JP7095176B2 - リチウムイオン電池用複合負極材料、その製造方法及びリチウムイオン電池への用途 - Google Patents
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Description
(1)不飽和炭酸エステルのモノマー溶液を調製する。
(2)重合触媒の存在下でモノマーを重合させ、ポリマー溶液を得る。
(3)ポリマー溶液にSiOx系活物質、水及びポリマー触媒を加え、引き続き重合してSiOx系活物質を被覆し、複合負極材料を得る。
(1)不飽和炭酸エステルと不飽和シランカップリング剤を溶媒に溶解させ、不飽和炭酸エステルのモノマー溶液を調製して得る。
(2)重合触媒の存在下でモノマーを50℃~100℃で重合させ、ポリマー溶液を得る。
(3)ポリマー溶液にSiOx系活物質、水及びポリマー触媒を加え、引き続き50℃~100℃で重合してSiOx系活物質を被覆する。
(4)固体分離して80℃~150℃で2h~12h乾燥させ、複合負極材料を得る。
本発明の複合負極材料は、適量のポリカーボネート被覆層が導入されたため、負極材料としてリチウムイオン電池に使用されるとき、優れた電気化学的サイクル特性及び低膨張性能を示し、リチウムイオン電池の寿命を延ばすことができる。
ビニレンカーボネート5gを酢酸エチル100mlに溶解させ、70℃に昇温した後、過硫酸アンモニウム0.2gを加え、1時間攪拌しながら反応させた後、SiOx(x=1)100g、過硫酸アンモニウム0.2g及び水5gを加え、4h反応した。冷却後で吸引濾過により固体物質を分離し、次に80℃の乾燥オーブン内に置いて8h熱処理し、冷却後で対応するポリカーボネート被覆層を有する複合負極材料を得た。
ビニレンカーボネート5gとビニルトリメトキシシラン2gを酢酸エチル100mlに溶解させ、70℃に昇温した後、0.2g過硫酸アンモニウムを加え、1時間攪拌しながら反応させた後、SiOx(x=1)100g、過硫酸アンモニウム0.2g及び水5gを加え、4h反応した。冷却後で吸引濾過により固体物質を分離し、次に100℃の乾燥オーブン内に置いて8h熱処理し、冷却後で対応するポリカーボネート被覆層を有する複合負極材料を得た。
ビニルエチレンカーボネート7gをN,N-ジメチルホルムアミド100mlに溶解させ、85℃に昇温した後、0.2g過硫酸ナトリウムを加え、2時間攪拌しながら反応させた後、SiOx(x=1.5)100g、水2g及び過硫酸カリウム0.2gを加え、6h反応した。冷却後で吸引濾過により固体物質を分離し、次に80℃の乾燥オーブン内に置いて12h熱処理し、冷却後で対応するポリカーボネート被覆層を有する複合負極材料を得た。
ビニルエチレンカーボネート7gとビニルトリエトキシシラン1gをN,N-ジメチルホルムアミド100mlに溶解させ、100℃に昇温した後、過酸化ジベンゾイル0.2gを加え、1時間攪拌しながら反応させた後、SiOx/C(x=1)100g、水10g及び過酸化ジベンゾイル0.3gを加え、7h反応した。冷却後で吸引濾過により固体物質を分離し、次に120℃の乾燥オーブンに置いて3h熱処理し、冷却後で対応するポリカーボネート被覆層を有する複合負極材料を得た。
プロペニルフェニルカーボネート10gをポリピロリドン100mlに溶解させ、65℃に昇温した後、過硫酸カリウム0.5gを加え、3.5時間攪拌しながら反応させた後、SiOx/Mg(x=1.5)100g、水2g及び過硫酸カリウム0.2gを加え、4.5h反応した。冷却後で固体物質を減圧濾過し、次に135℃の乾燥オーブン内に置いて4.5h熱処理し、冷却後で対応するポリカーボネート被覆層を有する複合負極材料を得る。
実施例1~5で製造された負極材料をリチウムイオン電池に用いて、電池番号をそれぞれSI-1、SI-2、SI-3、SI-4及びSI-5とした。比較例として、それぞれSiO及びSiOx/C(x=1.0)を負極材料として用いてリチウムイオン電池を製造し、電池番号をRef-1及びRef-2とした。また、それぞれフェノール樹脂で被覆されたSiO及びエポキシ樹脂で被覆されたSiOを負極材料として用いてリチウムイオン電池を製造し、電池番号をRef-3、Ref-4とした。
図2a及び図2bはそれぞれSI-1及びSI-2の負極材料のSEM写真である。
Claims (20)
- SiOx系活物質と、前記SiOx系活物質の表面に被覆されたポリカーボネート被覆層とを含み、
前記SiO x 系活物質とポリカーボネート被覆層とが、介在した不飽和シランカップリング剤で連結されている、リチウムイオン電池用複合負極材料。 - 前記ポリカーボネート被覆層の厚さが10nm~100nmである請求項1に記載の複合負極材料。
- 前記ポリカーボネート被覆層の厚さが20nm~50nmである請求項2に記載の複合負極材料。
- 前記SiOx系活物質の総質量を100%とする場合、前記ポリカーボネート被覆層の質量百分率が0%超、10%以下である請求項1~3のいずれか1項に記載の複合負極材料。
- 前記SiO x 系活物質の総質量を100%とする場合、前記ポリカーボネート被覆層の質量百分率が3%~7%である請求項4に記載の複合負極材料。
- 前記SiOx系活物質の粒径が0.5μm~100μmである、請求項1~5のいずれか1項に記載の複合負極材料。
- 前記SiOx系活物質がSiOx、SiOx/C及びSiOx/M[ただし、Mがアルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属酸化物のうちのいずれか1つ又は少なくとも2つの組み合わせであり、0<x≦2。]のうちのいずれか1つ又は少なくとも2つの組み合わせである請求項1~6のいずれか1項に記載の複合負極材料。
- 前記SiOx系活物質の総質量を100%とする場合、前記不飽和シランカップリング剤の質量百分率が1~5%である請求項1~9のいずれか1項に記載の複合負極材料。
- 不飽和炭酸エステルと不飽和シランカップリング剤を溶媒に溶解させてモノマー溶液を調製するステップ(1)と、
重合触媒の存在下でモノマーを重合させ、ポリマー溶液を得るステップ(2)と、
ポリマー溶液にSiOx系活物質、水及びポリマー触媒を加え、引き続き重合してSiOx系活物質を被覆し、複合負極材料を得るステップ(3)と、を含む請求項1~10のいずれか1項に記載の複合負極材料の製造方法。 - 更に、ステップ(3)における被覆が完了した後、固体分離を行って乾燥するステップを含み、
前記乾燥の温度が80℃~150℃であり、
前記乾燥の時間が2h~12hである請求項11に記載の方法。 - ステップ(1)において、前記溶媒が水、メタノール、エタノール、ポリピロリドン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、n-ヘキサン及びハロゲン化炭化水素のうちのいずれか1つ又は少なくとも2つの組み合わせであり、
前記モノマー溶液における不飽和炭酸エステルの濃度が5wt%~10wt%である、請求項11又は12に記載の方法。 - ステップ(1)において、前記溶媒がエタノール、ポリピロリドン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン、酢酸エチル及びN,N-ジメチルホルムアミドのうちのいずれか1つ又は少なくとも2つの組み合わせである、請求項13に記載の方法。
- ステップ(1)において、前記不飽和シランカップリング剤に対する前記不飽和炭酸エステルの質量比が2:1~7:1である、請求項11~14のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(2)及びステップ(3)における前記ポリマー触媒がそれぞれ独立して過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化ジベンゾイル及びアゾビスイソブチロニトリルから選ばれたいずれか1つである、請求項11~14のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(2)及びステップ(3)において、
前記重合の時間が合計で2h~10hであり、
前記重合の温度がそれぞれ独立して50℃~100℃である、請求項11~14のいずれか1項に記載の方法。 - 不飽和炭酸エステルと不飽和シランカップリング剤を溶媒に溶解させてモノマー溶液を調製し得るステップ(1)と、
重合触媒の存在下でモノマーを50℃~100℃で重合させ、ポリマー溶液を得るステップ(2)と、
ポリマー溶液にSiOx系活物質、水及びポリマー触媒を加え、引き続き50℃~100℃で重合してSiOx系活物質を被覆するステップ(3)と、
固体分離して80℃~150℃で2h~12h乾燥し、複合負極材料を得るステップ(4)と、を含む請求項11~17のいずれか1項に記載の方法。 - 請求項1~10のいずれか1項に記載の複合負極材料を含む負極。
- 請求項19に記載の負極を含むリチウムイオン電池。
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