複合材料中に存在するO内容物がSiO2の形態で存在し、したがってSiO2含有量を考慮して活性ケイ素の寄与を減少させると仮定した。
炭素前駆体(ポリアクリロニトリル)へのポリマーでコーティングされたケイ素ナノ粒子の埋め込み:
ポリマーでコーティングされたケイ素ナノ粉末(27.6g;ケイ素3.6gおよびポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシドコポリマー(Pluronic P123(R))24gを含む)を、3200mlのDMF中の48gのポリアクリロニトリル(PAN)の溶液に超音波(Hielscher UIS250V;振幅80%、サイクル:0.9、持続時間:30分)によって分散した。得られた分散液を、不活性ループB−295および除湿器B−296(BUCHI GmbH)(ノズル先端0.7mm;ノズルキャップ1.4mm;ノズル温度180℃;N2ガス流30;アスピレーター100%;ポンプ20%)を備えた実験室噴霧乾燥機モデルB−290(BUCHI GmbH)を用いて噴霧乾燥させた。
上記の予備複合材料31.3gを溶融石英ボート(QCS GmbH)に入れ、不活性ガスとして試料元素タイプNおよびアルゴン/H2を含むカスケード調整を用いて3ゾーンチューブ炉(TFZ 12/65/550/E301;carbolite GmbH)中で炭化させた:最初に加熱速度10℃/分、温度300℃、保持時間90分、Ar/H2流速200ml/分;次いで、さらに直ちに、加熱速度10℃/分、温度1000℃、保持時間3時間、Ar/H2流速200ml/分。冷却後、9.00gの黒色粉末を得(炭化収率29%)、これを湿式ふるい分けすることにより標準より大きいものを除去した。d99<20μmの粒径を有する3.89gの多孔質複合粒子を得た。
粒度分布:単峰性;d10:8.03μm、d50:13.6μm、d90:20.9μm、(d90−d10)/d50=0.95;
比表面積(BET)=23.1m2/g;
Si不透過性:92.4%(液体不透過性ではない);
理論容量:573mAh/g。
例1の多孔質コア−シェル複合粒子に、非晶質炭素(軟質炭素をベースとする、10重量%)を与えた。
粒度分布:単峰性;d10:7.92μm、d50:12.9μm、d90:19.6μm、(d90−d10)/d50=0.91;
比表面積(BET)=2.2m2/g;
Si不透過性:97.7%(液体不透過性);
理論容量:506mAh/g。
内部に導電性カーボンブラック(Super P)をさらに含む、不透過性コーティングを有さない多孔性コア−シェル複合粒子の製造:
13.5gのポリアクリロニトリル(PAN)および6.75gのポリエチレンオキシド−ポリプロピレンオキシドコポリマー(Pluronic P123(R))を900mlのジメチルホルムアミド(DMF)に室温で溶解した。超音波(Hielscher UIS250V;振幅80%、サイクル:0.9、持続時間:15分)により、このPAN溶液に、13.8gのケイ素ナノ粉末懸濁液(イソプロパノール中の26.9%;ナノ−Si 3.71gに対応)および1.78gの導電性カーボンブラック(Super P)を溶解した。得られた分散液を、不活性ループB−295および除湿器B−296(BUCHI GmbH)(ノズル先端0.7mm;ノズルキャップ1.4mm;ノズル温度130℃;N2ガス流量約30;アスピレーター100%;ポンプ20%)を備えた実験室噴霧乾燥機モデルB−290(BUCHI GmbH)を用いて噴霧乾燥させた。19.2gの黒褐色の粉末が得られた(収率75%)。
粒度分布:単峰性;d10:5.82μm、d50:10.4μm、d90:16.7μm、(d90−d10)/d50=1.0;
比表面積(BET)=35.4m2/g;
Si不透過性:13.7%(液体不透過性でない);
見掛け密度:−2.2g/cm3;
理論容量:976mAh/g。
例3の導電性カーボンブラックを含有する多孔質コア−シェル複合粒子に、非晶質炭素(軟質炭素;10重量%)から構成された追加のコーティングを与えた。
粒度分布:単峰性;d10:5.17μm、d50:8.66μm、d90:13.7μm、(d90−d10)/d50=0.98;
比表面積(BET)=23.0m2/g;
Si不透過性:95.6%(液体不透過性);
理論容量:991mAh/g。
実施例4の複合材料を用いた電極コーティングの製造:
高速撹拌機を用いて、カルボキシメチルセルロースナトリウム(Daicel、Grade 1380)の1.4重量%水溶液11.34gに導電性カーボンブラック(Imerys、Super C65)0.24gを周速4.5m/秒で5分間、17m/秒で30分間、20℃で冷却しながら溶解した。実施例4の複合材料1.50g、水1.02gおよびエタノール0.60gを加えた後、混合物を周速12m/秒でさらに30分間撹拌した。脱気後、この分散液を、ギャップ高さ0.16mm(Erichsen、モデル360)のフィルム乾燥フレームを用いて、0.030mmの厚さで銅箔(Schlenk Metallfolien、SE−Cu58)に塗布した。このようにして製造した電極コーティングを、続いて、80℃および1バールの空気圧で60分間乾燥させた。乾燥した電極コーティングの単位面積当たりの平均重量は1.55mg/cm2であった。
実施例5の電極の電気化学試験
電気化学的研究は、3電極配置(ゼロ電流電位測定)において半電池上で実施した。実施例5の電極コーティングを作用電極として使用し、リチウム箔(Rockwood Lithium、厚さ0.5mm)を参照電極および対極として使用した。100μlの電解質を含浸させた6層不織布スタック(Freudenberg Vliesstoffe、FS2226E)がセパレータとして機能した。使用した電解質は、2重量%のビニレンカーボネートを混合したエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの3:7(v/v)混合物中のヘキサフルオロリン酸リチウムの1モル溶液からなっていた。電池の構築は、グローブボックス(<1ppm H2O、O2)中で実施した。使用した全ての成分の乾燥質量中の含水量は20ppm未満であった。
例3に記載した手順でSi/C複合粒子を製造したが、細孔形成剤としてのPluronic(R)を添加せず(局所多孔性なし)、実施例4に記載の不透過性の外側Cコーティングがなかった。炭化(炭化収率72%)および湿式ふるいによる標準より大きさいものの除去の後に、d99<20μmの粒径を有する321mgの非多孔質複合粒子を得た。
粒度分布:二峰性;d10:0.22μm、d50:2.76μm、d90:10.3μm、(d90−d10)/d50=3.65;
比表面積(BET)=102.9m2/g;
Si不透過性:8.0%(液体不透過性でない);
理論容量:963mAh/g。
比較例7の複合材料を用いた電極コーティングの製造:
高速撹拌機を用いて、カルボキシメチルセルロースナトリウム(Daicel、Grade 1380)の1.4重量%水溶液9.92gに導電性カーボンブラック(Imerys、Super C65)0.21gを周速4.5m/秒で5分間、17m/秒で30分間、20℃で冷却しながら分散した。次いで、比較例7の複合材料1.40gおよび水3.52gを加えた後、混合物を周速12m/秒でさらに30分間撹拌した。脱気後、分散液を、ギャップ高さ0.10mm(Erichsen、モデル360)のフィルム乾燥フレームを用いて、0.030mmの厚さで銅箔(Schlenk Metallfolien、SE−Cu58)に塗布した。このようにして製造した電極コーティングを、続いて、80℃および1バールの空気圧で60分間乾燥させた。乾燥した電極コーティングの単位面積当たりの平均重量は0.63mg/cm2であった。
比較例8の電極の電気化学試験
比較例7の複合材料を有する電極を実施例6に記載したように試験した。
Claims (13)
- コア−シェル複合粒子であって、コアは、ケイ素粒子を含有する多孔質の炭素をベースとするマトリックスであり、ケイ素粒子はマトリックスの細孔内に封入され、ケイ素粒子を含有する細孔は≧60nmの直径を有し、シェルは、非晶質炭素をベースとする非多孔質シェルであり、シェル中に存在するいずれの細孔も<10nmである、コア−シェル複合粒子。
- ケイ素粒子は、≧50nmかつ≦800nmの直径パーセンタイルd50を有する体積加重粒度分布を有することを特徴とする、請求項1に記載のコア−シェル複合粒子。
- ケイ素粒子の直径に対するケイ素粒子を含有するマトリックスの細孔の直径の比は≧1.1かつ≦3であることを特徴とする、請求項1または2に記載のコア−シェル複合粒子。
- シェル中に存在するいずれの細孔も<5nmであることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子。
- シェルの割合が5から20重量%であり、および/またはコアの割合が80から95重量%であり、重量%で表される数値はコア−シェル複合粒子の総重量に基づいており、いずれの場合も合計で100重量%であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子。
- コア−シェル複合粒子が、≧1μmかつ≦1mmの直径パーセンタイルd50を有する体積加重粒度分布を有することを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子。
- 17MPaの圧縮応力によるコア−シェル複合粒子の直径パーセンタイルd50(体積加重粒度分布)の変化が、圧縮応力前のコア−シェル複合粒子の直径パーセンタイルd50(体積加重粒度分布)に基づいて≦15%であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子。
- 剪断応力(高速撹拌機;16m/秒;30分)によるコア−シェル複合粒子の直径パーセンタイルd50(体積加重粒度分布)の変化が、剪断応力前のコア−シェル複合粒子の直径パーセンタイルd50(体積加重粒度分布)に基づいて≦15%であることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子。
- 工程1) ケイ素粒子を1つ以上の犠牲材料でコーティングすること、
工程2) 工程1)の生成物を1つ以上の炭素前駆体でコーティングすること、
工程3) 工程2)の生成物の犠牲材料での炭化であって、この炭化工程またはさらなる工程4)において犠牲材料が分解され、遊離されて多孔質複合材料を形成すること、
工程5) 得られた多孔質複合材料を1つ以上の炭素前駆体でコーティングすること、
工程6) 工程5)の生成物の炭化、および続いて
工程7) 場合により、標準より小さいまたは大きい粒子を除去すること
によって、請求項1から8のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子を製造する方法。 - 炭素前駆体が、レゾルシノール−ホルムアルデヒド樹脂、リグニンおよびポリアクリロニトリルからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
- 犠牲材料が、本質的に無機または有機であり、無機犠牲材料がケイ素、マグネシウム、カルシウム、スズ、亜鉛、チタンまたはニッケルの元素の酸化物、炭酸塩、ケイ酸塩、炭化物、窒化物または硫化物を含み、有機犠牲材料が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリ−tert−ブトキシスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリル酸、ポリメタクリレート、ポリビニルステアレート、ポリビニルラウレートおよびそれらのコポリマー;ポリビニルアルコール;アルキレングリコール;ポリアルキレンオキシド;ガンマ−ブチロラクトン;プロピレンカーボネート;ポリウレタン;ジメチルホルムアミド、モノエタノールアミンおよびN−メチル−2−ピロリジノンからなる群から選択されることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- リチウムイオン電池用の電極材料における、請求項1から8のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子の使用。
- カソードとしての第1の電極、アノードとしての第2の電極、2つの電極の間にセパレータとして配置された膜、電極への2つの接続、上記部分を収容するハウジング、およびリチウムイオンを含み2つの電極が含浸される電解質を有し、2つの電極の一部が請求項1から8のいずれか一項に記載のコア−シェル複合粒子を含有する、リチウムイオン電池。
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