JP7288054B2 - コアシェル型複合負極材料、その調製方法及び応用 - Google Patents
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Description
第1活物質、第2活物質を混合して造粒し、第1前駆体を得るステップ(1)と、
第1前駆体を炭素被覆により改質し、その後、焼結して、コアシェル型複合負極材料を得るステップ(2)とを含み、
ここで、前記第1活物質は、シート状のシリコン系材料であり、前記第2活物質は、シート状のグラファイト材料である。
本出願の方法の任意選択の技術案として、前記シート状のシリコン系材料は、粒子のアスペクト比が15~100であり且つ1.5が含まれなく、前記粒子のアスペクト比が粒子最大長さと最小長さの比である。
(i)X線回折装置X'PertPro、PANalyticalにより材料の構造を測定する。
(ii)以下の方法により初回充放電性能を測定する。
負極材料、アセチレンブラック、CMC、SBRを質量比95:2:1.5:1.5で純水に分散して混合し、さらに、銅箔集電体に塗布し、真空乾燥させて、負極板を得る。その後、通常の生産プロセスにより、従来の成熟したプロセスで調製された三元系正極板(NCM811)、1mol/LのLiPF6/EC+DMC+EMC(v/v=1:1:1)電解液、SK(12μm)セパレータ、ハウジングを18650円筒形電池に組み立てる。円筒形電池の充放電測定は、武漢金諾電子有限会社製LAND電池測定システムにて、常温条件下、1C倍率、定電流で充放電し、充放電電圧を2.75-4.2Vに抑えて行われ、その測定結果が表1に示される。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が80nmでアスペクト比が8であるシート状シリコン、メディアン径が400nmでアスペクト比が3であるシート状SiO0.98、及びメディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトを質量比30:30:40で混練して前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体Aと葡萄糖とを質量比70:30でエタノールに分散し、乾燥させて前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bを箱型炉に入れ、窒素を導入して、800℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.5μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が200nmでアスペクト比が25であるシート状のシリコン、メディアン径が900nmでアスペクト比が7.0であるシート状Si-Fe合金、及びメディアン径が8μmでアスペクト比が3であるシート状の人造グラファイトを質量比45:5:50で混合して加熱し、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びピッチを質量比80:20でミキサーに入れ、混合して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをチューブ炉中に入れ、アルゴンガスを導入して、900℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.3μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が200nmでアスペクト比が4であるシート状SiO1.05、メディアン径が600nmでアスペクト比が10であるシート状Si-Cu合金、及びメディアン径が10μmでアスペクト比が21であるシート状の天然グラファイトを質量比30:35:35で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体Aを回転炉に入れ、アセチレンガスを導入して、800℃で2h堆積して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをローラーハース窯に入れ、窒素を導入して、700℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.1μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が250nmでアスペクト比が12であるシート状Si-Ni合金、メディアン径が300nmでアスペクト比が6であるシート状SiO1.0、及びメディアン径が3μmでアスペクト比が15であるシート状の人造グラファイトを質量比35:15:60で混練して、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びフェノール樹脂を質量比85:15でミキサーに入れ、混合して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bを真空炉に入れ、窒素ガスを導入して、980℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.3μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が200nmでアスペクト比が8であるシート状のシリコン、メディアン径が3μmでアスペクト比が5であるシート状SiO1.25、及びメディアン径が10μmでアスペクト比が5であるシート状の人造グラファイトを質量比15:25:60で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びスクロースを質量比80:20でエタノールに分散し、乾燥させて前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをチューブ炉中に入れ、窒素ガスを導入して、1000℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.4μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が50nmでアスペクト比が35であるシート状のシリコン、メディアン径が400nmでアスペクト比が6であるシート状SiO0.9、メディアン径が700nmでアスペクト比が18であるシート状Si-Ti合金、及びメディアン径が8μmでアスペクト比が40であるシート状の天然グラファイトを質量比25:10:15:50で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びピッチを質量比65:35でミキサーに入れ、混合して前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをローラーハース窯に入れ、窒素ガスを導入して、650℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.8μmであるコアシェル型複合負極材料をステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、前記方法は、
(1)メディアン径が150nmでアスペクト比が15であるシート状のシリコン、メディアン径が300nmでアスペクト比が12であるシート状Si-Fe合金、メディアン径が800nmでアスペクト比が20であるシート状SiO0.85、及びメディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の人造グラファイトを質量比15:35:15:45で噴霧乾燥させて、前駆体Aを得るステップと、
(2)前駆体A及びスクロースを質量比85:15でエタノール中に分散し、乾燥させて前駆体Bを得るステップと、
(3)前駆体Bをチューブ炉に入れ、窒素ガスを導入して、850℃に昇温させ、炭素被覆層の厚さが0.3μmであるコアシェル型複合負極材料を得るステップとを含む。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
メディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトをメディアン径が1.5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトに置き替える以外に、実施例1と同じである。
本実施例は、コアシェル型複合負極材料およびその調製方法を提供し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
メディアン径が5μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトをメディアン径が14μmでアスペクト比が10であるシート状の天然グラファイトに置き替える以外に、実施例1と同じである。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
ナノシリコンとSiO0.98とのメディアン径がいずれも400nmであり、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
シリコン系材料は、メディアン径が80nmでアスペクト比が8であるシート状のシリコンであり、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
シリコン系材料は、非シート状ナノシリコン及び非シート状SiO0.98であり、ナノシリコンとSiO0.98とのアスペクト比がいずれも1.1であり、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
実施例1とほぼ同じ方法により高容量複合負極材料を調製し、実施例1との相違点は、以下のとおりである。
天然グラファイトとして、アスペクト比が1.2である非シート状のグラファイトを用い、実施例1と同じ方法で電池を作製した。
Claims (12)
- 第1活物質と第2活物質からなるコア、および前記コアの外部を被覆し第3活物質とする炭素被覆層シェルを含み、
前記第1活物質は、シート状のシリコン系材料であり、前記第2活物質は、シート状のグラファイト材料であり、
前記シート状のシリコン系材料は、粒子のアスペクト比が1.5超100以下であり、
前記シート状のグラファイト材料は、粒子のアスペクト比が2超120以下であり、
前記粒子のアスペクト比が粒子最大長さと最小長さの比であり、シート状の材料の最大長さがシート状の材料の二次元平面の最大長さであり、シート状の材料の最小長さがシート状の材料の厚さである
コアシェル型複合負極材料。 - 前記シート状のシリコン系材料は、粒子のアスペクト比が2~40である
請求項1に記載のコアシェル型複合負極材料。 - 前記シート状のグラファイト材料は、アスペクト比が3~50である
請求項1または2に記載のコアシェル型複合負極材料。 - 前記炭素被覆層は、有機炭素源を焼結し転化してなるものであり、
任意選択で、前記炭素被覆層の厚さが0.05~3μmである
請求項1~3のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料。 - 前記第1活物質の組成は、Si、SiOxまたはSi-M合金の少なくとも2つの組み合わせを含み、ここで、0.5<x<1.5であり、MがB、Fe、Cu、Sn、Ge、Ti、Mg、NiもしくはCeのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせであり、
任意選択で、前記第1活物質において、異なる物質のメディアン径の差の絶対値が50nm~1500nmであり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiとSiOxからなり、Siのメディアン径が10~300nmであり、SiOxのメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<SiOxのメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiとSi-M合金とからなり、Siのメディアン径が10~300nmであり、Si-M合金のメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<Si-M合金のメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiOxとSi-M合金とからなり、SiOxのメディアン径が150~400nmであり、Si-M合金のメディアン径が200~5000nmであり、SiOxのメディアン径<Si-M合金のメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiOxとSi-M合金とからなり、Si-M合金のメディアン径が150~400nmであり、SiOxのメディアン径が200~5000nmであり、Si-M合金のメディアン径<SiOxのメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、Si、SiOx及びSi-M合金からなり、SiとSiOxとの質量比が0.02~100であり、SiとSi-M合金との質量比が0.02~100であり、Siのメディアン径が10~300nmであり、SiOxのメディアン径が150~5000nmであり、Si-M合金のメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<SiOxのメディアン径<Si-M合金のメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、Si、SiOx及びSi-M合金からなり、SiとSiOxとの質量比が0.02~100であり、SiとSi-M合金との質量比が0.02~100であり、Siのメディアン径が10~300nmであり、SiOxのメディアン径が150~5000nmであり、Si-M合金のメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<Si-M合金のメディアン径<SiOxのメディアン径である
請求項1~4のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料。 - 前記第2活物質の組成が、天然グラファイトもしくは人造グラファイトのいずれか1つまたは2つの組み合わせを含み、
任意選択で、前記第2活物質のメディアン径が1~15μmであり、
任意選択で、前記第2活物質が前記第1活物質のメディアン径よりも大きく、それらの差が2μm~12μmである
請求項1~5のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料。 - 前記コアシェル型複合負極材料の合計質量を100wt%として、前記第1活物質の質量含有率が1~70wt%であり、前記第2活物質の質量含有率が5~60wt%であり、前記第3活物質材料の質量含有率が5~50wt%である請求項1~6のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料。
- 第1活物質、第2活物質を混合して造粒し、第1前駆体を得るステップ1と、
前記第1前駆体を炭素被覆により改質し、その後、焼結して、コアシェル型複合負極材料を得るステップ2とを含み、
ここで、前記第1活物質は、シート状のシリコン系材料であり、前記第2活物質は、シート状のグラファイト材料である
請求項1~7のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料の調製方法。 - 前記シート状のシリコン系材料の比表面積が50~500m 2 /gであり、
任意選択で、前記第1活物質の組成は、Si、SiOxまたはSi-M合金の少なくとも2つの組み合わせであり、ここで、0.5<x<1.5であり、MがB、Fe、Cu、Sn、Ge、Ti、Mg、NiもしくはCeのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせであり、
任意選択で、前記第1活物質において、異なる物質のメディアン径の差の絶対値が50nm~1500nmであり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiとSiOxからなり、Siのメディアン径が10~300nmであり、SiOxのメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<SiOxのメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiとSi-M合金とからなり、Siのメディアン径が10~300nmであり、Si-M合金のメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<Si-M合金のメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiOxとSi-M合金とからなり、SiOxのメディアン径が150~400nmであり、Si-M合金のメディアン径が200~5000nmであり、SiOxのメディアン径<Si-M合金のメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、質量比が0.01~100であるSiOxとSi-M合金とからなり、Si-M合金のメディアン径が150~400nmであり、SiOxのメディアン径が200~5000nmであり、Si-M合金のメディアン径<SiOxのメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、Si、SiOx及びSi-M合金からなり、SiとSiOxとの質量比が0.02~100であり、SiとSi-M合金との質量比が0.02~100であり、Siのメディアン径が10~300nmであり、SiOxのメディアン径が150~5000nmであり、Si-M合金のメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<SiOxのメディアン径<Si-M合金のメディアン径であり、
任意選択で、前記第1活物質は、Si、SiOx及びSi-M合金からなり、SiとSiOxとの質量比が0.02~100であり、SiとSi-M合金との質量比が0.02~100であり、Siのメディアン径が10~300nmであり、SiOxのメディアン径が150~5000nmであり、Si-M合金のメディアン径が150~5000nmであり、Siのメディアン径<Si-M合金のメディアン径<SiOxのメディアン径であり、
任意選択で、前記第2活物質の組成が天然グラファイトもしくは人造グラファイトのいずれか1つまたは2つの組み合わせを含み、
任意選択で、前記第2活物質のメディアン径が1~15μmである
請求項8に記載の方法。 - ステップ1に記載の混合造粒方法が、噴霧乾燥、混合加熱または混練のいずれか1つであり、
任意選択で、ステップ2に記載の前記炭素被覆による改質方法が、液相コーティング法、固相コーティング法または気相コーティング法のいずれか1つであり、
任意選択で、前記液相コーティング法のプロセスステップは、前記第1前駆体と炭素源を有機溶剤系に分散し、乾燥させて、第2前駆体を得ることを含み、
任意選択で、前記固相コーティング法のプロセスステップは、前記第1前駆体と炭素源をミキサーに入れ、混合して、第2前駆体を得ることを含み、
任意選択で、前記液相コーティング法と固相コーティング法において、炭素源が、ポリエステル系、糖類、有機酸もしくはピッチのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせであり、
任意選択で、前記ポリエステル系が、フェノール樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートもしくはポリアリレートのいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせを含み、
任意選択で、前記気相コーティング法のプロセスステップは、反応炉で、有機炭素源ガスを被覆源として、不活性ガスを導入する条件で、500℃~1200℃に昇温させ、前記第1前駆体に対して炭素被覆を行い、第2前駆体を得ることを含み、
任意選択で、前記気相コーティング法において、前記有機炭素源ガスが、炭化水素類もしくは1~3つのベンゼン環を有する芳香族炭化水素誘導体のいずれか1つまたは少なくとも2つの組み合わせであり、
任意選択で、ステップ3の前記焼結は、前記第2前駆体を反応器に入れ、不活性ガスを導入する保護条件で、500℃~1200℃に昇温させ、コアシェル型複合負極材料を得ることを含み、
任意選択で、前記反応器が、真空炉、箱型炉、回転炉、ローラーハース窯、プッシャー窯またはチューブ炉のいずれか1つを含む
請求項8または9に記載の方法。 - 請求項1~7のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料を含む負極。
- 請求項1~7のいずれか一項に記載のコアシェル型複合負極材料を含むリチウムイオン電池。
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