JP6621663B2 - 導電性カーボンの製造方法、このカーボンを含む電極材料の製造方法、この電極材料を用いた電極の製造方法及びこの電極を備えた蓄電デバイスの製造方法 - Google Patents
導電性カーボンの製造方法、このカーボンを含む電極材料の製造方法、この電極材料を用いた電極の製造方法及びこの電極を備えた蓄電デバイスの製造方法 Download PDFInfo
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Description
1.3nm≦La≦1.5nm、且つ、
1.5nm≦Leq≦2.3nm、且つ、
1.0≦Leq/La≦1.55
の関係を満たすことを特徴とする導電性カーボンに関する。
成分a:ピーク;1180cm−1付近
成分b:ピーク;1350cm−1付近:Dバンド
成分c:ピーク;1510cm−1付近
成分d:ピーク;1590cm−1付近:Gバンド
成分e:ピーク;1610cm−1付近
成分f:ピーク;2700cm−1付近:2Dバンド
成分g:ピーク;2900cm−1付近:D+Gバンド
の7つの成分について、ガウス/ローレンツ混合関数の波形を用い、各成分の波数と半値幅が以下の範囲内になるように波数と半値幅を変動させて、最小二乗法により波形分離を行う。
成分a:波数1127−1208cm−1、半値幅144−311cm−1
成分b:波数1343−1358cm−1、半値幅101−227cm−1
成分c:波数1489−1545cm−1、半値幅110−206cm−1
成分d:波数1571−1598cm−1、半値幅46−101cm−1
成分e:波数1599−1624cm−1、半値幅31−72cm−1
成分f:波数2680−2730cm−1、半値幅100−280cm−1
成分g:波数2900−2945cm−1、半値幅100−280cm−1
そして、波形分離の結果得られた成分d、すなわちGバンドのピーク面積、成分b、すなわちDバンドのピーク面積、及び、成分f、すなわち2Dバンドのピーク面積を用いて、La及びLeqを以下の式に従って算出する。なお、ラマンスペクトルから以下の式を用いてLa及びLeqを算出すること自体は知られている(CARBON 48(2010)620−629)。
La=4.4×(Gバンドのピーク面積/Dバンドのピーク面積)nm
Leq
=8.8×(2Dバンドのピーク面積/Dバンドのピーク面積)nm
1.3nm≦La≦1.5nm、且つ、
1.5nm≦Leq≦2.3nm、且つ、
1.0≦Leq/La≦1.55
の関係を満たす。LaとLeqとが上述の範囲より大きく、Leq/Laの値が上述の範囲より大きいと、導電性カーボンの柔軟性が低下し、圧延処理後に得られる正極又は負極の電極密度が低下する。LaとLeqとが上述の範囲より小さく、Leq/Laの値が上述の範囲より小さい親水性固相成分を有する導電性カーボンは製造しにくく、また電極密度向上の効果が飽和する傾向が認められる。
(a1)空隙を有するカーボン原料を酸で処理する工程、
(b1)酸処理後の生成物と遷移金属化合物とを混合する工程、
(c1)得られた混合物を粉砕し、メカノケミカル反応を生じさせる工程、
(d1)メカノケミカル反応後の生成物を非酸化雰囲気中で加熱する工程、及び、
(e1)加熱後の生成物から、上記遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を除去する工程
を含む第1の製造方法によって、好適に得ることができる。
(a2)空隙を有するカーボン原料と遷移金属化合物とを混合する工程、
(b2)得られた混合物を酸化雰囲気中で加熱する工程、及び、
(c2)加熱後の生成物から、上記遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を除去する工程
を含む第2の製造方法によっても、好適に得ることができる。
実施例1
60%硝酸300mLにケッチェンブラック(商品名ECP600JP、ケッチェンブラックインターナショナル社製)10gを添加し、得られた液に超音波を10分間照射した後、ろ過してケッチェンブラックを回収した。回収したケッチェンブラックを3回水洗し、乾燥することにより、酸処理ケッチェンブラックを得た。この酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mLとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、20hzで10分間の粉砕を行なった。粉砕後の粉体を、窒素中700℃で3分間加熱し、ケッチェンブラックにLiFePO4が担持された複合体を得た。
実施例1における手順のうち、酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mLとを混合する部分を、酸処理ケッチェンブラック1.8gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水250mLとを混合する手順に変更した点を除いて、実施例1の手順を繰り返した。
実施例1における手順のうち、酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mLとを混合する部分を、酸処理ケッチェンブラック1.8gと、Fe(CH3COO)20.5gと、Li(CH3COO)0.19gと、C6H8O7・H2O0.28gと、CH3COOH0.33gと、H3PO40.33gと、蒸留水250mLとを混合する手順に変更した点を除いて、実施例1の手順を繰り返した。
実施例1において得られた酸処理ケッチェンブラックを、振動ボールミル装置に導入し、20hzで10分間の粉砕を行なった。粉砕後の粉体を、窒素中700℃で3分間加熱した。得られた導電性カーボンについて、DBP吸油量、比表面積及び細孔分布を測定した。さらに、得られた導電性カーボンの40mgを純水40mLに添加し、実施例1における手順と同じ手順で、親水性固相成分のLa、Leq、Leq/La、及びアモルファス成分率を算出した。また、得られた導電性カーボンを用いて、実施例1における手順と同じ手順でLiFePO4含有正極を作成し、電極密度を算出した。
実施例1で用いたケッチェンブラック原料について、DBP吸油量、比表面積及び細孔分布を測定した。また、この実施例1で用いたケッチェンブラック原料の40mgを純水40mLに添加し、実施例1における手順と同じ手順で、親水性固相成分のLa、Leq、Leq/La、及びアモルファス成分率を算出した。また、このケッチェンブラック原料を用いて、実施例1と同じ手順でLiFePO4含有正極を作成し、電極密度を算出した。
比較例3
上述したように、強酸化工程ではカーボンのストラクチャが切断される。ストラクチャ低下の影響を調査するため、実施例1の導電性カーボンのDBP吸油量130mL/100gとほとんど同じDBP吸油量を有するものの、親水性固相成分のLeqが本発明の範囲より大きい、市販の導電性カーボン(DBP吸油量=134.3mL/100g)を実施例1の導電性カーボンの代わりに使用し、実施例1における手順と同様にしてLiFePO4含有正極を製造し、電極密度を算出した。得られた電極密度は2.4g/cm3であった。この結果から、ストラクチャの低下だけでは、電極密度の向上が達成されないことがわかった。
比較例4
実施例1でカーボン原料として使用したケッチェンブラックに代えて、中実のアセチレンブラック(一次粒子径40nm)を使用し、実施例1の手順を繰り返した。その結果、強酸化処理によっても親水性固相成分のLeqが本発明の範囲まで低下せず、電極密度は2.35g/cm3であり、電極密度の向上が達成されなかった。従って、原料として空隙を有するカーボン材料を使用することが重要であることがわかった。
実施例4
ケッチェンブラック(EC300J、ケッチェンブラックインターナショナル社製)0.45gと、Co(CH3COO)2・4H2Oの4.98gと、LiOH・H2O1.6gと、蒸留水120mLとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、ろ過により混合物を採集した。次いで、エバポレーターを用いてLiOH・H2O1.5gを混合した後、空気中、250℃で、30分間加熱し、ケッチェンブラックにリチウムコバルト化合物が担持された複合体を得た。濃度98%の濃硫酸、濃度70%の濃硝酸及び濃度30%の塩酸を体積比で1:1:1に混合した水溶液100mLに、得られた複合体1gを添加し、得られた液に超音波を15分間照射させながら複合体中のリチウムコバルト化合物を溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。乾燥後の固体の一部を、TG分析により空気中900℃まで加熱し、重量損失を測定した。重量損失が100%、すなわちリチウムコバルト化合物が残留していないことが確認できるまで、上述の塩酸水溶液によるリチウムコバルト化合物の溶解、ろ過、水洗及び乾燥の工程を繰り返し、リチウムコバルト化合物フリーの導電性カーボンを得た。
実施例5
Li2CO3と、Co(CH3COO)2と、C6H807・H2Oとを蒸留水に導入し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させた後、空気中800℃で10分間加熱することにより、平均粒径0.5μmのLiCoO2微小粒子を得た。この粒子と、市販のLiCoO2粗大粒子(平均粒径13μm)と、実施例1において得られた導電性カーボンとを、9:90:1の質量比で混合して電極材料を得、これに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混練してスラリーを形成し、アルミニウム箔上に塗布して活物質層を形成し、乾燥し、圧延処理を行って、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。この正極におけるアルミニウム箔上の活物質層の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。さらに、得られた正極を用いて、1MのLiPF6のエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート1:1溶液を電解液とし、対極をリチウムとしたリチウムイオン二次電池を作成した。得られた電池について、レート0.1Cでの体積あたりの容量密度を測定した。
実施例5のLiCoO2粒子の製造工程における空気中800℃での加熱時間を変えて、平均粒径2μmの微小粒子を得た。平均粒径0.5μmの微小粒子の代わりに得られた平均粒径2μmの微小粒子を使用して、実施例5の手順を繰り返した。
実施例5のLiCoO2粒子の製造工程における空気中800℃での加熱時間を変えて、平均粒径2.5μmの微小粒子を得た。平均粒径0.5μmの微小粒子の代わりに得られた平均粒径2.5μmの微小粒子を使用して、実施例5の手順を繰り返した。
市販のLiCoO2粗大粒子(平均粒径13μm)と、比較例4でカーボン原料として使用したアセチレンブラックとを、99:1の質量比で混合して電極材料を得、これに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混練してスラリーを形成し、アルミニウム箔上に塗布して活物質層を形成し、乾燥し、圧延処理を行って、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。この正極におけるアルミニウム箔上の活物質層の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。さらに、得られた正極を用いて、実施例5における手順と同じ手順で体積あたりの容量密度を測定した。
Li2CO3と、Ni(CH3COO)2と、Mn(CH3COO)2と、Co(CH3COO)2とを蒸留水に導入し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させた後、ボールミルで混合し、空気中800℃で10分間加熱することにより、平均粒径0.5μmのLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2微小粒子を得た。この粒子と、市販のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粗大粒子(平均粒径7.5μm)と、実施例1において得られた導電性カーボンとを、8:90:2の質量比で混合して電極材料を得、これに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混練してスラリーを形成し、アルミニウム箔上に塗布して活物質層を形成し、乾燥し、圧延処理を行って、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。この正極におけるアルミニウム箔上の活物質層の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。さらに、得られた正極を用いて、1MのLiPF6のエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート1:1溶液を電解液とし、対極をリチウムとしたリチウムイオン二次電池を作成した。得られた電池について、レート0.1Cでの体積あたりの容量密度を測定した。
実施例8のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子の製造工程における空気中800℃での加熱時間を変えて、平均粒径2μmの微小粒子を得た。平均粒径0.5μmの微小粒子の代わりに得られた平均粒径2μmの微小粒子を使用して、実施例8の手順を繰り返した。
実施例8のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子の製造工程における空気中800℃での加熱時間を変えて、平均粒径2.5μmの微小粒子を得た。平均粒径0.5μmの微小粒子の代わりに得られた平均粒径2.5μmの微小粒子を使用して、実施例8の手順を繰り返した。
市販のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粗大粒子(平均粒径7.5μm)と、比較例4でカーボン原料として使用したアセチレンブラックとを、98:2の質量比で混合して電極材料を得、これに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混練してスラリーを形成し、アルミニウム箔上に塗布して活物質層を形成し、乾燥し、圧延処理を行って、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。この正極におけるアルミニウム箔上の活物質層の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。さらに、得られた正極を用いて、実施例8における手順と同じ手順で体積あたりの容量密度を測定した。
実施例11
Li2CO3とCo(CH3COO)2とC6H8O7・H2Oとを蒸留水に導入し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させた後、空気中800℃で加熱することにより、LiCoO2微小粒子を得た。このとき、空気中800℃での加熱時間を変えることにより、平均粒径の異なる微小粒子を複数種類得た。この平均粒径の異なる微小粒子のいずれかと、市販のLiCoO2粗大粒子(平均粒径13μm)と、実施例1において得られた導電性カーボンと、比較例4においてカーボン原料として用いたアセチレンブラックとを、9:90:1:2の質量比で混合して電極材料を得、これに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混練してスラリーを形成し、アルミニウム箔上に塗布して活物質層を形成し、乾燥し、圧延処理を行って、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。この正極におけるアルミニウム箔上の活物質層の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。
Li2CO3と、Ni(CH3COO)2と、Mn(CH3COO)2と、Co(CH3COO)2とを蒸留水に導入し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させた後、ボールミルで混合し、空気中800℃で加熱することにより、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2微小粒子を得た。このとき、空気中800℃での加熱時間を変えることにより、平均粒径の異なる微小粒子を複数種類得た。この平均粒径の異なる微小粒子のいずれかと、市販のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粗大粒子(平均粒径7.5μm)と、実施例1において得られた導電性カーボンと、比較例4においてカーボン原料として用いたアセチレンブラックとを、8:90:2:2の質量比で混合して電極材料を得、これに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混練してスラリーを形成し、アルミニウム箔上に塗布して活物質層を形成し、乾燥し、圧延処理を行って、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。この正極におけるアルミニウム箔上の活物質層の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。
Claims (9)
- 蓄電デバイスの電極のための導電性カーボンの製造方法であって、
カーボン原料としてのケッチェンブラックに酸化処理を施し、但し、該酸化処理により得られる導電性カーボンが親水性固相成分を含み、該親水性固相成分の、ラマンスペクトルから算出された、グラフェン面方向のねじれを含まない結晶子サイズLaと、グラフェン面方向のねじれを含む結晶子サイズLeqとが、
1.3nm≦La≦1.5nm、且つ、
1.5nm≦Leq≦2.3nm、且つ、
1.0≦Leq/La≦1.55
の関係を満たすように酸化処理を施す、酸化段階
を含むことを特徴とする導電性カーボンの製造方法。 - 前記酸化処理により得られる導電性カーボン100gあたりのフタル酸ジブチル吸油量が100〜200mLの範囲である、請求項1に記載の導電性カーボンの製造方法。
- 前記酸化処理により得られる導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数が、前記カーボン原料における半径1.2nmの細孔の数の0.4〜0.6倍である、請求項1又は2に記載の導電性カーボンの製造方法。
- 蓄電デバイスのための電極材料の製造方法であって、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法により得られた導電性カーボンと、電極活物質粒子とを混合し、前記導電性カーボンを前記電極活物質粒子の表面に付着させる、混合段階
を含むことを特徴とする電極材料の製造方法。 - 前記電極活物質粒子の平均粒径が0.01〜2μmである、請求項4に記載の電極材料の製造方法。
- 前記電極活物質粒子が、正極活物質又は負極活物質として動作可能な0.01〜2μmの平均粒径を有する微小粒子と、該微小粒子と同じ極の活物質として動作可能な2μmより大きく25μm以下の平均粒径を有する粗大粒子と、から構成されている、請求項4に記載の電極材料の製造方法。
- 前記電極材料が前記導電性カーボンとは別の導電性カーボンをさらに含み、
前記混合段階において、前記導電性カーボンと前記別の導電性カーボンと前記電極活物質粒子とを混合する、請求項4〜6のいずれか1項に記載の電極材料の製造方法。 - 蓄電デバイスの電極の製造方法であって、
請求項4〜7のいずれか1項に記載の製造方法によって得られた電極材料を前記電極のための集電体上に適用して活物質層を形成する、成形段階、及び、
前記成形段階において得られた活物質層に圧力を印加する、加圧段階
を含むことを特徴とする電極の製造方法。 - 一対の電極とこれらの間に配置された電解質とを有する蓄電デバイスの製造方法であって、
請求項8に記載の製造方法によって得られた電極を、前記一対の電極の少なくとも一方に使用する
ことを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。
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