JP6845800B2 - ナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料及びそれを用いたナトリウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
ナトリウムイオン二次電池の基本構成はリチウムイオン二次電池と類似しているが、電荷担体としてリチウムの代わりにナトリウムを用いる点で異なる。このため、ナトリウムイオン二次電池はリチウムイオン二次電池とは異なる電気化学的特徴を持つ。
ナトリウムイオン二次電池が、自動車用電源、又は定置用大型電源として使用されるためには、高い放電容量を有し、かつ、サイクル特性及び保存特性に優れた電池でなければならない。高い放電容量を有するためには、多くのナトリウムを電気的に挿入(ドープ)及び脱離(脱ドープ)することができる負極材が必要である。また二次電池であるため、繰り返しドープ及び脱ドープに耐えうる、サイクル特性に優れた負極材が必要である。また、定置用途では、非常時の電源供給に備え充電状態で電池を保持する。従って、満充電で保持した後の容量を、高い維持率で保つことができる負極材が必要である。特に、高温での保存特性が求められる。
特許文献2においては、負極材料として、植物を原料として調製した炭素質材料が用いられている。しかし、初回の放電容量は223mAh/gと小さかった。
特許文献3においては、ガラス状炭素を負極材料として用いた二次電池が開示されている。しかし、放電容量は265mAh/gと小さかった。
特許文献4においては、ρp/ρHの比が0.950未満である炭素質材料を負極材料として用いて二次電池が開示されている。しかし、単位重量あたりの負極容量は230mAh/gであった。
このように、黒鉛材料の代替負極材料として非黒鉛質の炭素質材料が研究されてはいるが、これまで報告されている非黒鉛質の炭素質材料を用いたナトリウム二次電池の放電容量は、200〜260mAh/g程度であり、十分な容量を有しているとはいえない。
従って、本発明の目的は、高い放電容量を有し、かつ、サイクル特性と保存特性に優れるナトリウムイオン二次電池を提供することである。更に、本発明の目的は、前記の電池に使用する二次電池負極用炭素質材料を提供することである。
本発明は、こうした知見に基づくものである。
従って、本発明は、
[1]植物を炭素源とする炭素質材料であって、BET比表面積が100m2/g以下であることを特徴とするナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料、
[2]ブタノール法によって求められる真密度が1.53g/cm3未満である、[1]に記載のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料、
[3]元素分析により求められる水素原子と炭素原子の比H/Cが0.05以下である、[1]又は[2]に記載のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料、
[4][1]〜[3]のいずれかに記載の炭素質材料を含むナトリウムイオン二次電池用負極電極、
[5][4]に記載の電極を含むナトリウムイオン二次電池
に関する。
本発明のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料は、植物を炭素源とする炭素質材料であって、BET比表面積が100m2/g以下である。また、好ましくはブタノール法によって求められる真密度が1.53g/cm3未満である。更に、好ましくは元素分析により求められる水素原子と炭素原子の比H/Cが0.05以下である。
本発明のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料の炭素源は、植物由来である。炭素源となる植物は、特に限定されるものではないが、例えば、椰子殻、コーヒー豆、茶葉、サトウキビ、果実(みかん、又はバナナ)、藁、広葉樹、針葉樹、竹、又は籾殻を挙げることができる。これらの植物を、単独で又は2種以上組み合わせて使用することができるが、特には大量に入手可能であることから、椰子殻又はコーヒー豆が好ましい。
前記椰子殻の原料の椰子としては、特に限定されるものではなく、パームヤシ(アブラヤシ)、ココヤシ、サラク、又はオオミヤシを挙げることができる。これらの椰子から得られた椰子殻を単独又は組み合わせて使用することができるが、食品、洗剤原料、バイオディーゼル油原料などとして利用され、大量に発生するバイオマス廃棄物であるココヤシ及びパームヤシ由来の椰子殻が特に好ましい。
前記コーヒー豆を用いた炭素源としては、コーヒー豆から飲料コーヒー成分を抽出した抽出残渣が好ましい。抽出残渣は、コーヒー成分を抽出する際に一部のミネラル分が抽出除去されており、中でも工業的に抽出処理されたコーヒー抽出残渣は適度に粉砕されており、且つ大量に入手可能であることから特に好ましい。
比表面積は、窒素吸着によるBETの式から誘導された近似式で求めることができる。本発明の炭素質材料の比表面積は、100m2/g以下であり、より好ましくは50m2/g以下である。比表面積が100m2/gを超えると電解液との反応が増加し、不可逆容量の増加に繋がり、従って電池性能が低下する。また、満充電で高温保存した際の容量減少(保存特性)が大きくなる。また、比表面積が100m2/g以下であると、ナトリウムの格納に寄与しない細孔が減少し、ナトリウムを格納できるサイズの細孔が増加するため、優れた放電容量を示すことができる。比表面積の下限は、特に限定されないが、比表面積が0.5m2/g未満であると、入出力特性が低下する可能性がある。従って、比表面積の下限は、好ましくは0.5m2/g以上である。
本発明の炭素質材料のブタノール真密度は、特に限定されるものではないが、好ましくは1.53g/cm3未満である。ブタノール真密度の上限は、より好ましくは1.52g/cm3以下であり、更に好ましくは1.51g/cm3以下であり、最も好ましくは1.50g/cm3以下である。真密度が1.53g/cm3を超える炭素質材料は、ナトリウムを格納できるサイズの細孔が少なくドープ及び脱ドープ容量が小さくなることがある。真密度の下限は、好ましくは1.35g/cm3以上であり、より好ましくは1.39g/cm3以上である。真密度が1.53g/cm3未満の炭素質材料は、ナトリウムを格納できるサイズの細孔が多く、ドープ及び脱ドープ容量を更に大きくすることができる。従って、ブタノール真密度が前記の範囲であることによって、本発明の炭素質材料を用いたナトリウムイオン二次電池は、高い放電容量を示すことができる。
H/Cは、水素原子及び炭素原子を元素分析により測定されたものであり、炭素化度が高くなるほど炭素質材料の水素含有率が小さくなるため、H/Cが小さくなる傾向にある。従って、H/Cは、炭素化度を表す指標として有効である。本発明の炭素質材料のH/Cは、特に限定されるものではないが、好ましくは0.05以下であり、より好ましくは0.04以下である。水素原子と炭素原子の比H/Cが0.05を超えると、炭素質材料に官能基が多く存在し、ナトリウムとの反応により負極炭素にドープされたリナトリウムが完全には脱ドープされず、多量のナトリウムが負極炭素中に残り、活物質であるナトリウムが無駄に消費されるという問題があり、サイクル特性へも悪影響を与えることがある。一方、水素原子と炭素原子の比H/Cが前記の範囲であることにより、優れたサイクル特性を示すことができる。
本発明の炭素質材料のヘリウム真密度は、特に限定されるものではないが、好ましくは2.20g/cm3未満である。ヘリウム真密度が2.20g/cm3を超える炭素質材料はナトリウムを格納できる細孔が少なくなり、ドープおよび脱ドープ容量が低下することがある。ヘリウム真密度の下限は、好ましくは1.35g/cm3以上であり、より好ましくは1.39g/cm3以上である。
本発明の炭素質材料の平均粒子径(Dv50)は、1〜50μmである。平均粒子径の下限は、好ましくは1μm以上であり、更に好ましくは1.5μm以上であり、特に好ましくは2.0μm以上である。平均粒子径が1μm未満の場合、微粉が増加することによって、比表面積が増加する。従って、電解液との反応性が高くなり充電しても放電しない容量である不可逆容量が増加し、正極の容量が無駄になる割合が増加するため好ましくない。平均粒子径の上限は、好ましくは40μm以下であり、更に好ましくは35μm以下である。平均粒子径が50μmを超えると、粒子内でのナトリウムの拡散自由行程が増加するため、急速な充放電が困難となる。更に、二次電池では、入出力特性の向上には電極面積を大きくすることが重要であり、そのため電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。塗工厚みを薄くするには、活物質の粒子径を小さくする必要がある。このような観点から、平均粒子径の上限としては50μm以下が好ましい。
本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料のカリウム元素含有率は、限定されるものではないが、0.10重量%以下が好ましく、0.05重量%以下がより好ましく、0.03重量%以下が更に好ましい。カリウム含有量が0.10重量%を超えた負極用炭素材料を用いた非水電解質二次電池では、脱ドープ容量が小さくなること、及び非脱ドープ容量が大きくなることがある。
本発明のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料は、限定されるものではないが、植物原料からのチャーの調製工程、液相脱灰工程、アルカリ添着工程、気相脱灰工程、粉砕工程、予備焼成工程、本焼成工程、及び熱分解炭素の被覆工程からなる群から選択される複数の工程を組み合わせることによって製造することができる。
例えば、実施例1では、植物原料からのチャーの調製工程、気相脱灰工程、粉砕工程、及び本焼成工程によって、炭素質材料を調製した。また実施例6では、粉砕工程、植物原料からのチャーの調製工程、アルカリ添着工程、予備焼成工程、粉砕工程、本焼成工程、及び被覆工程によって、炭素質材料を調製した。実施例7では、液相脱灰工程、植物原料からのチャーの調製工程、粉砕工程、アルカリ添着工程、予備焼成工程、本焼成工程、及び被覆工程によって、炭素質材料を調製した。
液相脱灰工程は、植物由来の原料を、脱タールの前に、pH3.0以下の酸性溶液中で処理するものである。この液相脱灰によって、カリウム元素及びカルシウム元素などを効率よく除去することができ、特に酸を用いない場合と比較して、カルシウム元素を効率よく除去することができる。また、他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、更には銅やニッケルなどの遷移金属を除去することが可能である。液相脱灰工程においては、植物由来の原料を、0℃以上80℃未満のpH3.0以下の酸性溶液中で処理することが好ましい。
液相脱灰に用いる酸は、特に限定されるものではなく、例えば、塩酸、フッ化水素酸、硫酸、硝酸、などの強酸や、クエン酸、酢酸などの弱酸、又はそれらの混合物を挙げることができるが、好ましくは塩酸、又はフッ化水素酸である。植物由来の原料は、生のものが好ましく、少なくとも500℃以上で熱処理されていないものが好ましい。pHは十分な脱灰が達成される限り、限定されるものではないが、好ましくはpHが3.0以下であり、より好ましくは2.5以下であり、更に好ましくは2.0以下である。pHが3.0を超えると、十分に脱灰をすることができないことがあるので不都合である。液相脱灰の時間は、pHや処理温度により異なり、特に限定されるものではないが、下限は好ましくは1分であり、より好ましくは5分であり、更に好ましくは10分である。上限は好ましくは300分であり、より好ましくは200分であり、更に好ましくは150分である。短ければ十分に脱灰をすることができず、長いと作業効率の面で不都合である。液相脱灰の温度は、0℃〜100℃の間の広い範囲で特に限定されることなく行うことができる。脱灰温度が0℃より低い場合は、酸の拡散が遅くなり脱灰の効率が低下するため好ましくない。100℃より高い場合は、酸の揮発などが起こり、実施設備が制限されるため好ましくない。
植物由来のチャーの炭素源となる植物は、特に限定されるものではないが、例えば、椰子殻、コーヒー豆、茶葉、サトウキビ、果実(みかん、又はバナナ)、藁、広葉樹、針葉樹、竹、又は籾殻を挙げることができる。これらの植物を、単独で又は2種以上組み合わせて使用することができるが、特には大量に入手可能であることから、椰子殻又はコーヒー豆が好ましい。前記椰子殻の原料の椰子としては、特に限定されるものではなく、パームヤシ(アブラヤシ)、ココヤシ、サラク、又はオオミヤシを挙げることができる。コーヒー豆を用いた炭素源としては、コーヒー豆から飲料コーヒー成分を抽出した抽出残渣が好ましい。
植物由来の原料は多くの金属元素を含有し、特にカリウム及び鉄などを多く含んでいる。多量の金属元素を含んだ炭素質材料は、負極として用いた場合、電気化学的な特性や安全性に好ましくない影響を与える。従って、負極用炭素質材料に含まれるカリウム元素や鉄元素などの含量は、極力低下させた方が好ましい。
従って、前記液相脱灰工程及び/又は気相脱灰工程を行うことが好ましい。しかしながら、液相脱灰工程及び気相脱灰工程を実施しない場合でも、本発明の炭素質材料を得ることができる。
アルカリ添着を行い、その後に予備焼成又は気相脱灰などの熱処理を行うことによって、最適な細孔構造の炭素質材料を得ることができる。アルカリ添着する植物由来の原料は、限定されるものではないが、植物由来のチャーが好ましい。すなわち、前記の植物原料からのチャーの調製工程によって、製造されたチャーが好ましい。
アルカリ金属元素としては、リチウム、ナトリウム、又はカリウムなどのアルカリ金属元素を用いることができる。アルカリ金属元素は、金属の状態で植物由来のチャーに添着してもよいが、水酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩、又はハロゲン化合物などアルカリ金属元素を含む化合物(以下、アルカリ金属化合物と称することがある)として添着してもよい。アルカリ金属化合物としては、限定されるものではないが、浸透性が高く、植物由来のチャーに均一に含浸できるため、水酸化物が好ましい。
粉砕工程は炭素前駆体を粉砕する工程である。炭素質材料において、ナトリウムをドープかつ脱ドープできる領域を増やすため、粒子径を小さくすることが好ましい。粉砕のタイミングは特に限定されるものではないが、本焼成の前が好ましい。それは予備焼成前の炭素質前駆体を粉砕することができるが、炭素質前駆体が予備焼成時に融着する場合がある。また本焼成後に行うこともできるが、炭素化反応が進行すると炭素前駆体が硬くなるため、粉砕による粒子径分布の制御が困難になる。粉砕によって、本発明の炭素質材料の平均粒子径を1〜50μmにすることができる。粉砕に用いる粉砕機は、特に限定されるものではなく、例えばジェットミル、ロッドミル、振動ボールミル、又はハンマーミルを用いることができるが、分級機を備えたジェットミルが好ましい。
予備焼成は、例えば炭素源を300℃以上900℃未満で焼成することによって行う。予備焼成は、揮発分、例えばCO2、CO、CH4、及びH2などと、タール分とを除去し、本焼成において、それらの発生を軽減し、焼成器の負担を軽減することができる。予備焼成温度が300℃未満であると脱タールが不十分となり、粉砕後の本焼成工程で発生するタール分やガスが多く、粒子表面に付着する可能性があり、粉砕したときの表面性を保てず電池性能の低下を引き起こすので好ましくない。一方、予備焼成温度が900℃以上であるとタール発生温度領域を超えることになり、使用するエネルギー効率が低下するため好ましくない。更に、発生したタールが二次分解反応を引き起こしそれらが炭素前駆体に付着し、性能の低下を引き起こすことがあるので好ましくない。
予備焼成は、不活性ガス雰囲気中で行い、不活性ガスとしては、窒素、又はアルゴンなどを挙げることができる。また、予備焼成は、減圧下で行うこともでき、例えば、10KPa以下で行うことができる。予備焼成の時間も特に限定されるものではないが、例えば0.5〜10時間で行うことができ、1〜5時間がより好ましい。なお、本発明において、「植物原料からのチャーの調製工程」、又は「気相脱灰工程」等によって、予備焼成の効果を得ることもできる。
本焼成工程は炭素前駆体を本焼成する工程である。本焼成を行うことにより、ナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料を得ることができる。本焼成の温度は、800〜1500℃である。本発明の本焼成温度の下限は800℃以上であり、より好ましくは1100℃以上であり、特に好ましくは1150℃以上である。熱処理温度が低すぎると炭素化が不十分であり、炭素質材料に官能基が多く残存してH/Cの値が高くなり、ナトリウムとの反応により不可逆容量が増加することがある。一方、本発明の本焼成温度の上限は1500℃以下である。本焼成温度が1500℃を超えるとナトリウムの格納サイトとして形成された空隙が減少し、ドープ及び脱ドープ容量が減少することがある。すなわち、炭素六角平面の選択的配向性が高まり放電容量が低下することがある。本焼成前に樹脂などの有機物を混合し、加熱時に発生するガスによって比表面積増加を抑制することがある。
更に、実施例5に記載のように、ポリスチレンなどを炭素質前駆体に添加して、本焼成することもできる。揮発したポリスチレンなどが炭素質前駆体に被覆され、比表面積を制御することができる。
熱分解炭素での被覆はCVD法を用いることができる。具体的には、焼成物を、直鎖状又は環状の炭化水素ガスと接触させ、熱分解により精製された炭素を、焼成物に蒸着する。この方法はいわゆる化学蒸着法(CVD法)として、よく知られている方法である。熱分解炭素による被覆工程によって、得られる炭素質材料の比表面積を制御することができる。本発明に用いる熱分解炭素は、炭化水素ガスとして添加できるものであり、炭素質材料の比表面積を低減させることのできるものであれば限定されるものではない。前記炭化水素ガスを、好ましくは非酸化性ガスに混合し、炭素質材料と接触させる。
炭化水素ガスの炭素源も限定されるものではないが、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、アセチレン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロプロペン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、デカリン、ノルボルネン、メチルシクロヘキサン、ノルボルナジエン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、ブチルベンゼン又はスチレンを挙げることができる。また、炭化水素ガスの炭素源として、気体の有機物質及び、固体や液体の有機物質を加熱し、発生した炭化水素ガスを用いることもできる。
《負極電極の製造》
本発明の炭素質材料を用いる負極電極は、炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し適当な溶媒を適量添加、混練し、電極合剤とした後に、金属板等からなる集電板に塗布・乾燥後、加圧成形することにより製造することができる。本発明の炭素質材料を用いることにより特に導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極を製造することができるが、更に高い導電性を賦与することを目的に必要に応じて電極合剤を調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、又はカーボンファイバーなどを用いることができ、添加量は使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないので好ましくなく、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなるので好ましくない。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5〜15重量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100重量%とする)であり、更に好ましくは0.5〜7重量%、特に好ましくは0.5〜5重量%である。結合剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等の電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもPVDFは、活物質表面に付着したPVDFがナトリウムイオンの移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性を得るために好ましい。PVDFを溶解しスラリーを形成するためにN−メチルピロリドン(NMP)などの極性溶媒が好ましく用いられるが、SBRなどの水性エマルジョンやCMCを水に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させるので好ましくない。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料粒子相互および集電材との結合が不十分となり好ましくない。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、PVDF系のバインダーでは好ましくは3〜13重量%であり、更に好ましくは3〜10重量%である。一方、溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5〜5重量%が好ましく、更に好ましくは1〜4重量%である。電極活物質層は集電板の両面に形成するのが基本であるが、必要に応じて片面でもよい。電極活物質層が厚いほど、集電板やセパレータなどが少なくて済むため高容量化には好ましいが、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため活物質層が厚すぎると入出力特性が低下するため好ましくない。好ましい活物質層(片面当たり)の厚みは、限定されるものではなく10μm〜1000μmの範囲内であるが、好ましくは10〜80μmであり、更に好ましくは20〜75μm、特に好ましくは20〜60μmである。
負極電極は、通常集電体を有する。負極集電体としては、例えば、SUS、銅、アルミニウム、ニッケル又はカーボンを用いるができ、中でも、銅又はSUSが好ましい。
本発明の負極材料を用いて、ナトリウムイオン二次電池の負極を形成した場合、正極材料、セパレータ、及び電解液など電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、ナトリウムイオン二次電池に従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。
正極電極は、正極活物質を含み、更に導電助剤、バインダー、又はその両方を含んでもよい。正極活物質層における正極活物質と、他の材料との混合比は、本発明の効果が得られる限りにおいて、限定されるものではなく、適宜決定することができる。
正極活物質としては、ナトリウムイオンをドープ及び脱ドープできる正極活物質を限定せずに用いることができる。例えば、正極活物質として、NaFeO2、NaNiO2、NaCoO2、NaMnO2、NaFe1−xM1 xO2、NaNi1−xM1 xO2、NaCo1−xM1 xO2、NaMn1−xM1 xO2(ただし、M1は3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である)、NabM2cSi12O30(M2は1種以上の遷移金属元素、2≦b≦6、2≦c≦5:例えば、Na6Fe2Si12O30又はNa2Fe5Si12O30)、NadM3eSi6O18(M3は1種以上の遷移金属元素、3≦d≦6、1≦e≦2:例えば、Na2Fe2Si6O18又はNa2MnFeSi6O18)、NafM4gSi2O6(M4は遷移金属元素、MgおよびAlからなる群より選ばれる1種以上の元素、1≦f≦2、1≦g≦2:例えば、Na2FeSi2O6)、リン酸塩(例えば、NaFePO4、Na3Fe2(PO4)3)、ホウ酸塩(例えば、NaFeBO4、又はNa3Fe2(BO4)3)、NahM5F6(M5は1種以上の遷移金属元素、2≦h≦3:例えば、Na3FeF6およびNa2MnF6)で示される化合物を挙げることができる。
正極活物質層は、通常集電体を有する。負極集電体としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボンを用いるができ、中でも、アルミニウム又はSUSが好ましい。
これら正極と負極との組み合わせで用いられる非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。しかしながら、電解液は、本発明の効果が得られる限りにおいて、限定されるものではなく、例えばイオン液体を用いてもよい。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ−ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、又は1,3−ジオキソランなどの有機溶媒の一種又は二種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)2、NaN(FSO2)2、NaN(C2F5SO2)2、NaC(CF3SO2)3、NaAsF6、NaPF6、NaB(C6H5)4、CH3SO3Na、CF3SO3Na、NaCl、又はNaBRを挙げることができる。二次電池は、一般に上記のようにして形成した正極層と負極層とを必要に応じて不織布、その他の多孔質材料などからなる透液性セパレータを介して対向させ電解液中に浸漬させることにより形成される。セパレータとしては、二次電池に通常用いられる不織布、その他の多孔質材料からなる透過性セパレータを用いることができる。あるいはセパレータの代わりに、もしくはセパレータと一緒に、電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。
なお、以下に炭素質材料の物性値(「水素/炭素の原子比(H/C)」、「ブタノール真密度」、「ヘリウム真密度」、「平均粒子径」、「比表面積」及び「炭素材の平均層面間隔d002」)の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載するこれらの物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。
JIS M8819に定められた方法に準拠し測定した。CHNアナライザーによる元素分析により得られる試料中の水素及び炭素の質量割合から、水素/炭素の原子数の比として求めた。
JIS R7212に定められた方法に準拠し、ブタノールを用いて測定した。概要を以下に記す。なお、炭素質前駆体及び炭素質材料のいずれも、同じ測定方法で測定した。
内容積約40mLの側管付比重びんの質量(m1)を正確に量る。次に、その底部に試料を約10mmの厚さになるように平らに入れた後、その質量(m2)を正確に量る。これに1−ブタノールを静かに加えて、底から20mm程度の深さにする。次に比重びんに軽い振動を加えて、大きな気泡の発生がなくなったのを確かめた後、真空デシケーター中に入れ、徐々に排気して2.0〜2.7kPaとする。その圧力に20分間以上保ち、気泡の発生が止まった後取り出して、更に1−ブタノールで満たし、栓をして恒温水槽(30±0.03℃に調節してあるもの)に15分間以上浸し、1−ブタノールの液面を標線に合わせる。次に、これを取り出して外部をよくぬぐって室温まで冷却した後、質量(m4)を正確に量る。次に同じ比重びんに1−ブタノールだけを満たし、前記と同じようにして恒温水槽に浸し、標線を合わせた後、質量(m3)を量る。また、使用直前に沸騰させて溶解した気体を除いた蒸留水を比重びんにとり、前と同様に恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m5)を量る。真密度(ρBt)は次の式により計算する。
試料約0.1gに対し、分散剤(カチオン系界面活性剤「SNウェット366」(サンノプコ社製))を3滴加え、試料に分散剤を馴染ませる。次に、純水30mLを加え、超音波洗浄機で約3分間分散させたのち、粒径分布測定器(日機装株式会社製「Microtrac MT3300EXII」)で、粒径0.02〜2000μmの範囲の粒径分布を求めた。
得られた粒径分布から、累積容積が50%となる粒径をもって平均粒径Dv50(μm)とした。
ヘリウムを置換媒体とする真密度ρHeの測定は、マイクロメリティックス社製マルチボリューム・ピクノメーター(アキュピック1330)を用い、試料を200℃で12時間真空乾燥させてから行った。測定時の周囲温度は、25℃で一定として行った。本測定法での圧力はいずれもゲージ圧力であり、絶対圧力から周囲圧力を差し引いた圧力である。
測定装置マイクロメリティックス社製マルチボリューム・ピクノメーターは、試料室及び膨張室を具備し、試料室は室内の圧力を測定するための圧力計を備えている。試料室と膨張室はバルブを備える連結管により接続されている。試料室にはストップバルブを備えるヘリウムガス導入管が接続され、膨張室にはストップバルブを備えるヘリウムガス配出管が接続されている。
測定は以下のようにして行った。試料室の容積(VCELL)及び膨張室の容積(VEXP)を標準球を用いて予め測定しておいた。試料室に試料を入れ、試料室のヘリウムガス導入管、連結管、膨張室のヘリウムガス排出管を通して、ヘリウムガスを2時間流して装置内をヘリウムガスで置換した。次に試料室と膨張室の間のバルブ及び膨張室からのヘリウムガス排出管のバルブを閉じ(膨張室には周囲圧力と同じ圧力のヘリウムガスが残る)、試料室のヘリウムガス導入管からヘリウムガスを134kPaになるまで導入した後、ヘリウムガス導入管のストップバルブを閉じた。ストップバルブを閉じてから5分後の試料室の圧力(P1)を測定した。次に試料室と膨張室の間のバルブを開いて、ヘリウムガスを膨張室に移送し、そのときの圧力(P2)を測定した。
試料の体積(VSAMP)は次式で計算した。
VSAMP=VCELL−VEXP/[(P1/P2)−1]
したがって、試料の重量をWSAMPとすると、ヘリウム真密度はρHe=WSAMP/VSAMPとなる。
平衡速度の設定は0.010psig/minに設定した。
JIS Z8830に定められた方法に準拠し、比表面積を測定した。概要を以下に記す。
BETの式から誘導された近似式
具体的には、マイクロメリティックス社製「Flow Sorb II2300」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における炭素質物質への窒素の吸着量を測定した。
炭素材料を試料管に充填し、窒素ガスを20モル%濃度で含有するヘリウムガスを流しながら、試料管を−196℃に冷却し、炭素材に窒素を吸着させる。次に試験管を室温に戻す。このとき試料から脱離してくる窒素量を熱伝導度型検出器で測定し、吸着ガス量vとした。
炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、PANalytical社製X’Pert PROを用いて、対称反射法にて測定した。走査範囲は8<2θ<50°で印加電流/印加電圧は45kV/40mAの条件で、Niフィルターにより単色化したCuKα線(λ=1.5418Å)を線源とし、X線回折図形を得た。標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正した。CuKα線の波長を0.15418nmとし、Braggの公式によりd002を計算した。
椰子殻を破砕し、500℃で乾留して、粒径2.360〜0.850mmの椰子殻チャー(粒径2.360〜0.850mmの粒子を98重量%含有)を得た。この椰子殻チャー100gに対して、塩化水素ガス1体積%含む窒素ガスを10L/分の流量で供給して、950℃で80分間処理した。その後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、更に950℃、30分間熱処理し、椰子殻チャー炭素前駆体を得た。得られた椰子殻チャー炭素前駆体を、ボールミルで平均粒子径8μmに粗粉砕した後、コンパクトジェットミル(コジェットシステムα−mkIII)で粉砕及び分級し、横型管状炉中に粉末状椰子殻チャー炭素前駆体10gを置き、窒素雰囲気下で、1100℃で1時間本焼成を行い、平均粒子径5μmのナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料を得た。なお、本焼成は、流量10L/minの窒素雰囲気下で行った。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
本焼成温度を1250℃とした以外は、実施例1の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
本焼成温度を1450℃とした以外は、実施例1の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
平均粒子径を9μmとしたこと、及び本焼成温度を1450℃としたこと以外は、実施例1の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
本焼成前に椰子殻チャー炭素前駆体とポリスチレンを重量比で90/10で混合し、そして本焼成温度を1250℃とした以外は、実施例1の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
粒径200μmの椰子殻チャー(500℃で乾留)に窒素雰囲気中で水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を加え含浸させたのち、これを減圧加熱脱水処理することにより椰子殻チャーに対して20重量%のNaOHを添着した炭素質前駆体を得た。次に、NaOHを添着した炭素質前駆体10gを窒素雰囲気中800℃で熱処理した後、反応管中に流通している窒素ガスを塩素ガスと窒素ガスの混合ガスに代えて860℃で1時間保持した。続いて塩素ガスの流通を止め、窒素雰囲気下で30分間保持し、椰子殻焼成炭を得た。得られた椰子殻粉砕炭200gをジェットミル(ホソカワミクロン社AIR JET MILL;MODEL 100AFG)により、20分間粉砕し、平均粒子径が18〜23μmの粉砕炭素質前駆体を得た。粉砕炭素質前駆体を250℃/hの昇温速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持して、本焼成を行い焼成炭を得た。なお、本焼成は、流量10L/minの窒素雰囲気下で行った。得られた焼成炭5gを石英製の反応管に入れ、窒素ガス気流下で780℃に加熱保持し、その後反応管中に流通している窒素ガスをヘキサンと窒素ガスの混合ガスに代えることにより熱分解炭素による焼成炭への被覆を行った。ヘキサンの注入速度は0.3g/分であり、30分間注入後、ヘキサンの供給を止め、反応管中のガスを窒素で置換したのち放冷し、炭素質材料6を得た。
抽出後のコーヒー残渣1000gに対して1%塩酸3000gを加え、室温で10分撹拌した後に濾過した。次に水3000gを加えて10分撹拌した後濾過する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。得られた脱灰コーヒー抽出残渣を窒素ガス雰囲気中で乾燥させたのち、400℃で予備焼成を行い、コーヒーチャーを得た。コーヒーチャーをロッドミルで粒径20μmまで粉砕し、窒素雰囲気中で水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を加え含浸させたのち、これを120℃で加熱脱水処理することによりコーヒーチャーに対して15.0重量%のNaOHを添着した炭素質前駆体を得た。次に、NaOHを添着した炭素質前駆体10gを窒素雰囲気中800℃で熱処理した後、反応管中に流通している窒素ガスを塩素ガスと窒素ガスの混合ガスに代えて860℃で1時間保持した。続いて塩素ガスの流通を止め、窒素雰囲気下で30分間保持し、炭素質前駆体を得た。炭素質前駆体を250℃/hの昇温速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持して、本焼成を行い焼成炭を得た。なお、本焼成は、流量10L/minの窒素雰囲気下で行った。得られた焼成炭5gを石英製の反応管に入れ、窒素ガス気流下で780℃に加熱保持し、その後反応管中に流通している窒素ガスをヘキサンと窒素ガスの混合ガスに代えることにより熱分解炭素による焼成炭への被覆を行った。ヘキサンの注入速度は0.3g/分であり、30分間注入後、ヘキサンの供給を止め、反応管中のガスを窒素で置換したのち放冷し、炭素質材料7を得た。
本焼成時の粉末状椰子殻チャー炭素前駆体を20g、窒素の流量を2L/minとした以外は、実施例1の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
本焼成時の粉末状椰子殻チャー炭素前駆体を20g、窒素の流量を2L/minとした以外は、実施例4の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
本焼成温度を1000℃とした以外は、実施例1の操作を繰り返して炭素質材料を得た。
上記炭素材94重量部、ポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製「KF#9100」)6重量部にNMPを加えてペースト状にし、銅箔上に均一に塗布した。乾燥した後、銅箔より直径15mmの円板状に打ち抜き、これをプレスして電極とした。なお、電極中の炭素材料の量は約10mgになるように調整した。
本発明の炭素材は非水電解質二次電池の負極電極を構成するのに適しているが、電池活物質の放電容量(脱ドープ量)及び不可逆容量(非脱ドープ量)を、対極の性能のバラツキに影響されることなく精度良く評価するために、特性の安定したナトリウム金属を対極として、上記で得られた電極を用いてナトリウム二次電池を構成し、その特性を評価した。
ナトリウム極の調製はAr雰囲気中のグローブボックス内で行った。予め2016サイズのコイン型電池用缶の外蓋に直径16mmのステンレススチール網円盤をスポット溶接した後、厚さ0.8mmの金属ナトリウム薄板を直径15mmの円盤状に打ち抜いたものをステンレススチール網円盤に圧着し、電極(対極)とした。
このようにして製造した電極の対を用い、電解液としてはプロピレンカーボネートに1.0mol/Lの割合でNaPF6を加えたものを使用し、直径19mmの硼珪酸塩ガラス繊維製微細細孔膜をセパレータとして、ポリエチレン製のガスケットを用いて、Arグローブボックス中で、2016サイズのコイン型非水電解質系ナトリウムイオン二次電池を組み立てた。
上記構成のナトリウムイオン二次電池について、充放電試験装置(東洋システム製「TOSCAT」)を用いて充放電試験を行った。炭素極へのナトリウムのドープ反応を定電流定電圧法により行い、脱ドープ反応を定電流法で行った。ここでは、便宜上炭素極へのナトリウムのドープ反応を「充電」と記述することにする。逆に「放電」とは試験電池では充電反応であるが、炭素材からのナトリウムの脱ドープ反応であるため便宜上「放電」と記述することにする。ここで採用した充電方法は定電流定電圧法であり、具体的には端子電圧が0mVになるまで0.1mA/cm2の電流密度で定電流充電を行い、端子電圧が0mVに達した後、端子電圧0mVで定電圧充電を行い、電流値が20μAに達するまで充電を継続した。このときの供給した電気量を電極の炭素材の質量で除した値を炭素材の単位重量当たりの充電容量(mAh/g)と定義する。充電終了後、30分間電池回路を開放し、その後、炭素質材料からナトリウムの脱ドープを行った。脱ドープは0.1mA/cm2の電流密度で行い、終止電圧を1.5Vとした。このときの電気量を電極の炭素材の質量で除した値を炭素材の単位重量当たりの放電容量(mAh/g)と定義する。ついで、不可逆容量は充電容量と放電容量の差として定義する。放電容量を充電容量で除した値に100を乗じて、効率(%)とした。測定は25℃で行い、同一試料を用いて作製した試験電池についてのn=3の測定値を平均して充放電容量、不可逆容量、効率を決定した。
なお、電池性能を測定した試験電池は、ナトリウム金属(対極)及び、本発明の炭素質材料を含む炭素極を用いたハーフセルである。従って、前記試験電池(ハーフセル)は、「[3]ナトリウムイオン二次電池」の項に記載の実セル(フルセル)の構成を有するものではない。しかしながら、当業者であれば「[3]ナトリウムイオン二次電池」の記載から、本発明の炭素質材料を用いてフルセルを製造することは可能である。また、本実施例で得られたハーフセルの電池性能は、フルセルの電池性能と、相関するものである。
Claims (9)
- 椰子殻及びコーヒー豆から選択される少なくとも1種の植物を炭素源とする炭素質材料であって、BET比表面積が100m2/g以下であることを特徴とするナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料。
- ブタノール法によって求められる真密度が1.53g/cm3未満である、請求項1に記載のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料。
- 元素分析により求められる水素原子と炭素原子の比H/Cが0.05以下である、請求項1又は2に記載のナトリウムイオン二次電池負極用炭素質材料。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭素質材料を含むナトリウムイオン二次電池用負極電極。
- 請求項4に記載の電極を含むナトリウムイオン二次電池。
- 植物原料からのチャーの調製工程、液相脱灰工程、アルカリ添着工程、気相脱灰工程、粉砕工程、予備焼成工程、本焼成工程、及び熱分解炭素の被覆工程からなる群から選択される工程の組み合わせを含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭素質材料の製造方法。
- 植物原料からのチャーの調製工程、気相脱灰工程、粉砕工程、及び本焼成工程からなる、請求項6に記載の製造方法。
- 粉砕工程、植物原料からのチャーの調製工程、アルカリ添着工程、予備焼成工程、粉砕工程、本焼成工程、及び被覆工程からなる、請求項6に記載の炭素質材料の製造方法。
- 液相脱灰工程、植物原料からのチャーの調製工程、粉砕工程、アルカリ添着工程、予備焼成工程、本焼成工程、及び被覆工程からなる、請求項6に記載の炭素質材料の製造方法。
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