JP6960717B2 - 非水系二次電池負極用活物質並びにそれを用いた負極及び非水系二次電池 - Google Patents
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Description
中でも、黒鉛化度の大きい黒鉛は、リチウムイオン二次電池用の負極用活物質として用いた場合、黒鉛のリチウム吸蔵の理論容量である372mAh/gに近い容量が得られ、さらに、コスト・耐久性にも優れることから、負極用活物質として好ましいことが知られている。
例えば、特許文献1には、電解質中に、スルホニル基と不飽和結合とを有する不飽和鎖状スルホン化合物などを含有させることにより、高温特性、保存特性あるいはサイクル特性などを向上させる技術が提案されている。
術が提案されている。
ここで本発明に係る非水系二次電池負極用活物質が前記効果を奏する詳細は不明であるが、発明者らの検討の結果、優れた電池特性は次のような効果によると考えられる。
加えて、電池内で生成したラジカルによって化合物(B)自体がラジカル重合することにより、活物質(A)表面に非水系電解液に膨潤しない、緻密で高い化学的安定性を有する電子絶縁被膜を形成し、その化合物(B)由来の形成被膜が活物質(A)と非水系電解液との接触を大幅に低減可能なため、活物質(A)と非水系電解液との接触による還元反応を抑制し、サイクル特性を向上させると考えられる。単独重合性が低い化合物(B)の場合にも、電池内で生成したラジカルによって、活物質(A)表面に電解液の還元分解物を効果的に捕捉し、強固な被膜を形成することで、活物質(A)と非水系電解液との接触による還元反応を抑制するとともに、電解液の還元分解物が電解液中に溶出し、正極側での副反応を起こすことも同時に抑制するため、サイクル特性を向上させると考えられる。
すなわち、本発明の要旨は、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な活物質(A)と、化合物(B)及び/又は該化合物(B)の重合体とを含有する非水系二次電池負極用活物質であって、該化合物(B)は、分子構造中にラジカル重合可能な不飽和結合を有し、且つ有機酸無水物、有機酸エステル、及び有機酸アミドからなる群より選ばれる少なくとも1種の有機酸誘導体である、非水系二次電池負極用活物質に存する。
また、本発明の他の要旨は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに、電解質を備えると共に、該負極が上記非水系二次電池用負極であることを特徴とする非水系二次電池に存する。
[非水系二次電池負極用活物質]
本発明の非水系二次電池負極用活物質は少なくとも活物質(A)及び、化合物(B)及び/又は該化合物の重合体を含有する。
活物質(A)は、その骨格中にリチウムイオンを吸蔵・放出することができる材料であれば特に制限されない。
その例としては、黒鉛、非晶質炭素、黒鉛化度の小さい炭素質物に代表される種々の炭素材料、シリコン系材料、スズ系材料が挙げられる。これらについては詳述するが、中でも人造黒鉛、天然黒鉛、非晶質炭素、シリコン、及びシリコン酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種であることがリチウム貯蔵容量、サイクル特性、コストバランスの点から好ましい。またこれらを非晶質炭素や黒鉛化物で被覆したものを用いても良い。
前記活物質(A)の形状は特に制限されず、球状、薄片状、繊維状、不定形粒子、複数の粒子が非平行に集合又は結合させてなる粒子などから適宜選択して用いることができる。本発明の好ましい態様の一つとしては、球状である。
これら炭素材料は、不純物の少ないものが好ましく、必要に応じて種々の精製処理を施して用いる。
これらの天然黒鉛の中で、土壌黒鉛は一般に粒径が小さいうえ、純度が低い。これに対して、鱗片状黒鉛や鱗状黒鉛は、黒鉛化度が高く不純物量が低い等の長所があるため、本発明において好ましく使用することができる。
更に具体的には、高純度化した鱗片状の天然黒鉛に球形化処理を施して得られた球形化天然黒鉛である。前記球形化処理の方法については後述する。
前記人造黒鉛としては、例えば、コールタールピッチ、石炭系重質油、常圧残油、石油系重質油、芳香族炭化水素、窒素含有環状化合物、硫黄含有環状化合物、ポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルブチラール、天然高分子、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂などの黒鉛化可能な有機物を焼成し、黒鉛化したものやバルクメソフェーズを黒鉛化したものが挙げられる。
焼成温度は、2500℃以上、3200℃以下の範囲とすることができ、焼成の際、珪素含有化合物やホウ素含有化合物などを黒鉛化触媒として用いることもできる。
前記黒鉛化度の小さい炭素質物としては、有機物を通常2500℃未満の温度で焼成したものが挙げられる。有機物としては、コールタールピッチ、乾留液化油などの石炭系重質油;常圧残油、減圧残油などの直留系重質油;原油、ナフサなどの熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油などの石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセンなどの芳香族炭化水素;フェナジンやアクリジンなどの窒素含有環状化合物;チオフェンなどの硫黄含有環状化合物;アダマンタンなどの脂肪族環状化合物;ビフェニル、テルフェニルなどのポリフェニレン;ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラールなどのポリビニルエステル類;ポリビニルアルコールなどの熱可塑性高分子などが挙げられる。
焼成の際、有機物にリン酸、ホウ酸、塩酸などの酸類や、水酸化ナトリウム等のアルカリ類などを混合することもできる。
シリコン系材料としては、小粒径、薄膜、多孔質構造などリチウム挿入、脱離時の体積膨張収縮を緩和可能な形態が好ましく、必要に応じて炭素材料やその他活物質材料と複合化して用いることができる。
次に、活物質(A)の各種物性について説明する。活物質(A)は、下記物性のうち、少なくとも1つ以上を満たすことが好ましい。
活物質(A)の平均粒子径(d50)は、通常1μm以上、50μm以下である。この範囲であれば、負極製造時において極板化した際に、負極形成材料の筋引きなど、工程上の不都合が生ずることを防止することができる。
平均粒子径(d50)は、好ましくは4μm以上、より好ましくは10μm以上であり、また、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下である。
活物質(A)のタップ密度は、通常0.7g/cm3以上であり、1.0g/cm3以上が好ましい。また、通常1.3g/cm3以下であり、1.1g/cm3以下が好ましい。
タップ密度が低すぎると、非水系二次電池用の負極に用いた場合に高速充放電特性に劣り、一方タップ密度が高すぎると、負極を構成する材料である粒子内における活物質(A)の密度が高く、負極形成材料の圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
活物質(A)のBET法で測定した比表面積(BET法比表面積)は、通常1m2/g以上、11m2/g以下である。この範囲であれば、Liイオンが出入りする部位が十分であるため、非水系二次電池用の負極に用いた場合でも良好な高速充放電特性・出力特性が得られ、活物質の非水系電解液に対する活性を制御し、初期不可逆容量を小さくし、さらには高容量化を容易に図ることができる。
なお、本願明細書において、BET法比表面積は、比表面積測定装置を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET5点法にて測定した値とする。
活物質(A)が炭素材料である場合、該炭素材のX線広角回折法による(002)面の面間隔d002は、通常0.335nm以上、0.340nm未満、好ましくは0.339nm以下であり、より好ましくは0.337nm以下である。d002値が0.340nm未満であれば、適切な結晶性が得られ、非水系二次電池用の負極に用いた場合に初期不可逆容量の増加が抑制できる。なお、0.335nmは黒鉛の理論値である。
活物質(A)が炭素材料である場合、該炭素材のラマンR値は、1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比R(R=IB/IA)を算出して定義する。
R値は通常0.01以上、1以下であり、0.6以下が好ましい。ラマンR値がこの範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、この範囲を上回ると、粒子表面の結晶性が乱れ、非水系電解液との反応性が増し、非水系二次電池用の負極に用いた場合に効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :532nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm−1
測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1
ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理(単純平均によるコンボリューション5ポイント)
以上説明した活物質(A)は種々の公知の方法により製造可能であり、その製造方法は特に制限されない。ここでは、本発明において活物質(A)として好ましく用いられる球形化天然黒鉛について、天然黒鉛からの製造方法について説明する。
上記装置を用いて球形化処理を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれるか、もしくは周囲エッジ部分が球形粉砕されて、母体粒子は球状となる。その母体粒子に、粉砕により生じた主に5μm以下の微粉が付着する。なお、球形化処理後の天然黒鉛の表面官能基量O/C値が通常1%以上、4%以下となる条件で、球形化処理を行うことが好ましい。
本発明に使用される活物質(A)は、その表面の少なくとも一部が炭素質物によって被覆されていてもよい。この被覆の態様は走査型電子顕微鏡(SEM)写真等で確認することができる。
なお、被覆処理に用いる炭素質物としては非晶質炭素及び黒鉛化物が挙げられるが、それらは後述する被覆処理における焼成温度の相違によって、得られるものが異なる。
(1)石炭系重質油、直流系重質油、分解系石油重質油、芳香族炭化水素、N環化合物、S環化合物、ポリフェニレン、有機合成高分子、天然高分子、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれた少なくとも1つ以上の炭化可能な有機物。
上記(1)及び(2)の中でも石炭系重質油、直流系重質油、若しくは分解系石油重質油、またはこれらを低分子有機溶媒に溶解させたものが、焼成後の炭素質物が均一に被覆されるのでより好ましい。
被覆処理においては、例えば活物質(A)として球形化天然黒鉛を用いて核黒鉛とした場合に、炭素質物を得るための炭素前駆体を被覆原料として、これらを混合、焼成することで、炭素質物が被覆された活物質(A)が得られる。
また、焼成後に適宜分級や解砕処理を行っても良い。
本発明の非水系二次電池負極用活物質は化合物(B)および化合物(B)の重合体由来の形成被膜を含有させることにより、活物質(A)表面と非水系電解液との反応を抑制し、抵抗上昇を伴わない形で、充放電サイクルにおける容量維持率を向上することができる。
ラジカル重合可能な不飽和結合とは、炭素−炭素結合であり、その結合が二重結合及び三重結合より選ばれる少なくとも一種の不飽和結合であれば特に限定されないが、中でも化合物の安定性に伴うハンドリング性の観点から炭素−炭素二重結合が好ましい。
やこれらのイソプレン構造を複数持つ重合性を有するモノテルペン類に該当する構造を有するものが挙げられる。
が上昇しにくくなる。
また、化合物(B)は、ラジカル重合可能な不飽和結合を有し、且つ有機酸無水物、有機酸エステル、及び有機酸アミドからなる群より選ばれる少なくとも1種の有機酸誘導体であるものであれば、低分子化合物であっても、高分子化合物(マクロモノマー)であってもよい。電池内負極活物質表面での緻密な重合被膜形成の点から低分子化合物が特に好ましい。
以下に本発明の化合物(B)の具体的な態様について詳述する。
マレイン酸無水物、メタクリル酸無水物、アリルマレイン酸無水物、アリルメタクリル酸無水物、スチレンマレイン酸無水物、ビニルコハク酸無水物、アリルコハク酸無水物、桂皮酸無水物、クロトン酸無水物、イソクロトン酸無水物、アンゲリカ酸無水物、チグリン酸無水物、ソルビン酸無水物、2−アリル−3−ヘキシルマレイン酸無水物等のカルボン酸無水物;
物、ビニルアミノベンゼンスルホン酸無水物、アリルアミノベンゼンスルホン酸無水物、アセチレンナフタレンスルホン酸無水物、プロパルギルナフタレンスルホン酸無水物、プロピンナフタレンスルホン酸無水物、ブチンナフタレンスルホン酸無水物、ペンチンナフタレンスルホン酸無水物等のスルホン酸無水物;
N-スクシンイミジル、炭酸プロパルギル等の炭酸エステル含有モノマー;アクリル酸メ
チル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸エチルヘキシル、アクリル酸ジメチルアミノエチル、アクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸トリフルオロエチル、アクリル酸プロパルギル、安息香酸ビニル、安息香酸プロパルギル、
プロピリデンアミノ]カルボキシアミノ)エチル、2-[(3,5-ジメチルピラゾリル)カルボニルアミノ]エチルメタクリレート、メタクリル酸2−イソブチリルメチル、メタクリル
酸2−イソブチリルエチル、メタクリル酸プロパルギル、
イタコン酸ジメチル、イタコン酸ジエチル、イタコン酸ジプロピル、イタコン酸ジブチル、イタコン酸ジエチルヘキシル、イタコン酸ジヒドロキシエチル、イタコン酸ジアリル、イタコン酸ジプロパルギル、
フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジプロピル、フマル酸ジブチル、フマル酸ジエチルヘキシル、フマル酸ヒドロキシエチル、フマル酸ジアリル、フマル酸ジプロパルギル、
レンカルボン酸プロパルギル、
プロパルギル、
クロトン酸メチル、クロトン酸エチル、クロトン酸プロピル、クロトン酸ブチル、クロトン酸エチルヘキシル、クロトン酸ジメチルアミノエチル、クロトン酸ヒドロキシエチル、クロトン酸トリフルオロエチル、クロトン酸ビニル、クロトン酸アリル、クロトン酸プロパルギル
フタル酸ジアリル、テレフタル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、リンゴ酸ジアリル、乳酸アリル、クエン酸トリアリル、サリチル酸アリル、没食子酸アリル、シュウ酸ジアリル、マロン酸ジアリル、ジアリルマロン酸ジエチル、2,2−ジアリルマロン酸ジアリル、コハク酸ジアリル等のカルボン酸エステル含有モノマー;
ン、メバロン酸ラクトンアクリラート、メバロン酸ラクトンメタクリラート等の環状カルボン酸エステル含有モノマー;
安息香酸ブチル、3,5−ジビニル-ヒドロキシ安息香酸エチルヘキシル、3,5−ジビ
ニル-ヒドロキシ安息香酸ジメチルアミノエチル、3,5−ジビニル-ヒドロキシ安息香酸ヒドロキシエチル、3,5−ジビニル-ヒドロキシ安息香酸トリフルオロエチル、3,5
−ジビニル-ヒドロキシ安息香酸ビニル、3,5−ジビニル-ヒドロキシ安息香酸アリル、3,5−ジビニル-ヒドロキシ安息香酸プロパルギル等のヒドロキシ酸エステル含有モノ
マー;
ル]カルバミン酸アリル、[3-(2-ニトロベンゼンスルホンアミド)プロピル]カルバミン
酸プロパルギル、tert-ブチル (3-アリル-4-メトキシピリジン-2-イル)カルバマート
、3−トリメトキシシリルプロピルビニルカルバマート、1-エチニルシクロヘキサノー
ルカルバマート、N-アリルカルバミン酸メチル、N-アリルカルバミン酸エチル、N-ア
リルカルバミン酸プロピル、N-アリルカルバミン酸ブチル、N-アリルカルバミン酸エチルヘキシル、N-アリルカルバミン酸ビニル、N-アリルカルバミン酸プロパルギル、2-
プロピニルカルバミン酸メチル、2-プロピニルカルバミン酸エチル、2-プロピニルカルバミン酸プロピル、2-プロピニルカルバミン酸ブチル、2-プロピニルカルバミン酸エチルヘキシル、2-プロピニルカルバミン酸アリル、2-プロピニルカルバミン酸ビニル、2-プロピニルカルバミン酸プロパルギル、カルバモイル硫酸アリル、カルバモイル硫酸ビ
ニル、カルバモイル硫酸プロパルギル、カルバモイルリン酸ジアリル、カルバモイルリン酸ジビニル、カルバモイルリン酸ジプロパルギル等のカルバミン酸エステル含有モノマー;
イソチオシアン酸アリル、イソチオシアン酸プロパルギル、アクリロイルオキシエチルイソチオシアネート、メタクリロイルオキシエチルイソチオシアネート、1,1-(ビスアクリロイルオキシメチル)エチルイソチオシアネート等のイソチオシアン酸エステル含有モノマー;メタクリル酸2-チオキソ-1,3-オキサチオラン-5-イルメチル等のチオエステル含有モノマー;
ビニルスルホン酸メチル、ビニルスルホン酸エチル、ビニルスルホン酸プロピル、ビニルスルホン酸ブチル、ビニルスルホン酸エチルヘキシル、ビニルスルホン酸ジメチルアミノエチル、ビニルスルホン酸ヒドロキシエチル、ビニルスルホン酸トリフルオロエチル、ビニルスルホン酸アリル、ビニルスルホン酸プロパルギル、ジビニルスルホン、スチレンスルホン酸メチル、スチレンスルホン酸エチル、スチレンスルホン酸プロピル、スチレンスルホン酸ブチル、スチレンスルホン酸エチルヘキシル、スチレンスルホン酸アリル、スチレンスルホン酸プロパルギル、スチレンスルホン酸ジメチルアミノエチル、スチレンスルホン酸ヒドロキシエチル、スチレンスルホン酸トリフルオロエチル、ジビニルベンゼンスルホン酸メチル、ジビニルベンゼンスルホン酸エチル、ジビニルベンゼンスルホン酸プロピル、ジビニルベンゼンスルホン酸ブチル、ジビニルベンゼンスルホン酸エチルヘキシル、ジビニルベンゼンスルホン酸ジメチルアミノエチル、ジビニルベンゼンスルホン酸ヒ
ドロキシエチル、ジビニルベンゼンスルホン酸トリフルオロエチル、ジビニルベンゼンスルホン酸ビニル、ジビニルベンゼンスルホン酸アリル、ジビニルベンゼンスルホン酸プロパルギル、
ジスルホン酸トリフルオロエチル、ビニルアントラセンジスルホン酸ビニル、ビニルアントラセンジスルホン酸アリル、ビニルアントラセンジスルホン酸プロパルギル、
アリルナフタレンスルホン酸メチル、アリルナフタレンスルホン酸エチル、アリルナフタレンスルホン酸プロピル、アリルナフタレンスルホン酸ブチル、アリルナフタレンスルホン酸エチルヘキシル、アリルナフタレンスルホン酸ジメチルアミノエチル、アリルナフタレンスルホン酸ヒドロキシエチル、アリルナフタレンスルホン酸トリフルオロエチル、アリルナフタレンスルホン酸ビニル、アリルナフタレンスルホン酸アリル、アリルナフタレンスルホン酸プロパルギル、
メタクリルスルホン酸メチル、メタクリルスルホン酸エチル、メタクリルスルホン酸プロピル、メタクリルスルホン酸ブチル、メタクリルスルホン酸エチルヘキシル、メタクリルスルホン酸ジメチルアミノエチル、メタクリルスルホン酸ヒドロキシエチル、メタクリルスルホン酸トリフルオロエチル、メタクリルスルホン酸ビニル、メタクリルスルホン酸アリル、メタクリルスルホン酸プロパルギル、
ロパンスルホン酸プロパルギル、
ンスルホン酸トリフルオロエチル、2−メタクリロイルオキシエタンスルホン酸ビニル、2−メタクリロイルオキシエタンスルホン酸アリル、2−メタクリロイルオキシエタンスルホン酸プロパルギル、
スチレンスルフィン酸メチル、スチレンスルフィン酸エチル、スチレンスルフィン酸プロピル、スチレンスルフィン酸ブチル、スチレンスルフィン酸エチルヘキシル、スチレンスルフィン酸ジメチルアミノエチル、スチレンスルフィン酸ヒドロキシエチル、スチレンスルフィン酸トリフルオロエチル、スチレンスルフィン酸ビニル、スチレンスルフィン酸アリル、スチレンスルフィン酸プロパルギル、
ビニル、アクリロイルフェニルスルフィン酸アリル、アクリロイルフェニルスルフィン酸プロパルギル、
アリルリン酸ジヒドロキシエチル、アリルリン酸ジフェニル、アリルリン酸ジビニル、
ビニルホスホン酸ジメチル、ビニルホスホン酸ジエチル、ビニルホスホン酸ジプロピル、ビニルホスホン酸ジブチル、ビニルホスホン酸ジエチルヘキシル、ビニルホスホン酸ジヒドロキシエチル、ビニルホスホン酸ジフェニル、ビニルホスホン酸ジアリル、ビニルホスホン酸ジプロパルギル、
メタクリロイルホスホン酸ジメチル、メタクリロイルホスホン酸ジエチル、メタクリロイルホスホン酸ジプロピル、メタクリロイルホスホン酸ジブチル、メタクリロイルホスホン酸ジエチルヘキシル、メタクリロイルホスホン酸ジヒドロキシエチル、メタクリロイルホスホン酸ジアリル、メタクリロイルホスホン酸ジプロパルギル、
ビニルボロン酸ジメチル、ビニルボロン酸ジエチル、ビニルボロン酸ジプロピル、ビニルボロン酸ジブチル、ビニルボロン酸ジエチルヘキシル、ビニルボロン酸ジヒドロキシエチル、ビニルボロン酸ピナコラート、ビニルボロン酸ジアリル、ビニルボロン酸ジプロパルギル、
アクリルアミドフェニルボロン酸ジメチル、アクリルアミドフェニルボロン酸ジエチル、アクリルアミドフェニルボロン酸ジプロピル、アクリルアミドフェニルボロン酸ジブチル、アクリルアミドフェニルボロン酸ジエチルヘキシル、アクリルアミドフェニルボロン酸ジヒドロキシエチル、アクリルアミドフェニルボロン酸ピナコラート、アクリルアミドフェニルボロン酸ジアリル、アクリルアミドフェニルボロン酸ジプロパルギル、
ボロン酸ジプロピル、ビニルフェニルボロン酸ジブチル、ビニルフェニルボロン酸ジエチルヘキシル、ビニルフェニルボロン酸ジヒドロキシエチル、ビニルフェニルボロン酸ピナコラート、ビニルフェニルボロン酸ジアリル、ビニルフェニルボロン酸ジプロパルギル
ジビニルフェニルボロン酸ジメチル、ジビニルフェニルボロン酸ジエチル、ジビニルフェニルボロン酸ジプロピル、ジビニルフェニルボロン酸ジブチル、ジビニルフェニルボロン酸ジエチルヘキシル、ジビニルフェニルボロン酸ジヒドロキシエチル、ジビニルフェニルボロン酸ピナコラート、ジビニルフェニルボロン酸ジアリル、ジビニルフェニルボロン酸ジプロパルギル、
イルアミノ)フェニルボロン酸ジメチルジヒドロキシエチル、3−(メタクリロイルアミノ)フェニルボロン酸ピナコラート、3−(メタクリロイルアミノ)フェニルボロン酸ジアリ
ル、3−(メタクリロイルアミノ)フェニルボロン酸ジプロパルギル
ジビニルボリン酸メチル、ジビニルボリン酸エチル、ジビニルボリン酸プロピル、ジビニルボリン酸ブチル、ジビニルボリン酸ジエチルヘキシル、ジビニルボリン酸フェニル、ジビニルボリン酸アリル、ジビニルボリン酸プロパルギル、
アリルエチルボリン酸メチル、アリルエチルボリン酸エチル、アリルエチルボリン酸プロピル、アリルエチルボリン酸ブチル、アリルエチルボリン酸ジエチルヘキシル、アリルエチルボリン酸フェニル、アリルエチルボリン酸ビニル、アリルエチルボリン酸プロパルギル、
ジアリルボリン酸メチル、ジアリルボリン酸エチル、ジアリルボリン酸プロピル、ジアリルボリン酸ブチル、ジアリルボリン酸ジエチルヘキシル、ジアリルボリン酸フェニル、ジアリルボリン酸ビニル、ジアリルボリン酸プロパルギル、
ジアクリロイルボリン酸メチル、ジアクリロイルボリン酸エチル、ジアクリロイルボリン酸プロピル、ジアクリロイルボリン酸ブチル、ジアクリロイルボリン酸ジエチルヘキシル、ジアクリロイルボリン酸フェニル、ジアクリロイルボリン酸ビニル、ジアクリロイルボリン酸アリル、ジアクリロイルボリン酸プロパルギル、
ニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド、ジアセトンアクリルアミド、N,N'-(1,2-ジヒドロキシエチレン)ビスアクリルアミド、(+)-N,N'-ジアリル-L-酒石酸ジアミド、N-(ブトキシメチル)アクリルアミド、N-メチルメタクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N,N-ジメチルメタクリルアミド、N-[3-(ジメチルアミノ)プロピル]アクリルアミド、N-(3-ジメチルアミノプロピル)メタクリルアミド、N-(2-ヒドロキシ
メチル)アクリルアミド、N-(2-ヒドロキシエチル)アクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、N-ドデシルアクリルアミド、N-フェニルアクリルアミド、N-フェニル
メタクリルアミド、N,N'-メチレンビスアクリルアミド、N,N'-メチレンビスメタクリルアミド、N-tert-ブチルアクリルアミド、N-tert-ブチルメタクリルアミド、N,N-ジエチルアクリルアミド、
ルホンアミド、ジビニルナフタレンスルホンアミド、ジビニルナフタレンジスルホンアミド、ビニルアントラセンスルホンアミド、ビニルアントラセンジスルホンアミド、ジビニルアントラセンスルホンアミド、ジビニルアントラセンジスルホンアミド、4−ビニルベンゼンスルホンアミド、2-アリルベンゼンスルホンアミド、4−アリルベンゼンスルホ
ンアミド、N-アリルメタンスルホンアミド、N-アリル-2-プロペン-1-スルホンアミド、N-アリルベンゼンスルホンアミド、N-アリル-p-トルエンスルホンアミド、N-プレ
ニル-N-アリルベンゼンスルホンアミド、N-アリルオキシカルボニルベンゼンスルホン
アミド、N-アリル-1-ヘキセン-1-スルホンアミド、N-アリル-N-フェニル-1-ヘキセン-1-スルホンアミド、N-アリル-N-ベンジル-2-プロペン-1-スルホンアミド、N-アリル-N‐(2-オキソエチル)ピリジン-2-スルホンアミド、N,N‐ジメチル‐4‐(2
‐メチルアリル)‐5‐アリル‐1H‐イミダゾール‐1‐スルホンアミド、N,N-ジメチル-4-(1-ヒドロキシ-2-プロペニル)-5-アリル-1H-イミダゾール-1-スルホンア
ミド、N‐[2‐(メタクリロイルオキシ)エチル]トリフルオロメタンスルホンアミド、
びその誘導体含有モノマー;
カプロラクタム、N-メタクリロイル-ε-カプロラクタム等の環状アミド含有モノマー等
が挙げられるが、これ以外でも上記の条件を満たす構造を有する低分子化合物であれば、いかなるものでも良い。
化合物(B)が高分子化合物である場合、その重量平均分子量は、前述の定義に則っていれば特に制限されないが、通常500以上100万以下の範囲であり、活物質(A)に被覆する際のハンドリングの点や電解液に対する難溶性、電池内での不飽和結合基を活用した緻密な被膜形成の観点から、500以上5万以下の範囲が好ましく、より好ましくは1万以下、更に好ましくは6千以下、特に好ましくは3千以下の範囲である。
以上説明した化合物(B)は、市販されているものを使用してもよいし、公知の方法により合成することもできる。
なお、本発明において化合物(B)は1種の化合物を単独で又は2種以上の化合物を組み合わせて使用することができる。
また、本発明に係る非水系二次電池負極用活物質には、負極の安定性や導電性を向上させるために、導電剤、無機塩、無機酸化物、無機窒化物、無機硫化物、ラジカルを開始剤としない多官能性架橋剤等を含有させてもよい。
導電剤は、特に限定されず、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などのカーボンブラックや、平均粒径1μm以下のCu、Ni又はこれらの合金からなる微粉末などを使用することができる。
無機塩の具体例としては、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、硫酸ナトリウム、硫酸リチウム、硫酸カルシウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素リチウム、リン酸水素カルシウム、メタホウ酸ナトリウム、メタホウ酸リチウム、メタホウ酸カリウム、四ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸リチウム、四ホウ酸カリウム、八ホウ酸二ナトリウム、八ホウ酸二リチウム、八ホウ酸二カリウム、テトラフルオロホウ酸ナトリウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、テトラフルオロホウ酸カリウム臭化リチウムが挙げられ、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、リン酸二水素リチウム、メタホウ酸ナトリウム、メタホウ酸リチウム、メタホウ酸カリウムが好ましく、より好ましくは電池内での化学的安定性と化合物(B)との親和性や電子絶縁性の点から硫酸リチウム、リン酸二水素リチウム、メタホウ酸ナトリウム、メタホウ酸カリウムが挙げられ、これらを2種以上組み合わせた、混合物、反応生成物であっても良い。
000以下である。具体的には、ポリオキシエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリオキシプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ブトキシポリエチレングリコールグリシジルエーテル等が挙げられる。
本発明の非水系二次電池負極用活物質は、活物質(A)、化合物(B)を含むものであり、その製造方法は特に限定されないが、例えば溶液混合乾燥法、スラリー添加法、吸着ろ過法、スプレードライ法、溶融混合法、パウダーブレンド法などが挙げられる。具体的な方法としては以下のような方法が挙げられる。
スラリー添加法では、活物質(A)の電極塗工用の水系または有機系スラリーに化合物(B)を添加、混合し、塗工、乾燥を行うこともできる。
吸着ろ過法では、化合物(B)を溶解させた溶液に活物質(A)を分散させ、混合、吸着が起こった後に、濾過して、洗浄後、乾燥する。
溶融混合法では、活物質(A)を溶融させた化合物(B)を混合する。この時、溶媒としては、水や任意の有機溶媒を用いることができる。
パウダーブレンド法では、活物質(A)に化合物(B)を所定量添加して、乾燥状態で混合する。
化合物(B)を、有機溶媒、水又はこれらの混合溶媒に加え、その溶液を、活物質(A)と混合した後、加熱又は/及び減圧によって乾燥させることによって得ることができる。
前記溶液の濃度は、好ましくは0.03質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは60質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下である。
加熱により乾燥を行なう場合、温度は、通常50℃以上、250℃以下である。この範囲であれば、乾燥効率が十分であり、かつ溶媒残存による電池性能の低下が避けられ、か
つ化合物(B)の分解防止や、活物質(A)と化合物(B)との相互作用が弱くなることによる効果の低減防止を容易に図ることができる。前記温度は、化合物(B)の有する不飽和結合が熱重合を起こすことを防止する点から、好ましくは200℃以下であり、また、好ましくは80℃以上である。
乾燥に先立ち、活物質(A)、化合物(B)を含む溶液を濾過してもよい。これにより活物質(A)に付着していない化合物(B)の除去効果が期待できる。
化合物(B)の溶液と別途その他の成分の溶液を用意してもよいし、これらの化合物を同一の溶媒に加えて溶液を用意してもよい。
本発明の非水系二次電池負極用活物質は、活物質(A)及び化合物(B)を含有していれば、特に限定されないが、化合物(B)の含有量は、活物質(A)に対して、通常0.01質量%以上、10質量%以下である。この範囲であれば、化合物(B)の添加によって、負極抵抗が上昇して充電速度が遅くなる、あるいは充放電が不可能になるといった事態を容易に回避することができ、また、化合物(B)の添加による炭素材料の比表面積の低下効果が十分で、良好なサイクル特性・充電速度が容易に得られる。化合物(B)の含有量が少なすぎると、電池内で生成するラジカルを用いた重合被膜が活物質(A)に十分に形成させることが困難な場合があり、その効果が見えにくくなってしまうため、化合物(B)の含有量は、好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは8質量%以下、より好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、最も好ましくは2質量%以下である。
本発明の非水系二次電池負極用活物質における、化合物(B)の溶出性は、塩を含まない非水系溶媒に、室温(25℃)で炭素材料を5時間浸漬した際に、溶液への化合物(B)の溶出量を測定することにより評価することができる。溶出量は、非水系二次電池負極用活物質に含有される化合物(B)の通常20質量%以下とすることができ、好ましくは15質量%以下であり、より好ましくは10質量%以下である。極板の強度の観点から5質量%以下であることが特に好ましい。
。混合溶媒の場合は、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒の組み合わせが好ましく、環状カーボネートが、エチレンカーボネートであることが好ましい。
また、本発明の非水系二次電池負極用活物質の平均粒子径(d50)は、通常50μm以下とすることができ、また、1μm以上とすることができる。この範囲であれば、負極製造の際に、極板化した際に、負極形成材料の筋引きなどの工程上の不都合が生ずることを防止することができる。
非水系二次電池負極用活物質のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)は、通常0.337nm以下、好ましくは0.336nm以下である。d値が大きすぎると結晶性が低下し、放電容量が低下する傾向がある。一方、下限値である0.3356nmは黒鉛の理論値である。
また、非水系二次電池負極用活物質の結晶子サイズ(Lc)は、通常30nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、電池の放電容量が低下する傾向がある。
非水系二次電池負極用活物質は、下記式(1)で表される表面官能基量O/C値が通常2%以上であり、好ましくは3%、より好ましくは4%、一方通常30%以下、好ましくは20%以下、より好ましくは15%以下である。
式(1)
O/C値(%)={X線光電子分光法(XPS)分析におけるO1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたO原子濃度/XPS分析におけるC1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたC原子濃度}×100
本発明における表面官能基量O/C値はX線光電子分光法(XPS)を用いて以下のように測定することができる。
試料(鱗片状複合粒子(A))の表面官能基量O/C値と定義する。
非水系二次電池負極用活物質のBET法で測定した比表面積については、通常0.1m2/g以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上である。また、通常20m2/g以下、好ましくは15m2/g以下、より好ましくは12m2/g以下、更に好ましくは11m2/g以下、特に好ましくは8m2/g以下である。また、非水系二次電池負極用活物質の比表面積は、通常、活物質(A)の比表面積より大きくなる傾向がある。
なおBET比表面積の測定方法は、比表面積測定装置を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。
非水系二次電池負極用活物質のタップ密度は、通常0.5g/cm3以上、0.6g/cm3以上が好ましく、0.7g/cm3以上がより好ましい。また、通常1.5g/cm3以下、1.2g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。
タップ密度が低すぎると、高速充放電特性に劣り、タップ密度が高すぎると、導電パス切れ抑制効果の低減によりサイクル特性の低下を招く場合がある。
また、非水系二次電池負極用活物質のタップ密度は、通常、活物質(A)のタップ密度と同程度またはそれより小さくなる傾向がある。
本発明の非水系二次電池用負極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層を備え、かつ前記活物質層が少なくとも本発明の非水系二次電池負極用活物質を含有するものである。前記活物質層は、好ましくは、さらにバインダを含有する。
このようなオレフィン性不飽和結合を有するバインダを用いることにより、活物質層の非水系電解液に対する膨潤性を低減することができる。中でも入手の容易性から、スチレン−ブタジエンゴムが好ましい。
分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダは、分子量が大きいもの及び/又は不飽和結合の割合が大きいものが好ましい。
バインダの分子内のオレフィン性不飽和結合の割合としては、全バインダ1g当たりの
オレフィン性不飽和結合のモル数は通常2.5×10−7モル以上、5×10−6モル以下である。この範囲であれば、強度向上効果が十分に得られ、可撓性も良好である。前記モル数は、好ましくは8×10−7以上であり、また、好ましくは1×10−6以下である。
バインダとして、オレフィン性不飽和結合を有さないバインダも、使用することができる。分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダにオレフィン性不飽和結合を有さないバインダを併用することによって、本発明の活物質やバインダを含有する負極形成材料の塗布性等の向上が期待できる。
前記オレフィン性不飽和結合を有さないバインダの例としては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、澱粉、カラギナン、プルラン、グアーガム、ザンサンガム(キサンタンガム)等の増粘多糖類;ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル類;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のビニルアルコール類;ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のポリ酸又はこれらポリマーの金属塩;ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのアルカン系ポリマー又はこれらの共重合体などが挙げられる。
スラリー調製の際には、活物質(A)に、バインダ等とともに化合物(B)を添加・混合して、本発明の非水系二次電池負極用活物質の製造及び負極作製用スラリーの調製を同時に行ってもよい。
上記負極集電体としては、従来この用途に用い得ることが知られている公知の物を用いることができる。例えば、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンおよび炭素などを用いることができる。
二次電池用の負極とした際の本発明の活物質層の密度は、用途により異なるが、車載用途やパワーツール用途などの入出力特性を重視する用途においては、通常1.1g/cm3以上、1.65g/cm3以下である。この範囲であれば、密度が低すぎることによる粒子同士の接触抵抗の増大を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができる。
一方携帯電話やパソコンといった携帯機器用途などの容量を重視する用途では、活物質層の密度は通常1.45g/cm3以上、1.9g/cm3以下である。この範囲であれば、密度が低すぎることによる単位体積あたりの電池の容量低下を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができる。
前記密度は、好ましくは1.55g/cm3以上、さらに好ましくは1.65g/cm3以上、特に好ましくは1.7g/cm3以上である。
本発明に係る非水系二次電池の基本的構成は、例えば、公知のリチウムイオン二次電池と同様とすることができ、通常、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備え、前記負極は上述した本発明に係る非水系二次電池用負極である。
正極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備えることができる。活物質層は、正極用活物質の他に、好ましくはバインダを含有する。
正極用活物質としては、リチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出できる金属カルコゲン化合物などが挙げられる。中でもリチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属カルコゲン化合物が好ましい。
正極用のバインダは、特に限定されず、公知のものを任意に選択して用いることができる。例としては、シリケート、水ガラス等の無機化合物や、テフロン(登録商標)、ポリフッ化ビニリデン等の不飽和結合を有さない樹脂などが挙げられる。中でも好ましいのは、酸化反応時に分解しにくいため、不飽和結合を有さない樹脂である。
下とすることができる。重量平均分子量は、好ましくは10万以上であり、また、好ましくは100万以下である。
正極活物質層中には、正極の導電性を向上させるために、導電助剤を含有させてもよい。導電助剤は、特に限定されず、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末、各種の金属の繊維、粉末、箔などが挙げられる。
電解質(「非水系電解液」と称することもある。)は、特に限定されず、非水系溶媒に電解質としてリチウム塩を溶解させた非水系電解液や、該非水系電解液に有機高分子化合物等を添加することによりゲル状、ゴム状、または固体シート状にしたものなどが挙げられる。
例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類;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、1,3−ジオキソラン等の環状エーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類などが挙げられる。
非水系電解液に使用されるリチウム塩も特に制限されず、公知のリチウム塩を用いることができる。例えば、LiCl、LiBrなどのハロゲン化物;LiClO4、LiBrO4、LiClO4などの過ハロゲン酸塩;LiPF6、LiBF4、LiAsF6などの無機フッ化物塩などの無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiC4F9SO3などのパーフルオロアルカンスルホン酸塩;Liトリフルオロメタンスルフォニルイミド((CF3SO2)2NLi)などのパーフルオロアルカンスルホン酸イミド塩などの含フッ素有機リチウム塩などが挙げられる。中でもLiClO4、LiPF6、LiBF4が好ましい。
上述の非水系電解液に有機高分子化合物を含ませることで、ゲル状、ゴム状、或いは固体シート状にして使用する場合、有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;ポリシロキサン;ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルなどのビニル系高分子化合物;ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化
ビニリデン)等のポリマー共重合体などが挙げられる。
被膜形成剤の具体例としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチルカーボネート、メチルフェニルカーボネートなどのカーボネート化合物;エチレンサルファイド、プロピレンサルファイドなどのアルケンサルファイド;1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトンなどのスルトン化合物;マレイン酸無水物、コハク酸無水物などの酸無水物などが挙げられる。
上記各種添加剤を用いる場合、初期不可逆容量の増加や低温特性、レート特性の低下等、他の電池特性に悪影響を及ぼさないようにするために、添加剤の総含有量は非水系電解液全体に対して通常10質量%以下とすることができ、中でも8質量%以下、さらには5質量%以下、特に2質量%以下の範囲が好ましい。
高分子固体電解質としては、前述のポリエーテル系高分子化合物にLi塩を溶解させたものや、ポリエーテルの末端水酸基がアルコキシドに置換されているポリマーなどが挙げられる。
正極と負極との間には、通常、電極間の短絡を防止するために、多孔膜や不織布などの多孔性のセパレータを介在させることができ、非水系電解液は、多孔性のセパレータに含浸させて用いることが便利である。セパレータの材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテルスルホンなどが用いられ、好ましくはポリオレフィンである。
(1)非水系二次電池負極用活物質の調製
活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子(20g)を用い、その黒鉛と添着化合物(B)(和光純薬工業株式会社製マレイン酸無水物)0.1gにアセトン49.9gを添加して溶解させたものをオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温して溶媒を留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質aを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製
減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施した。
上記で調製した非水系二次電池負極用活物質a20gとカルボキシメチルセルロース水溶液(1質量%)20.2gを混合し、混練機(あわとり練太郎,株式会社シンキー製)によって混練した後(混練:2000rpm,5min;脱泡:2200rpm,1min)、SBR-水分散液(40質量%)0.5gを加え、再び上記と同様の条件で混練を行って活
物質スラリーAを調製した。
銅箔(厚さ18μm)をテスター産業製Auto Film Applicatorにのせ、陰圧により吸着させた。実施例及び比較例で作製した炭素材料スラリーを銅箔上に適量のせ、テスター産業製フィルムアプリケータを10mm/secの速さで掃引させることにより、前記活物質スラリーAを塗布した。
ゞ製作所製)中で乾燥させた(140℃,50min,窒素気流10L/min)。
その後、極板をプレス機(3tメカ式精密ロールプレス)に通して活物質層を圧縮し、活物質層の密度が1.60±0.03g/cm3になるよう調整し、電極シートを得た。得られた電極シートは、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製 減圧乾燥器DP33)にて120℃、−0.1MPaの条件下にて14時間の加熱減圧乾燥を実施した。
正極活物質としてニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)を用い、これに導電剤とバインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を混合してスラリー化した。得られたスラリーを厚さ15μmのアルミ箔に塗布して乾燥し、プレス機で圧延したものを、正極活物質層のサイズとして幅30mm、長さ40mm及び集電用の未塗工部を有する形状に切り出して正極とした。正極活物質層の密度は2.6g/cm3であった。
正極1枚と負極1枚をそれぞれの活物質面が対向するように配置し、電極の間に多孔製ポリエチレンシートのセパレータが挟まれるようにした。この際、正極活物質面が負極活物質面内から外れないよう対面させた。
ート(DMC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/3/4(体積比)に1.0mol/Lの濃度でヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を溶解させたもの)を200μL注入して、電極に充分浸透させ、密閉して、ラミネートセルを作製した。この電池の定格容量は34mAhである。
25℃環境下で、電圧範囲4.2〜3.0V、電流値0.2C(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1Cとする、以下同様)にて初期コンディショニングを4サイクルの充放電を行った。この初期コンディショニング時の充放電効率とは、初期コンディショニングの各サイクルにおける通電量からそれぞれの充電容量と放電容量を求め、次式を用いて計算したものである。初期充放電効率(%)=第4サイクルにおける放電容量/(第4サイクルにおける放電容量+第1・2・3・4サイクルにおける容量ロス(=充電容量−放電容量))×100(%)
(5)を終えたラミネートセルをフル充電の状態で恒温槽に入れ、ラミネートセルの85℃24時間のエイジング処理を実施後、インピーダンス測定を行った。測定結果からCole−Coleプロットを作製し、プロットに現れる円弧の径を読み取って電池内の抵抗値とした。
(6)までの試験を終えたラミネートセルを25度環境下で、1サイクル目に0.2Cの条件でのCC−CV充電と0.2Cの条件でのCC放電を実施後、2〜50サイクルまでは各サイクル毎に0.7Cの条件でのCC−CV充電と1Cの条件でのCC放電の充放電プログラムを実施した。51サイクル目以降は以上のプログラムを繰り返し実施し、最終的に250サイクルまで充放電を行い、250サイクルでの放電容量を用いて、250サイクル後容量維持率(%)を算出した。
250サイクル後の容量維持率(%)=250サイクル後放電容量/2サイクル目放電容量×100
活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子(20g)を用い、その黒鉛と添着化合物(B)(シグマ アルドリッチ ジャパン株式会社製メタクリル酸無水物)0.1gにアセトン49.9gを添加して溶解させたものをオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温してアセトンを留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質bを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製 減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施し、実施例1と同様にして評価を実施した。
活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子(20g)を用い、その黒鉛と添着化合物(B)(東京化成株式会社製リン酸トリアリル)0.1gにアセトン49.9gを添加して溶解させたものをオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温してアセトンを留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質cを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製
減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施し実施例1と同様にして評価を実施した。
実施例1で得られた粉末状の非水系二次電池負極用活物質a(10g)を用い、その黒鉛
に対して、その他の成分として酸化ホウ素(東京化成株式会社製参加ホウ素)0.05gに水24.5gを添加して溶解させたものをオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温して水を留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質dを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製 減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施し、実施例1と同様にして評価を実施した。
化合物(B)を含有せず、活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)のみからなる非水系二次電池負極用活物質eを用い、実施例1と同様にして評価を実施した。
活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子(20g)を用い、その黒鉛と化合物(B)としてラジカル重合可能な不飽和結合を有する基を有さないラジカル捕捉高分子化合物の水溶液(Alfa Aesar社製オキシニトロックス(
R)S100(CAS No.91993−31−6), フリーラジカル MW2250
)0.1gに蒸留水19.9gを添加して希釈したもの)をオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温して水を留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質fを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製 減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施し、実施例1と同様にして評価を実施した。
活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子(20g)を用い、その黒鉛と化合物(B)としてラジカル重合可能な不飽和結合を有する基を有さないラジカル捕捉高分子化合物の水溶液(川崎化成工業株式会社製キノパワー(R)(CAS No.60990−87−6)0.2gに蒸留水19.8gを添加して希釈したもの)をオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温して水を留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質gを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製 減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施し、実施例1と同様にして評価を実施した。
活物質(A)として球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子(20g)を用い、その黒鉛と化合物(B)としてポリマーであるポリアリルアミンの水溶液(日東紡株式会社製PAA−03、重量平均分子量3000、20%水溶液)0.5gに蒸留水19.5gを添加して希釈したもの)をオイルバスに浸したフラスコに入れた。攪拌しながらオイルバスを95℃に加温して水を留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質hを得た。得られた粉末状の活物質は、減圧乾燥器(ヤマト科学株式会社製 減圧乾燥器DP33)にて150℃、−0.1MPaの条件下にて8時間の加熱減圧乾燥を実施し、実施例1と同様にして評価を実施した。
以上の評価結果を下記表−1に示す。
かった。これについても化合物(B)及び/又はその反応生成物が負極表面と電解液との副反応による還元分解を効果的に抑制できているとともに、化合物(B)及び/又はその反応生成物が電池内で電解液成分に溶出抑制しているためと考えられる。
以上のことから、分子構造中にラジカル重合可能な不飽和結合を有し、且つ有機酸無水物、有機酸エステル、及び有機酸アミドからなる群より選ばれる少なくとも1種の有機酸誘導体である化合物(B)を活物質(A)表面に被覆することが電池性能向上に非常に有益であることがわかる。
Claims (4)
- リチウムイオンの挿入・脱離が可能な活物質(A)と、化合物(B)及び/又は該化合物(B)の重合体とを含有する非水系二次電池負極用活物質であって、
該活物質(A)が天然黒鉛であり、
該化合物(B)がマレイン酸無水物、メタクリル酸無水物である、
非水系二次電池負極用活物質。 - 前記化合物(B)及び/又は該化合物(B)の重合体が、前記活物質(A)に対して、総量で0.01〜10質量%含まれる、請求項1に記載の非水系二次電池負極用活物質。
- 更に導電剤、無機塩、無機酸化物、無機窒化物、無機硫化物、ラジカルを開始剤としない多官能性架橋剤からなる群より選ばれる少なくとも1種を含有する、請求項1または2に非水系二次電池負極用活物質。
- リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに、電解質を備える非水系二次電池であって、前記負極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層を備え、かつ前記活物質層が請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水系二次電池用活物質を含有する、非水系二次電池。
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