JP6567448B2 - 非水電解質電池用電極材料、非水電解質電池用電極、それを備えた非水電解質電池および電池パック、車両 - Google Patents
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Description
一般に、リチウムイオン電池の負極には黒鉛系材料が用いられている。黒鉛系材料の理論容量は372mAh/g(LiC6)である。そのため、現状のリチウムイオン電池は、エネルギー密度がほぼ限界に達している。リチウムイオン電池のエネルギー密度をさらに向上するには、新しい材料を選択する必要がある。そこで、ケイ素、スズ等のリチウムと合金化する材料が注目されている。これらの材料は、炭素、リチウムに次いで電位が低く、比容量が大きい。
二酸化ケイ素はケイ素単体や一酸化ケイ素に比べて体積変化が小さいため、サイクル寿命の向上が期待される。しかしながら、活物質が二酸化ケイ素単独からなる電極は、活物質がケイ素(Si)や一酸化ケイ素(SiO)からなる電極に比べて、理論的な容量、効率が低く、エネルギー密度が小さい。
また、二酸化ケイ素粒子を炭素質材料で被覆して焼成する方法が知られている。この方法では、熱処理中に、およそ60質量%程の二酸化ケイ素相が還元され、SiOx(0<x≦1.5)となり、残留した二酸化ケイ素および炭素質材料の複合粒子となるとしている。この方法によれば、サイクル特性が大きく向上するとしている。しかし、SiOxの組成からなる酸化ケイ素粒子に関しては、前述の酸化ケイ素とケイ素の複合体の場合と同様、結果的にサイクル寿命を延ばすことが難しい。
前記複合粒子における前記ケイ素粒子の含有率が1質量%以上20質量%以下。
前記D1が5nm以上80nm以下。
前記D1に対する前記D2の比D2/D1が0.3以上8以下。
前記二酸化ケイ素粒子と前記ケイ素粒子は、前記炭素材料中に分散している。
第1の実施形態では、平均一次粒子径がD1の二酸化ケイ素粒子と、平均一次粒子径がD2のケイ素粒子と、炭素材料と、を含む複合粒子からなり、D1が5nm以上80nm以下、かつD1に対するD2の比D2/D1が0.3以上8以下である非水電解質電池用電極材料(以下、「電極材料」と略すこともある。)が提供される。
本実施形態の電極材料をなす複合粒子は、二酸化ケイ素粒子と、リチウムを吸蔵・放出可能なケイ素粒子とが炭素質物で被覆された複合構造からなる。
本実施形態における二酸化ケイ素とは、粒子の組成を分析したときに、SiとOのモル比(O/Si)が1.8以上2.2以下の範囲内にあるものをいう。
本実施形態におけるケイ素とは、粒子の組成を分析したときに、SiとOのモル比(O/Si)が0以上0.2以下の範囲内にあるものをいう。
二酸化ケイ素粒子11は、規則的な結晶構造を持たない粒子、すなわち、主に非晶質相を含む粒子であることが好ましい。二酸化ケイ素粒子11は、一部に結晶相を含んでいてもよい。しかしながら、結晶相は充放電にほとんど寄与しないため、二酸化ケイ素粒子11は、主に非晶質相を含む粒子であることが好ましい。また、二酸化ケイ素粒子11としては、X線回折(XRD:X-ray Diffraction)にて測定した際に、得られた曲線上において顕著なピークが現れないものが好ましい。
二酸化ケイ素粒子11とケイ素粒子12の含有率が40質量%未満の場合、容量が小さくなる。一方、二酸化ケイ素粒子11とケイ素粒子12の含有率が80質量%を超えると、炭素材料13による二酸化ケイ素粒子11とケイ素粒子12の被覆が十分でなくなる。その結果、充電初期の被膜形成により初回の充放電効率が低下したり、サイクル性能が低下したりする。
ここで、平均一次粒子径とは、次の分析方法で定義されたものである。
電極材料内の微細組織を観察するために、電極材料の一部を薄片加工し、イオンミリング装置等を用いて観察部をさらに薄く加工する。透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscopy)により、電極材料を構成する複合粒子の内部を倍率200,000倍で観察する。そして、視野の対角線上にある少なくとも10個の粒子を選んで、その長径と短径を測定し、それらを平均化したものの平均値を平均一次粒子径とする。
ケイ素粒子12の含有率が1質量%未満では、ケイ素粒子12による効果が得られない。一方、ケイ素粒子12の含有率が20質量%を超えると、体積膨張による影響が顕著になり、繰り返しの充放電により複合粒子が破壊する。その結果、サイクル寿命が低下する。
図2に示すように、本実施形態に係る電極材料10は、炭化ケイ素相14を含んでいてもよい。
炭化ケイ素相14は、粒子として添加してもよいが、複合粒子製造の熱処理時にケイ素粒子12と炭素材料13とを反応させて生成することもできる。微細なケイ素粒子12は、不活性雰囲気中にて1000℃以上で熱処理すると炭素と反応する。これにより、炭化ケイ素相14が生成する。炭化ケイ素相14の存在は、複合粒子の粉末X線回折による測定により確認することができる。
まず、原料粉末として、二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子を用意する。
二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体とを混合し、その混合物を熱処理することにより炭素前駆体を熱分解させることによって、複合粒子を作製する。
炭素前駆体は、二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子を均一に混合するために、混合段階で液体あるいは分散媒に可溶であるものが好ましく、液体であり、かつ容易に重合可能なモノマーまたはオリゴマーであることが特に好ましい。
樹脂系材料としては、例えば、フラン樹脂、キシレン樹脂、ケトン樹脂、アミノ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、レゾール樹脂、ノボラック樹脂、ポリビニルアルコール等が挙げられる。
非樹脂系材料としては、例えば、スクロースやアスコルビン酸等が挙げられる。
導電助剤としては、例えば、結晶性の高い黒鉛やカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素材料や、アセチレンブラック等の微粒子が好適に用いられる。グラファイトは電極材料の導電性を高め、容量を向上させる点で好ましい。
分散媒としては、有機溶媒、水等が用いられるが、二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との親和性に優れる液体を用いることが好ましい。このような分散媒としては、例えば、エタノール、アセトン、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、酢酸エチル、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が挙げられる。二酸化ケイ素粒子は一般には親水性であるが、溶媒によっては分散性をよくするため、表面を疎水性処理して用いると、より効果的である。
混合攪拌処理は上記のような液体での混合に限定されるものではなく、例えば、少量の溶媒を用いて混練または押し出し成形などによっても混合物を作製することができる。
乾燥方法としては、例えば、エバポレータ等を用いて減圧下で均一化させながら乾燥する方法、あるいは、スプレードライのような方法が用いられる。
重合化させるための硬化処理が必要な材料においては、乾燥後、材料を電気炉に入れ加熱し、硬化処理を行う。硬化処理の条件は、炭素前駆体の種類に応じて適宜調整されるが、120℃以上200℃以下程度で、少なくとも1時間の加熱を行うことが好ましい。
上記の複合粒子の炭化焼成は、例えば、アルゴン(Ar)等の不活性な雰囲気下にて行なわれる。複合粒子の炭化焼成時の雰囲気は、不活性な雰囲気に限定されず、窒素雰囲気、水素を含むアルゴン等の混合雰囲気であってもよい。
上記の複合粒子を炭化焼成する温度は、複合粒子に含まれる炭素前駆体の熱分解温度に応じて適宜調整されるが、900℃以上1200℃以下であることが好ましい。この熱処理過程にて、同時に炭化ケイ素相を形成することができる。ケイ素粒子と炭素前駆体は、1000℃を超える温度にて反応し、炭化ケイ素相を生成する。
炭化焼成する温度が1200℃を超えると、必要以上に、ケイ素粒子と炭素前駆体による炭化ケイ素化反応が進んでしまい、充放電容量が大きく低下してしまうため好ましくない。熱処理温度のより好ましい範囲は、1000℃以上1100℃以下である。
焼成時間は、10分以上12時間以下であることが好ましい。
炭化ケイ素相は、作製した複合粒子のX線回折測定を行うことにより確認することができる。
炭化焼成後の生成物(電極材料)は、各種ミル、粉砕装置、グラインダー等を用いて、粒径、比表面積等を所定の範囲に調整してもよい。
第2の実施形態では、集電体と、集電体上に形成される、第1の実施形態に係る非水電解質電池用電極材料、導電剤および結着剤を含有する負極合剤層と、を含む非水電解質電池用電極(以下、「電極」と略すこともある。)が提供される。
本実施形態に係る負極20は、図3に示すように、シート状の集電体21と、電極合剤層(電極活物質層)22とを含む。この電極20は、例えば、後述する非水電解質電池の負極として用いられる。
電極合剤層22は、集電体21の少なくとも一方の面21aに形成され、第1の実施形態に係る電極材料と、導電剤と、結着剤とを含む層である。すなわち、電極合剤層22は、第1の実施形態に係る電極材料が、集電体21の少なくとも一方の面21aに形成されてなる層である。
結着剤は、電極合剤層22を構成する電極材料同士の隙間を埋めて、電極材料同士、または、電極材料と導電剤を結着させ、また、集電体21と電極合剤層22とを接合する。導電剤および結着剤は、任意成分である。なお、電極合剤層22は、集電体21の他方の面21bにも形成されていてもよい。
また、集電体21の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。集電体21の厚さが、前記の範囲であると、電極強度と軽量化のバランスがとれる。
電極材料同士の結着に優れる結着剤と、電極材料と集電体21との結着に優れる結着剤とを組み合わせたり、硬度の高い結着剤と、柔軟性に優れる結着剤とを組み合わせたりして用いることにより、電極20は寿命特性に優れた電極となる。
本実施形態では、集電体21と電極合剤層22との界面結着力が重要であり、これらをより高い強度で結着可能であることから、結着剤としては、ポリアミドイミド、ポリイミドがより好ましい。
上述のような方法で作製した電極材料を用いて、上述の電極20を作製する。
まず、電極材料および結着剤を、汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。ここで、必要に応じて、導電剤を添加して、スラリーを調製する。
次いで、集電体21の少なくとも一方の面21aに、スラリーを塗布し、乾燥して、活物質を含む塗膜を形成する。
その後、集電体21上に形成された塗膜を圧延することにより、電極合剤層22が形成される。
第3の実施形態では、第2の実施形態に係る電極からなる負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装材と、を含む非水電解質電池が提供される。
より具体的には、本実施形態に係る非水電解質電池は、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内において、正極と空間的に離間して、セパレータを介して収納された負極と、外装材内に充填された非水電解質と、を含む。
負極としては、第2の実施形態に係る電極が用いられる。
正極は、正極集電体と、この正極集電体の片面もしくは両面に形成され、正極活物質、導電剤および結着剤を含む正極合剤層とを備える。導電剤および結着剤は、任意成分である。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、人工黒鉛、天然黒鉛、炭素繊維、導電性ポリマー等を含むものが挙げられる。
導電剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリアクリルイミド(PAI)等が挙げられる。
結着剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、結着剤を分散させるための有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)等が用いられる。
正極集電体の厚さは、5μm〜20μmであることが好ましい。正極集電体の厚さがこの範囲であれば、電極強度と軽量化のバランスがとれる。
まず、正極活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。
次いで、スラリーを正極集電体上に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した後、プレスを施すことにより正極が得られる。
また、正極は、正極活物質、結着剤および必要に応じて配合される導電剤をペレット状に形成して正極合剤層とし、これを正極集電体上に配置することにより作製されてもよい。
非水電解質としては、非水電解液、電解質含浸型ポリマー電解質、高分子電解質または無機固体電解質が用いられる。
非水電解液は、非水溶媒(有機溶媒)に電解質を溶解することにより調製される液体状電解液で、電極群中の空隙に保持される。
非水電解質に含まれる非水溶媒に対する電解質の溶解量は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましい。
セパレータは、正極と負極が接触することを防止するために、正極と負極の間に配置されるものである。セパレータは、絶縁性材料で構成される。
セパレータとしては、正極と負極の間を電解質が移動可能な形状のものが用いられる。セパレータは、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、セルロース、または、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成される。これらの中でも、ポリエチレンおよびポリプロピレンの少なくともいずれか一方からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため好ましい。
正極、負極および非水電解質が収容される外装材としては、金属製容器や、ラミネートフィルム製外装容器が用いられる。
金属製容器としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス等からなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが用いられる。
アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。アルミニウム合金中に、鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は100ppm以下であることが好ましい。アルミニウム合金からなる金属製容器は、アルミニウムからなる金属製容器よりも強度が飛躍的に増大するため、金属製容器の厚さを薄くすることができる。その結果、薄型で軽量かつ高出力で放熱性に優れた非水電解質電池を実現することができる。
また、本実施形態に係る非水電解質電池は、上記の正極および負極からなる電極群に電気的に接続されるリードをさらに具備することができる。本実施形態に係る非水電解質電池は、例えば、2つのリードを具備することもできる。その場合、一方のリードは、正極集電タブに電気的に接続され、他方のリードは、負極集電タブに電気的に接続される。
リードの材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
端子の材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
次に、本実施形態に係る非水電解質電池の一例として、図4および図5に示す扁平型非水電解質電池(非水電解質電池)30について説明する。図4は、扁平型非水電解質電池30の断面図模式図である。また、図5は、図4中に示すA部の拡大断面図である。なお、これら各図は本実施形態に係る非水電解質電池を説明するための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらについては、以下の説明と公知技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
以下、非水電解質電池30の構成部材である外装材32、負極33、正極35、セパレータ30および非水電解質について詳細に説明する。
外装材32としては、上記の外装材が用いられる。
負極33としては、第2の実施形態に係る電極が用いられる。
正極35としては、上記の正極が用いられる。
セパレータ34としては、上記のセパレータが用いられる。
非水電解質としては、上記の非水電解質が用いられる。
本実施形態に係る非水電解質電池は、負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装材と、を具備する。負極は、上述の第2の実施形態に係る非水電解質電池用電極からなる。これにより、本実施形態に係る非水電解質電池は、エネルギー密度に優れ長寿命である。
次に、第4の実施形態に係る電池パックについて詳細に説明する。
本実施形態に係る電池パックは、第3の実施形態に係る非水電解質電池(即ち、単電池)を二次電池として少なくとも1つ有する。電池パックに複数の単電池が含まれる場合、各単電池は、電気的に直列、並列、あるいは、直列と並列に接続して配置される。
複数の単電池51は、外部に延出した負極端子36および正極端子37が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ52で締結することによって組電池53を構成している。これらの単電池51は、図8および図9に示すように、互いに電気的に直列に接続されている。
このような電池パックは、エネルギー密度に優れ長寿命である。
以下の条件で、負極材料を作製した。
市販の二酸化ケイ素粒子(平均一次粒子径30nm、非晶質)0.585gと、ケイ素粒子(平均一次粒子径20nm)0.065gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製した。
そのスラリーを、減圧ろ過してZrO2ボールを取り除き、80℃にて乾燥した後、150℃にて1時間、加熱硬化処理して、二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物を得た。
得られた混合物をアルミナ製のるつぼに入れ、電気炉を用いて熱処理を行った。熱処理は、真空置換後、アルゴンガスを導入した不活性雰囲気下で、1000℃にて3時間の条件で行った。
次に、得られた焼成物をメノウ乳鉢にて粉砕し、目開き20μmの篩にかけて、二酸化ケイ素粒子およびケイ素粒子が炭素質物で被覆された実施例1の負極材料を得た。
得られた負極材料0.6gと、平均粒子径3μmの黒鉛粉末0.1gとを、ポリイミドを16質量%溶解させたN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に加え、ミキサーを用いて混合し、ペースト状のスラリーを調製した。
そのスラリーを、厚さ12μmの銅箔上に塗布し圧延した後、400℃にて2時間、アルゴンガス雰囲気中にて熱処理し、実施例1の負極材料付き銅箔を得た。
ケイ素粒子として、平均一次粒子径が30nmのものを用いたこと以外は、全て実施例1と同様にして、実施例2の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が7nmのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が30nmのものを用いたこと以外は、全て実施例1と同様にして、実施例3の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が7nmのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が45nmのものを用いたこと以外は、全て実施例1と同様にして、実施例4の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が65nmのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が30nmのものを用いたこと以外は、全て実施例1と同様にして、実施例5の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が100nmのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が20nmのものを用いたこと以外は、全て実施例1と同様にして、比較例1の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が7nmのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が80nmのものを用いたこと以外は、全て実施例1と同様にして、比較例2の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料を作製する際の二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物の熱処理を、1050℃にて3時間の条件で行ったこと以外は、全て実施例2と同様にして、実施例6の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料を作製する際の二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物の熱処理を、1100℃にて3時間の条件で行ったこと以外は、全て実施例2と同様にして、実施例7の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料を作製する際の二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物の熱処理を、1200℃にて3時間の条件で行ったこと以外は、全て実施例2と同様にして、比較例3の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
二酸化ケイ素粒子0.618gと、ケイ素粒子0.033gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、実施例8の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は2.8質量%であった。
二酸化ケイ素粒子0.455gと、ケイ素粒子0.195gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、実施例9の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は16.6質量%であった。
二酸化ケイ素粒子0.39gと、ケイ素粒子0.26gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、比較例4の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は22.1質量%であった。
二酸化ケイ素粒子0.95gと、ケイ素粒子0.05gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、実施例10の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は3.6質量%であった。
二酸化ケイ素粒子0.80gと、ケイ素粒子0.20gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、実施例11の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は14.2質量%であった。
二酸化ケイ素粒子0.70gと、ケイ素粒子0.30gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、比較例5の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は21.3質量%であった。
平均一次粒子径約200nmの一酸化ケイ素粒子0.585gと、ケイ素粒子0.065gとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂1.162gを10gのエタノールに溶解させた溶液に加え、ZrO2ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例2と同様にして、比較例6の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
(非水電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比で1:2になるように混合して、混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、LiPF6を溶解して、非水電解液を調製した。
前記の負極材料付き銅箔を20mm×20mmの大きさに裁断した後、100℃にて12時間、真空乾燥し、試験電極とした。
前記の試験電極と、対極および参照極としての金属Liと、前記の非水電解液とを、有底の容器内に収納し、非水電解質電池ハーフセルを作製した。
電池の組み立ては、アルゴン雰囲気で満たされたグローブボックス中にて行った。
充放電試験の条件は、参照極と試験電極間の電位差0.01Vまで0.5mA/cm2の定電流密度で充電し、さらに、0.01Vで定電圧充電を行い、終止条件を0.025mA/cm2または150時間とした。放電は、0.25mA/cm2の定電流密度で1.5Vまで行った。このときの充電容量に対する放電容量の割合を初回の充放電効率とした。
さらにその後、参照極と試験電極間の電位差0.01Vまで1.5mA/cm2の電流密度で充電し(カットオフ0.0075mA/cm2)、1.5mA/cm2の電流密度で1.5Vまで放電するサイクルを100回行った。1.5mA/cm2の電流密度での充放電の1回目に対する50回目の放電容量の比を放電容量維持率とした。
表1に示すように、ケイ素粒子の平均一次粒子径が大きくなると、体積膨張による影響が大きくなり、サイクル特性が低下することが分かる。特に、比較例2のように、ケイ素粒子の平均一次粒子径が80nmにもなると、サイクル特性低下への影響が大きくなる。
また、平均一次粒子径が7nmの二酸化ケイ素粒子を用いた場合、平均一次粒子径が30nmの二酸化ケイ素粒子より初回の充電時間が長くなっている。これは、電極材料作製時に微細な二酸化ケイ素粒子が今回の試験において二次粒子を形成し、電極中で凝集体として存在しているからであると考えられる。凝集の程度にもよるが、この程度のものでは特に問題ない。
Claims (9)
- 平均一次粒子径がD1の二酸化ケイ素粒子と、平均一次粒子径がD2のケイ素粒子と、炭素材料と、を含む複合粒子からなり、
前記複合粒子における前記ケイ素粒子の含有率が1質量%以上20質量%以下であり、
前記D1が5nm以上80nm以下、かつ前記D1に対する前記D2の比D2/D1が0.3以上8以下で、
前記二酸化ケイ素粒子と前記ケイ素粒子は、前記炭素材料中に分散している、非水電解質電池用電極材料。 - 前記二酸化ケイ素粒子は主に非晶質相を含む粒子であり、前記ケイ素粒子は一部に結晶相を含む粒子である請求項1に記載の非水電解質電池用電極材料。
- 前記複合粒子は炭化ケイ素相を含む請求項1または2に記載の非水電解質電池用電極材料。
- 前記二酸化ケイ素粒子と前記ケイ素粒子は、それぞれ独立して存在する請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質電池用電極材料。
- 集電体と、前記集電体上に形成され、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質電池用電極材料、導電剤および結着剤を含有する電極合剤層と、を含む非水電解質電池用電極。
- 正極活物質を含む正極と、請求項5に記載の電極よりなる負極と、非水電解質と、を具備する非水電解質電池。
- 請求項6に記載の非水電解質電池を備える電池パック。
- 請求項6に記載の非水電解質電池と、保護回路と、通電用の外部端子を少なくとも有する請求項7に記載の電池パック。
- 請求項7または8に記載の電池パックを備える車両。
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