JP6930641B1 - リチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料、リチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極、リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、リン酸リチウム系粒子の結晶性を高めて、リン酸リチウム系粒子からの鉄の溶出を抑制する方法が知られている。
また、正極活物質の表面を炭素で被覆し、正極活物質からの鉄の溶出を抑制する方法が知られている。
さらに、電解液にキレート剤を混合し、そのキレート剤で正極材料から溶出した鉄イオンを捕集する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、正極活物質の表面を炭素で完全に被覆しようとすると、炭素質被膜の厚さが大きくなる。炭素質被膜の厚さが大きくなると、リチウムイオンの移動に影響を及ぼし、特性が悪くなる。
さらに、キレート剤で鉄イオンを捕集する方法では、電池の駆動中に電解液中のキレート剤が負極側に移動し、負極表面に析出することにより、鉄の析出を抑制するが、一方で、キレート剤が電子およびリチウムイオンの移動の妨げとなる。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含む。言い換えれば、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料は、炭素材料と、該炭素材料に付着した金属吸着材と、を含む。なお、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料における炭素材料は、一次粒子である。
金属吸着材担持炭素材料の平均一次粒子径は、無作為に100個の一次粒子を選び出して、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)にて個々の一次粒子の最も長い辺の長さを測定して、その平均値として求めることができる。
炭素材料としては、特に限定されないが、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよび活性炭からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
カーボンブラックの平均一次粒子径は、無作為に100個の一次粒子を選び出して、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)にて個々の一次粒子の最も長い辺の長さを測定して、その平均値として求めることができる。
カーボンブラックの一次粒子の比表面積は、比表面積計を用いて、窒素(N2)吸着によるBET法により求められる。
カーボンナノチューブの直径は、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)により測定することができる。
カーボンナノチューブの長さは、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)により測定することができる。
活性炭の直径(メッシュ)は、標準ふるいを用いた分級により測定することができる。また、さらに粉砕を行い小さくしたものについては、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)にて個々の一次粒子の最も長い辺の長さを測定して、その平均値として求めることができる。
金属吸着材としては、鉄イオン(Fe2+、Fe3+)を吸着することができるものであれば、特に限定されず、例えば、オキシ水酸化鉄、水酸化鉄、リン酸カルシウム等が挙げられる。これらの中でも、鉄イオンとの親和性に優れる点から、オキシ水酸化鉄が好ましい。
本実施形態におけるオキシ水酸化鉄の製造方法は、表面活性化させたカーボンブラック粒子と純水に溶解させた硝酸鉄(III)・9水和物とを所定量混合して懸濁液を調製する工程と、前記の懸濁液に対して、水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し中和する工程と、中和した懸濁液を60℃にて72時間、加熱処理する工程と、加熱処理後の懸濁液をろ過し、ろ別(回収)した粒子を洗浄した後、乾燥する工程と、を有する。
炭素材料がカーボンブラックである場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量は、Fe換算で0.05mol%以上10mol%以下であることが好ましい。
炭素材料がカーボンナノチューブである場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量は、Fe換算で0.1mol%以上5mol%以下であることが好ましい。
炭素材料が活性炭である場合、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料におけるオキシ水酸化鉄の含有量は、Fe換算で0.1mol%以上5mol%以下であることが好ましい。
本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の製造方法は、炭素材料に金属吸着材を担持させる工程を有する。なお、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料の製造方法は、炭素材料に金属吸着材を担持させる工程の前に、炭素材料の表面活性処理を行う工程を有していてもよい。
工程Aでは、炭素材料に金属吸着材を担持させるために、予め炭素材料の表面活性を高める処理を施す。
硫酸と硝酸の混合比は、質量比(硫酸:硝酸)で、5:1以上1:5以下であることが好ましい。
前記の混合物100質量部に対する過マンガン酸カリウムの添加量は、3質量部以上20質量部以下であることが好ましい。
表面処理液100質量部に対する炭素材料の添加量は、1質量部以上30質量部以下であることが好ましい。
炭素材料を含む表面処理液100質量部に対する純水の添加量は、100質量部以上500質量部以下であることが好ましい。
表面活性処理を施した炭素材料と、純水に硝酸鉄(III)・九水和物を溶解した硝酸鉄(III)水溶液とを混合し、懸濁液を調製する。
純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量は、Fe換算で0.1mol%以上5mol%以下であることが好ましい。
水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、0.1mol/L以上10mol/L以下であることが好ましい。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被膜で被覆されたオリビン系正極活物質(以下、「炭素質被覆正極活物質」と言うことがある。)と、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料と、を含む。すなわち、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、炭素質被覆正極活物質と本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料との混合物である。
オリビン系正極活物質は、一般式LixAyDzPO4(但し、AはCo、Mn、Ni、Fe、CuおよびCrからなる群から選択される少なくとも1種、DはMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、ScおよびYからなる群から選択される少なくとも1種、0.9<x<1.1、0<y≦1、0≦z<1、0.9<y+z<1.1)で表わされる化合物からなる。
炭素質被膜は、原料となる有機化合物が炭化することにより得られる熱分解炭素質被膜である。炭素質被膜の原料となる炭素源は、炭素の純度が40.00%以上60.00%以下の有機化合物由来であることが好ましい。
炭素の純度(%)=総炭素量(質量%)/総配合量(質量%)×100・・・(1)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法は特に限定されないが、例えば、LixAyDzPO4粒子と、本実施形態に係る金属吸着材担持炭素材料と、有機化合物とを混合して分散処理して分散体を作製する工程と、この分散体を乾燥して乾燥体とする工程と、この乾燥体を非酸化性雰囲気下で焼成し、炭素質被覆電極活物質の一次粒子で造粒された造粒体を得る工程と、を有する方法が挙げられる。
この場合、水和前駆体溶液撹拌時の温度および時間と水熱処理時の温度、圧力および時間を調整することにより、LixAyDzPO4粒子の粒子径を所望の大きさに制御することが可能である。
これらの中でも、塩化リチウムと酢酸リチウムは、均一な溶液相が得られやすいため好ましい。
また、D源としては、マグネシウム化合物からなるMg源、カルシウム化合物からなるCa源、ストロンチウム化合物からなるSr源、バリウム化合物からなるBa源、チタン化合物からなるTi源、亜鉛化合物からなるZn源、ホウ素化合物からなるB源、アルミニウム化合物からなるAl源、ガリウム化合物からなるGa源、インジウム化合物からなるIn源、ケイ素化合物からなるSi源、ゲルマニウム化合物からなるGe源、スカンジウムム化合物からなるSc源、および、イットリウム化合物からなるY源からなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
特に、オルトリン酸は、均一な溶液相を形成しやすいので好ましい。
多価アルコールとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリグリセリン、グリセリン等が挙げられる。
分散方法は、特に限定されないが、LixAyDzPO4粒子と金属吸着材担持炭素材料の凝集状態をほぐすことができる装置を用いることが好ましい。このような分散装置としては、例えば、ボールミル、サンドミル、プラネタリー(遊星式)ミキサー等が挙げられる。特に連続式の分散装置を用いることで、分散処理中にサンプリングすることが可能となり、スパン値による終点判断が容易となる。
本工程では、分散体から溶媒(水)を散逸させることができれば乾燥方法は特に限定されない。
なお、凝集粒子を作製する場合には、噴霧乾燥法を用いて乾燥すればよい。例えば、分散体を100℃以上300℃以下の高温雰囲気中に噴霧し、乾燥させ、粒子状乾燥体または造粒状乾燥体とする方法が挙げられる。
この非酸化性雰囲気としては、窒素(N2)、アルゴン(Ar)等の不活性雰囲気が好ましく、より酸化を抑えたい場合には水素(H2)等の還元性ガスを含む還元性雰囲気が好ましい。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極は、電極集電体と、その電極集電体上に形成された正極合剤層(電極)と、を備え、正極合剤層が、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を含有するものである。
すなわち、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を用いて、電極集電体の一主面に正極合剤層が形成されてなるものである。
まず、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料と、結着剤と、導電助剤と、溶媒とを混合してなる、リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストを調製する。
結着剤、すなわちバインダー樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂、フッ素ゴム等が好適に用いられる。
導電助剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素の群から選択される少なくとも1種が用いられる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極材料を含むリチウムイオン二次電池用正極材料ペーストでは、電極集電体等の被塗布物に対して塗布し易くするために、溶媒を適宜添加してもよい。
リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストに用いる溶媒としては、バインダー樹脂の性質に合わせて適宜選択すればよい。
溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール(イソプロピルアルコール:IPA)、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ジアセトンアルコール等のアルコール類、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン等のエステル類、ジエチルエーテル、エチレングルコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングルコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングルコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、メチルイソブチルケトン(MIBK)、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類等を挙げることができる。これらは、1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
上記の範囲で溶媒が含有されることにより、電極形成性に優れ、かつ電池特性に優れた、リチウムイオン二次電池用正極材料ペーストを得ることができる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、を備え、正極として、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極を備える。
負極としては、例えば、金属Li、炭素材料、Li合金、Li4Ti5O12等の負極材料を用いることができる。
また、非水電解質とセパレータの代わりに、固体電解質を用いてもよい。
セパレータとしては、例えば、多孔質プロピレンを用いることができる。
「金属吸着材担持炭素材料の作製」
(炭素材料の表面活性処理)
硫酸20mLに硝酸10mLをゆっくりと加え、これらの混合物を室温(25℃)まで冷却した後、その混合物に過マンガン酸カリウム3gを溶解し、表面処理液を得た。
表面処理液120gに導電性カーボンブラック粒子(平均一次粒子径:48nm、商品名:デンカブラック HS−100、デンカ社製)12gを浸漬し、室温(25℃)にて3時間保持した。
その後、カーボンブラック粒子を含む表面処理液132gに純水100gを追加し、3時間保持した。
さらに、表面処理液が透明になり、気泡が発生しなくなるまで、表面処理液に過酸化水素水を添加した。
気泡が発生しなくなった後、表面処理液中のカーボンブラック粒子をろ過し、回収したカーボンブラック粒子を純水で洗浄した。
次に、洗浄後のカーボンブラック粒子を、0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液に水酸化ホウ素ナトリウム0.5gを溶解した水溶液に浸漬し、90℃にて3時間熱処理を行った。
次に、水溶液中のカーボンブラック粒子をろ過した後、純水で洗浄し、表面活性処理を施したカーボンブラック粒子を得た。
表面活性処理を施したカーボンブラック粒子12gと、純水に硝酸鉄(III)・九水和物を溶解した硝酸鉄(III)水溶液とを混合し、懸濁液を調製した。純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量を、Fe換算で0.1mol%とした。
次に、懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を5mol/Lとした。
その後、中和後の懸濁液を60℃にて72時間熱処理を行った。
次に、懸濁液中のカーボンブラック粒子をろ過した後、回収したカーボンブラック粒子を純水で洗浄し、100℃にて、12時間乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンブラック粒子を得た。
Li源としてLiOH、P源としてNH4H2PO4、Fe源としてFeSO4・7H2Oを用い、Li、FeおよびPのモル比がLi:Fe:P=3:1:1となるように、Li源、P源およびFe源を純水に混合して、200mLの均一なスラリー状の混合物を調製した。
次いで、この混合物を耐圧容器に入れた。
その後、この混合物について、170℃にて12時間、加熱反応を行い、水熱合成を行った。このときの耐圧容器内の圧力は1.3MPaであった。
反応後、耐熱容器内の雰囲気が室温(25℃)になるまで冷却して、ケーキ状態の反応生成物の沈殿物を得た。
この沈殿物を蒸留水で複数回、充分に水洗し、乾燥しないように含水率30%に保持し、ケーキ状物質とした。
このケーキ状物質を70℃にて2時間真空乾燥させて、得られた粉末をX線回折で分析した結果、単相のLiFePO4が形成されていることが確認された。
次に、スプレードライヤーを用いて、乾燥出口温度が60℃となる温度で、混合物を乾燥し、造粒粉を得た。
次に、管状炉を用いて、造粒粉を750℃にて2時間熱処理を行い、炭素質被覆正極活物質を得た。
実施例および比較例で得られた炭素質被覆正極活物質と、導電助材としてアセチレンブラック(AB)と、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、電極材料:AB:PVdF=90:5:5の質量比で、N−メチル−2−ピロリジノン(NMP)に混合し、正極材料ペーストとした。
得られたペーストを、厚さ30μmのアルミニウム箔上に塗布、乾燥後、所定の密度となるように圧着して電極板とした。
得られた電極板を3×3cm2(塗布面)+タブしろの板状に打ち抜き、タブを溶接して試験電極を作製した。
一方、対極には同様に天然黒鉛を塗布した塗布電極を用いた。
セパレータとしては、多孔質ポリプロピレン膜を採用した。
また、非水電解液(非水電解質溶液)として1mol/Lのヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)溶液を用いた。なお、このLiPF6溶液に用いられる溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルを体積%で1:1に混合し、添加剤として炭酸ビニレン2%を加えたものを用いた。
以上のようにして作製した試験電極、対極および非水電解液を用いて、ラミネート型のセルを作製し、実施例および比較例の電池とした。
純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量をFe換算で10mol%とした硝酸鉄(III)水溶液を用いて、懸濁液を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
表面活性処理を施したカーボンナノチューブ(直径:8nm未満、長さ:5μm〜20μm、商品名:0550CA−OH、コアフロント社製)12gと、純水に硝酸鉄(III)・九水和物を溶解した硝酸鉄(III)水溶液とを混合し、懸濁液を調製した。純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量を、Fe換算で0.1mol%とした。
次に、懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を5mol/Lとした。
その後、中和後の懸濁液を60℃にて72時間熱処理を行った。
次に、懸濁液中のカーボンナノチューブをろ過した後、回収したカーボンナノチューブを純水で洗浄し、100℃にて、12時間乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンナノチューブを得た。
得られたオキシ水酸化鉄が担持されたカーボンナノチューブの添加量を、導電性炭素100質量部に対して、30質量部としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例3のリチウムイオン二次電池を作製した。
純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量をFe換算で5mol%とした硝酸鉄(III)水溶液を用いて、懸濁液を調製したこと以外は、実施例3と同様にして、実施例4のリチウムイオン二次電池を作製した。
表面活性処理を施した活性炭(直径(メッシュ):3μm以下、商品名:UCG−CPS、ユーイーエス社製)12gと、純水に硝酸鉄(III)・九水和物を溶解した硝酸鉄(III)水溶液とを混合し、懸濁液を調製した。純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量を、Fe換算で0.1mol%とした。
次に、懸濁液に水酸化ナトリウム水溶液を撹拌下で添加し、懸濁液を中和した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を5mol/Lとした。
その後、中和後の懸濁液を60℃にて72時間熱処理を行った。
次に、懸濁液中の活性炭をろ過した後、回収した活性炭を純水で洗浄し、100℃にて、12時間乾燥して、オキシ水酸化鉄が担持された活性炭を得た。
得られたオキシ水酸化鉄が担持された活性炭の添加量を、導電性炭素100質量部に対して、30質量部としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例5のリチウムイオン二次電池を作製した。
純水に溶解する硝酸鉄(III)・九水和物の量をFe換算で3mol%とした硝酸鉄(III)水溶液を用いて、懸濁液を調製したこと以外は、実施例5と同様にして、実施例6のリチウムイオン二次電池を作製した。
オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンブラック粒子の添加量を、導電性炭素100質量部に対して、50質量部としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例7のリチウムイオン二次電池を作製した。
オキシ水酸化鉄が担持された活性炭の添加量を、導電性炭素100質量部に対して、10質量部としたこと以外は、実施例5と同様にして、実施例8のリチウムイオン二次電池を作製した。
オキシ水酸化鉄が担持されたカーボンブラック粒子を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、比較例のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1〜実施例8および比較例で得られたリチウムイオン二次電池について、下記の方法にて、サイクル試験による容量維持率を測定した。
カットオフ電圧を、2.5V−3.7V(vsカーボン負極)とした。
環境温度25℃にて、充電電流を2C、放電電流を2Cとして、定電流充放電により放電容量を測定し、測定された値を初期放電容量とした。
その後、環境温度を45℃に設定し、充電電流を2C、放電電流を2Cとして定電流充放電を600回行い、その後、再度、環境温度25℃にて、充電電流を2C、放電電流を2Cとして、定電流充放電により放電容量を測定し、サイクル後の放電容量を得た。
サイクル試験容量維持率(%)=(サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)×100として、サイクル試験による容量維持率を算出した。
600回の定電流充放電後の容量維持率が75%以上の場合を「良好」、74%以下の場合を「不良」と判定した。
結果を表1に示す。
一方、オキシ水酸化鉄が担持された炭素材料を含まない正極材料を用いて作製された正極を備える比較例のリチウムイオン二次電池は、600回の定電流充放電後の容量維持率が65%であり、不良であることが分かった。
Claims (7)
- 炭素材料と、該炭素材料に担持された金属吸着材と、を含み、
前記金属吸着材が、鉄イオン(Fe 2+ 、Fe 3+ )を吸着することができる材料である、リチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料。 - 前記炭素材料が、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよび活性炭からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料。
- 前記金属吸着材が、オキシ水酸化鉄、水酸化鉄またはリン酸カルシウムである、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用金属吸着材担持炭素材料。
- 金属元素の含有量が、前記炭素材料の0.01mol%以上10mol%以下である、請求項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金属吸着材担持炭素材料。
- 炭素質被膜で被覆されたFeを含むオリビン系正極活物質と、請求項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金属吸着材担持炭素材料と、を含む、リチウムイオン二次電池用正極材料。
- 電極集電体と、該電極集電体の上に形成された正極合剤層と、を備えたリチウムイオン二次電池用正極であって、
前記正極合剤層は、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料を含有する、リチウムイオン二次電池用正極。 - 正極と、負極と、非水電解質と、を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極として、請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用正極を備える、リチウムイオン二次電池。
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