JP7354231B2 - 負極活性材料、その製造方法及び該負極活性材料を用いた装置 - Google Patents
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Description
シリコンを有する負極活物質粒子と、第1の導電性材料と、第2の導電性材料とを含む負極活性材料であって、
前記第1の導電性材料と前記第2の導電性材料は、三次元導電ネットワーク構造を形成し、
前記負極活物質粒子の少なくとも一部は、前記三次元導電ネットワーク構造に収容されており、
前記負極活物質粒子の全表面積に対する前記第1の導電性材料の全表面積の比は、1000未満であることを特徴とする負極活性材料を提供する。
前記第2の導電性材料は、アスペクト比が約20~約500であり、直径が約50nm~約500nmである。
前記負極活性材料は、前記集電体の少なくとも一つの表面に塗布されている、負極シートを提供する。
シリコンを有する負極活物質粒子、第1の導電性材料及び溶媒を混合して第1の混合スラリーを得る工程(a)と、
第2の導電性材料及び溶剤を前記第1の混合スラリーに添加して第2の混合スラリーを得る工程(b)と、
前記第2の混合スラリーを濾過して負極活性材料を得る工程(c)とを含む負極活性材料スラリーの製造方法であって、
前記第1の導電性材料と前記第2の導電性材料は、三次元導電ネットワーク構造を形成し、
シリコンを有する前記負極活物質粒子の少なくとも一部は、前記三次元導電ネットワーク構造に収容されており、
前記負極活物質粒子の全表面積に対する前記第1の導電性材料の全表面積の比が約1000未満であることを特徴とする負極活性材料スラリーの製造方法を提供する。
本発明は、シリコンを有する負極活物質粒子と、第1の導電性材料と、第2の導電性材料とを含む負極活性材料であって、
前記第1の導電性材料と前記第2の導電性材料は、三次元導電ネットワーク構造を形成し、
前記負極活物質粒子の少なくとも一部は、前記三次元導電ネットワーク構造に収容されており、
前記負極活物質粒子の全表面積に対する前記第1の導電性材料の全表面積の比が1000未満であることを特徴とする負極活性材料を提供する。
本発明は、
シリコンを有する負極活物質粒子、第1の導電性材料及び溶媒を混合して第1の混合スラリーを得る工程(a)と、
第2の導電性材料及び溶剤を前記第1の混合スラリーに添加して第2の混合スラリーを得る工程(b)と、
前記第2の混合スラリーを濾過して負極活性材料スラリーを得る工程(c)とを含む負極活性材料スラリーの製造方法であって、
前記第1の導電性材料と前記第2の導電性材料は、三次元導電ネットワーク構造を形成し、
シリコンを有する前記負極活物質粒子の少なくとも一部は、三次元導電ネットワーク構造に収容されており、
前記負極活物質粒子の全表面積に対する前記第1の導電性材料の全表面積の比が1000未満であることを特徴とする負極活性材料スラリーの製造方法を提供する。
本発明は、集電体と、前記いずれかの負極活性材料とを含む負極シートであって、前記負極活性材料は、前記集電体の少なくとも一つの表面に塗布されている負極シートを提供する。
本発明は、正極シートと、前述した負極シートと、セパレータと、電解液とを含む電気化学デバイスを提供する。
上記方法の工程(c)で得られたろ過された負極活性材料スラリーを集電体上に塗布し、この電極シートを乾燥又は冷間圧縮して負極シートを得る。
いくつかの実施例において、負極材料の塗布厚さは約50μm~200μmである。
いくつかの実施例において、負極シートの片面圧縮密度は約1.2g/cm3~約2.0g/cm3である。
正極活物質(コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなど)、導電性材料、及び正極結合剤を一定の質量比で溶媒系に分散させて十分に撹拌混合した後、正極集電体に塗布し、乾燥、冷間圧縮を経て、正極シートを得る。
セパレータとして、ポリエチレン(PE)多孔質重合薄膜を用いることが挙げられる。前記セパレータの材質は、ガラス繊維、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、又はこれらの組み合わせが挙げられる。前記セパレータ中の孔は、約0.01μm~約1μmの範囲の直径を有し、前記セパレータの厚さは、約5μm~約500μmの範囲である。
前記電解液は、有機溶媒、リチウム塩及び添加剤を含む。有機溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート、及びプロピオン酸エチルのうちの少なくとも1種を含む。リチウム塩は、有機リチウム塩及び無機リチウム塩のうちの少なくとも1種を含む。例えば、リチウム塩は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2;LiTFSI)、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム(Li(N(SO)2F)2);LiFSI)、ジシュウ酸ホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2;LiBOB)、ジフルオロシュウ酸ホウ酸リチウム(LiBF2(C2O4);LiDFOB)のうちの少なくとも1種を含む。
本発明は、前述した電気化学デバイスを含む電子設備を提供する。
以下、実施例を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例は例示的なものに過ぎず、本発明の実施方式はこれらに限定されない。
実施例1~11及び比較例1~5の負極材料は、次のように製造された。
(1)シリコン含有材料(SiOX、ただし、x=0.5-1.5、粒子の平均粒径D50は約6μm)約300g、黒鉛材料約2700g、導電性材料約40g(カーボンナノチューブ(CNT)と気相成長炭素繊維(VGCF)の総量は約40g)、結合剤約120g、他の導電性材料約0~12gをそれぞれ秤量した。
上記実施例1~11及び比較例1~5の負極活性材料をそれぞれ用いて、以下のように負極シート及びリチウムイオン電池を製造し、負極シートの電気抵抗率及び粘着力、リチウムイオン電池の初回クーロン効率、25℃、400サイクル時の容量維持率、及び25℃、400サイクル時の満充電膨張率を測定した。また、本発明の有効な三次元導電ネットワークをよりよく認識するために、実施例4で得られた負極活性材料の表面の形態に対してSEM測定を実施した。
<負極シートの製造>
前記「1.負極活性材料の製造」の工程(4)で得られた各実施例及び比較例の負極活性材料スラリーを銅箔製集電体上に塗布し、乾燥、冷間圧縮をして、負極シートを得た。塗布厚さは約50μm~約200μmであり、電極シートの片面圧縮密度は約1.2g/cm3~約2.0g/cm3である。
正極活物質としてのコバルト酸リチウム、導電性カーボンブラック、結合剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)を約96.7:1.7:16の質量比でN-メチルピロリドン溶媒系中にて十分に撹拌混合した後、Al箔に塗布し、乾燥、冷間圧縮をして、正極シートを得た。
セパレータとしてポリエチレン(PE)多孔質重合薄膜を用いた。
セパレータが正極と負極の間に介在して二者を分離する役割を果たすように、正極シート、セパレータ、及び負極シートを順に積層し、巻回してベアセルを得た。ベアセルを外装材に入れ、電解液(ECとDMCとDECの体積比=1:1:1、六フッ化リン酸リチウムの濃度は約1mol/L、電解液に対するFECの質量割合は約10wt%)を注入して封口し、化成、脱ガス、エッジカット等のプロセスを経て、リチウムイオン電池を得た。
<SEM測定>
走査型電子顕微鏡(SEM)は、電子ビームとサンプルとの相互作用により、二次電子信号を用いて結像し、サンプルの形態構造を得るものである。本実験で使用した走査型電子顕微鏡は、JEOL社のJSM-6360LV型及びそれに付属するX線分光器でサンプルの形態構造と元素分布を分析した。
四探針法を用いて電極シートの電気抵抗率を測定した。四探針法での測定に用いた装置は、精密直流電圧電流源(SB118型)であり、長さ1.5cm×幅1cm×厚さ2mmの銅板4枚を等間隔に1本の線上に固定し、中間の2枚の銅板の間隔をL(1cm~2cm)とし、銅板を固定するための基材は絶縁材料であった。測定時に、4枚の銅板の下端面を測定対象とする電極シートに押し付けて、両端の銅板に直流電流Iを流して、中間の2枚の銅板で電圧Vを測定し、3回のIとVの値を読み取って、IとVの平均値を取った。測定後、スパイラルマイクロメータを用いて電極シート材料の厚さd(cm)を測定した。電気抵抗率定義式:ρ=R×S/Lから、電気抵抗率計算式:ρ=V×d/(I×L)を導出し、ここで、ρは電気抵抗率(Ω.cm)、Rは電気抵抗(Ω)、S=サンプルの幅(1cm)×材料の厚さd、Lは電圧を測定するための2枚の銅板の内側の間の距離(cm)、dは電極シート材料の厚さ(cm)、V、Iはそれぞれ測定された電圧値(V)と電流値(mA)である。
実施例1~11及び比較例1~5の負極活性材料を用いて製造された負極シートの粘着力を引張試験機で測定した。負極シートを15mm×2mmの大きさに切出し、切り出された負極シートを3M両面テープでステンレス板に接着し、引張試験機に載置して、電極シートの粘着力を測定した。
0.5C倍率で4.4Vまで定電流充電し、さらに4.4Vの定電圧条件下で0.025Cより低い電流まで充電して、リチウムイオン電池の充電容量C0を得た。そして、5分間静置した後、0.5C倍率で3.0Vまで定電流放電して、リチウムイオン電池の放電容量D0を得た。D0/C0は、リチウムイオン電池の初回クーロン効率であった。
全ての比較例及び実施例の電解液を用いて製造されたリチウムイオン電池を5本ずつ取り、以下の工程によりリチウムイオン電池に対して充放電を繰り返して行い、リチウムイオン電池の放電容量維持率を算出した。
25℃の環境中において、0.7C倍率で4.4Vまで定電流充電し、さらに4.4Vの定電圧条件下で0.025Cよりも低い電流まで充電した。5分間静置した後、0.5C倍率で3.0Vまで定電流放電した容量を初期容量とした。前述の工程に従って、0.7C倍率充電/0.5C倍率放電のサイクル測定を行い、各サイクル時の容量と初期容量との比から容量減衰曲線を得た。
ヘリカルマイクロメータを使用して、最初の半充電時のリチウムイオン電池の厚さを測定した。400回までサイクルしたとき、満充電状態でのリチウムイオン電池の厚さをヘリカルマイクロメータで測定し、初期の半充電時のリチウムイオン電池の厚さと比較することで、このときの満充電リチウムイオン電池の膨張率を得た。
Claims (31)
- シリコンを有する負極活物質粒子と、第1の導電性材料と、第2の導電性材料とを含む負極活性材料であって、
前記第1の導電性材料と前記第2の導電性材料は、三次元導電ネットワーク構造を形成し、
前記負極活物質粒子の少なくとも一部は、三次元導電ネットワーク構造に収容され、 前記負極活物質粒子の全表面積に対する前記第1の導電性材料の全表面積の比は、1000未満であり、
前記第1の導電性材料は、少なくとも1種の極性基を有するカーボンナノチューブを含み、前記第2の導電性材料は、炭素繊維を含み、
前記第1の導電性材料の質量が導電性材料の全質量の2.5%~15%を占めており、 前記負極活物質粒子の平均粒径D50が0.5μm~30μmであり、前記第2の導電性材料の平均長さL50と前記負極活物質粒子のD50が、
関係式:(L50-D50)/D50≧1を満たし、
前記L50と前記D50との単位は、いずれもμmである
ことを特徴とする負極活性材料。 - 前記第1の導電性材料は、アスペクト比が50~3000であり、直径が2nm~30nmであり、
前記第2の導電性材料は、アスペクト比が20~500であり、直径が50nm~500nmである、請求項1に記載の負極活性材料。 - 前記負極活物質粒子の全質量に対する、前記第1の導電性材料と前記第2の導電性材料との全質量の比が、1:5~100である、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記極性基は、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、エポキシ基、アミノ基、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はこれらの両方の組み合わせを含む、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記炭素繊維は、気相成長炭素繊維、ナノ炭素繊維、又はこれらの両方の組み合わせを含む、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記第1の導電性材料は、1種以上の共有結合により前記負極活物質粒子の表面に結合されている、請求項2に記載の負極活性材料。
- 前記負極活物質粒子は、ケイ素単体、ケイ素化合物、ケイ素合金、又はこれらの任意の組み合わせを含む、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記負極活物質粒子は、SiOX(但し、x=0.5~1.5)を含み、前記SiOXは結晶性SiOX、非晶質SiOX又はこれらの両方の組み合わせを含む、請求項8に記載の負極活性材料。
- 前記負極活物質粒子の表面の少なくとも一部が酸化物で被覆されている、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記酸化物は、金属酸化物、非金属酸化物、又はこれらの両方の組み合わせを含む、請求項10に記載の負極活性材料。
- 第3の導電性材料をさらに含み、前記第3の導電性材料の質量が導電性材料の全質量の1%~20%を占める、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記第3の導電性材料は、導電性カーボンブラック、アセチレンブラック、導電性黒鉛、グラフェン、又はこれらの任意の組み合わせを含む、請求項12に記載の負極活性材料。
- 前記負極活物質粒子は、さらに炭素材料を含む、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記炭素材料は、人造黒鉛、天然黒鉛、又はこれらの組み合わせを含む、請求項14に記載の負極活性材料。
- 前記人造黒鉛は、メソフェーズカーボンマイクロスフェアを含む、請求項15に記載の負極活性材料。
- さらに結合剤を含む、請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記結合剤は、ポリアクリル酸エステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、アルギン酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロースカリウム、メチロールセルロースナトリウム、メチロールセルロースカリウム、又はそれらの任意の組み合わせを含む、請求項17に記載の負極活性材料。
- 負極シートであって、
集電体と、請求項1~18のいずれか一項に記載の負極活性材料とを含み、
前記負極活性材料は、前記集電体の少なくとも一つの表面に塗布される、負極シート。 - 厚みが50μm~200μmであり、片面圧縮密度が1.2g/cm3~2.0g/cm3であり、電気抵抗率が0.001Ω・cm~1000Ω・cmである、請求項19に記載の負極シート。
- 前記負極活性材料と前記集電体との間の剥離強度が20N/mより大きい、請求項19に記載の負極シート。
- 正極シートと、
請求項19~21のいずれか一項に記載の負極シートと、
セパレータと、
電解液とを含む電気化学デバイス。 - 請求項22に記載の電気化学デバイスを含む電子設備。
- 負極活性材料スラリーの製造方法であって、
シリコンを有する負極活物質粒子、第1の導電性材料及び溶媒を混合して第1の混合スラリーを得る工程(a)と、
第2の導電性材料及び溶剤を前記第1の混合スラリーに添加して第2の混合スラリーを得る工程(b)と、
前記第2の混合スラリーを濾過して負極活性材料スラリーを得る工程(c)とを含み、 前記負極活性材料スラリーは、請求項1~18のいずれか1項に記載の負極活性材料のスラリーである
ことを特徴とする製造方法。 - 工程(a)において、さらに結合剤を添加し、
前記結合剤は、ポリアクリル酸エステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、アルギン酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロースカリウム、メチロールセルロースナトリウム、メチロールセルロースカリウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項24に記載の製造方法。 - 工程(b)において、さらに第3の導電性材料を第1の混合スラリーに添加し、
前記第3の導電性材料は、導電性カーボンブラック、アセチレンブラック、導電性黒鉛、グラフェン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項25に記載の製造方法。 - 工程(b)において、さらに炭素材料を前記第1の混合スラリーに添加し、
前記炭素材料は、人造黒鉛、天然黒鉛、又はこれらの組み合わせを含む、請求項24に記載の製造方法。 - 前記人造黒鉛は、メソフェーズカーボンマイクロスフェアを含む、請求項27に記載の製造方法。
- 工程(b)において、さらに結合剤を添加し、
前記結合剤は、ポリアクリル酸エステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、アルギン酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロースカリウム、メチロールセルロースナトリウム、メチロールセルロースカリウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項24に記載の製造方法。 - 工程(a)及び工程(b)において、溶媒の使用量を制御することにより、前記第1の混合スラリーと前記第2の混合スラリーの粘度を制御する、請求項24に記載の製造方法。
- 工程(a)及び工程(b)において、前記溶媒は、脱イオン水又はN-メチルピロリドンを含む、請求項24に記載の製造方法。
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