JP7155599B2 - 電極、この電極の製造方法、及びこの電極を備えた蓄電デバイス - Google Patents
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Description
本発明の蓄電デバイス用の電極は、以下の(A)及び(B)工程を含む製造方法により製造される。
(A)活物質粒子と酸化処理カーボンとを混合することにより、酸化処理カーボンの少なくとも一部が糊状に変化して活物質粒子の表面に付着した電極材料を調製する調製工程。
(B)電極材料により集電体上に活物質層を形成し、該活物質層に圧力を印加する加圧工程。
(A)工程において使用される活物質としては、従来の蓄電デバイスにおいて正極活物質又は負極活物質として使用されている活物質を特に限定なく使用することができる。これらの活物質は、単独の化合物であっても良く、2種以上の化合物の混合物であっても良い。
本発明の電極において、活物質層に含まれる糊状の導電性カーボンを与える酸化処理カーボンは、多孔質炭素粉末、ケッチェンブラック、空隙を有するファーネスブラック、カーボンナノファイバ及びカーボンナノチューブのような空隙を有するカーボンを原料として製造される。カーボン原料としては、BET法で測定した比表面積が300m2/g以上の空隙を有するカーボンを用いると、酸化処理によって酸化処理カーボンとなりやすいため好ましい。中でも、特にケッチェンブラックや空隙を有するファーネスブラックなどの球状の粒子が好ましい。中実のカーボンを原料として酸化処理を行っても酸化処理カーボンは得られにくい。
(a)空隙を有するカーボン原料を酸で処理する工程、
(b)酸処理後の生成物と遷移金属化合物とを混合する工程、
(c)得られた混合物を粉砕し、メカノケミカル反応を生じさせる工程、
(d)メカノケミカル反応後の生成物を非酸化雰囲気中で加熱する工程、及び、
(e)加熱後の生成物から、上記遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を除去する工程
を含む製造方法によって、好適に得ることができる。
(B)工程において、集電体上に活物質層を形成する際には、電極材料にバインダを混合しても良い。バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロースなどの公知のバインダが使用される。バインダの含有量は、電極材料の総量に対して1~30質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の強度が十分でなく、30質量%以上であると、電極の放電容量が低下する、内部抵抗が過大になるなどの不都合が生じる。混合のための溶媒としては、N-メチルピロリドン等の電極材料中の他の構成要素に悪影響を及ぼさない溶媒を特に限定なく使用することができる。混合物中の各構成要素が均一に混合されれば、溶媒の量には特に限定がない。バインダは、溶媒に溶解させた形態で使用することができる。バインダを用いず集電体上に活物質層を形成することが可能である場合には、バインダを使用しなくても良い。
(A)工程において使用される活物質粒子と酸化処理カーボンとの質量比は、高いエネルギー密度を有する蓄電デバイスを得るために、質量比で、90:10~99.5:0.5の範囲であるのが好ましく、95:5~99:1の範囲であるのがより好ましい。酸化処理カーボンの割合が上述の範囲より少ないと、活物質層の導電性が不足し、酸化処理カーボンによる活物質粒子の被覆率が低下してサイクル特性が低下する傾向がある。また、酸化処理カーボンの割合が上述の範囲より多いと、電極密度が低下し、蓄電デバイスのエネルギー密度が低下する傾向がある。
(A)工程では、活物質、及び酸化処理カーボンが使用される。また、必要に応じ、酸化処理カーボンとは別の導電性カーボン、バインダ、混合のための溶媒が混合される。この際、混合方法及び混合の順番には特に限定がない。
(A1)溶媒に、酸化処理されたカーボンを含む導電性カーボンを加えて湿式混合する第一工程。
(A2)更に活物質を加えて湿式混練してスラリーを得る第二工程。
(B)工程では、(A)工程で得られた電極材料を蓄電デバイスの正極又は負極を構成するための集電体上に塗布することにより活物質層を形成し、必要に応じてこの活物質層を乾燥した後、活物質層に圧延処理により圧力を印加して電極を得る。(A)工程で得られた電極材料を所定形状に成形し、集電体上に圧着した後、圧延処理を施しても良い。(B)工程には、(A2)工程を得たスラリーを集電体に塗工しプレス成型する第三工程を含んでも良い。
工程(B)を経て作成された電極内の活物質粒子の表面は、活物質粒子の表面の一部または全部が酸化処理カーボンで覆われている。蓄電デバイスのサイクル特性向上の観点からは、より多くの活物質粒子の表面が覆われていることが望ましい。本発明では、活物質粒子の表面の状態を導電性カーボンで覆われた活物質のラマンスペクトルにより評価することで、活物質粒子の表面の状態を把握する。
[式1]
(1) 電極から部分的に剥離させ、酸化処理カーボンで覆った活物質粒子の粉末を得る。
(2) 粉末を2枚のスライドガラスから上下に挟み、軽く押圧して粉末を平らにした後に、上側のスライドガラスを外す。
(3) (2)の手順を経た、粉末の乗ったスライドガラスを顕微鏡のステージにセットする。
(4) 顕微鏡で粉末を観察し、ランダムに10個の活物質粒子を選択する。
(5) 選択した10個の活物質粒子に対してレーザーを照射し、ラマンスペクトルを測定する。
以上の手順を経て測定した10個の活物質粒子のラマンスペクトルの測定結果より、10のピーク強度(a)及び(b)から10のピーク強度比(b)/(a)を算出する。そして、10のピーク強度比(b)/(a)の平均値をピーク強度比(b)/(a)とする。
本発明の電極は、二次電池、電気二重層キャパシタ、レドックスキャパシタ及びハイブリッドキャパシタなどの蓄電デバイスの電極のために使用される。蓄電デバイスは、一対の電極(正極、負極)とこれらの間に配置された電解質とを必須要素として含むが、正極及び負極の少なくとも一方が本発明の製造方法により製造される。
1.ピーク強度比(b)/(a)による特性比較
以下特性比較では、ピーク強度比(b)/(a)が異なる6種類の電極を使用した電池について、200サイクルでの容量維持率の測定を行った。実施例1~5及び比較例1として、ピーク強度比(b)/(a)が異なる6種類の電池を作製した。表1は、各電池のピーク強度比(b)/(a)を示す。
[表1]
60%硝酸300mlにケッチェンブラック(商品名EC300J、ケッチェンブラックインターナショナル社製、BET比表面積800m2/g)10gを添加し、得られた液に超音波を10分間照射した後、ろ過してケッチェンブラックを回収した。回収したケッチェンブラックを3回水洗し、乾燥することにより、酸処理ケッチェンブラックを得た。この酸処理ケッチェンブラック3gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mlとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、20Hzで10分間の粉砕を行なった。粉砕後の粉体を、窒素中700℃で3分間加熱し、酸化処理したケッチェンブラックにLiFePO4が担持された複合体を得た。
実施例1と同様の方法で作成した酸処理ケッチェンブラック2gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mlとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、20Hzで20分間の粉砕を行なった。以降、実施例1と同様に粉砕後の粉体から、電極を作成した。
実施例1と同様の方法で作成した酸処理ケッチェンブラック2gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mlとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、30Hzで10分間の粉砕を行なった。以降、実施例1と同様に粉砕後の粉体から、電極を作成した。
実施例1と同様の方法で作成した酸処理ケッチェンブラック1gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mlとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、30Hzで20分間の粉砕を行なった。以降、実施例1と同様に粉砕後の粉体から、電極を作成した。
実施例1と同様の方法で作成した酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mlとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、30Hzで30分間の粉砕を行なった。以降、実施例1と同様に粉砕後の粉体から、電極を作成した。
実施例1と同様の方法で作成した酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CH3COO)21.98gと、Li(CH3COO)0.77gと、C6H8O7・H2O1.10gと、CH3COOH1.32gと、H3PO41.31gと、蒸留水120mlとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、20Hzで10分間の粉砕を行なった。以降、実施例1と同様に粉砕後の粉体から、電極を作成した。
以下特性比較では、NCM以外の活物質を使用した電極を使用した電池について、200サイクルでの容量維持率の測定を行った。実施例6~8、及び比較例2~4として、LiCoO2、SiO、LiMg2O4を使用した電池を作製した。
実施例3のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子に代えてLiCoO2粒子を使用し、スラリーを形成した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、電極を得た。
比較例1のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子に代えてLiCoO2粒子を使用し、スラリーを形成した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、電極を得た。
実施例3のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子に代えてLiMg2O4粒子を使用し、スラリーを形成した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、電極を得た。
比較例1のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子に代えてLiMg2O4粒子を使用し、スラリーを形成した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、電極を得た。
実施例3のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子に代えてSiO粒子を使用し、スラリーを形成した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、電極を得た。
比較例1のLiNi0.5Mn0.3Co0.2O2粒子に代えてSiO粒子を使用し、スラリーを形成した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、電極を得た。
Claims (7)
- 活物質と、
酸化処理されたカーボンを含む導電性カーボンと、
を備え、
前記活物質の表面は前記導電性カーボンで覆われ、
前記導電性カーボンで覆われた前記活物質のラマンスペクトルは、
前記活物質由来のピーク強度(a)と、
前記導電性カーボン由来のDバンドのピーク強度(b)と、
を含み、
前記ピーク強度(a)と前記ピーク強度(b)のピーク強度比(b)/(a)が、0.25以上であること、
を特徴とする電極。 - 前記ピーク強度比(b)/(a)が、0.70以上であること、
を特徴とする請求項1に記載の電極。 - 前記導電性カーボン由来のDバンドのピーク強度(b)は、ラマンシフト量が1300cm-1以上1400cm-1以下であること、
を特徴とする請求項1または2に記載の電極。 - 前記導電性カーボンは、少なくとも酸化処理された導電性カーボンと、この酸化処理された導電性カーボンとは別の導電性カーボンとの混合物であること、
を特徴とする1乃至3の何れか1項に記載の電極。 - 請求項1乃至4の何れか1項に記載の電極を備える蓄電デバイス。
- 溶媒に、酸化処理されたカーボンを含む導電性カーボンを加えて湿式混練する第一工程と、
更に活物質を加えて湿式混練してスラリーを得る第二工程と、
集電体にスラリーを塗工し、プレス成型する第三工程と、
を含み、
前記活物質の表面は前記導電性カーボンで覆われ、
前記導電性カーボンで覆われた前記活物質のラマンスペクトルは、
前記活物質由来のピーク強度(a)と、
前記導電性カーボン由来のDバンドのピーク強度(b)と、
を含み、
前記ピーク強度(a)と前記ピーク強度(b)のピーク強度比(b)/(a)が、0.25以上であることを特徴とする電極の製造方法。 - 前記ピーク強度比(b)/(a)が、0.70以上であることを特徴とする請求項6に
記載の電極の製造方法。
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