JP6822500B2 - リチウムイオン二次電池用導電材料、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物、リチウムイオン二次電池正極形成用組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents

リチウムイオン二次電池用導電材料、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物、リチウムイオン二次電池正極形成用組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池 Download PDF

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Description

本発明はリチウムイオン二次電池用導電材料、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物、リチウムイオン二次電池正極形成用組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等の他の二次電池に比べて軽量で、高い入出力特性を有することから、近年、電気自動車、ハイブリッド型電気自動車等に用いられる高入出力用電源として注目されている。
リチウムイオン二次電池の電極としては、構成元素に金属元素としてFe又はMnを含むリチウム化合物を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素材料を負極活物質とする負極と、が用いられている。正極中の正極活物質の導電性、又は負極における充放電特性を改善するために、正極材又は負極材に、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック)等の炭素材料を、導電助剤として添加することが知られている(例えば、特許文献1参照)。
一方、電池の構成材料中に不純物(Fe、Ni、Cu等の磁性不純物)が存在すると、充放電時に不純物が負極上に析出する場合がある。負極上に析出した不純物は、セパレータを破って正極に到達することにより、短絡の原因となり得る。また、リチウムイオン二次電池は、夏場の車中等で使用される場合がある。この場合には、リチウムイオン二次電池の使用温度が40℃〜80℃となることがある。このとき、正極を構成するLi含有金属酸化物中の金属が正極から溶出し、電池の特性が低下し得る。
このため、不純物の捕捉剤又は吸着剤(以下、単に吸着剤という)の検討、及び正極の安定化の検討がなされている(例えば、特許文献2参照)。
特開2011−181229号公報 特開2000−77103号公報
リチウムイオン二次電池の特性に対する要求が高まる中で、リチウムイオン二次電池の電気特性と寿命特性の双方に対する要求がますます高まっている。従って本発明は、優れたリチウムイオン二次電池の電気特性及び寿命特性を付与し得るリチウムイオン二次電池用導電材料、並びにリチウムイオン二次電池用導電材料を用いたリチウムイオン二次電池負極形成用組成物、リチウムイオン二次電池正極形成用組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明は以下のとおりである。
<1> アルミニウムケイ酸塩と、
前記アルミニウムケイ酸塩の表面に配置される炭素と、
を有するアルミニウムケイ酸塩複合体を含むリチウムイオン二次電池用導電材料。
<2> 前記アルミニウムケイ酸塩複合体における炭素含有比率が、0.1質量%〜50質量%である前記<1>に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
<3> 前記アルミニウムケイ酸塩複合体のラマンスペクトル解析から得られるR値が、0.1〜5.0である前記<1>又は<2>に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
<4> 前記アルミニウムケイ酸塩複合体の粉体抵抗率が、0.001Ω・cm〜100Ω・cmである前記<1>〜<3>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
<5> 前記アルミニウムケイ酸塩複合体におけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alが、0.1〜500である前記<1>〜<4>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
<6> 前記<1>〜<5>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料と、負極活物質と、結着剤と、を含有するリチウムイオン二次電池負極形成用組成物。
<7> 前記<1>〜<5>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料と、正極活物質と、結着剤と、を含有するリチウムイオン二次電池正極形成用組成物。
<8> 集電体と、
前記集電体上に設けられ、前記<1>〜<5>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料及び負極活物質を含有する負極層と、
を有するリチウムイオン二次電池用負極。
<9> 集電体と、
前記集電体上に設けられ、前記<1>〜<5>のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料及び正極活物質を含有する正極層と、
を有するリチウムイオン二次電池用正極。
<10> 前記<8>に記載のリチウムイオン二次電池用負極及び前記<9>に記載のリチウムイオン二次電池用正極のうち少なくとも一方を備えるリチウムイオン二次電池。
本発明によれば、優れたリチウムイオン二次電池の電気特性及び寿命特性を付与し得るリチウムイオン二次電池用導電材料、並びにリチウムイオン二次電池用導電材料を用いたリチウムイオン二次電池負極形成用組成物、リチウムイオン二次電池正極形成用組成物、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池を提供することができる。
製造例1及び製造例2に係るアルミニウムケイ酸塩の27Al−NMRスペクトルである。 製造例1及び製造例2に係るアルミニウムケイ酸塩の29Si−NMRスペクトルである。 製造例1及び製造例2に係るアルミニウムケイ酸塩の粉末X線回折スペクトルである。 製造例1に係るアルミニウムケイ酸塩の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。 製造例2に係るアルミニウムケイ酸塩の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。 アルミニウムケイ酸塩の一例である、管状のイモゴライトを模式的に示す図である。 アルミニウムケイ酸塩複合体の構成の一例を示す概略断面図である。 アルミニウムケイ酸塩複合体の構成の他の例を示す概略断面図である。 アルミニウムケイ酸塩複合体の構成の他の例を示す概略断面図である。 アルミニウムケイ酸塩複合体の構成の他の例を示す概略断面図である。 アルミニウムケイ酸塩複合体の構成の他の例を示す概略断面図である。 実施例における各試料の粉末X線回折スペクトルである。 実施例における各試料の電解液中での金属(Mn)イオン吸着能の評価結果を示すグラフである。 実施例における試料A及び焼成物Aの充放電特性の評価結果を示すグラフである。 実施例におけるイモゴライト複合体A、イモゴライト複合体B及びアセチレンブラックの充放電特性の評価結果を示すグラフである。
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。更に本明細書において組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
本発明のリチウムイオン二次電池用導電材料は、アルミニウムケイ酸塩と、アルミニウムケイ酸塩の表面に配置される炭素と、を有するアルミニウムケイ酸塩複合体を含む。本発明のリチウムイオン二次電池用導電材料は、上記構成とすることにより、リチウムイオン二次電池の電気特性と寿命特性とを向上させることができる。
リチウムイオン二次電池用導電材料に含まれるアルミニウムケイ酸塩は、アルミニウム(Al)とケイ素(Si)とを含む酸化物塩である。SiとAlとではその価数が異なるため、SiとAlとの酸化物塩にはOH基が多く存在し、これがイオン交換能を有している。これにより、アルミニウムケイ酸塩は、単位質量あたりに多くの金属イオンの吸着サイトを持ち、高比表面積で金属イオンを高選択的に吸着する。アルミニウムケイ酸塩複合体は、特に、リチウムイオン、ナトリウムイオン等のアルカリ金属イオンよりも、ニッケルイオン、マンガンイオン、コバルトイオン、銅イオン、鉄イオン等の遷移金属イオンを吸着しやすいという特異的な性質を示す傾向がある。
上述したようなアルミニウムケイ酸塩複合体の中でも、金属イオンの吸着能及び金属イオンの選択性の点で、アルミニウムケイ酸塩複合体におけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alは、0.1〜500であることが好ましく、0.3〜100であることがより好ましく、0.3〜50であることが更に好ましい。
更に、本発明におけるアルミニウムケイ酸塩複合体は、このようなアルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を配置しており、表面に配置された炭素により導電性を備える。また、アルミニウムケイ酸塩は無機酸化物であるため、熱安定性、及び溶剤中での安定性に優れている。
従って、本発明のリチウムイオン二次電池用導電材料は、アルミニウムケイ酸塩複合体によるSiとAlとによるイオン交換能と、炭素による導電性とにより、リチウムイオン二次電池の電気特性と寿命特性とを共に向上させる。
なお、本発明において不要な金属イオンとは、ニッケルイオン、マンガンイオン、コバルトイオン、銅イオン、鉄イオン等をいう。これらの不要な金属イオンは、例えば、リチウムイオン二次電池の構成材料中に存在する不純物イオン、又は、高温下で正極から溶出するイオンに由来する。
<アルミニウムケイ酸塩複合体>
[アルミニウムケイ酸塩]
本発明におけるアルミニウムケイ酸塩は、アルミニウムとケイ素とを含む酸化物塩である。アルミニウムとケイ素とを含む酸化物塩とすることにより、上述したイオン交換能を発揮し得る。本発明におけるアルミニウムケイ酸塩は、アルミニウムとケイ素とを含む酸化物塩であれば、特に制限はなく、他の金属元素を含むものであってもよい。本発明におけるアルミニウムケイ酸塩としては、例えば、アロフェン、カオリン、ゼオライト、サポナイト、モンモリロナイト、アタパルジャイト及びイモゴライトが挙げられる。
アルミニウムケイ酸塩の体積基準の平均粒子径は、最終的な所望のアルミニウムケイ酸塩複合体の大きさに合わせて、0.1μm〜100μmであることが好ましく、0.5μm〜50μmであることがより好ましく、1μm〜30μmであることが更に好ましい。アルミニウムケイ酸塩の体積平均粒子径は、レーザー回折法を用いて測定される。レーザー回折法は、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えば、株式会社島津製作所、SALD3000J)を用いて行うことができる。具体的には、アルミニウムケイ酸塩を、水等の分散媒に分散させて分散液を調製する。この分散液について、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて小径側から体積累積分布曲線を描いた場合に、累積50%となる粒子径(D50)を体積平均粒子径として求める。
アルミニウムケイ酸塩は、金属イオン吸着能が向上する観点から、BET比表面積が250m/g以上であることが好ましく、280m/g以上であることがより好ましい。BET比表面積が250m/g以上であると、単位質量あたりの不要な金属イオンの吸着量が大きくなるため効率がよく、少量のアルミニウムケイ酸塩で高い効果が得られる傾向にある。
アルミニウムケイ酸塩のBET比表面積の上限値は特に制限が無いが、アルミニウムケイ酸塩中のSiとAlの一部がSi−O−Alという形で結合し、それが金属イオン吸着能の向上に寄与するという観点からは、BET比表面積は1500m/g以下であることが好ましく、1200m/g以下であることがより好ましく、1000m/g以下であることが更に好ましい。
アルミニウムケイ酸塩のBET比表面積は、JIS Z 8830(2001年)に準じて窒素吸着能から測定する。評価装置としては、窒素吸着測定装置(AUTOSORB−1、QUANTACHROME社)等を用いることができる。BET比表面積の測定を行う際には、試料表面及び構造中に吸着している水分がガス吸着能に影響を及ぼすと考えられることから、まず、加熱による水分除去の前処理を行う。
前記前処理では、0.05gの測定試料を投入した測定用セルを、真空ポンプで10Pa以下に減圧した後、110℃で加熱し、3時間以上保持した後、減圧した状態を保ったまま常温(25℃)まで自然冷却する。この前処理を行った後、評価温度を77Kとし、評価圧力範囲を相対圧(飽和蒸気圧に対する平衡圧力)にて1未満として測定する。
アルミニウムケイ酸塩は、金属イオンの吸着能が向上する観点から、全細孔容積が0.1cm/g以上であることが好ましく、0.12cm/g以上であることがより好ましく、0.15cm/g以上であることが更に好ましい。また、全細孔容積の上限値は特に制限が無い。単位質量当たりの空気中の水分吸着量を抑える観点からは、全細孔容積は1.5cm/g以下であることが好ましく、1.2cm/g以下であることがより好ましく、1.0cm/g以下であることが更に好ましい。
アルミニウムケイ酸塩の全細孔容積は、BET比表面積に基づき、相対圧が0.95以上1未満の範囲で得られたデータの中、相対圧1に最も近いガス吸着量を液体に換算して求める。
不要な金属イオンのイオン半径が0.01nm〜0.1nmという観点から、アルミニウムケイ酸塩の平均細孔直径は1.5nm以上であることが好ましく、2.0nm以上であることがより好ましい。平均細孔直径が前記範囲であると、不要な金属イオンが配位子を伴った状態で吸着サイトまで移動する場合でも効率よく不要な金属イオンを吸着できる。また、平均細孔直径の上限値は特に制限が無い。平均細孔直径が小さくなると、比表面積が大きくなる傾向があるため、50nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましく、5.0nm以下であることが更に好ましい。アルミニウムケイ酸塩の平均細孔直径は、BET比表面積及び全細孔容積に基づき、全細孔が1つの円筒形細孔で構成されていると仮定して求める。
アルミニウムケイ酸塩を導電材料の原料として用いる場合、その水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、電池の膨張をより抑制できる傾向にある。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。アルミニウムケイ酸塩の水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。アロフェンの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、アルミニウムケイ酸塩を熱処理する方法が挙げられる。
(アロフェン)
本発明におけるアロフェンとは、アルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alが0.1〜1.0である非晶質のアルミニウムケイ酸塩であって、中空球の構造体を形成すると言われているアルミニウムケイ酸塩を意味する。このようなアロフェンとしては、例えば、nSiO・Al・mHO[n=1〜2、m=2.5〜3]で示される組成を有するものが挙げられる。
アロフェンの元素モル比Si/Alは、0.2〜1.0であることが好ましく、0.5〜1.0であることがより好ましい。この範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上述したイオン交換能がより高まる。なお、元素モル比Si/AlはICP発光分光分析(例えば、株式会社日立製作所、ICP発光分光装置:P−4010)を用いて、常法によりSi及びAlそれぞれの原子濃度を求めて、得られた原子濃度から算出される。以下、元素モル比の測定方法は同様である。
アロフェンは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる傾向にある。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。アロフェンの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。アロフェンの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、アロフェンを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるアロフェンは、合成したものであってもよく、市販品を購入して用いてもよい。アロフェンの市販品としては、製品名セカード(品川化成株式会社)等が挙げられる。
(カオリン)
本発明におけるカオリンとは、層状構造をとるアルミニウムケイ酸塩であって、カオリナイト、ナクライト、ディッカイト、ハロイサイト、加水ハロイサイト等の1種又は2種以上から形成されるアルミニウムケイ酸塩を意味する。このようなカオリンとしては、例えば、AlSiO・(HO)・nHO[n=0〜5]で示される組成を有するものが挙げられる。
カオリンにおけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alは、0.1〜2.0であることが好ましく、0.5〜1.5であることがより好ましい。この範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上述したイオン交換能がより高まる。
カオリンは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。カオリンの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。カオリンの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、カオリンを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるカオリンは、合成したものであってもよく、市販品を購入して用いてもよい。カオリンの市販品としては、製品名ASP−200(林化成株式会社)等が挙げられる。
(ゼオライト)
本発明におけるゼオライトとは、アルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alが1〜500であるアルミニウムケイ酸塩であり、塩としてアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含み、沸石とも称される物質を意味する。このようなゼオライトとしては、例えば、X2/nO・Al・ySiO・zHO[X=Na、K、Li等の金属カチオン、n=金属Xの原子価、y=2〜200、z=0以上]で示される組成を有するものが挙げられる。
ゼオライトの元素モル比Si/Alは、1〜100であることが好ましく、1〜50であることがより好ましい。この範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上述したイオン交換能がより高まる。
ゼオライトは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。ゼオライトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。ゼオライトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、ゼオライトを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるゼオライトは、合成したものであってもよく、市販品を購入して用いてもよい。ゼオライトの市販品としては、製品名SP#600(日東粉化工業株式会社)、モレキュラーシーブス4A(和光純薬工業株式会社)、モレキュラーシーブス13X(和光純薬工業株式会社)等が挙げられる。
(サポナイト)
本発明におけるサポナイトとは、構造中にMg、Ca等の金属カチオンを含むスメクタイト族(3八面体型スメクタイト)の層状粘土化合物であるアルミニウムケイ酸塩を意味する。このようなサポナイトとしては、例えば、X0.33(Mg)(Al0.33Si3.67)O10(OH)・nHO[X=Mg、Ca、Na、K、Li等の金属カチオン、n=0以上]で示される組成を有するものが挙げられる。
サポナイトにおけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alは、2〜50であることが好ましく、5〜30であることがより好ましい。この範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上述したイオン交換能がより高まる。
サポナイトは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。サポナイトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。サポナイトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、サポナイトを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるサポナイトは、合成したものであってもよく、市販品を購入して用いてもよい。サポナイトの市販品としては、製品名スメクトン(クニミネ工業株式会社)等が挙げられる。
(モンモリロナイトナイト)
本発明におけるモンモリロナイトナイトとは、構造中にMg、Ca等の金属カチオンを含むスメクタイト族(2八面体型スメクタイト)の層状粘土化合物であるアルミニウムケイ酸塩を意味する。このようなモンモリロナイトナイトとしては、例えば、(Na、Ca)0.33(Al1.67,Mg0.33)SiO10(OH):nHOで示される組成を有するものが挙げられる。
モンモリロナイトにおけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alは、2〜50であることが好ましく、5〜30であることがより好ましい。この範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上述したイオン交換能がより高まる。
モンモリロナイトは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。モンモリロナイトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。モンモリロナイトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、モンモリロナイトを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるモンモリロナイトは、合成したものであってもよく、市販品を購入して用いてもよい。モンモリロナイトの市販品としては、製品名クニピア(クニミネ工業株式会社)等が挙げられる。
(アタパルジャイト)
本発明におけるアタパルジャイトとは、パリゴルスカイトとも称される、繊維状の結晶構造を有するアルミニウムケイ酸塩を意味する。このようなアタパルジャイトとしては、例えば、Mg(Al0.5〜1Fe0〜0.5)Si10(OH)・4HOで示される組成を有するものが挙げられる。
アタパルジャイトにおけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alは、2〜50であることが好ましく、5〜30であることがより好ましい。この範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上述したイオン交換能がより高まる。
アタパルジャイトは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。アタパルジャイトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。アタパルジャイトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、アタパルジャイトを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるアタパルジャイトは、合成したものであってもよく、市販品を購入して用いてもよい。アタパルジャイトの市販品としては、製品名アタゲル(林化成株式会社)等が挙げられる。
(イモゴライト)
本発明におけるイモゴライトとは、アルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alが0.3〜1.0のアルミニウムケイ酸塩であって、上記以外のものを意味する。このようなイモゴライトとしては、例えば、nSiO・Al・mHO[n=0.6〜2.0、m=0以上]で示される組成を有するものが挙げられる。
また、金属イオンの吸着能の観点から、イモゴライトとしては、元素モル比Si/Alが0.3以上1.0未満であることが好ましい。この範囲の元素モル比とすることにより、イモゴライトは、マンガンイオン、ニッケルイオン、コバルトイオン、銅イオン、鉄イオン等の不要な金属イオンの吸着能により優れ、一方、リチウムイオンに対する吸着能がより低くなる傾向がある。
また、元素モル比Si/Alを0.3以上とすることにより、金属イオン吸着能の向上に寄与しないAlの量が過剰となることを回避しやすくなり、単位質量あたりのイオン吸着能がより低下しにくくなる傾向がある。また元素モル比Si/Alを1.0未満とすることにより、金属イオン吸着能の向上に寄与しないSiの量が過剰となることを回避しやすくなり、単位質量あたりのイオン吸着能がより低下しにくくなる傾向がある。また元素モル比Si/Alを1.0未満とすることにより、吸着する金属イオンの選択性の低下をより回避しやすくなる傾向がある。このようにイモゴライトを用いることにより、リチウム二次電池中での不要な金属イオンの濃度上昇を特に選択的に抑制することができる。
イモゴライトの元素モル比Si/Alは、0.4〜0.6であることがより好ましく、0.45〜0.55であることが更に好ましい。イモゴライトをこの範囲の元素モル比Si/Alとすることにより、上記傾向が更に高まる。
イモゴライトは、27Al−NMRスペクトルにおいて3ppm近辺にピークを有することが好ましい。27Al−NMR測定装置としては、例えば、ブルカー・バイオスピン社、AV400WB型を用いることができる。27Al−NMRの具体的な測定条件は以下の通りである。
共鳴周波数:104MHz
測定方法:MAS(シングルパルス)
MAS回転数:10kHz
測定領域:52kHz
データポイント数:4096
resolution(測定領域/データポイント数):12.7Hz
パルス幅:3.0μsec
遅延時間:2sec
化学シフト値基準:α−アルミナを3.94ppm
window関数:指数関数
Line Broadening係数:10Hz
図1に、イモゴライトの一例として、後述の製造例1及び製造例2に係るイモゴライトの27Al−NMRスペクトルを示す。
図1に示すように、イモゴライトは、27Al−NMRスペクトルにおいて、3ppm近辺にピークを有することが好ましい。3ppm近辺のピークは、6配位のAlに由来するピークであると推定される。更に、55ppm付近にピークが存在してもよい。55ppm付近のピークは、4配位のAlに由来するピークであると推定される。
イモゴライトは、金属イオン吸着能と金属イオン選択性の観点から、27Al−NMRスペクトルにおいて、3ppm近辺のピークに対する55ppm付近のピークの面積比率(55ppm付近のピーク/3ppm近辺のピーク)が、25%以下であることが好ましく、20%以下であることがより好ましく、15%以下であることが更に好ましい。
またイモゴライトは、金属イオン吸着能と金属イオン選択性の観点から、27Al−NMRスペクトルにおいて、3ppm近辺のピークに対する55ppm付近のピークの面積比率が、1%以上であることが好ましく、5%以上であることがより好ましく、10%以上であることが更に好ましい。
イモゴライトは、29Si−NMRスペクトルにおいて−78ppm近辺及び−85ppm近辺にピークを有することが好ましい。かかる特定の29Si−NMRスペクトルを示すイモゴライトであることにより、金属イオン吸着能及び金属イオン選択性がより向上する。
29Si−NMR測定装置としては、例えば、ブルカー・バイオスピン社、AV400WB型を用いることができる。29Si−NMRの具体的な測定条件は以下の通りである。
共鳴周波数:79.5MHz
測定方法:MAS(シングルパルス)
MAS回転数:6kHz
測定領域:24kHz
データポイント数:2048
resolution(測定領域/データポイント数):5.8Hz
パルス幅:4.7μsec
遅延時間:600sec
化学シフト値基準:TMSP−d(3−(トリメチルシリル)(2,2,3,3−)プロピオン酸ナトリウム)を1.52ppm
window関数:指数関数
Line Broadening係数:50Hz
図2に、イモゴライトの一例として、後述の製造例1及び製造例2に係るイモゴライトの29Si−NMRスペクトルを示す。
図2に示すように、イモゴライトは、29Si−NMRスペクトルにおいて、−78ppm近辺及び−85ppm近辺にピークを有することが好ましい。−78ppm近辺に現れるピークAは、イモゴライト、アロフェン等の結晶構造のアルミニウムケイ酸塩に由来し、また、HO−Si−(OAl)という構造に起因すると考えられる。
また−85ppm近辺に現れるピークBは、粘土構造のアルミニウムケイ酸塩又は非晶質構造のアルミニウムケイ酸塩と考えられる。したがって、−78ppm近辺及び−85ppm近辺にピークを有するイモゴライトは、結晶構造のイモゴライトと、粘土構造又は非晶質構造のイモゴライトとの混合物又は複合体であると推定される。
特に−78ppm近辺に現れるピークAを有するイモゴライトは、単位質量当たりにOH基が多く存在する。−78ppm近辺に現れるピークAを有するイモゴライトは、水分吸着能に優れていることに加えてイオン吸着能に優れ、特に、リチウムイオン二次電池に悪影響を与える不要な金属イオンの吸着における選択性が顕著に高い。このため、このイモゴライトを含むリチウムイオン二次電池用導電材料を含有するリチウムイオン二次電池では、経時的な短絡の発生がより抑えられ、結果として寿命特性にいっそう優れるリチウムイオン二次電池が提供されると考えることができる。
なお、イモゴライトは、層状粘土鉱物に由来する−85ppm近辺のピークを有さなくてもよい。ここでピークを有さないとは、−85ppm付近におけるベースラインからの変位がノイズレベル以下であることを意味し、具体的にはベースラインからの変位がノイズ幅の100%以下であることを意味する。
イモゴライトは、金属イオン吸着能及び金属イオン選択性が向上する観点から、29Si−NMRスペクトルにおける−78ppm近辺のピークAと、−85ppm近辺のピークBの面積比率(ピークB/ピークA)が、0.4〜9.0であることが好ましく、1.5〜9.0であることがより好ましく、2.0〜9.0であることが更に好ましく、2.0〜7.0であることが極めて好ましく、2.0〜5.0であることが特に好ましく、2.0〜4.0であることが最も好ましい。
29Si−NMRスペクトルにおける前記ピークの面積比率を求める際には、まず29Si−NMRスペクトルにおいてベースラインを引く。図2では、−55ppmと−140ppmとを結んだ直線をベースラインとする。
次に、−78ppm近辺に現れるピークと−85ppm近辺に現れるピークとの谷に当たる化学シフト値(図2では、−81ppm付近)で、29Si−NMRスペクトルの曲線を区切る。
−78ppm近辺のピークAの面積は、図2においては、化学シフト軸と直交し−81ppmを通る直線と、上記ベースラインと、29Si−NMRスペクトルの曲線と、に囲まれた領域の面積であり、−85ppm近辺のピークBの面積は、化学シフト軸と直交し−81ppmを通る直線と上記ベースラインと、29Si−NMRスペクトルの曲線と、に囲まれた領域の面積である。
なお、上記各ピークの面積は、NMR測定装置に組み込まれた解析ソフトにより求めてもよい。
イモゴライトは、X線源としてCuKα線を用いた粉末X線回折スペクトルにおいて2θ=26.9°及び40.3°近辺にピークを有することが好ましい。また例えば、X線回折装置として株式会社リガク:Geigerflex RAD−2X(製品名)を用いることができる。
図3に、イモゴライトの一例として、後述の製造例1及び製造例2に係るイモゴライトの粉末X線回折スペクトルを示す。
図3に示すように、イモゴライトは、粉末X線回折スペクトルにおいて、2θ=26.9°及び40.3°近辺にピークを有する。2θ=26.9°及び40.3°近辺のピークは、イモゴライトに由来するピークと推定される。
イモゴライトは、粉末X線回折スペクトルにおいて、2θ=20°及び35°近辺の幅広なピークを有さなくてもよい。2θ=20°及び35°近辺のピークは、低結晶性の層状の粘土鉱物のhk0面の反射に起因するピークと考えられる。
ここで、2θ=20°及び35°近辺のピークを有しないとは、2θ=20°及び35°近辺におけるベースラインからの変位がノイズレベル以下であることを意味し、具体的にはベースラインからの変位がノイズ幅の100%以下であることを意味する。
更に、製造例1に係るイモゴライトのように、イモゴライトは、2θ=18.8°、20.3°、27.8°、40.6°及び53.3°近辺にピークを有してもよい。2θ=18.8°、20.3°、27.8°、40.6°及び53.3°近辺のピークは、副生物である水酸化アルミニウムに由来するピークと推定される。なお、後述のイモゴライトの製造方法において、熱処理時の温度を160℃以下とすることで水酸化アルミニウムの析出をより抑えることができる。また、遠心分離による脱塩処理時のpHを調整することによって、水酸化アルミニウムの含有量を調整することができる。
また、製造例2に係るイモゴライトのように、イモゴライトは、2θ=4.8°、9.7°及び14.0°近辺にピークを有してもよい。更に、2θ=18.3°近辺にピークを有していてもよい。2θ=4.8°、9.7°、14.0°及び18.3°近辺のピークは、管状のイモゴライトの単繊維が互いに沿って凝集して束状構造をとっていることに由来するピークと推定される。
図4及び図5に、イモゴライトの透過型電子顕微鏡(TEM)写真の一例を示す。図4に示すイモゴライトは、後述の製造例1に係るイモゴライトである。図5に示すイモゴライトは、後述の製造例2に係るイモゴライトである。
図4に示されるように、製造例1に係るイモゴライトには、透過型電子顕微鏡(TEM)において100,000倍で観察したときに、長さ50nm以上の管状物が存在していない。製造例2に係るイモゴライトは、図5に示されるように、管状のいわゆるイモゴライトである。
イモゴライトには、金属イオン吸着能と金属イオン選択性の観点から、透過型電子顕微鏡(TEM)において100,000倍で観察したときに、長さ50nm以上の管状物が存在していないことが好ましい。
イモゴライトの透過型電子顕微鏡(TEM)の観察は、100kVの加速電圧で行う。また観察試料としては、後述する製造方法における第二洗浄工程(脱塩及び固体分離)前の加熱後溶液をTEM観察試料調製用の支持体上に滴下し、次いで、滴下した加熱後の溶液を乾燥して薄膜としたものを用いる。なお、TEM画像のコントラストが充分に得られない場合には、コントラストが充分に得られるように、加熱後の溶液を適宜希釈したものを用いて観察試料を作製する。
図5に示されるような管状物は、後述のイモゴライトの製造方法において、ケイ酸イオン及びアルミニウムイオンが特定の濃度以下のときに、熱処理を実施することで製造される。他方、図4に示されるような管状物が観察されないイモゴライトは、ケイ酸イオン及びアルミニウムイオンが特定の濃度以上のときに、熱処理を実施することで製造される。
図6は、イモゴライトの一例である、管状のイモゴライトを模式的に示す図面である。図6に示すように、このイモゴライト10は、管状物10aが複数(図6では3つ)集合した構造を有する。複数の管状物10aの間には、管状物10aの外壁により画定される隙間30が形成される。イモゴライト10は、管状物10a同士により繊維構造が形成される傾向があり、管状物10aの筒内の内壁20、及び複数の管状物10aの間の隙間30を形成する管状物10aの外壁(外周面)を、金属イオンの吸着サイトとして利用できる。管状物10aの管部長さ方向の長さは、例えば、10nm〜10μmである。管状物10aは、例えば、円管状を呈しており、外径は、例えば、1.5nm〜3.0nmであり、内径は、例えば、0.7nm〜1.4nmである。
なお、管状のイモゴライトの繊維が透過型電子顕微鏡(TEM)写真で観察される場合には、29Si−NMRスペクトルにおいて、ピークBの面積が小さくなる傾向にある。
イモゴライトは、金属イオン吸着能が向上する観点から、BET比表面積が250m/g以上であることが好ましく、280m/g以上であることがより好ましい。BET比表面積が250m/g以上であると、単位質量あたりの不要な金属イオンの吸着量が大きくなるため効率がよく、少量のイモゴライトでより高い効果が得られる傾向にある。
また、BET比表面積の上限値は特に制限が無いが、イモゴライト中のSiとAlの一部がSi−O−Alという形で結合し、それが金属イオン吸着能の向上に寄与するという観点からは、BET比表面積は1500m/g以下であることが好ましく、1200m/g以下であることがより好ましく、1000m/g以下であることが更に好ましい。
イモゴライトのBET比表面積は、JIS Z 8830(2001年)に準じて窒素吸着能から測定する。評価装置としては、窒素吸着測定装置(AUTOSORB−1、QUANTACHROME社)等を用いることができる。BET比表面積の測定を行う際には、試料表面及び構造中に吸着している水分がガス吸着能に影響を及ぼすと考えられることから、まず、加熱による水分除去の前処理を行う。
前記前処理では、0.05gの測定試料を投入した測定用セルを、真空ポンプで10Pa以下に減圧した後、110℃で加熱し、3時間以上保持した後、減圧した状態を保ったまま常温(25℃)まで自然冷却する。この前処理を行った後、評価温度を77Kとし、評価圧力範囲を相対圧(飽和蒸気圧に対する平衡圧力)にて1未満として測定する。
イモゴライトは、金属イオンの吸着能が向上する観点から、全細孔容積が0.10cm/g以上であることが好ましく、0.12cm/g以上であることがより好ましく、0.15cm/g以上であることが更に好ましい。また、全細孔容積の上限値は特に制限が無い。単位質量当たりの空気中の水分吸着量を抑える観点からは、全細孔容積は1.5cm/g以下であることが好ましく、1.2cm/g以下であることがより好ましく、1.0cm/g以下であることが更に好ましい。
イモゴライトの全細孔容積は、BET比表面積に基づき、相対圧が0.95以上1未満の範囲で得られたデータの中、相対圧1に最も近いガス吸着量を液体に換算して求める。
不要な金属イオンのイオン半径が0.01nm〜0.1nmであるという観点から、イモゴライトの平均細孔直径は、1.5nm以上であることが好ましく、2.0nm以上であることがより好ましい。平均細孔直径が前記範囲であると不要な金属イオンが配位子を伴った状態で吸着サイトまで移動する場合でも効率よく不要な金属イオンを吸着できる傾向にある。また、平均細孔直径の上限値は特に制限が無く、平均細孔直径が小さくなると、比表面積が大きくなる傾向があるため、50nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましく、5.0nm以下であることが更に好ましい。イモゴライトの平均細孔直径は、BET比表面積及び全細孔容積に基づき、全細孔が1つの円筒形細孔で構成されていると仮定して求める。
イモゴライトは、水分含有率が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。水分含有率が10質量%以下であることで、電気分解を起こす際に生じうるガスの発生をより抑制することができ、リチウムイオン二次電池の膨張をより抑制できる傾向にある。なお、水分含有率はカールフィッシャー法にて測定することができる。
イモゴライトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、通常用いられる熱処理方法を特に制限なく用いることができる。イモゴライトの水分含有率を10質量%以下とする方法としては、例えば、大気圧下で、100℃〜300℃、6時間〜24時間程度で、イモゴライトを熱処理する方法が挙げられる。
本発明におけるイモゴライトは、合成してもよく、市販品を購入して用いてもよい。
イモゴライトを合成する場合、本発明におけるイモゴライトの製造方法は、ケイ酸イオンを含む溶液及びアルミニウムイオンを含む溶液を混合して反応生成物を得る工程と、前記反応生成物を、水性媒体中、酸の存在下で熱処理する工程と、を有し、必要に応じてその他の工程を有することができる。得られるイモゴライトの収率、構造体形成等の観点から、少なくとも熱処理する工程の後、好ましくは、熱処理工程の前及び後で、脱塩及び固体分離を行う洗浄工程を有することが好ましい。
反応生成物であるイモゴライトを含む溶液から共存イオンを脱塩処理した後に、酸の存在下で熱処理することで、金属イオン吸着能に優れるイモゴライトを効率良く製造することができる傾向にある。ここで共存イオンとは、例えば、ナトリウムイオン、塩化物イオン、過塩素酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン等が挙げられる。
これは、例えば、以下のように考えることができる。規則的な構造の形成を阻害する共存イオンが除去されたイモゴライトを、酸の存在下で熱処理することで、規則的な構造を有するイモゴライトが形成される。イモゴライトが規則的な構造を有することで、金属イオンに対する親和性が向上し、効率よく金属イオンを吸着できると考えることができる。
イモゴライトの製造方法は、脱塩及び固体分離する工程を前記熱処理工程の前後に含むことがより好ましい。即ち、イモゴライトの好ましい製造方法の例は、(a)ケイ酸イオンを含む溶液及びアルミニウムイオンを含む溶液を混合して反応生成物を得る工程と、(b)前記反応生成物を、脱塩及び固体分離する工程(第一洗浄工程)と、(c)前記工程(b)で固体分離されたものを水性媒体中、酸の存在下で熱処理する工程(合成工程)と、(d)前記工程(c)で熱処理して得られたものを、脱塩及び固体分離する工程(第二洗浄工程)と、を有し、必要に応じてその他の工程を有する方法である。以下、この好ましい製造方法に従って、イモゴライトの製造方法を説明する。
(a)反応生成物を得る工程
反応生成物を得る工程では、ケイ酸イオンを含む溶液と、アルミニウムイオンを含む溶液とを混合して、イモゴライト及び共存イオンを含む反応生成物を含有する混合溶液を得る。
(a−1) ケイ酸イオン及びアルミニウムイオン
イモゴライトを製造する際、原料には、ケイ酸イオン及びアルミニウムイオンが必要となる。ケイ酸イオンを含む溶液(以下、「ケイ酸溶液」ともいう)を構成するケイ酸源としては、溶媒和した際にケイ酸イオンが生じるものであれば特に制限されない。ケイ酸源としては、オルトケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、テトラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、アルミニウムイオンを含む溶液(以下、「アルミニウム溶液」ともいう)を構成するアルミニウム源は、溶媒和した際にアルミニウムイオンが生じるものであれば特に制限されない。アルミニウム源としては、塩化アルミニウム、過塩素酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、アルミニウムsec−ブトキシド等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
溶媒としては、原料であるケイ酸源及びアルミニウム源と溶媒和し易いものを適宜選択して使用することができる。溶媒としては、具体的には、水、エタノール等を使用することができる。熱処理時における溶液中の共存イオンの低減、及び取扱の容易さから、溶媒としては、水を用いることが好ましい。
(a−2) 混合比と溶液の濃度
これらの原料をそれぞれ溶媒に溶解させて原料溶液(ケイ酸溶液及びアルミニウム溶液)を調製した後、原料溶液を互いに混合して混合溶液を得る。このとき、特定の元素モル比Si/Alを有するイモゴライトを得るためには、混合溶液中のSi及びAlの元素モル比Si/Alを、得られるイモゴライトにおけるSi及びAlの元素モル比Si/Alに合わせて調整すればよく、例えば、0.3〜1.0となるように調整し、好ましくは0.3以上1.0未満となるように調整し、より好ましくは0.4〜0.6となるように調整し、更に好ましくは0.45〜0.55となるように調整する。元素モル比Si/Alを0.3〜1.0とすることで、所望の規則的な構造を有するイモゴライトが合成され易くなる。
また、原料溶液の混合の際には、アルミニウム溶液に対してケイ酸溶液を徐々に加えることが好ましい。このようにすることで、所望のイモゴライトの形成阻害要因となりうる、ケイ酸の重合をより抑えることができる。
ケイ酸溶液のケイ素原子濃度は、特に制限されるものではなく、好ましくは1mmol/L〜1000mmol/Lである。
ケイ酸溶液のケイ素原子濃度が1mmol/L以上であると、生産性がより向上し、効率よく所望のイモゴライトを製造することができる。またケイ素原子濃度が1000mmol/L以下であると、ケイ素原子濃度に応じて生産性がより向上する。
アルミニウム溶液のアルミニウム原子濃度は、特に制限されるものではなく、好ましくは100mmol/L〜1000mmol/Lである。
アルミニウム溶液のアルミニウム原子濃度が100mmol/L以上であると、生産性がより向上し、効率よくイモゴライトを製造することができる。またアルミニウム原子濃度が1000mmol/L以下であると、アルミニウム原子濃度に応じて生産性がより向上する。
(b)第一洗浄工程(脱塩及び固体分離)
ケイ酸イオンを含む溶液とアルミニウムイオンを含む溶液とを混合し、得られた混合溶液に、共存イオンを含むイモゴライトを反応生成物として生成させた後、生成した共存イオンを含むイモゴライトを脱塩及び固体分離する第一洗浄工程を行う。第一洗浄工程では、混合溶液中から共存イオンの少なくとも一部を除去して混合溶液中の共存イオン濃度を低下させる。第一洗浄工程を行うことで、合成工程において所望のイモゴライトを形成し易くなる。
第一洗浄工程で、脱塩及び固体分離する方法は、ケイ酸源及びアルミニウム源に由来するケイ酸イオン以外のアニオン(塩化物イオン、硝酸イオン等)及びアルミニウムイオン以外のカチオン(ナトリウムイオン等)のうちの少なくとも一部を除去(脱塩)して固体分離できればよく、特に制限されるものではない。第一洗浄工程としては例えば、遠心分離を用いる方法、透析膜を用いる方法、及びイオン交換樹脂を用いる方法が挙げられる。
第一洗浄工程は、混合溶液中の共存イオンの濃度が所定の濃度以下になるように行うことが好ましい。ここで共存イオンの濃度としては、例えば、第一洗浄工程で得られる固体分離されたものを、濃度が60g/Lとなるように純水に分散させた場合、500mmol/L以下とすることが好ましい。このような共存イオン濃度とするには、例えば、第一洗浄工程で得られる固体分離されたものを、濃度が60g/Lとなるように純水に分散させた場合に、その分散液の電気伝導率が4.0S/m以下となるように洗浄を行なうことが好ましく、1.0mS/m〜3.0S/mとなるように洗浄を行なうことがより好ましく、1.0mS/m〜2.0S/mとなるように洗浄を行なうことが更に好ましい。
分散液の電気伝導率が4.0S/m以下であると、合成工程において所望のアルミニウムケイ酸塩がより形成しやすくなる傾向がある。
なお、電気伝導率は、株式会社堀場製作所:F−55及び同社の一般的な電気伝導率セル:9382−10Dを用いて、常温(25℃)で測定される。
第一洗浄工程は、イモゴライトを溶媒に分散して分散物を得る工程と、分散物のpHを5〜8に調整する工程と、イモゴライトを析出させる工程とを含むことが好ましい。
例えば、第一洗浄工程を、遠心分離を用いて行なう場合、以下のようにして行うことができる。分散物にアルカリ等を加えてpHを5〜8に調整する。pHを調整した後の分散物を遠心分離した後、上澄み溶液を排出してゲル状沈殿物として固体分離する。固体分離されたものを溶媒に再分散させる。その際、分散物の容積を、例えば、溶媒を用いて遠心分離前の容積に戻すことが好ましい。再分散させた分散液を同様にして遠心分離して脱塩及び固体分離する操作を繰り返すことで、共存イオンの濃度を所定の濃度以下にすることができる。
第一洗浄工程においては、分散物のpHを例えば5〜8に調整する。分散物のpHは、5.5〜6.8であることが好ましく、5.8〜6.5であることがより好ましい。pH調整に用いるアルカリは特に制限されない。pHの調整に用いるアルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム及びアンモニアが好ましい。
また遠心分離の条件は、例えば、製造規模、使用する容器の種類、及び使用する容器の大きさに応じて適宜選択される。遠心分離の条件としては、例えば、室温(25℃)で、1200G以上で1分間〜30分間とすることができる。具体的には、遠心分離の条件としては、例えば、遠心分離装置として株式会社トミー精工:Suprema23、及び同社のスタンダードロータNA−16を用いる場合、室温(25℃)で、3000min−1(回転/分)(1450G)以上で5分間〜10分間とすることができる。
第一洗浄工程における溶媒としては、原料と溶媒和し易いものを適宜選択して使用することができ、溶媒としては、具体的には、水、エタノール等を使用することができる。溶媒としては、合成工程における溶液中の共存イオンの低減、及び取扱の容易さから、水を用いることが好ましく、純水を用いることがより好ましい。なお、繰り返し複数回の洗浄を行う際は、混合溶液のpHの調整を省略することが好ましい。
第一洗浄工程における脱塩及び固体分離の処理回数は、共存イオンの残存量に応じて適宜設定すればよい。例えば、処理回数は1回〜6回とすることができる。3回程度の洗浄を繰り返すと、共存イオンの残存量が所望のイモゴライトの合成に影響しない程度に少なくなる。
pHを調整する際のpH測定は、一般的なガラス電極を用いたpHメータによって測定できる。具体的には、例えば、株式会社堀場製作所の製品名:MODEL(F−51)を使用することができる。
(c)合成工程
合成工程では、水性媒体中、酸の存在下で、第一洗浄工程で得られた固体分離物の熱処理を行う。
第一洗浄工程により得られた、共存イオンの濃度を低減させたイモゴライトを含む溶液(分散液)を、酸の存在下で熱処理することで、規則的な構造を有する所望のイモゴライトを形成することができる。
合成工程では、第一洗浄工程で得られた固体分離物を適宜希釈して希薄溶液として合成を行なってもよく、また第一洗浄工程で得られた固体分離物を高濃度溶液として合成を行なってもよい。
合成工程を希薄溶液中で行なうことで、規則的な構造が管状に伸長した構造を有するイモゴライト(以下、「第一のイモゴライト」ともいう)を得ることができる。また合成工程を高濃度溶液中で行なうことで、規則的な構造に加えて粘土構造及び非晶質構造を有するイモゴライト(以下、「第二のイモゴライト」ともいう)を得ることができる。なお、第二のイモゴライトは、長さ50nm以上の管状物に成長するのに代えて、粘土構造及び非晶質構造の形成が増大しているものと推測される。
第一及び第二のいずれのイモゴライトも特定の規則的な構造を有することにより、優れた金属イオン吸着能を示す。
合成工程において第一のイモゴライトを得る場合の溶液の希釈条件としては、例えば、ケイ素原子濃度が20mmol/L以下且つアルミニウム原子濃度が60mmol/L以下とすることができる。中でも金属イオン吸着能の観点から、希釈条件としては、ケイ素原子濃度が0.1mmol/L〜10mmol/L且つアルミニウム原子濃度が0.1mmol/L〜34mmol/Lであることが好ましく、ケイ素原子濃度が0.1mmol/L〜2mmol/L且つアルミニウム原子濃度が0.1mmol/L〜7mmol/Lであることがより好ましい。
希釈条件として、ケイ素原子濃度を20mmol/L以下且つアルミニウム原子濃度を60mmol/L以下とすることで、第一のイモゴライトをより効率よく製造することができる傾向にある。
尚、第一のイモゴライトの合成では、希薄溶液で行うため反応が進みにくい場合があり、仕込み量のSi/Al比と、得られるイモゴライトのSi/Al比とが異なる場合がある。その場合には、所望の比率よりも原料のケイ素原子量を少な目に仕込むことによって、所望のSi/Al比を有するイモゴライトが得られる傾向がある。
また合成工程において第二のイモゴライトを得る場合の溶液の濃度条件としては、例えば、ケイ素原子濃度が100mmol/L以上且つアルミニウム原子濃度が100mmol/L以上とすることができる。中でも金属イオン吸着能の観点から、濃度条件としては、ケイ素原子濃度が120mmol/L〜2000mmol/L且つアルミニウム原子濃度が120mmol/L〜2000mmol/Lであることが好ましく、ケイ素原子濃度が150mmol/L〜1500mmol/L且つアルミニウム原子濃度が150mmol/L〜1500mmol/Lであることがより好ましい。
濃度条件として、ケイ素原子濃度を100mmol/L以上且つアルミニウム原子濃度を100mmol/L以上とすることで、第二のイモゴライトをより効率よく製造することができ、更にアルミニウムケイ酸塩の生産性もより向上する傾向にある。
なお、上記ケイ素原子濃度及びアルミニウム原子濃度は、後述する酸性化合物を加えてpHを所定の範囲に調整した後の、溶液におけるケイ素原子濃度及びアルミニウム原子濃度である。
また、ケイ素原子濃度及びアルミニウム原子濃度は、ICP発光分光装置(例えば、株式会社日立製作所、ICP発光分光装置:P−4010)を用いて、定法により測定される。
ケイ素原子濃度及びアルミニウム原子濃度が所定の濃度となるように調整する際には、溶液に溶媒を加えてもよい。溶媒としては、原料と溶媒和し易いものを適宜選択して使用することができる。溶媒としては、具体的には、水、エタノール等を使用することができ、熱処理時における溶液中の共存イオンの低減、及び取扱の容易さから、水を用いることが好ましく、純水を用いることがより好ましい。
合成工程においては、熱処理の前に酸性化合物の少なくとも1種を、溶液に加える。酸性化合物を加えた後の溶液のpHは特に制限されない。所望のイモゴライトを効率よく得る観点から、溶液は、pHが3以上7未満であることが好ましく、pHが3〜5であることがより好ましい。
合成工程において加える酸性化合物は特に制限されるものではなく、有機酸であっても無機酸であってもよい。中でも無機酸を用いることが好ましい。無機酸として具体的には、塩酸、過塩素酸、硝酸等を挙げることができる。後に続く熱処理における溶液中の共存イオン種の低減を考慮すれば、使用したアルミニウム源に含まれるアニオンと同様のアニオンを生成する酸性化合物を用いることが好ましい。
酸性化合物を溶液に加えた後、熱処理を行うことで、所望の構造を有するイモゴライトを得ることができる。
熱処理の温度は特に制限されない。所望のイモゴライトを効率よく得る観点から、熱処理の温度は80℃〜160℃であることが好ましい。
熱処理の温度が160℃以下であると、ベーマイト(水酸化アルミニウム)が析出することをより抑制することができる傾向がある。また熱処理の温度が80℃以上であると、所望のアルミニウムケイ酸塩の合成速度が向上し、より効率よく所望のイモゴライトを製造できる傾向がある。
熱処理の時間は特に制限されるものではない。所望の構造を有するイモゴライトをより効率的に得る場合には、熱処理の時間は、96時間(4日)以内であることが好ましい。熱処理の時間が96時間以下であると、より効率的に所望のイモゴライトを製造することができる傾向がある。
(d)第二洗浄工程(脱塩及び固体分離)
合成工程において熱処理して得られた生成物は、第二洗浄工程において脱塩及び固体分離に供される。これにより優れた金属イオン吸着能を有するイモゴライトを得ることができる傾向がある。これは、例えば、以下のように考えることができる。すなわち合成工程において熱処理して得られた生成物は、イモゴライトの吸着サイトが共存イオンで塞がれている場合があり、期待する程の金属イオン吸着能は得られない場合がある。そのため、合成工程で得られた生成物としてのイモゴライトから共存イオンの少なくとも一部を、脱塩及び固体分離することにより除去する第二洗浄工程を行うことにより、優れた金属イオン吸着能を有する所望のイモゴライトを得ることができると考えることができる。
第二洗浄工程では、洗浄(脱塩及び固体分離)処理により、ケイ酸イオン以外のアニオン及びアルミニウムイオン以外のカチオンの少なくとも一部を除去できればよい。第二洗浄工程で適用される洗浄処理としては、合成工程前の第一洗浄工程と同様の操作であっても、異なる操作であってもよい。
第二洗浄工程は、共存イオンの濃度が所定の濃度以下になるように行うことが好ましい。ここで共存イオンの濃度としては、例えば、第二洗浄工程で得られる固体分離されたものを、濃度が60g/Lとなるように純水に分散させた場合、500mmol/L以下とすることができる。このような共存イオン濃度とするには、具体的には例えば、第二洗浄工程で得られる固体分離されたものを、濃度が60g/Lとなるように純水に分散させた場合に、その分散液の電気伝導率が4.0S/m以下となるように洗浄を行なうことが好ましく、1.0mS/m〜3.0S/mとなるように洗浄を行なうことがより好ましく、1.0mS/m〜2.0S/mとなるように洗浄を行なうことが更に好ましい。
分散液の電気伝導率が4.0S/m以下であると、より優れた金属イオン吸着能を有するイモゴライトが得られやすくなる傾向がある。
第二洗浄工程を、遠心分離を用いて行なう場合、例えば、以下のようにして行うことができる。熱処理後に得られた生成物に溶媒を添加して混合溶液を得る。混合溶液にアルカリ等を加えてpHを5〜10に調整する。pHを調整した混合溶液を遠心分離した後、上澄み溶液を排出してゲル状沈殿物として固体分離する。次いで固体分離されたものを溶媒に再分散させる。その際、分散液の容積を、遠心分離前と同じ容積に戻すことが好ましい。再分散させた分散液を同様にして遠心分離して脱塩及び固体分離する操作を繰り返すことで、共存イオンの濃度を所定の濃度以下、例えば、3質量%以下にすることができる。
第二洗浄工程においては、混合溶液のpHを例えば5〜10に調整することが好ましく、8〜10に調整することがより好ましい。pHの調整に用いるアルカリは特に制限されない。pHの調整に用いるアルカリとしては、好ましくは、水酸化ナトリウム及びアンモニアが挙げられる。
また遠心分離の条件は、例えば、製造規模、使用する容器の種類、及び使用する容器の大きさに応じて適宜選択される。遠心分離の条件としては、例えば、室温(25℃)で、1200G以上で1分間〜30分間とすることができる。遠心分離の条件としては、具体的には例えば、遠心分離装置として株式会社トミー精工:Suprema23、及び同社のスタンダードロータNA−16を用いる場合、室温(25℃)で、3000min−1(回転/分)(1450G)以上で5分間〜10分間とすることができる。
第二洗浄工程における溶媒としては、熱処理後の生成物と溶媒和し易いものを適宜選択して使用することができ、溶媒としては、具体的には、水、エタノール等を使用することができる。溶媒としては、共存イオンの低減、及び取扱の容易さから、水を用いることが好ましく、純水を用いることがより好ましい。なお、繰り返し複数回の洗浄を行う際は、混合溶液のpHの調整を省略することが好ましい。
第二洗浄工程における脱塩及び固体分離の処理回数は、共存イオンの残存量によって設定すればよい。脱塩及び固体分離の処理回数としては、1回〜6回が好ましく、3回程度がより好ましい。3回程度の洗浄を繰り返すと、イモゴライトにおける共存イオンの残存量が充分に低減される傾向にある。
第二洗浄工程後の分散液については、残存する共存イオンの中でも、特にイモゴライトの吸着能に影響を与える塩化物イオン及びナトリウムイオンの濃度が低減されていることが好ましい。すなわち、第二洗浄工程における洗浄後のイモゴライトは、当該イモゴライトを水に分散させて濃度400mg/Lの水分散液を調製したとき、当該水分散液において塩化物イオン濃度100mg/L以下及びナトリウムイオン濃度100mg/L以下となることが好ましい。塩化物イオン濃度100mg/L以下且つナトリウムイオン濃度100mg/L以下であると、イモゴライトの吸着能を更に向上させることができる。塩化物イオン濃度は、50mg/L以下がより好ましく、10mg/L以下が更に好ましい。ナトリウムイオン濃度は、50mg/L以下がより好ましく、10mg/L以下が更に好ましい。塩化物イオン濃度及びナトリウムイオン濃度は、洗浄工程の処理回数又はpHの調整に使用するアルカリの種類により調整することができる。
なお、塩化物イオン濃度及びナトリウムイオン濃度は、イオンクロマトグラフィー(例えば、日本ダイオネクス株式会社、DX−320及びDX−100)により通常の条件で測定される。
また、イモゴライトの分散物の濃度は、固体分離されたものを110℃、24時間乾燥して得られる固体の質量を基準とする。
なお、ここで述べる「第二洗浄工程後の分散液」とは、第二洗浄工程を終了した後に溶媒を加えて、第二洗浄工程を行う前の容積と同じ容積に戻した分散液を意味する。用いる溶媒は、原料と溶媒和し易いものから適宜選択して使用することができ、具体的には、水、エタノール等を使用することができるが、イモゴライトにおける共存イオンの残存量の低減、及び、取扱の容易さから、水を用いることが好ましく、純水を用いることがより好ましい。
イモゴライトのBET比表面積は、第二洗浄工程の処理条件(例えば、合成溶液にアルカリを加えてpHを5〜10に調整し、遠心分離した後、上澄み溶液を排出してゲル状沈殿物として残ったイモゴライトを溶媒に再分散させ、遠心分離前の容積と同じ容積に戻す処理を一回又は複数回繰り返す方法の条件)により調整することができる。
またイモゴライトの全細孔容積は、第二洗浄工程の処理条件(例えば、合成溶液にアルカリを加えてpHを5〜10に調整し、遠心分離した後、上澄み溶液を排出してゲル状沈殿物として残ったイモゴライトを溶媒に再分散させ、遠心分離前の容積と同じ容積に戻す処理を一回又は複数回繰り返す方法の条件)により調整することができる。
またイモゴライトの平均細孔直径は、第二洗浄工程の処理条件(例えば、合成溶液にアルカリを加えてpHを5〜10に調整し、遠心分離した後、上澄み溶液を排出してゲル状沈殿物として残ったイモゴライトを溶媒に再分散させ、遠心分離前の容積と同じ容積に戻す処理を一回又は複数回繰り返す方法の条件)により調整することができる。
前記(d)第二の洗浄工程で得られた固体分離物(イモゴライトを含む沈殿物)を熱処理して乾燥することにより、イモゴライト粉末が得られる。熱処理温度は、30℃〜180℃であることが好ましく、40℃〜150℃であることがより好ましく、50℃〜120℃であることが更に好ましい。
[炭素被覆]
本発明に係るアルミニウムケイ酸塩複合体では、アルミニウムケイ酸塩の表面に、炭素が配置される。配置される炭素は、アルミニウムケイ酸塩複合体の表面の少なくとも一部又は全部に配置される。
炭素は、アルミニウムケイ酸塩の表面に配置されていればよい。図7〜図11は、本発明に係るアルミニウムケイ酸塩複合体の構成の例を示す概略断面図である。
図7では、炭素40がアルミニウムケイ酸塩50の表面全体を被覆している。図8では、炭素40がアルミニウムケイ酸塩50の表面全体を被覆しているが、炭素40の厚みにばらつきがある。また、図9では、炭素40がアルミニウムケイ酸塩50の表面に部分的に存在し、アルミニウムケイ酸塩50の表面には、炭素40で覆われていない部分がある。図10では、アルミニウムケイ酸塩50の表面に、アルミニウムケイ酸塩50よりも小さい粒径を有する炭素40の粒子が存在している。図11は、図10の変形例であり、炭素40の粒子形状が鱗片状となっている。なお、図7〜図11では、アルミニウムケイ酸塩50の形状は、模式的に球状(断面形状としては円)で表されているが、球状、ブロック状、鱗片状、断面形状が多角形の形状(角のある形状)等のいずれであってもよい。
なお、アルミニウムケイ酸塩が複数の管状物により構成される場合、微視的には管状物の外壁の少なくとも一部又は全部に炭素が配置されていればよく、内壁の少なくとも一部又は全部に炭素が配置されていてもよい。
また、微細なアルミニウムケイ酸塩が集合、結合又は凝集して粒子を形成している場合、粒子表面の少なくとも一部又は全部に炭素が配置されていればよく、集合、結合又凝集によって粒子内部に細孔を有する場合、細孔内の一部又は全部に炭素が配置されていてもよい。
アルミニウムケイ酸塩の内部(アルミニウムケイ酸塩が複数の管状物により構成される場合の管状物の内壁、アルミニウムケイ酸塩が集合、結合又は凝集して形成された粒子内部に細孔を有する場合の細孔内等の、アルミニウムケイ酸塩の外観に現れない部分)に炭素が配置されているか否かは、以下の方法によって確認することができる。
すなわち、アルミニウムケイ酸塩の内部の状態は、試料を熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂)に埋め込み硬化して成形加工した後、機械的に研磨することでアルミニウムケイ酸塩の内部を露出させ、内部にあたる部分を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することで確認することができる。アルミニウムケイ酸塩の内部に炭素が配置されているか否かは、上記のSEMから、エネルギー分散型X線分光法(EDX)にて確認することができる。
[アルミニウムケイ酸塩複合体の特性]
アルミニウムケイ酸塩複合体における炭素含有比率は、0.1質量%〜50質量%であることが好ましい。炭素含有比率が0.1質量%以上であれば、アルミニウムケイ酸塩複合体の導電性がより向上する傾向があり、50質量%以下であれば、アルミニウムケイ酸塩複合体の金属イオン吸着能をより有効に活用できる傾向がある。アルミニウムケイ酸塩複合体における炭素含有比率は、0.5質量%〜40質量%であることがより好ましく、1質量%〜30質量%であることが更に好ましい。
アルミニウムケイ酸塩複合体における炭素含有比率は、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定される。
アルミニウムケイ酸塩複合体について励起波長532nmのレーザーラマン分光測定により求めたラマンスペクトルの中で、1360cm−1付近に現れるピークの強度をId、1580cm−1付近に現れるピークの強度をIgとし、その両ピークの強度比Id/Ig(D/G)をR値とした際、そのR値が、0.1〜5.0であることが好ましく、0.3〜3.0であることがより好ましく、0.5〜1.5であることが更に好ましい。R値が、0.1以上であると非晶質炭素による表面被覆効果が優れる傾向があり、5.0以下であると表面被覆炭素量が過剰となるのを防ぐ傾向がある。
ここで、1360cm−1付近に現れるピークとは、通常、炭素の非晶質構造に対応すると同定されるピークであり、例えば、1300cm−1〜1400cm−1に観測されるピークを意味する。また1580cm−1付近に現れるピークとは、通常、炭素の結晶構造に対応すると同定されるピークであり、例えば、1530cm−1〜1630cm−1に観測されるピークを意味する。
なお、R値は、ラマンスペクトル測定装置(例えば、日本分光株式会社、NSR−1000型、励起波長532nm)を用い、測定範囲(830cm−1〜1940cm−1)全体をベースラインとして、ラマンスペクトル解析から求めることができる。
アルミニウムケイ酸塩複合体の粉体抵抗率は、0.001Ω・cm〜100Ω・cmであることが好ましく、0.001Ω・cm〜50Ω・cmであることがより好ましく、0.001Ω・cm〜30Ω・cmであることが更に好ましく、0.001Ω・cm〜10Ω・cmであることが特に好ましい。アルミニウムケイ酸塩複合体の粉体抵抗率が0.001Ω・cm以上では、アルミニウムケイ酸塩複合体の金属イオン吸着能がより維持できる傾向があり、100Ω・cm以下では、アルミニウムケイ酸塩複合体がリチウムイオン二次電池の電気特性の阻害要因とならない傾向がある。
粉体抵抗率は、粉体抵抗測定システム(例えば、株式会社三菱化学アナリテック、ロレスターGP)を用いて、3842N/cm(382Kgf/cm)の圧力にて測定した体積抵抗率の値とする。
アルミニウムケイ酸塩複合体の体積平均粒子径は、0.1μm〜100μmであることが好ましく、0.5μm〜50μmであることがより好ましく、1μm〜30μmであることが更に好ましい。アルミニウムケイ酸塩複合体の体積平均粒子径が0.1μm以上であると、粉体のハンドリング性がより向上する傾向があり、100μm以下であると、アルミニウムケイ酸塩複合体を含む分散液を用いて塗膜を形成する等の場合に、より均質な膜が得られる傾向がある。
アルミニウムケイ酸塩複合体の体積平均粒子径は、レーザー回折法を用いて測定される。レーザー回折法は、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えば、株式会社島津製作所、SALD3000J)を用いて行うことができる。
具体的には、アルミニウムケイ酸塩複合体を、水等の分散媒に分散させて分散液を調製する。この分散液について、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて小径側から体積累積分布曲線を描いた場合に、累積50%となる粒子径(D50)を体積平均粒子径として求める。
なお、本明細書中の「体積平均粒子径」については、いずれも上記方法に従って測定した値を用いる。
アルミニウムケイ酸塩複合体におけるアルミニウムケイ酸塩としては、金属イオン吸着能、金属イオン選択性及び電気特性の観点から、イモゴライト、ゼオライト、アロフェン、カオリン、サポナイト、モンモリロナイト及びアタパルジャイトからなる群より選択された少なくとも1つであることが好ましい。
上記の内でもイモゴライトとしては、金属イオン吸着能、金属イオン選択性及び電気特性の観点から、更に元素モル比Si/Alが0.3〜1.0(好ましくは0.3以上1.0未満)であって、且つ、以下の(1)〜(6)いずれか1つ又はこれらの2つ以上の特性を有するものがより好ましい。
(1) 27Al−NMRスペクトルにおいて3ppm近辺にピークを有する。
(2) 29Si−NMRスペクトルにおいて−78ppm近辺及び−85ppm近辺にピークを有する。
(3) X線源としてCuKα線を用いた粉末X線回折スペクトルにおいて2θ=26.9°及び40.3°近辺にピークを有し、2θ=20°及び35°近辺のピークを有しない。
(4) 29Si−NMRスペクトルにおける前記−78ppm近辺のピークAに対する前記−85ppm近辺のピークBの面積比率(ピークB/ピークA)が、2.0〜9.0である。
(5) BET比表面積が250m/g以上である。
(6) 水分含有率が、10質量%以下である。
[アルミニウムケイ酸塩複合体の製造方法]
アルミニウムケイ酸塩複合体の製造方法は、アルミニウムケイ酸塩を得る工程と、得られたアルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与する炭素付与工程とを含み、必要に応じて他の工程を含む。
(アルミニウムケイ酸塩を得る工程)
アルミニウムケイ酸塩を得る工程は、炭素を付与する対象となるアルミニウムケイ酸塩を得ることができればよく、アルミニウムケイ酸塩を準備することを含む工程であってもよく、ケイ酸源とアルミニウム源とからアルミニウムケイ酸塩を製造することを含む工程であってもよい。アルミニウムケイ酸塩を製造する方法については、各種アルミニウムケイ酸塩に関して既述した方法を適用し得る。アルミニウムケイ酸塩を準備することとしては、市販品等を入手してそのまま用いることが挙げられる。
(炭素付与工程)
炭素付与工程では、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与する。これにより、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素が配置される。アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与する方法としては、特に制限はなく、湿式混合法、乾式混合法、化学蒸着法等の方法が挙げられる。アルミニウムケイ酸塩の表面に付与される炭素の厚みを揃えやすく、かつ反応系の制御が容易で、大気圧下での処理が可能であるという点から、湿式混合法(「湿式法」ということがある)又は乾式混合法(「気相法」ということがある)が好ましい。
湿式混合法の場合は、例えば、アルミニウムケイ酸塩と、炭素源を溶媒に溶解させた溶液と、を混合し、炭素源の溶液をアルミニウムケイ酸塩の表面に付着させ、必要に応じて溶媒を除去し、その後、不活性雰囲気下で熱処理することにより炭素源を炭素化させて炭素をアルミニウムケイ酸塩の表面に付与することができる。なお、炭素源が溶媒に溶解しない等の場合は、炭素源を分散媒中に分散させた分散液とすることもできる。
炭素源の溶液又は分散液における炭素源の含有率は、分散のし易さの観点から0.01質量%〜30質量%であることが好ましく、0.05質量%〜20質量%であることがより好ましく、0.1質量%〜10質量%であることが更に好ましい。アルミニウムケイ酸塩と炭素源との混合比(アルミニウムケイ酸塩:炭素源)としては、金属イオン吸着能と導電性との両立の観点から、質量比で100:1〜100:500であることが好ましく、100:5〜100:300であることがより好ましい。
乾式混合法の場合は、例えば、アルミニウムケイ酸塩と炭素源とを固体同士で混合して混合物とし、この混合物を不活性雰囲気下で熱処理することにより炭素源を炭素化させて、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与することができる。なお、アルミニウムケイ酸塩と炭素源とを混合する際、力学的エネルギーを加える処理(例えば、メカノケミカル処理)を施してもよい。
アルミニウムケイ酸塩と炭素源とを固体同士で混合する際のアルミニウムケイ酸塩と炭素源との混合比(アルミニウムケイ酸塩:炭素源)としては、金属イオン吸着能と導電性の両立の観点から、質量比で100:1〜100:500であることが好ましく、100:5〜100:300であることがより好ましい。
湿式混合法又は乾式混合法によって、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与する場合、前記炭素源としては、特に制限はないが、熱処理により炭素を残し得る化合物であればよく、具体的には、フェノール樹脂、スチレン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリブチラール等の高分子化合物;エチレンヘビーエンドピッチ、石炭ピッチ、石油ピッチ、コールタールピッチ、アスファルト分解ピッチ、ポリ塩化ビニル(PVC)等を熱分解して生成するPVCピッチ、ナフタレン等を超強酸存在下で重合させて作製されるナフタレンピッチ等のピッチ;デンプン、セルロース等の多糖類などが挙げられる。これら炭素源は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
化学蒸着法の場合は、公知の方法が適用でき、例えば、炭素源を気化させたガスを含む雰囲気中でアルミニウムケイ酸塩を熱処理することで、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与することができる。
化学蒸着法によってアルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与する場合、炭素源としては、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環族炭化水素、及びこれらの誘導体等のうち、気体状又は容易に気体化可能な化合物を用いることが好ましい。具体的には、メタン、エタン、プロパン、トルエン、ベンゼン、キシレン、スチレン、ナフタレン、アントラセン等の炭化水素、クレゾール等のこれらの誘導体などが挙げられる。これらの炭素源は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
炭素源を炭素化するための熱処理温度は、炭素源が炭素化する温度であれば特に制限されず、500℃以上であることが好ましく、600℃以上であることがより好ましく、700℃以上であることが更に好ましい。また、炭素を低結晶性とする観点からは、1300℃以下であることが好ましく、1200℃以下であることがより好ましく、1100℃以下であることが更に好ましい。
熱処理時間は、用いる炭素源の種類又はその付与量によって適宜選択され、例えば、0.1時間〜10時間が好ましく、0.5時間〜5時間がより好ましい。
なお、熱処理は、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気下で行うことが好ましい。熱処理装置は、加熱機構を有する反応装置であれば特に限定されず、連続法、回分法等での処理が可能な加熱装置などが挙げられる。具体的には、流動層反応炉、回転炉、竪型移動層反応炉、トンネル炉、バッチ炉等をその目的に応じ適宜選択することができる。
熱処理により得られた熱処理物は個々の粒子が凝集している場合があるため、解砕処理することが好ましい。また、所望の平均粒子径への調整が必要な場合は更に粉砕処理を行ってもよい。
また、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与する別の方法としては、例えば、アルミニウムケイ酸塩の表面に付与する炭素として、ソフトカーボン、ハードカーボン等の非晶質炭素、黒鉛などの炭素質物質を用いる方法が挙げられる。この方法によれば、図10及び図11に示すような、炭素40が粒子としてアルミニウムケイ酸塩50の表面に存在するアルミニウムケイ酸塩複合体を作製することもできる。炭素質物質を用いる方法としては、上述した湿式混合法又は乾式混合法を応用することができる。
湿式混合法を応用する場合は、炭素質物質の粒子と、分散媒とを混合して分散液とし、この分散液とアルミニウムケイ酸塩とを更に混合することにより、アルミニウムケイ酸塩の表面に分散液を付着させ、それを乾燥後に熱処理することで作製される。また、結着剤を用いる場合には、炭素質物質の粒子と、結着剤となる有機化合物(熱処理により炭素を残し得る化合物)と分散媒とを混合して混合物とし、この混合物とアルミニウムケイ酸塩とを更に混合することにより、アルミニウムケイ酸塩の表面に混合物を付着させ、それを乾燥後に熱処理することで、アルミニウムケイ酸塩の表面に炭素を付与することもできる。前記有機化合物としては、熱処理により炭素を残し得る化合物であれば特に制限はない。また、湿式混合法を応用する場合の熱処理条件は、前記炭素源を炭素化するための熱処理条件を適用することができる。
乾式混合法を応用する場合は、炭素質物質の粒子と、アルミニウムケイ酸塩とを固体同士で混合して混合物とし、この混合物に必要に応じて力学的エネルギーを加える処理(例えば、メカノケミカル処理)を行うことで作製される。なお、乾式混合法を応用する場合においても、アルミニウムケイ酸塩中にケイ素の結晶子を生成させるために、熱処理を行うことが好ましい。乾式混合法を応用する場合の熱処理条件は、前記炭素源を炭素化するための熱処理条件を適用することができる。
アルミニウムケイ酸塩を製造により得る場合には、アルミニウムケイ酸塩複合体の製造方法は、アルミニウムケイ酸塩を得る工程のいずれかの段階で炭素源を供給して、アルミニウムケイ酸塩を得る際に表面に炭素を配置させて、アルミニウムケイ酸塩複合体を得る製造方法であってもよい。この製造方法では、合成又は脱塩後のアルミニウムケイ酸塩の分散液に炭素源を供給し、得られた炭素源を含有するアルミニウムケイ酸塩分散液を、炭素源を炭素化するための熱処理に供することができる。炭素源含有分散液を熱処理することにより、表面に炭素を有するアルミニウムケイ酸塩複合体が得られる。
アルミニウムケイ酸塩の分散液に炭素源を供給する場合、分散液中の炭素源の含有率は、0.005質量%〜5質量%であることが好ましく、0.01質量%〜3質量%であることがより好ましく、0.05質量%〜1.5質量%であることが更に好ましい。炭素源の含有率を0.005質量%以上とすることにより、アルミニウムケイ酸塩複合体の導電性がより向上する傾向があり、5質量%以下とすることにより、アルミニウムケイ酸塩複合体の金属イオン吸着能をより有効に活用できる傾向がある。
<その他の成分>
本発明のリチウムイオン二次電池用導電材料は、アルミニウムケイ酸塩複合体の他に、任意の成分を含むことができる。リチウムイオン二次電池用導電材料に含有可能な他の成分としては、リチウムイオン二次電池用導電材料に一般的に含有可能な成分であれば特に制限されない。リチウムイオン二次電池用導電材料に含有可能な他の成分としては、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラック、導電性を示す酸化物、導電性を示す窒化物等を挙げることができる。本発明のリチウムイオン二次電池用導電材料は、スラリーとしたときの使い勝手の良さの観点から、なかでも、アセチレンブラックを含むことが好ましい。
<リチウムイオン二次電池負極形成用組成物>
本発明のリチウムイオン二次電池負極形成用組成物は、上述のリチウムイオン二次電池用導電材料と、負極活物質と、結着剤と、を含有する。本発明のリチウムイオン二次電池負極形成用組成物は、更に、溶媒、増粘剤、導電助剤等を含有してもよい。
リチウムイオン二次電池負極形成用組成物中のアルミニウムケイ酸塩複合体の含有率は、特に限定されず、例えば、必要に応じて用いられる溶媒を除いたリチウムイオン二次電池負極形成用組成物の全量に対して、0.1質量%〜30質量%とすることができ、0.3質量%〜20質量%とすることが好ましく、0.5質量%〜10質量%とすることがより好ましい。
負極活物質としては、リチウムイオン二次電池用負極に用いられる通常のものを適用することができる。負極活物質としては、リチウムイオンをドーピング又はインターカレーション可能な炭素材料、金属化合物、金属酸化物、金属硫化物、導電性高分子材料等を挙げることができ、天然黒鉛、人造黒鉛、ケイ素、チタン酸リチウム等が挙げられる。負極活物質は、これらを1種単独で使用し、又は2種以上を併用することができる。
結着剤としては、特に限定されず、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体;メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリロニトリル、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等のエチレン性不飽和カルボン酸エステルと、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸等のエチレン性不飽和カルボン酸とを共重合して得られる(メタ)アクリル共重合体;ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリエピクロルヒドリン、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミドイミド等の高分子化合物などが挙げられる。なお、「(メタ)アクリレート」とは、「アクリレート」及びそれに対応する「メタクリレート」を意味する。「(メタ)アクリル共重合体」等の他の類似の表現においても同様である。
溶媒としては、特に制限はなく、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン等を用いることができる。
増粘剤としては、特に制限はなく、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸(塩)、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン等を用いることができる。
導電助剤としては、特に制限はなく、カーボンブラック、アセチレンブラック、導電性を示す酸化物、導電性を示す窒化物等を用いることができる。これらの導電助剤は1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
<リチウムイオン二次電池正極形成用組成物>
本発明のリチウムイオン二次電池正極形成用組成物は、上述のリチウムイオン二次電池用導電材料と、正極活物質と、結着剤と、を含有する。本発明のリチウムイオン二次電池正極形成用組成物は、更に、溶媒、増粘剤、導電助剤等を含有してもよい。
リチウムイオン二次電池正極形成用組成物中のアルミニウムケイ酸塩複合体の含有率は、特に限定されず、例えば、必要に応じて用いられる溶媒を除いたリチウムイオン二次電池正極形成用組成物の全量に対して、0.1質量%〜30質量%とすることができ、0.3質量%〜20質量%とすることが好ましく、0.5質量%〜10質量%とすることがより好ましい。
正極活物質としては、リチウムイオン二次電池用正極に用いられる通常のものを適用することができる。正極活物質は、リチウムイオンをドーピング又はインターカレーション可能な化合物であればよく、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)及びニッケルマンガンコバルト酸リチウム(Li(NiMnCo)O)が挙げられる。
リチウムイオン二次電池正極形成用組成物における結着剤としては、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物で説明した結着剤を挙げることができる。リチウムイオン二次電池正極形成用組成物に任意で含有する溶媒、増粘剤及び導電助剤についても、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物で説明したものを挙げることができる。
<リチウムイオン二次電池用負極>
本発明のリチウムイオン二次電池用負極(以下「負極」と略称する場合がある)は、集電体と、前記集電体上に設けられ上述のリチウムイオン二次電池用導電材料及び負極活物質を含有する負極層と、を有する。
例えば、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、前述のリチウムイオン二次電池負極形成用組成物を調製し、このリチウムイオン二次電池負極形成用組成物を集電体に付与した後、任意で含まれる溶媒を除去し、加圧成形して負極層を形成することにより得られる。一般に、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物は、混練後、シート状、ペレット状等の形状に成形される。
尚、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物を用いて本発明のリチウムイオン二次電池用負極が製造された場合、負極層には結着剤が含有される。
集電体の材質は、特に限定されず、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、ポーラスメタル(発泡メタル)及びカーボンペーパーが挙げられる。集電体の形状は、特に限定されず、例えば、箔状、穴開け箔状及びメッシュ状が挙げられる。
リチウムイオン二次電池負極形成用組成物を集電体に付与する方法としては、特に限定されず、例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法及びスクリーン印刷法が挙げられる。付与後は、必要に応じて平板プレス、カレンダーロール等による加圧処理を行うことが好ましい。また、シート状、ペレット状等の形状に成形されたリチウムイオン二次電池負極形成用組成物と集電体との一体化は、例えば、ロールによる一体化、プレスによる一体化及びこれらの組み合わせによる一体化により行うことができる。
集電体上に形成された負極層又は集電体と一体化した負極層は、用いた結着剤に応じて熱処理することが好ましい。例えば、ポリアクリロニトリルを主骨格とした結着剤を用いる場合は、100℃〜180℃で熱処理することが好ましく、ポリイミド又はポリアミドイミドを主骨格とした結着剤を用いる場合には、150℃〜450℃で熱処理することが好ましい。この熱処理により必要に応じて用いられる溶媒の除去及び結着剤の硬化による高強度化が進み、負極材料間の密着性及び負極材料と集電体との間の密着性が高まる傾向にある。なお、これらの熱処理は、処理中の集電体の酸化を防ぐため、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性雰囲気又は真空雰囲気で行うことが好ましい。
また、熱処理する前に、負極はプレス(加圧処理)しておくことが好ましい。加圧処理することで電極密度を調整することができる。本発明のリチウムイオン二次電池用負極では、電極密度が1.4g/cm〜1.9g/cmであることが好ましく、1.5g/cm〜1.85g/cmであることがより好ましく、1.6g/cm〜1.8g/cmであることが更に好ましい。電極密度については、その値が高いほど負極の体積容量が向上する傾向があり、また、負極材料間の密着性及び負極材料と集電体との間の密着性が向上する傾向がある。
<リチウムイオン二次電池用正極>
本発明のリチウムイオン二次電池用正極(以下「正極」と略称する場合がある)は、集電体と、前記集電体上に設けられ上述のリチウムイオン二次電池用導電材料及び正極活物質を含有する正極層と、を有する。
リチウムイオン二次電池用正極における集電体としては、リチウムイオン二次電池用負極で説明した集電体を挙げることができる。リチウムイオン二次電池用正極は、前述のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法において、リチウムイオン二次電池負極形成用組成物をリチウムイオン二次電池正極形成用組成物に置き換えることにより、同様の方法で製造することができる。
<リチウムイオン二次電池>
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述のリチウムイオン二次電池用負極及び上述のリチウムイオン二次電池用正極のうち少なくとも一方を備える。上述のリチウムイオン二次電池用負極以外の負極を用いる場合には、リチウムイオン二次電池に用いられる通常の負極を適用することができる。また、上述のリチウムイオン二次電池用正極以外の正極を用いる場合には、リチウムイオン二次電池に用いられる通常の正極を適用することができる。
負極と正極とは、例えば、セパレータを介して対向して配置し、電解質を含む電解液を注入することにより、リチウムイオン二次電池とすることができる。
電解液は、特に制限されず、公知のものを用いることができる。例えば、電解液として、有機溶剤に電解質を溶解させた溶液を用いることにより、非水系リチウムイオン二次電池を製造することができる。
前記電解質としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiClF、LiAsF、LiSbF、LiAlO、LiAlCl、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO、LiCl及びLiIが挙げられる。
セパレータは、公知の各種セパレータを用いることができる。具体的には、紙製セパレータ、ポリプロピレン製セパレータ、ポリエチレン製セパレータ、ガラス繊維製セパレータ等が挙げられる。
リチウムイオン二次電池の製造方法としては、例えば、まず正極と負極の2つの電極を、セパレータを介して捲回する。得られたスパイラル状の捲回群を電池缶に挿入し、予め負極の集電体に溶接しておいたタブ端子を電池缶底に溶接する。得られた電池缶に電解液を注入し、更に予め正極の集電体に溶接しておいたタブ端子を電池の蓋に溶接し、蓋を絶縁性のガスケットを介して電池缶の上部に配置し、蓋と電池缶とが接した部分をかしめて密閉することによって電池を得る。
本発明のリチウムイオン二次電池の形態は、特に限定されないが、ペーパー型電池、ボタン型電池、コイン型電池、積層型電池、円筒型電池、角型電池等のリチウムイオン二次電池が挙げられる。
次に、実施例により本発明を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
−アルミニウムケイ酸塩の製造1−
[製造例1]
濃度:700mmol/Lの塩化アルミニウム水溶液(500mL)に、濃度:350mmol/Lのオルトケイ酸ナトリウム水溶液(500mL)を加え、30分間攪拌した。この溶液に、濃度:1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を330mL加え、pHを6.1に調整した。
pHを調整した溶液を30分間攪拌後、遠心分離装置として株式会社トミー精工:Suprema23及びスタンダードロータNA−16を用い、回転速度:3,000回転/分で、5分間の遠心分離を行った。遠心分離後、上澄み溶液を排出し、ゲル状沈殿物を純水に再分散させ、遠心分離前の容積に戻した。このような遠心分離による脱塩処理を3回行った。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物を、濃度が60g/Lとなるように純水に分散し、株式会社堀場製作所:F−55及び電気伝導率セル:9382−10Dを用いて、常温(25℃)で、電気伝導率を測定したところ、1.3S/mであった。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物に、濃度:1mol/Lの塩酸を135mL加えてpHを3.5に調整し、30分間攪拌した。このときの溶液中のケイ素原子濃度及びアルミニウム原子濃度を、ICP発光分光装置(P−4010、株式会社日立製作所)を用いて、常法により測定したところ、ケイ素原子の濃度は213mmol/L、アルミニウム原子の濃度は426mmol/Lであった。
次に、この溶液を乾燥器に入れ、98℃で48時間(2日間)加熱した。
加熱後の溶液(アルミニウムケイ酸塩濃度:47g/L)に、濃度:1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を188mL添加し、pHを9.1に調整した。pHの調整を行うことにより溶液中のアルミニウムケイ酸塩を凝集させ、上記と同様の遠心分離によってこの凝集体を沈殿させ、次いで上澄み液を排出した。上澄み液を排出した後の沈殿物に純水を添加して遠心分離前と同じ容積に戻すという脱塩処理を3回行った。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物を、濃度が60g/Lとなるように純水に分散し、株式会社堀場製作所:F−55及び電気伝導率セル:9382−10Dを用いて、常温(25℃)で電気伝導率を測定したところ、0.6S/mであった。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物を、60℃で16時間乾燥して30gの粉末を得た。この粉末を試料Aとした。試料Aは、後述の27Al−NMR、29Si−NMR、ICP発光分光分析、及び粉末X線回折により確認した結果、イモゴライトであることが確認された。
<BET比表面積、全細孔容積、平均細孔直径>
試料AのBET比表面積、全細孔容積、及び平均細孔直径を、窒素吸着能に基づいて測定した。評価装置には、窒素吸着測定装置(AUTOSORB−1、QUANTACHROME社)を用いた。これらの測定を行う際には、後述する試料の前処理を行った後、評価温度を77Kとし、評価圧力範囲を相対圧(飽和蒸気圧に対する平衡圧力)にて1未満としている。
前処理として、0.05gの試料Aを投入した測定用セルに、真空ポンプで脱気及び加熱を自動制御で行った。この処理の詳細条件は、10Pa以下に減圧した後、110℃で加熱し、3時間以上保持した後、減圧した状態を保ったまま常温(25℃)まで自然冷却するという設定とした。
評価の結果、試料AのBET比表面積は363m/g、体積平均粒子径は5μm、全細孔容積は0.22cm/g、そして平均細孔直径は2.4nmであった。
<体積平均粒子径>
試料Aの体積平均粒子径を以下の方法によって測定したところ、体積平均粒子径は5.0μmであった。
測定試料(5mg)を界面活性剤(エソミンT/15、ライオン株式会社)0.01質量%水溶液中に入れ、振動攪拌機で分散した。得られた分散液をレーザー回折式粒度分布測定装置(SALD3000J、株式会社島津製作所)の試料水槽に入れ、超音波をかけながらポンプで循環させ、レーザー回折式で測定した。測定条件は下記の通りとした。得られた粒度分布の体積累積50%粒径(D50%)を体積平均粒子径とした。以下、実施例において、体積平均粒子径の測定は同様にして行った。
・光源:赤色半導体レーザー(690nm)
・吸光度:0.10〜0.15
・屈折率:2.00−0.20i
27Al−NMR>
27Al−NMRスペクトルの測定装置として、核磁気共鳴分光装置(AV400WB型、ブルカー・バイオスピン株式会社)を用い、下記条件で測定を行った。
共鳴周波数:104MHz
測定方法:MAS(シングルパルス)
MAS回転数:10kHz
測定領域:52kHz
データポイント数:4096
resolution(測定領域/データポイント数):12.7Hz
パルス幅:3.0μsec
遅延時間:2sec
化学シフト値基準:α−アルミナを3.94ppm
window関数:指数関数
Line Broadening係数:10Hz
図1に試料Aの27Al−NMRのスペクトルを示す。図1に示されるように、3ppm近辺にピークを有していた。また55ppm近辺に若干のピークが見られた。3ppm近辺のピークに対する、55ppm付近のピークの面積比率(55ppm付近のピーク/3ppm近辺のピーク)は、15%であった。
29Si−NMR>
29Si−NMRスペクトル測定装置としては、核磁気共鳴分光装置(AV400WB型、ブルカー・バイオスピン株式会社)を用い、下記条件で測定を行った。
共鳴周波数:79.5MHz
測定方法:MAS(シングルパルス)
MAS回転数:6kHz
測定領域:24kHz
データポイント数:2048
resolution(測定領域/データポイント数):5.8Hz
パルス幅:4.7μsec
遅延時間:600sec
化学シフト値基準:TMSP−d(3−(トリメチルシリル)(2,2,3,3−)プロピオン酸ナトリウム)を1.52ppm
window関数:指数関数
Line Broadening係数:50Hz
図2に試料Aの29Si−NMRのスペクトルを示す。図2に示されるように、−78ppm近辺及び−85ppm近辺にピークを有していた。−78ppm及び−85ppm近辺のピークの面積を上記方法により測定した。その結果、−78ppmのピークAの面積を1.00としたとき、−85ppmのピークBの面積は2.61であった。
<元素モル比Si/Al>
常法のICP発光分光分析(ICP発光分光装置:P−4010、株式会社日立製作所)から求めたSi及びAlの元素モル比Si/Alは、0.5であった。
<粉末X線回折>
粉末X線回折は、株式会社リガク:Geigerflex RAD−2X(製品名)を用い、X線源として波長0.15418nmのCuKα線を用いて行なった。図3に、試料Aの粉末X線回折のスペクトルを示す。2θ=26.9°近辺、そして40.3°近辺にブロードなピークが観測された。また2θ=18.8°、20.3°、27.8°、40.6°及び53.3°近辺にシャープなピークが観測された。また、2θ=20°及び35°近辺にはブロードなピークは観測されなかった。
<透過型電子顕微鏡(TEM)写真観察>
図4に、試料Aを100,000倍で観察したときの透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。なお、TEM観察は、透過型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ、H−7100FA型)を用いて、100kVの加速電圧で行なった。また、TEM観察対象の試料Aは以下のようにして調製した。すなわち、最終の脱塩処理工程前の、加熱後の溶液(アルミニウムケイ酸塩濃度47g/L)を純水で10倍に希釈し、超音波照射処理を5分間行ったものをTEM観察試料調製用の支持体上に滴下し、次いで自然乾燥して薄膜とすることで調製した。
図4に示されるように、試料Aでは長さ50nm以上の管状物は存在していなかった。
<水分含有率>
試料Aの水分含有率を、大気圧下、120℃で加熱し、6時間保持した後、カールフィッシャー法にて測定した結果、3質量%であった。
<水中での金属イオン吸着能1>
試料Aの金属イオン吸着能評価を、ICP発光分光分析(ICP発光分光装置:P−4010、株式会社日立製作所)によって行った。
金属イオン吸着能の評価にあたり、まず、Ni2+、Mn2+又はLiについて、各々の金属硫酸塩及び純水を用いて100ppmの金属イオン溶液を調製した。その金属イオン溶液に対し、最終濃度が1.0質量%となるように試料Aを添加し、充分混合した後、静置した。そして、試料Aの添加前後の各々の金属イオン濃度をICP発光分光分析にて測定した。結果を表1に示す。
金属イオン吸着能について、試料A添加後の濃度はNi2+が5ppm未満、Mn2+が10ppmとなった。これに対して、Liは90ppmと殆ど吸着されていなかった。したがって、試料Aは、Ni2+及びMn2+を吸着するが、Liは殆ど吸着しないため、ニッケルイオン及びマンガンイオンが不要な金属イオンとなりうるリチウムイオン二次電池において、短絡をより抑えることができる。
また、参照として、以下の試料B及び試料Cを用意し、それぞれ金属イオン吸着能を評価した。
市販品の活性炭(和光純薬工業株式会社、活性炭、破砕状、粒径2mm〜5mm)を試料Bとした。水中での金属イオン吸着能について、試料B添加後の濃度はNi2+が50ppm、Mn2+が60ppm、Liが100ppmとなった。結果を表1に示す。
市販品のシリカゲル(和光純薬工業株式会社、小粒状(白色))を試料Cとした。水中での金属イオン吸着能について、試料C添加後の濃度はNi2+が100ppm、Mn2+が100ppm、Liが80ppmとなった。結果を表1に示す。

<水中での金属イオン吸着能2>
製造例1で作製した試料Aを用い、試料Aの添加量を表2に示すように変更した以外は「水中での金属イオン吸着能1」で説明した方法で、水中での金属イオン吸着能を評価した。その結果を表2に示す。

表2に示されるように、試料Aを0.5質量%添加すると、マンガンイオン濃度が半減した。そして、試料Aを2.0質量%添加したときには、マンガンイオンが95%捕捉された。
<水中での金属イオン吸着能3>
製造例1で作製した試料Aを用い、金属イオン種をCu2+に、また金属イオン調整濃度を400ppmに代えた以外は「水中での金属イオン吸着能1」で説明した方法で、水中での金属イオン吸着能を評価した。このときのpHは5.1であった。試料A添加後の濃度はCu2+が160ppmとなった。
[製造例2]
濃度:180mmol/Lの塩化アルミニウム水溶液(500mL)に、濃度:74mmol/Lのオルトケイ酸ナトリウム水溶液(500mL)を加え、30分間攪拌した。この溶液に、濃度:1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を93mL加え、pHを7.0に調整した。
pHを調整した溶液を30分間攪拌後、遠心分離装置として株式会社トミー精工:Suprema23及びスタンダードロータNA−16を用い、回転速度:3,000回転/分で、5分間の遠心分離を行った。遠心分離後、上澄み溶液を排出し、ゲル状沈殿物を純水に再分散させ、遠心分離前と同じ容積に戻した。このような遠心分離による脱塩処理を3回行った。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物を、濃度が60g/Lとなるように調整し、株式会社堀場製作所:F−55及び電気伝導率セル:9382−10Dを用いて、常温(25℃)で、電気伝導率を測定したところ、1.3S/mであった。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物に純水を加え、容積を12Lとした。その溶液に濃度:1mol/Lの塩酸を60mL加えてpHを4.0に調整し、30分間攪拌した。このときの溶液中のケイ素原子濃度及びアルミニウム原子濃度をICP発光分光装置:P−4010(株式会社日立製作所)を用いて測定したところ、ケイ素原子濃度は2mmol/Lであり、アルミニウム原子濃度は4mmol/Lであった。
次に、この溶液を乾燥器に入れ、98℃で96時間(4日間)加熱した。
加熱後の溶液(アルミニウムケイ酸塩濃度:0.4g/L)に、濃度:1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を60mL添加し、pHを9.0に調整した。pHの調整を行うことにより溶液を凝集させ、第一洗浄工程と同様の遠心分離でこの凝集体を沈殿させることで、上澄み液を排出した。これに純水を添加して遠心分離前と同じ容積に戻すという脱塩処理を3回行った。
脱塩処理3回目の上澄み排出後に得たゲル状沈殿物を、濃度が60g/Lとなるように調整し、株式会社堀場製作所:F−55及び電気伝導率セル:9382−10Dを用いて、常温(25℃)で電気伝導率を測定したところ、0.6S/mであった。
脱塩処理後に得たゲル状沈殿物を、60℃で72時間(3日間)乾燥して4.8gの粉末を得た。この粉末を試料Dとした。
27Al−NMR>
図1に試料Dの27Al−NMRのスペクトルを示す。図1に示すように、3ppm近辺にピークを有していた。また55ppm近辺に若干のピークが見られた。3ppm近辺のピークに対する、55ppm近辺のピークの面積比率は、4%であった。
29Si−NMR>
図2に試料Dの29Si−NMRのスペクトルを示す。図2に示されるように、−78ppm及び−85ppm近辺にピークを有していた。−78ppm及び−85ppm近辺のピークの面積を上記方法により測定した。その結果、−78ppm近辺のピークAの面積を1.00としたとき、−85ppm近辺のピークBの面積は0.44であった。
<元素モル比Si/Al>
常法のICP発光分光分析(ICP発光分光装置:P−4010(株式会社日立製作所))から求めた試料DのSi及びAlの元素モル比Si/Alは、0.5であった。
<粉末X線回折>
製造例1と同様の方法で、試料Dの粉末X線回折を行った。図3に、試料Dの粉末X線回折のスペクトルを示す。2θ=4.8°、9.7°、14.0°、18.3°、27.3°及び40.8°近辺にブロードなピークを有していた。また、2θ=20°及び35°近辺にはブロードなピークは観測されなかった。
<BET比表面積、全細孔容積、及び平均細孔直径>
製造例1と同様の方法で、試料DのBET比表面積、全細孔容積、及び平均細孔直径を、窒素吸着能に基づいて測定した。
評価の結果、試料DのBET比表面積は323m/g、全細孔容積は0.22cm/g、そして平均細孔直径は2.7nmとなった。
<体積平均粒子径>
製造例1と同様の方法で、試料Dの体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は5.0μmであった。
<透過型電子顕微鏡(TEM)写真観察>
図5に、試料Dを製造例1と同様の方法により100,000倍で観察したときの透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。図5に示されるように管状物が生成しており、管状物10aの管部長さ方向の長さは、10nm〜10μm程度であり、外径は1.5nm〜3.0nm程度であり、内径は0.7nm〜1.4nm程度であった。
<水分含有率>
試料Dの水分含有率を、大気圧下、120℃で加熱し、6時間保持した後、カールフィッシャー法にて測定した結果、3質量%であった。
<水中での金属イオン吸着能>
製造例1と同様の方法で、試料Dの水中でのMn2+イオン吸着能を評価したところ、試料Dは試料Aと同様の金属イオン吸着能を示した。
[実施例1]
上記の試料Aを用いて、アルミニウムケイ酸塩複合体としてのイモゴライト複合体Aを以下のようにして製造した。
試料Aとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをイモゴライト複合体Aとした。
得られたイモゴライト複合体Aの炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたイモゴライト複合体AのR値を、以下の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、イモゴライト複合体Aの表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
R値の測定には、ラマンスペクトル測定装置(日本分光株式会社、NSR−1000型)を用い、得られたスペクトルは下記範囲をベースラインとした。測定条件は、下記の通りとした。
・レーザー波長:532nm
・照射強度:1.5mW(レーザーパワーモニターでの測定値)
・照射時間:60秒・照射面積:4μm
・測定範囲:830cm−1〜1940cm−1
・ベースライン:1050cm−1〜1750cm−1
なお、得られたスペクトルの波数は、基準物質インデン(和光純薬工業株式会社、和光一級)を前記と同一条件で測定して得られる各ピークの波数と、インデンの各ピークの波数理論値との差から求めた検量線を用いて補正した。
補正後に得られたラマンスペクトルの中で、1360cm−1付近に現れるピークの強度をId、1580cm−1付近に現れるピークの強度をIgとし、その両ピークの強度比Id/Ig(D/G)をR値として求めた。
マッピングは、R値の測定で用いたものと同一のラマンスペクトル測定装置を使用し、同一の条件で行った。
製造例1と同様の方法で、イモゴライト複合体AのBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、イモゴライト複合体AのBET比表面積は10m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、イモゴライト複合体Aの体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は5.0μmであった。
[実施例2]
上記の試料Aを用いて、アルミニウムケイ酸塩複合体としてのイモゴライト複合体Bを以下のようにして製造した。
アルミニウムケイ酸塩と炭素源との混合質量比が100:70となるように、1質量%のポリビニルアルコール水溶液に試料Aを分散させ120℃で乾燥した。乾燥後の固体を粉砕して、窒素雰囲気下、850℃にて1時間焼成した。これをイモゴライト複合体Bとした。得られたイモゴライト複合体Bの炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃、20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたイモゴライト複合体BのR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、イモゴライト複合体Bの表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、イモゴライト複合体BのBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、イモゴライト複合体BのBET比表面積は10m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、イモゴライト複合体Bの体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は30.0μmであった。
得られたイモゴライト複合体Bをエポキシ樹脂に埋め込み、硬化して成形加工した後、機械的に研磨してイモゴライト複合体Bの内部を露出させ、内部にあたる部分を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、エネルギー分散型X線分光法(EDX)にて炭素の存在の有無を調べた。その結果、イモゴライト複合体Bの粒子の内部に炭素が存在していることが確認された。尚、エネルギー分散型X線分光法(EDX)も分析可能な走査型電子顕微鏡(SEM)として、高分解能分析走査電子顕微鏡(製品名:SU−70、株式会社日立ハイテクノロジーズ)を用いた。
[評価1]
イモゴライト複合体A及びBに対して以下の評価を行った。なお、比較対照として、炭素被覆前の試料Aと、試料Aに対して窒素雰囲気下で850℃1時間の熱処理を行って得られた焼成物Aを用いた。製造例1と同様の方法で、焼成物AのBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、焼成物AのBET比表面積は5m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、焼成物Aの体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は5.0μmであった。
また、粉体抵抗率、導電率、金属吸着能、及び充放電特性については、比較対照として、更にアセチレンブラック(HS−100、電気化学工業株式会社)を用いた。このアセチレンブラックの体積平均粒子径及びBET比表面積を上記方法で測定したところ、それぞれ、2.0μm及び38m/gであった。
(1) 粉末X線回折
イモゴライト複合体A及びBと、炭素被覆前の試料A、並びに、焼成物Aについて、製造例1に対して記載した条件と同一の条件で粉末X線回折を行った。その結果を図12に示す。図12において、黒丸は非晶質アルミニウムケイ酸塩を示すピーク、黒三角はバイヤライト構造を示すピーク、黒四角はムライト構造を示すピークを、それぞれ表す。
図12に示されるように、イモゴライト複合体A及びBは、いずれもムライト構造を示すピークは確認できず、非晶質アルミニウムケイ酸塩由来の構造が維持されていることがわかった。
これに対して、焼成物Aでは、バイヤライト構造及び非晶質アルミニウムケイ酸塩の構造を示すピークが確認できず、ムライト構造を有するものであり、非晶質アルミニウムケイ酸塩由来の構造を有していないことがわかった。
(2) 粉体抵抗率及び導電率
粉体抵抗率及び導電率は、表3に示す各試料3gを秤取り、粉体抵抗測定システム(ロレスターGP、三菱化学アナリテック株式会社)を用いて、3842N/cm(382kgf/cm)の圧力を加えた状態にて測定した。尚、試料として用いたゼオライト、アロフェン、カオリン、サポナイト、モンモリロナイト及びアタパルジャイトは、後述の実施例3〜8で使用した原料を示し、ゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体は、後述の実施例3〜8で製造されたものを示す。
それぞれの結果を表3に示す。

表3に示されるように、表面に炭素を有していない試料Aと比較すると、イモゴライト複合体A及びBは、共に導電率が比較的に高いことがわかる。
また、ゼオライト、アロフェン、カオリン及びサポナイトにおいても、それぞれ表面に炭素を有するゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体の方が、いずれも粉体抵抗率が低く、導電率が高くなっていることが分かる。
(3) 電解液中での金属(Mn)イオン吸着能
イモゴライト複合体A及びB、炭素被覆前の試料A、焼成物A、並びにアセチレンブラックについて、以下のように、電解液中での金属(Mn)イオン吸着能を評価した。
1MのLiPFと、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)を体積比1:1:1の比率で含む電解液を調製し、これにMn(BFを溶解して、500ppmのMn溶液を調製した。このMn溶液に各試料を0.05g添加して30分間攪拌した後、室温(25℃)にて一晩静置させた。その後、上澄み液を0.45μmのフィルタを用いて濾過し、ICP発光分光装置(ICP−AES)を用いてMnイオンの吸着量を測定した。結果を図13に示す。
図13に示すように、イモゴライト複合体A及びBは共に、アセチレンブラック及び焼成物Aと比較して良好な金属イオン吸着能を有することがわかった。
(4)充放電特性
それぞれ90質量部の、試料A、焼成物A、イモゴライト複合体A、イモゴライト複合体B又はアセチレンブラックに対して、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)10質量部を添加して、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて混練して、スラリーを得た。得られたスラリーを銅箔上に塗布し、105℃で30分乾燥後、プレスを行い、電極を得た。得られた電極を負極とし、対極である金属リチウムとを20μmのポリプロピレン製セパレータを介して対向させ、電解液を注入することによりコインセル(ハーフセル)を作製した。電解液はエチルカーボネートとメチルエチルカーボネートの混合溶媒(体積比3対7)に、LiPFを1mol/L、ビニレンカーボネートを0.5質量%の濃度になるように溶解させたものを使用した。
各々のセルは25℃の恒温槽内に入れ、充放電試験を行った。充電は、0.1mAの電流で0.005Vまで充電後、0.005Vの電圧で電流値が0.01mAになるまでLiを作用極に挿入させることにより行った。また放電は、0.1mAの電流で1.5Vの電圧値まで作用極に対してLiを放出させることにより行った。放電容量と充放電効率は、初回充放電試験の結果とした。
結果を図14及び図15に示す。図14において実線は試料A、点線は焼成物Aをそれぞれ示し、図15において実線はイモゴライト複合体A、破線はイモゴライト複合体B、点線はアセチレンブラックをそれぞれ示す。
図14及び図15に示されるように、試料A、焼成物Aの初回放電容量は0.3mAh/g〜0.4mAh/gであるのに対し、気相法又は湿式法にて炭素被覆したイモゴライト複合体A及びイモゴライト複合体Bは、220mAh/g〜280mAh/gの初回放電容量を有し、アセチレンブラックの205mAh/gと比較して同等以上の性能を有することが分かった。
(5)保存試験
(負極への添加)
5質量部のイモゴライト複合体Aに対して、アセチレンブラックを1質量部、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を3質量部、及び黒鉛を91質量部添加して、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて混練して、スラリーを得た。得られたスラリーを用いて銅箔上に塗布し、105℃で30分乾燥後、プレスを行い、負極Aを得た。比較として、アセチレンブラックを1質量部、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を3質量部、及び黒鉛を96質量部添加して、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて混練して、得たスラリーを用いて同様の手法で負極Xを得た。
アセチレンブラックを8質量部、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を6質量部、スピネルマンガン(マンガン酸リチウム)を86質量部、混合して、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて混練して、スラリーを得た。得られたスラリーを用いてアルミ箔上に塗布し、105℃で30分乾燥後、プレスを行い、正極Xを得た。
前記の負極A又は負極Xと正極Xとをそれぞれ130℃にて6時間真空乾燥後、20μmのポリプロピレン製セパレータを介して負極と正極を対向させ、電解液を注入することによりコインセルを作製した。電解液はエチルカーボネートとメチルエチルカーボネートの混合溶媒(体積比3対7)に、LiPFを1mol/L、ビニレンカーボネートを0.5質量%の濃度になるように溶解させたものを使用した。負極Aと正極Xとを用いて作製したコインセルをセルA−1とした。また、上記方法と同様にして、但し、負極Xと正極Xとを用いて標準セルを作製した。
(正極への添加)
イモゴライト複合体Aの3質量部に対して、アセチレンブラックを5質量部、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を6質量部、及びスピネルマンガン(マンガン酸リチウム)を86質量部、添加して、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて混練して、スラリーを得た。得られたスラリーを用いてアルミ箔上に塗布し、105℃で30分乾燥後、プレスを行い、正極Aを得た。比較として、前記正極Xを用いた。なお、負極として前記負極Xを用いた。
前記の負極と正極をそれぞれ130℃にて6時間真空乾燥後、20μmのポリプロピレン製セパレータを介して対向させ、電解液を注入することによりコインセルを作製した。電解液はエチルカーボネートとメチルエチルカーボネートの混合溶媒(体積比3対7)に、LiPFを1mol/L、ビニレンカーボネートを0.5質量%の濃度になるように溶解させたものを使用した。正極Aと負極Xとを用いて作製したコインセルをセルC−1とした。
(保存条件)
セルA−1、セルC−1及び標準セルのそれぞれに対して、25℃の恒温槽内に入れた後、電圧が4.2V、電流が0.46mAの定電流定電圧充電にて0.0046Vまで充電し、その後、0.46mAの電流で2.7Vとなるまで放電した。次に、各セルに対して、電圧が4.2V、電流が0.46mAの定電流定電圧充電にて0.0046Vまで充電し、充電容量(放置前の初回充電容量)を得た。充電後の各セルを60℃の恒温槽内に入れ、7日間静置した。静置後の各セルに対して、0.46mAの電流で2.7Vとなるまで放電させて、放電容量(7日間放置後の初回放電容量)を得た。(7日間放置後の初回放電容量)/(放置前の初回充電容量)を容量維持率とした。各々のセルの容量維持率を比較した結果、セルA−1は標準セルと比較して容量維持率が0.5%向上した。また、セルC−1は標準セルと比較して容量維持率が5%向上した。
これより、イモゴライト複合体をリチウムイオン二次電池の負極又は正極に添加することで、イモゴライト複合体を添加しない場合と比較して容量維持率が向上することが分かった。
更に、セルA−1、セルC−1の製造方法と同様にして、但し、イモゴライト複合体Aをイモゴライト複合体Bに変えて、セルA−2及びセルC−2を製造した。セルA−2及びセルC−2に対して、上述の方法で充電容量(放置前の初回充電容量)、放電容量(7日間放置後の初回放電容量)、容量維持率(7日間放置後の初回放電容量)/(放置前の初回充電容量)を測定した。各々のセルの容量維持率を比較した結果、セルA−2は標準セルと比較して容量維持率が0.5%向上した。また、セルC−2は標準セルと比較して容量維持率が5.0%向上した。
[実施例3]
アルミニウムケイ酸塩複合体としてのゼオライト複合体を、以下のようにして作製した。
ゼオライトとしては、製品名:SP#600(日東粉化工業株式会社)を用いた。このゼオライトの各種物性は以下のとおりであった。なおBET比表面積及び元素モル比Si/Alは、上記製造例1と同一の条件で測定した。
BET比表面積:250m/g
元素モル比Si/Al:2.8
体積平均粒子径:10.0μm
上記のゼオライトを用いて、試料Eを以下のようにして製造した。
ゼオライトとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをゼオライト複合体とした。
得られたゼオライト複合体の炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたゼオライト複合体のR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、ゼオライト複合体の表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、ゼオライト複合体のBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、ゼオライト複合体のBET比表面積は50m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、ゼオライト複合体の体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は10.0μmであった。
得られたゼオライト複合体をエポキシ樹脂に埋め込み、硬化して成形加工した後、機械的に研磨してゼオライト複合体の内部を露出させ、内部にあたる部分を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、エネルギー分散型X線分光法(EDX)にて炭素の存在の有無を調べた。その結果、ゼオライト複合体の粒子の内部に炭素が存在していることが確認された。尚、エネルギー分散型X線分光法(EDX)も分析可能な走査型電子顕微鏡(SEM)として、高分解能分析走査電子顕微鏡(製品名:SU−70、株式会社日立ハイテクノロジーズ)を用いた。
[実施例4]
アルミニウムケイ酸塩複合体としてのアロフェン複合体を、以下のようにして作製した。アロフェンとしては、製品名:セカード(品川化成株式会社)を用いた。このアロフェンの各種物性は以下のとおりであった。なおBET比表面積及び元素モル比Si/Alは、上記製造例1と同一の条件で測定した。
BET比表面積:345m/g
元素モル比Si/Al:0.6
体積平均粒子径:13.0μm
上記のアロフェンを用いて、試料Fを以下のようにして製造した。
アロフェンとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをアロフェン複合体とした。
得られたアロフェン複合体の炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃、20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたアロフェン複合体のR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、アロフェン複合体の表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、アロフェン複合体のBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、アロフェン複合体のBET比表面積は50m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、アロフェン複合体の体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は13.0μmであった。
[実施例5]
アルミニウムケイ酸塩複合体としてのカオリン複合体を、以下のようにして作製した。
カオリンとしては、製品名:ASP−200(林化成株式会社)を用いた。このカオリンの各種物性は以下のとおりであった。なおBET比表面積及び元素モル比Si/Alは、上記製造例1と同一の条件で測定した。
BET比表面積:20m/g
元素モル比Si/Al:0.6
体積平均粒子径:4.0μm
上記のカオリンを用いて、試料Gを以下のようにして製造した。
カオリンとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをカオリン複合体とした。
得られたカオリン複合体の炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたカオリン複合体のR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、カオリン複合体の表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、カオリン複合体のBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、カオリン複合体のBET比表面積は5m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、カオリン複合体の体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は4.0μmであった。
[実施例6]
アルミニウムケイ酸塩複合体としてのサポナイト複合体を、以下のようにして作製した。
サポナイトとしては、製品名:スメクトンSA(クニミネ工業株式会社)を用いた。このサポナイトの各種物性は以下のとおりであった。なおBET比表面積及び元素モル比Si/Alは、上記製造例1と同一の条件で測定した。
BET比表面積:256m/g
元素モル比Si/Al:11
体積平均粒子径:38.0μm
上記のサポナイトを用いて、試料Hを以下のようにして製造した。
サポナイトとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをサポナイト複合体とした。
得られたサポナイト複合体の炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたサポナイト複合体のR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、サポナイト複合体の表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、サポナイト複合体のBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、サポナイト複合体のBET比表面積は38m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、サポナイト複合体の体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は38.0μmであった。
得られたサポナイト複合体をエポキシ樹脂に埋め込み、硬化して成形加工した後、機械的に研磨してサポナイト複合体の内部を露出させ、内部にあたる部分を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、エネルギー分散型X線分光法(EDX)にて炭素の存在の有無を調べた。その結果、サポナイト複合体の粒子の内部に炭素が存在していることが確認された。尚、エネルギー分散型X線分光法(EDX)も分析可能な走査型電子顕微鏡(SEM)として、高分解能分析走査電子顕微鏡(製品名:SU−70、株式会社日立ハイテクノロジーズ)を用いた。
[実施例7]
アルミニウムケイ酸塩複合体としてのモンモリロナイト複合体を、以下のようにして作製した。
モンモリロナイトとしては、製品名:クニピア(クニミネ工業株式会社)を用いた。このモンモリロナイトの各種物性は以下のとおりであった。なおBET比表面積及び元素モル比Si/Alは、上記製造例1と同一の条件で測定した。
BET比表面積:20m/g
元素モル比Si/Al:2.4
体積平均粒子径:3.0μm
上記のモンモリロナイトを用いて、試料Iを以下のようにして製造した。
モンモリロナイトとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをモンモリロナイト複合体とした。
得られたモンモリロナイト複合体の炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたモンモリロナイト複合体のR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、モンモリロナイト複合体の表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、モンモリロナイト複合体のBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、モンモリロナイト複合体のBET比表面積は10m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、モンモリロナイト複合体の体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は3.0μmであった。
[実施例8]
アルミニウムケイ酸塩複合体としてのアタパルジャイト複合体を、以下のようにして作製した。
アタパルジャイトとしては、製品名:アタゲル50(林化成株式会社)を用いた。このアタパルジャイトの各種物性は以下のとおりであった。なおBET比表面積及び元素モル比Si/Alは、上記製造例1と同一の条件で測定した。
BET比表面積:150m/g
元素モル比Si/Al:2.7
体積平均粒子径:3.0μm
上記のアタパルジャイトを用いて、試料Jを以下のようにして製造した。
アタパルジャイトとポリビニルアルコール粉末(和光純薬工業株式会社)とを100:70の質量比で混合し、窒素雰囲気下、850℃で1時間焼成した。これをアタパルジャイト複合体とした。
得られたアタパルジャイト複合体の炭素含有比率を、示差熱−熱重量分析装置(TG−DTA)を用いて、20℃/分の昇温速度で、800℃20分保持での質量減少率にて測定したところ、10質量%であった。
また、得られたアタパルジャイト複合体のR値を、上記と同一の条件で測定したところ、1.0であった。ラマン分光測定法によるマッピングを行い、アタパルジャイト複合体の表面の被覆状態を確認したところ、炭素により被覆されていない部分が非常に少なく、表面のほとんどの部分が炭素により被覆されている状態の炭素被覆が確認できた。
製造例1と同様の方法で、アタパルジャイト複合体のBET比表面積を窒素吸着能に基づいて測定した。その結果、アタパルジャイト複合体のBET比表面積は30m/gであった。また、製造例1と同様の方法で、アタパルジャイト複合体の体積平均粒子径を測定した。その結果、体積平均粒子径は3.0μmであった。
[評価2]
実施例3〜実施例8で得られた、ゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体について、金属イオン吸着能を以下のようにして評価した。また、比較対象として、炭素被覆前の合成イモゴライト(試料A)、ゼオライト、アロフェン、カオリン、サポナイト、モンモリロナイト、アタパルジャイト、上記の焼成物A及びアセチレンブラック(HS−100、電気化学工業株式会社)を用いた。
1MのLiPFと、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):ジエチルカーボネート(DEC)を体積比1:1:1の比率で含む電解液を調製し、これにMn(BFを溶解して、500ppmのMn溶液を調製した。このMn溶液に各試料を0.05g添加して30分間攪拌した後、室温にて一晩静置させた。その後、上澄み液を孔径が0.45μmのフィルタを用いて濾過し、ICP発光分光装置(ICP−AES)を用いてMnイオンの吸着量を測定した。結果を表4に示す。尚、表4には、実施例1及び実施例2で得られたイモゴライト複合体A、イモゴライト複合体Bについての結果も併せて掲載する。


表4からわかるように、イモゴライト複合体A及びイモゴライト複合体Bのみならず、ゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体についても、金属イオン吸着能が示された。
このように、イモゴライト複合体A及びイモゴライト複合体Bの金属イオン吸着能は、炭素付与前のイモゴライトと同様に維持されていた。また、ゼオライト複合体、カオリン複合体、アロフェン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体についても同様に、炭素付与後の複合体において金属イオン吸着能が維持されていた。炭素付与によって導電性が付与されることは、イモゴライト複合体A、イモゴライト複合体B、ゼオライト複合体、カオリン複合体、アロフェン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体に対する評価1の結果(表3参照)から明らかである。
これらのことから、イモゴライト複合体A、イモゴライト複合体B、ゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体はいずれも、導電材料として用いることにより、リチウムイオン二次電池の電気特性及び寿命特性を向上させ得ることがわかった。
従って、本発明におけるアルミニウムケイ酸塩複合体は、SiとAlとによるイオン交換能と炭素による導電性とを共に示すものであり、アルミニウムケイ酸塩を含有する導電材料は、リチウムイオン二次電池の電気特性及び寿命特性を向上させ得ることがわかる。本発明は、リチウムイオン二次電池の電気特性及び寿命特性を向上させ得る導電材料を提供できる。
[評価3]
実施例3〜8で得られたゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体及びアタパルジャイト複合体について、上記[評価1]と同様の方法で、充放電特性及び保存試験の評価を行った。
ゼオライト、アロフェン、カオリン、サポナイト、モンモリロナイト又はアタパルジャイトの初回放電容量は、いずれも0.3mAh/g〜0.4mAh/gであるのに対し、炭素被覆したゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体又はアタパルジャイト複合体の初回放電容量は、いずれも220mAh/g〜280mAh/gであり、アセチレンブラックの205mAh/gと比較して同等以上の性能を有することが分かった。
容量維持率に関して、ゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体又はアタパルジャイト複合体を正極に用いたセルC−3、C−4、C−5、C−6、C−7又はC−8をそれぞれ作製して評価した。容量維持率は、前述の標準セルに対してセルC−3では5%向上し、セルC−4では5%向上し、セルC−5では3%向上し、セルC−6では3%向上し、セルC−7では5%向上し、セルC−8では5%向上した。
また、ゼオライト複合体、アロフェン複合体、カオリン複合体、サポナイト複合体、モンモリロナイト複合体又はアタパルジャイト複合体を負極に用いたセルA−3、A−4、A−5、A−6、A−7又はA−8をそれぞれ作製して評価した。容量維持率は、前述の標準セルに対してセルA−3では0.5%向上し、セルA−4では0.5%向上し、セルA−5では0.3%向上し、セルA−6では0.3%向上し、セルA−7では0.5%向上し、セルA−8では0.5%向上した。
これより、各種アルミニウムケイ酸塩複合体をリチウムイオン二次電池の負極又は正極に添加することで、アルミニウムケイ酸塩複合体を添加しない場合と比較して容量維持率が向上することが分かった。
従って、本発明におけるアルミニウムケイ酸塩複合体は、SiとAlとによるイオン交換能と炭素による導電性とを共に示すものであり、本発明におけるアルミニウムケイ酸塩複合体をリチウムイオン二次電池の電極(正極及び負極の少なくとも一方)に添加することで、リチウムイオン二次電池の電気特性及び寿命特性を向上させ得ることがわかる。
10 イモゴライト
10a 管状物
20 内壁
30 隙間
40 炭素
50 アルミニウムケイ酸塩

Claims (11)

  1. アルミニウムケイ酸塩と前記アルミニウムケイ酸塩の表面に配置される炭素とを有するアルミニウムケイ酸塩複合体の焼成物を含むリチウムイオン二次電池用導電材料。
  2. アロフェン、カオリン、サポナイト、モンモリロナイト、アタパルジャイト及びイモゴライトからなる群より選択される少なくとも1種を含むアルミニウムケイ酸塩と、
    前記アルミニウムケイ酸塩の表面に配置される炭素と、
    を有するアルミニウムケイ酸塩複合体を含むリチウムイオン二次電池用導電材料。
  3. 前記アルミニウムケイ酸塩複合体における炭素含有比率が、0.1質量%〜50質量%である請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
  4. 前記アルミニウムケイ酸塩複合体のラマンスペクトル解析から得られるR値が、0.1〜5.0である請求項1請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
  5. 前記アルミニウムケイ酸塩複合体の粉体抵抗率が、0.001Ω・cm〜100Ω・cmである請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
  6. 前記アルミニウムケイ酸塩複合体におけるアルミニウム(Al)に対するケイ素(Si)の元素モル比Si/Alが、0.1〜500である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料。
  7. 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料と、負極活物質と、結着剤と、を含有するリチウムイオン二次電池負極形成用組成物。
  8. 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料と、正極活物質と、結着剤と、を含有するリチウムイオン二次電池正極形成用組成物。
  9. 集電体と、
    前記集電体上に設けられ、請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料及び負極活物質を含有する負極層と、
    を有するリチウムイオン二次電池用負極。
  10. 集電体と、
    前記集電体上に設けられ、請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用導電材料及び正極活物質を含有する正極層と、
    を有するリチウムイオン二次電池用正極。
  11. 請求項に記載のリチウムイオン二次電池用負極及び請求項10に記載のリチウムイオン二次電池用正極のうち少なくとも一方を備えるリチウムイオン二次電池。
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