JPWO2006068066A1 - 非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質およびその製造法 - Google Patents
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Abstract
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方から成長させたカーボンナノファイバと、を含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質。
Description
本発明は、非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質およびその製造法に関する。詳しくは、本発明は、表面からカーボンナノファイバを成長させた材料を含む複合電極活物質に関する。本発明の複合電極活物質は、優れた充放電特性およびサイクル特性を有する非水電解液二次電池および非水電解液電気化学キャパシタを与える。
電子機器のポータブル化、コードレス化が進むにつれて、小型、軽量で、かつ高エネルギー密度を有する非水電解液二次電池への期待は高まりつつある。現在、非水電解質二次電池の負極活物質としては、黒鉛などの炭素材料が実用化されている。黒鉛は、理論上、炭素原子6個に対してリチウム原子1個を吸蔵できる。
黒鉛の理論容量密度は372mAh/gである。しかし、不可逆容量による容量ロスなどがあり、実際の放電容量密度は310〜330mAh/g程度に低下する。基本的には、この容量密度以上でリチウムイオンを吸蔵および放出できる炭素材料を得ることは困難である。
そこで、更に高エネルギー密度の電池が求められる中、理論容量密度の高い負極活物質として、リチウムと合金化するSi、Sn、Geや、これらの酸化物および合金が期待されている。特に安価なSiおよびその酸化物は幅広く検討されている。しかし、これらの材料は、リチウムの吸蔵および放出に伴う体積変化が非常に大きい。そのため、充放電サイクルによって膨張と収縮を繰り返し、活物質粒子の微紛化や粒子間の導電性の低下が起こる。よって、充放電サイクルに伴う活物質の劣化が非常に大きくなる。
このような状況の中、リチウムと合金化可能な元素を含む材料と炭素材料との複合体からなる粒子が考案されている(例えば特許文献1)。この粒子は、黒鉛単独の活物質よりも大きな充放電容量を持ち、リチウムと合金化可能な材料単独の活物質よりも充放電に伴う体積変化率が小さい。しかし、充放電サイクルが繰り返されると、複合体粒子の体積変化による粉砕、微紛化、粒子間の導電性の低下が起こるため、サイクル特性は十分であるとは言えない。
上記複合体粒子の充放電サイクルによる体積変化を抑制し、粒子の粉砕や微紛化を低減するために、複合体粒子の表面を炭素材料で被覆することが提案されている(例えば特許文献2)。この提案は、複合体粒子の表面を覆う炭素材料により、リチウムの吸蔵による粒子の膨張を抑制することを意図している。
また、炭素材料を活物質とする非水電解液二次電池用負極において、炭素材料の表面に触媒を担持させ、カーボンナノチューブを成長させる技術が提示されている(特許文献3)。この提案は、炭素材料の粒子間の導電性を高め、さらに、高密度極板を作製する際の電解液の浸透性を向上させることを目的としている。
一方、正極および負極に活性炭などの分極性電極を用いた電気化学キャパシタは、二次電池と比較して高い容量を有し、サイクル特性にも優れている。このため、電気化学キャパシタは、電子機器のバックアップ用電源などに用いられているが、エネルギー密度が低いという短所を有する。電気化学キャパシタでは、電荷が電極表面だけに蓄えられるからである。しかし、電極の比表面積を大きくするだけでは、電気化学キャパシタのエネルギー密度を大きく向上させることは困難である。
特開2000−113885号公報 特開2002−216751号公報 特開2001−196064号公報
以上のように、従来から、リチウムと合金化可能な元素を含む材料を非水電解液二次電池用電極活物質として用いることが検討されている。しかし、いずれの提案も、充放電サイクルに伴う劣化の抑制が十分であるとは言えず、実用化には至っていない。例えば、リチウムと合金化可能な材料と炭素材料との複合体からなる粒子の表面を炭素材料で被覆したとしても、リチウムと合金化可能な材料の体積変化を制御することはできない。よって、リチウムの吸蔵により、炭素材料からなる被覆層ごと粒子が膨張する。また、充放電サイクルを繰り返すと、被覆層の破断や剥離が生じ、複合体粒子が粉砕され、微紛化し、粒子間の導電性が低下し、充放電特性が劣化する。よって、特許文献1、2のような技術は実用的ではない。
特許文献3は、炭素材料だけを活物質とする負極を提案するものである。よって、上記のような体積変化の大きな材料を電極活物質として用いる場合の問題に対して、解決策を提案するものではない。
本発明は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方から成長させたカーボンナノファイバとを含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質を提案する。
触媒元素は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bおよびカーボンナノファイバよりなる群から選択される少なくとも1つに担持されていればよい。例えば、触媒元素は、カーボンナノファイバの少なくとも一方の端部に担持されていればよい。
リチウムと合金化可能な元素は、Siまたは/およびSnであることが好ましい。また、触媒元素は、Mn、Fe、Co、Ni、CuおよびMoよりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
本発明は、また、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aおよび炭素からなる材料Bを含む複合体もしくは混合物を得る工程と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素を含む化合物を担持する工程と、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガス中で、前記化合物を還元するとともに、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバを成長させる工程と、カーボンナノファイバを成長させた材料Aおよび材料Bの複合体もしくは混合物を、不活性ガス中で、400℃以上1600℃以下で、焼成する工程と、を含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質の製造法に関する。
本発明は、さらに、上記の複合電極活物質を含む負極、リチウムの充放電が可能な正極、負極と正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する非水電解液二次電池に関する。
本発明は、さらに、上記の複合電極活物質を含む負極、分極性電極材料を含む正極、負極と正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する非水電解液電気化学キャパシタに関する。
本発明は、さらに、上記の複合電極活物質を含む負極、分極性電極材料を含む正極、負極と正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する非水電解液電気化学キャパシタに関する。
本発明によれば、黒鉛の理論容量をこえる充放電容量を持つ活物質を得ることができる。また、リチウムと合金化可能な材料Aが大きな体積変化を起こしても、活物質粒子間の導電性を保つことができる。よって、本発明の複合電極活物質は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aの膨張と収縮による電極の導電性の低下を抑制し、高い充放電容量と良好なサイクル特性を有する非水電解液二次電池を与える。
また、本発明の複合電極活物質に含まれるカーボンナノファイバは電気二重層容量を有し、リチウムと合金化可能な材料Aは、リチウムの挿入および脱離による疑似容量を有する。よって、本発明の複合電極活物質は、高い充放電容量と良好なサイクル特性を有する非水電解液電気化学キャパシタを与える。
例えば、リチウムと合金化可能な材料Aおよび炭素からなる材料Bがそれぞれ粒子状の場合、材料Aの粒子表面および材料Bの粒子表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバを成長させ、各粒子をカーボンナノファイバで被覆する。そして、カーボンナノファイバ同士を互いに絡み合った状態にすることで、粒子同士がカーボンナノファイバを介して多数の点で接続される。そのため、材料Aが大きな体積変化を起こしても、活物質粒子間の導電性を保つことができる。この場合、材料Aの充放電に伴う膨張と収縮が繰り返され、粒子の粉砕や微紛化が起こっても、形成された微粉はカーボンナノファイバを介して電気的に接続されている。よって、従来のように粒子間の導電性が大きく低下することはない。
カーボンナノファイバは、材料Aの粒子表面および材料Bの粒子表面の両方に成長していてもよいし、どちらか一方だけに成長していてもよい。例えば、粒子表面にカーボンナノファイバが成長した材料Aと、粒子表面にカーボンナノファイバが成長していない材料Bとを混合した場合でも、材料Aの粒子同士がカーボンナノファイバを介して互いに絡み合う。そして、材料Aの粒子間の隙間に材料Bの粒子が入り込み、材料Bもカーボンナノファイバと電気的に接続される。よって、体積変化が起こっても、活物質粒子間の導電性を保つことができる。材料Aの粒子表面および材料Bの粒子表面の両方にカーボンナノファイバが成長している方が、電気的な接続点がより多数となるため、活物質間の導電性を確保する効果が大きい。
本発明の複合電極活物質では、特許文献2が提案するように、炭素材料からなる固い被覆層で粒子を覆うのではなく、緩衝作用のあるカーボンナノファイバが層状になって粒子を覆っている。そのため、材料Aの粒子が膨張しても、カーボンナノファイバ層が膨張による応力を吸収することができる。よって、材料Aの膨張によるカーボンナノファイバ層の破損や剥離は抑制される。また、隣接する粒子同士が互いに強く押し合うこともない。さらに、材料Aの粒子が収縮しても、カーボンナノファイバ同士が絡み合っているため、隣接する粒子間の導電性の断絶も抑制される。
また、材料Aと炭素からなる材料Bとの複合体もしくは混合物にカーボンナノファイバを成長させる場合、カーボンナノファイバの成長速度が著しく速くなるという知見が得られている。この場合、カーボンナノファイバの成長速度は、材料Aだけにカーボンナノファイバを成長させる場合よりも著しく速くなる。よって、本発明によれば、カーボンナノファイバを成長させるのに必要な時間を短くすることができる。その結果、カーボンナノファイバを成長させる工程を含む電極活物質の製造法を効率化することができ、電極活物質の生産効率は格段に向上する。
本発明の複合電極活物質は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方から成長させたカーボンナノファイバとを含む。複合負極活物質には、材料Aと、材料Bと、触媒元素と、カーボンナノファイバのみからなるものと、さらに他の要素を含むものとが含まれる。他の要素としては、材料A、B以外のリチウムを吸蔵および放出できる材料や不純物等が挙げられる。
上記のような複合負極活物質は、カーボンナノファイバの成長を促進する触媒元素を担持した材料Aおよび/または材料Bの表面に、カーボンナノファイバを成長させることにより得ることができる。カーボンナノファイバは、少なくともその一端が材料Aおよび/または材料Bの表面に結合しており、通常は、一端のみが結合している。結合には、化学結合や分子間力による結合が含まれるが、樹脂成分を介した結合は含まれない。なお、化学結合には、イオン結合や共有結合が含まれる。
カーボンナノファイバは、その成長の開始地点となる材料Aおよび/または材料Bの表面に直接結合している。カーボンナノファイバと材料Aとの結合点では、材料Aの構成元素とカーボンナノファイバの構成炭素とが、化合物を形成していることが好ましい。また、カーボンナノファイバと材料Bとの結合点では、材料Bの構成炭素とカーボンナノファイバの構成炭素とが、共有結合を形成していることが好ましい。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aは、例えばリチウムと合金化可能な元素の単体のように、リチウムと合金化可能な元素のみからなるものでもよく、リチウムと合金化しない元素を含むものでもよい。材料Aは、1種を単独で用いてもよく、2種以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
リチウムと合金化可能な元素としては、特に限定されないが、例えばAl、Si、Zn、Ge、Cd、Sn、Pb等を挙げることができる。これらは単独で材料Aに含まれていてもよく、2種以上が材料Aに含まれていてもよい。なお、吸蔵可能なリチウム量の多い材料が得られ、入手も容易である点で、特にSi、Sn等がリチウムと合金化可能な元素として好ましい。Si、Sn等を含む材料Aとしては、Si単体、Sn単体、SiOx(0<x<2)、SnOx(0<x≦2)等の酸化物、Ni−Si合金、Ti−Si合金、Mg−Sn合金、Fe−Sn合金等の遷移金属元素を含む合金等、様々な材料を用いることができる。
材料Aは、材料Bと複合体を形成できる状態であれば、どのような形態をとることもできるが、粒子状であるか、もしくは材料Bの粒子を被覆する層状であることが好ましい。
カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bとしては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛、カーボンブラック、コークス、活性炭素繊維等、様々な材料を用いることができる。材料Bは、1種を単独で用いてもよく、2種以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
材料Bは、材料Aと複合体を形成できる状態であれば、どのような形態をとることもできるが、粒子状であるか、もしくは材料Aの粒子を被覆する層状であることが好ましい。
カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素は、特に限定されないが、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。複合電極活物質中では、触媒元素は、金属状態でもよく、酸化物等の化合物の状態でもよい。また、触媒元素が金属状態である場合は、単体でもよく、合金を形成していてもよい。また、触媒元素が合金を形成している場合は、触媒元素とそれ以外の金属元素との合金でもよい。また、上記のうち、複数の状態の触媒元素が複合電極活物質中に混在してもよい。なお、触媒元素は、複合電極活物質中に、粒子状で存在することが好ましい。
触媒元素が粒子状である場合、触媒元素の粒子(以下、触媒粒子)の粒径は1nm〜1000nmであることが好ましい。粒径が1nm未満の触媒粒子の形成は非常に難しく、触媒粒子の粒径が1000nmを超えると、触媒粒子の大きさが極端に不均一となる。その結果、カーボンナノファイバを成長させることが困難になり、もしくは導電性に優れた複合電極活物質が得られないことがある。なお、触媒粒子の粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)等で測定することができる。また、平均粒径を得る場合には、例えば20〜100個の任意の触媒粒子の粒径を測定し、その平均を取ればよい。
触媒元素は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bおよびカーボンナノファイバよりなる群から選択される少なくとも1つに担持されていればよい。なお、触媒元素が材料Aに担持されている場合、触媒元素は、少なくとも材料Aの表面に存在していればよいが、さらに内部にも存在してもよい。また、触媒元素が材料Bに担持されている場合、触媒元素は、少なくとも材料Bの表面に存在していればよいが、さらに内部にも存在してもよい。さらに、触媒元素がカーボンナノファイバに担持されている場合、触媒元素は、カーボンナノファイバの少なくとも一方の端部に担持されていればよい。
カーボンナノファイバが成長しても、触媒元素が材料Aおよび/または材料Bから脱離しない場合には、触媒元素は、材料Aおよび/または材料Bの表面に結合しているカーボンナノファイバの根元、すなわち固定端に存在する。一方、カーボンナノファイバの成長に伴い、触媒元素が材料Aおよび/または材料Bから脱離する場合には、触媒元素は、通常、カーボンナノファイバの先端、すなわち自由端に存在する。
複合電極活物質中には、触媒元素が固定端に存在するカーボンナノファイバと、触媒元素が自由端に存在するカーボンナノファイバとが、混在していてもよい。また、カーボンナノファイバは、少なくともその一端が材料Aおよび/または材料Bの表面と結合していればよいが、その両端が材料Aおよび/または材料Bの表面と結合していてもよい。また、カーボンナノファイバが成長する過程で、ファイバ内に触媒元素が取り込まれることもある。
材料Aおよび/または材料Bの表面から成長させたカーボンナノファイバの長さは、1nm〜1000μmが好ましく、500nm〜100μmがさらに好ましい。カーボンナノファイバの長さが1nmより短ければ、電極の導電性の向上や、材料Aの膨張応力を吸収する効果が小さくなり、1000μmより長ければ、電極における活物質密度が低下し、高エネルギー密度が得られない。また、カーボンナノファイバの繊維径は、1nm〜1000nmが好ましく、50nm〜300nmがさらに好ましい。なお、カーボンナノファイバの繊維長および繊維径は、走査型電子顕微鏡(SEM)等で測定することができる。また、平均長さや平均径を得る場合には、例えば20〜100本の任意のカーボンナノファイバの繊維長および繊維径を測定し、それらの平均を取ればよい。
カーボンナノファイバは、どのような状態のものでもよいが、例えばチューブ状態、アコーディオン状態、プレート状態、ヘーリング・ボーン状態のもの等が挙げられる。カーボンナノファイバは、これらのうちの1種のみを含んでもよく、2種以上を含んでもよく、さらに他の状態のカーボンナノファイバを含んでもよい。
以下、本発明の複合電極活物質の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の複合電極活物質には様々な形態のものが含まれ、以下に限定されない。
図1Aおよび図1Bは、本発明の複合電極活物質の第1の例を示す概念図である。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1aと、炭素からなる材料B2aとは、それぞれ同程度の粒径を有する。カーボンナノファイバ4aは、触媒粒子を基点として成長している。図1Aでは、材料Aおよび材料Bには、それぞれ触媒粒子3aが担持されている。図1Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4aの先端に存在する。材料A1aおよび材料B2aのそれぞれの粒子表面に成長したカーボンナノファイバ4aは、互いに絡み合っている。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1aと、炭素からなる材料B2aとは、それぞれ同程度の粒径を有する。カーボンナノファイバ4aは、触媒粒子を基点として成長している。図1Aでは、材料Aおよび材料Bには、それぞれ触媒粒子3aが担持されている。図1Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4aの先端に存在する。材料A1aおよび材料B2aのそれぞれの粒子表面に成長したカーボンナノファイバ4aは、互いに絡み合っている。
図1Aおよび図1Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。また、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。
図2Aおよび図2Bは、本発明の複合電極活物質の第2の例を示す概念図である。
炭素からなる材料B2bの表面に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1bの微小な粒子が担持されている。カーボンナノファイバ4bは、触媒粒子を基点として成長している。図2Aでは、さらに微小な触媒粒子3bが、材料A1bの微小な粒子と材料B2bの表面に担持されており、その触媒粒子を基点としてカーボンナノファイバ4bが成長している。図2Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4bの先端に存在する。材料A1bの微小な粒子は、材料2bが有する窪みに埋没している。
炭素からなる材料B2bの表面に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1bの微小な粒子が担持されている。カーボンナノファイバ4bは、触媒粒子を基点として成長している。図2Aでは、さらに微小な触媒粒子3bが、材料A1bの微小な粒子と材料B2bの表面に担持されており、その触媒粒子を基点としてカーボンナノファイバ4bが成長している。図2Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4bの先端に存在する。材料A1bの微小な粒子は、材料2bが有する窪みに埋没している。
図2Aおよび図2Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.001〜50μmであることが好ましい。また、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。
図3Aおよび図3Bは、本発明の複合電極活物質の第3の例を示す概念図である。
炭素からなる材料B2cの粒子表面を、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1cが、層状に被覆している。図3Aおよび図3Bでは、材料B2cの粒子表面の全面が材料A1cの層で被覆されているが、材料B2cの粒子表面が部分的に被覆されている場合もある。図3Aでは、材料A1cで被覆された材料B2cの粒子に、触媒粒子3cが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4cが成長している。図3Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4cの先端に存在する。
炭素からなる材料B2cの粒子表面を、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1cが、層状に被覆している。図3Aおよび図3Bでは、材料B2cの粒子表面の全面が材料A1cの層で被覆されているが、材料B2cの粒子表面が部分的に被覆されている場合もある。図3Aでは、材料A1cで被覆された材料B2cの粒子に、触媒粒子3cが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4cが成長している。図3Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4cの先端に存在する。
図3Aおよび図3Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。また、材料Aの被覆層の厚さは、特に限定されないが、0.001μm〜50μmであることが好ましい。被覆層の厚さが0.001μmより小さくなると、高い充放電容量を実現することが困難になる。また、被覆層の厚さが50μmより大きくなると、充放電による活物質粒子の体積変化が大きくなり、粒子が粉砕されやすくなる。
図2〜3のような複合電極活物質を得る場合は、例えば、触媒粒子を担持させる前に、予め材料Bの粒子を、材料Aまたはその前駆体の溶液と混合し、乾燥させて、材料Bに材料Aまたはその前駆体を担持させる。材料Aの前駆体は、その後、加熱処理することで、材料Aに変換される。また、例えば、触媒粒子を担持させる前に、予め材料Bの粒子と材料Aとを、せん断力を印加しながら十分に混合してもよい。
図2〜3のような材料Aと材料Bとの複合体粒子の場合、その平均粒径は、特に限定されないが、1μm〜100μmが好ましい。複合体粒子の粒径が1μmより小さくなると、負極活物質の比表面積が大きくなり、初回充放電時の不可逆容量が大きくなることがある。また、複合体粒子の粒径が100μmより大きくなると、厚さの均一な負極を作製することが困難となることがある。
図4Aおよび図4Bは、本発明の複合負極材料の第4の例を示す概念図である。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1dの微小な粒子と、それより大きな炭素からなる材料B2dの粒子とが、凝集して二次粒子(複合体粒子)を形成している。図4Aおよび図4Bでは、材料B2dの粒子の方が材料A1dの粒子よりも大きいが、材料A1dの粒子の方が材料B2dの粒子よりも大きい場合もある。図4Aでは、二次粒子に触媒粒子3dが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4dが成長している。図4Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4dの先端に存在する。カーボンナノファイバ4dは、二次粒子間における電子伝導だけでなく、二次粒子内における電子伝導を確保する役割を果たす。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1dの微小な粒子と、それより大きな炭素からなる材料B2dの粒子とが、凝集して二次粒子(複合体粒子)を形成している。図4Aおよび図4Bでは、材料B2dの粒子の方が材料A1dの粒子よりも大きいが、材料A1dの粒子の方が材料B2dの粒子よりも大きい場合もある。図4Aでは、二次粒子に触媒粒子3dが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4dが成長している。図4Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4dの先端に存在する。カーボンナノファイバ4dは、二次粒子間における電子伝導だけでなく、二次粒子内における電子伝導を確保する役割を果たす。
図4Aおよび図4Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.01〜100μmであることが好ましい。また、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。さらに、材料A1dの粒子の方が材料B2dの粒子よりも大きい場合には、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましく、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.01〜100μmであることが好ましい。また、二次粒子(複合体粒子)の平均粒径は、特に限定されないが、1〜100μmであることが好ましい。
図4Aおよび図4Bのような複合電極活物質を得る場合は、例えば、触媒粒子を担持させる前に、予め材料Aと材料Bとをせん断力を印加しながら十分に混合する。その際、材料Aと材料Bとの間に、メカノケミカル反応を進行させることが好ましい。
図5Aおよび図5Bは、本発明の複合電極活物質の第5の例を示す概念図である。
図5Aでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1eに、触媒粒子3eが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4eが成長している。図5Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4eの先端に存在する。材料A1eと触媒粒子3eとカーボンナノファイバ4eとの複合粒子の間隙に、炭素からなる材料B2eの粒子が入り込んでいる。
図5Aでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1eに、触媒粒子3eが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4eが成長している。図5Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4eの先端に存在する。材料A1eと触媒粒子3eとカーボンナノファイバ4eとの複合粒子の間隙に、炭素からなる材料B2eの粒子が入り込んでいる。
図5Aおよび図5Bのような複合電極活物質は、例えば、材料Aだけに触媒粒子を担持させてカーボンナノファイバを成長させたのち、その複合粒子と材料Bとを分散媒中で湿式混合することで得ることができる。
図6Aおよび図6Bは、本発明の複合負極材料の第6の例を示す概念図である。
図6Aでは、炭素からなる材料B2fに、触媒粒子3fが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4fが成長している。図6Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4fの先端に存在する。材料B2fと触媒粒子3fとカーボンナノファイバ4fとの複合粒子の間隙に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1fの粒子が入り込んでいる。
図6Aでは、炭素からなる材料B2fに、触媒粒子3fが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4fが成長している。図6Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4fの先端に存在する。材料B2fと触媒粒子3fとカーボンナノファイバ4fとの複合粒子の間隙に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1fの粒子が入り込んでいる。
図6Aおよび図6Bのような複合電極活物質は、例えば、材料Bだけに触媒粒子を担持させてカーボンナノファイバを成長させたのち、その複合粒子と材料Aとを分散媒中で湿式混合することで得ることができる。
図5〜6のような複合負極活物質を得るための混合は、後述する電極作製のための合剤スラリーを調製する工程で行うことが好ましい。カーボンナノファイバが表面に成長した粒子を含む均質な合剤スラリーを調製することが困難であるが、カーボンナノファイバの成長していない粒子を混合することで、均質な合剤スラリーの調製が容易となる。
複合電極活物質において、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと炭素からなる材料Bとの合計重量に占める、材料Aの重量割合は、10重量%〜90重量%が好ましく、20重量%〜60重量%が特に好ましい。材料Aの割合が10重量%未満になると、高い充放電容量が得られない。材料Aの割合が90重量%を超えると、活物質粒子の体積変化が大きくなり、粒子の粉砕や粒子間の導電性の低下が起こることがある。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aだけにカーボンナノファイバを成長させる場合に比べ、材料Aと炭素からなる材料Bとの複合体もしくは混合物にカーボンナノファイバを成長させる場合の方が、カーボンナノファイバの成長速度は著しく速くなる。このようなカーボンナノファイバの成長速度を向上させる効果は、材料Bの重量割合にかかわらず得られる。よって、材料Aと材料Bとの合計重量に占める材料Bの重量割合が10重量%〜90重量%の範囲であれば、同程度のカーボンナノファイバの成長速度を向上させる効果が得られる。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと炭素からなる材料Bとの複合体もしくは混合物を得る方法としては、以下が挙げられるが、他にも種々の方法を選択することができる。
(i)材料Aと材料Bとを乳鉢等を用いて混合する単純混合方法。
(ii)材料Aと材料Bに機械的せん断力を印加するメカノケミカル反応を利用し、複合体の粒子を得る方法(例えばミリング法)。
(iii)材料Bの表面に材料Aを蒸着またはめっき等により付着させる方法。
(iv)材料Aの前駆体溶液に、材料Bを浸漬し、その後、材料Bの表面に付着した材料Aの前駆体を処理する方法。
(v)材料Aと炭素前駆体との混合物を炭化する方法。
(i)材料Aと材料Bとを乳鉢等を用いて混合する単純混合方法。
(ii)材料Aと材料Bに機械的せん断力を印加するメカノケミカル反応を利用し、複合体の粒子を得る方法(例えばミリング法)。
(iii)材料Bの表面に材料Aを蒸着またはめっき等により付着させる方法。
(iv)材料Aの前駆体溶液に、材料Bを浸漬し、その後、材料Bの表面に付着した材料Aの前駆体を処理する方法。
(v)材料Aと炭素前駆体との混合物を炭化する方法。
触媒元素が存在しない場合、カーボンナノファイバの成長は認められない。よって、本発明の複合電極活物質を得るためには、まず、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物に、触媒元素を担持させる必要がある。材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物に触媒元素を担持させる方法は、特に限定されない。ただし、触媒元素の単体を担持させるよりも、触媒元素を含む化合物を担持させる方法が容易である。カーボンナノファイバの成長が終了するまでの間、触媒元素は金属状態であることが望ましい。よって、触媒元素を含む化合物は、カーボンナノファイバを成長させる前に金属状態に還元し、触媒粒子を形成させる。
触媒元素を含む化合物は、特に限定されないが、例えば酸化物、炭化物、硝酸塩等が挙げられる。なかでも硝酸塩を用いることが好ましい。硝酸塩としては、硝酸ニッケル六水和物、硝酸コバルト六水和物、硝酸鉄九水和物、硝酸銅三水和物、硝酸マンガン六水和物、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物などを挙げることができる。なかでも硝酸ニッケルや硝酸コバルト用いることが好ましい。
触媒元素を含む化合物は、固体のままで材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物と混合してもよいが、溶媒に溶かした溶液の状態で、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物と混合することが好ましい。溶媒としては、水の他、エタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、ベンゼン、ヘキサン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒を用いることができる。溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上の混合溶媒を用いてもよい。
本発明の複合電極活物質において、触媒元素と、材料Aと、材料Bとの合計重量に占める、触媒元素の重量割合は、0.01重量%〜10重量%が好ましく、0.1〜5重量%が更に好ましい。触媒元素を含む化合物を用いる場合にも、その化合物中に含まれる触媒元素の重量が上記範囲となるように調整することが好ましい。触媒元素の割合が0.01重量%未満である場合、カーボンナノファイバを成長させるのに長時間を要し、生産効率が低下する。また、触媒元素の割合が10重量%より大きい場合、触媒粒子の凝集により、不均一で太い繊維径のカーボンファイバが成長する。そのため、活物質粒子間の導電性を効率よく向上させることができず、負極の活物質密度の低下にもつながる。
非水電解液二次電池用の複合電極活物質の場合、触媒元素と、材料Aと、材料Bと、カーボンナノファイバとの合計重量に占める、カーボンナノファイバの重量割合は、5重量%〜70重量%が好ましく、10重量%〜40重量%が特に好ましい。カーボンナノファイバの割合が5重量%より少ないと、活物質粒子間の導電性を向上させ、活物質の膨張応力を吸収する効果が小さくなる。また、カーボンナノファイバの割合が70重量%より多くなると、負極の活物質密度が低下する。
非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質の場合、触媒元素と、材料Aと、材料Bと、カーボンナノファイバとの合計重量に占める、カーボンナノファイバの重量割合は、50重量%〜95重量%が好ましく、70重量%〜90重量%が特に好ましい。
次に、カーボンナノファイバを成長させる条件について説明する。
触媒元素を担持させた材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を、カーボンナノファイバの原料ガスを含む高温雰囲気中に導入すると、カーボンナノファイバの成長が進行する。例えばセラミック製反応容器に、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を投入し、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で100〜1000℃、好ましくは300〜700℃の高温になるまで昇温させる。その後、カーボンナノファイバの原料ガスを反応容器に導入し、例えば1分〜5時間かけてカーボンナノファイバを成長させる。反応容器内の温度が100℃未満では、カーボンナノファイバの成長が起こらないか、成長が遅すぎて、生産性が損なわれる。また、反応容器内の温度が1000℃を超えると、反応ガスの分解が促進されカーボンナノファイバが生成し難くなる。
触媒元素を担持させた材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を、カーボンナノファイバの原料ガスを含む高温雰囲気中に導入すると、カーボンナノファイバの成長が進行する。例えばセラミック製反応容器に、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を投入し、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で100〜1000℃、好ましくは300〜700℃の高温になるまで昇温させる。その後、カーボンナノファイバの原料ガスを反応容器に導入し、例えば1分〜5時間かけてカーボンナノファイバを成長させる。反応容器内の温度が100℃未満では、カーボンナノファイバの成長が起こらないか、成長が遅すぎて、生産性が損なわれる。また、反応容器内の温度が1000℃を超えると、反応ガスの分解が促進されカーボンナノファイバが生成し難くなる。
原料ガスとしては、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスが好適である。炭素含有ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素などを用いることができる。炭素含有ガスと水素ガスとの混合比は、モル比(体積比)で、0.2:0.8〜0.8:0.2が好適である。
触媒元素を含む化合物は、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で昇温させる際に還元が進行する。昇温段階で材料Aや材料Bの表面に金属状態の触媒粒子が形成されない場合には、水素ガスの割合を多めに制御する。これにより、触媒元素の還元とカーボンナノチューブの成長とを並行して進行させることができる。
カーボンナノファイバの成長を終了させる際には、炭素含有ガスと水素ガスの混合ガスを、不活性ガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却させる。続いて、カーボンナノファイバを成長させた材料Aおよび材料Bの複合体もしくは混合物を、不活性ガス雰囲気中400℃以上1600℃以下、好ましくは600℃以上1500℃以下で、例えば10分〜5時間かけて焼成する。このような焼成により、電池の初期充電時に進行する電解液とカーボンナノファイバとの不可逆反応が抑制され、優れた充放電効率を得ることができる。
このような焼成行程を行わないか、もしくは焼成温度が400℃未満では、上記の不可逆反応が抑制されず、電池の充放電効率が低下することがある。また、焼成温度が1600℃を超えると、カーボンナノファイバと材料Aとの反応が進行し、放電特性の低下を引き起こす。例えば、材料Aが酸化ケイ素を含む場合、1600℃を超える温度では、カーボンナノファイバと酸化ケイ素とが反応し、電気化学的に不活性で抵抗の高いSiCを生成する。
次に、上述の複合電極活物質を含む非水電解質二次電池用および非水電解液電気化学キャパシタ用負極について説明する。本発明の複合電極活物質は、樹脂結着剤を含む負極合剤およびこれを担持する負極集電体からなる負極の製造に適している。
負極合剤には、複合電極活物質および樹脂結着剤の他に、さらに、導電剤、増粘剤、従来公知の負極活物質(黒鉛、酸化物、合金等)等を、本発明の効果を大きく損なわない範囲で含めることができる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸誘導体ゴム等のゴム性状樹脂等が好ましく用いられる。また、導電剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンファイバ等の炭素材料等が好ましく用いられる。また、増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ボリエチレンオキシド(PEO)等が用いられる。
負極合剤は、スラリー状にするために液状成分と混合される。得られたスラリーはCu箔等の集電体の両面に塗工され、乾燥される。液状成分としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMA)等の有機溶媒や水を用いることができる。その後、集電体に担持された負極合剤を集電体と共に圧延し、所定サイズに裁断すれば、負極が得られる。なお、ここで説明した方法は一例に過ぎず、他のどのような方法で負極を作製してもよい。
得られた負極と、正極と、セパレータとを用いて電極群が構成される。セパレータには、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂製の微多孔フィルムが好ましく用いられるが、特に限定されない。
非水電解液二次電池の正極は、特に限定されないが、例えば正極活物質として、リチウム複合酸化物を含む正極が好ましく用いられる。リチウム複合酸化物には、リチウムコバルト酸化物(例えばLiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(例えばLiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(例えばLiMn2O4)等を始め、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等から選ばれる1種以上の遷移金属元素を含む酸化物が好ましく用いられる。なお、リチウム複合酸化物には、主成分である遷移金属元素の他に、Al、Mg等の異種元素を含めることが好ましい。正極の集電体には、Al箔が好ましく用いられる。
非水電解液電気化学キャパシタの正極は、分極性電極材料を含むことが好ましい。分極性電極材料には、活性炭などの比表面積の高い炭素材料を用いることが好ましい。正極には、分極性電極材料の他に、リチウムの充放電が可能な材料が更に含まれていてもよい。正極の集電体には、Al箔が好ましく用いられる。
電極群は、非水電解液と共にケース内に収容される。非水電解液には、一般に、リチウム塩を溶解させた非水溶媒が用いられる。非水電解液は、さらに、ビニレンカーボネート(VC)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等の添加剤を含んでもよい。
リチウム塩は、特に限定されないが、例えばLiPF6、LiClO4、LiBF4等が好ましく用いられる。リチウム塩は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
非水溶媒は、特に限定されないが、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の炭酸エステルの他、γ−ブチロラクトン(GBL)、テトラヒドロフラン(THF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)等が好ましく用いられる。非水溶媒は、2種以上を組み合わせて混合溶媒として用いることが好ましい。
非水電解液二次電池および非水電解液電気化学キャパシタの形状や大きさは特に限定されず、円筒型、角型、コイン型など種々の形態をとることができる。
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例1》
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aとして、一酸化ケイ素(SiO)を用い、炭素からなる材料Bとして、人造黒鉛を用いた。
《実施例1》
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aとして、一酸化ケイ素(SiO)を用い、炭素からなる材料Bとして、人造黒鉛を用いた。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製の試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを、乳鉢で10分間乾式混合した。
この混合物100重量部と、関東化学(株)製の硝酸ニッケル(II)六水和物(特級試薬)1重量部をイオン交換水に溶解させて得られた溶液とを混合した。この一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛と硝酸ニッケル溶液との混合物を、1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛粒子のそれぞれの表面に硝酸ニッケルを担持させた。
硝酸ニッケルを担持した一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物を、セラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で、550℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスを水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガスに置換し、550℃で10分間保持して、硝酸ニッケル(II)を還元するとともにカーボンナノファイバを成長させた。その後、混合ガスをヘリウムガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却させ、複合電極活物質を得た。
次いで、複合電極活物質を、アルゴンガス中で1000℃まで昇温させ、1000℃で1時間焼成し、複合電極活物質Aとした。
複合電極活物質AをSEMで分析した結果、図1に示すように、繊維径80nm程度で、長さ100μm程度のカーボンナノファイバが、一酸化ケイ素粒子と黒鉛粒子の表面を、それぞれ被覆していることが確認された。成長したカーボンナノファイバの重量割合は、複合電極活物質全体の20重量%程度であった。また、硝酸ニッケルは、金属ニッケルに還元され、粒径0.1μmの触媒粒子を形成していた。
《実施例2》
一酸化ケイ素粒子100重量部に対する人造黒鉛の量を20重量部に減量したこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような複合負極活物質Bを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
一酸化ケイ素粒子100重量部に対する人造黒鉛の量を20重量部に減量したこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような複合負極活物質Bを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例3》
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、酢酸スズ(II)(関東化学(株)製、1級試薬)110重量部とを、酢酸水溶液とともに混合した。この混合物を1時間攪拌した後、エバポレータ装置で酢酸と水分を除去することで、黒鉛粒子の表面に酢酸スズ(II)を担持させた。
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、酢酸スズ(II)(関東化学(株)製、1級試薬)110重量部とを、酢酸水溶液とともに混合した。この混合物を1時間攪拌した後、エバポレータ装置で酢酸と水分を除去することで、黒鉛粒子の表面に酢酸スズ(II)を担持させた。
酢酸スズを担持させた黒鉛粒子を、セラミック製反応容器に投入し、アルゴンガス存在下で、400℃まで昇温させた。その後、400℃で10時間保持し、酢酸スズ(II)を還元させた。その後、反応容器内を室温まで冷却させ、黒鉛と酸化スズとの複合体粒子を得た。
得られた複合体粒子を、SEM、XRD、EPMA等で分析した結果、黒鉛粒子の表面に、粒径1μm程度のSnOx(0<x≦2)粒子が担持されていることが確認された。複合体粒子全体に占めるSnOxの重量割合は、50重量%程度であった。
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との乾式混合物の代わりに、上記の黒鉛とSnOxとの複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図2に示すような、複合電極活物質Cを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例4》
人造黒鉛100重量部に対する酢酸スズ(II)の量を20重量部に減量したこと以外、実施例3と同様にして、黒鉛と酸化スズとの複合体粒子を得た。
人造黒鉛100重量部に対する酢酸スズ(II)の量を20重量部に減量したこと以外、実施例3と同様にして、黒鉛と酸化スズとの複合体粒子を得た。
得られた複合体粒子を、SEM、XRD、EPMA等で分析した結果、黒鉛粒子の表面が、SnOx(0<x≦2)の被覆層(厚さ約0.5μm)で覆われていることが確認された。複合体粒子全体に占めるSnOxの重量割合は、15重量%程度であった。なお、SnOx(0<x≦2)は、黒鉛粒子の全ての表面を完全に被覆しているわけではなく、黒鉛が露出している部分も見られた。
この複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図3に示すような、複合電極活物質Dを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例5》
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)50重量部とを、遊星ボールミル装置の反応室内に投入し、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)50重量部とを、遊星ボールミル装置の反応室内に投入し、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
得られた混合物をSEM、XRD、EPMA等で分析した結果、粒径10μm程度の黒鉛粒子と、粒径3μm程度のSi粒子との複合体粒子、すなわち黒鉛粒子とSi粒子との凝集二次粒子が得られていることが確認された。複合体粒子全体に占めるケイ素(Si)の重量割合は、30重量%程度であった。
この複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図4に示すような、複合負極活物質Eを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例6》
ケイ素粒子50重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部を用いたこと以外、実施例5と同様にして、遊星ボールミル装置を用いて、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
ケイ素粒子50重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部を用いたこと以外、実施例5と同様にして、遊星ボールミル装置を用いて、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
得られた混合物をSEM、XRD、EPMA等で分析した結果、粒径10μm程度の黒鉛粒子と、粒径3μm程度の一酸化ケイ素粒子との複合体粒子、すなわち黒鉛粒子と一酸化ケイ素粒子との凝集二次粒子が得られていることが確認された。複合体粒子全体に占める一酸化ケイ素の重量割合は、50重量%程度であった。
この複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図4に示すような、複合負極活物質Fを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例7》
硝酸ニッケル(II)六水和物の代わりに、硝酸コバルト(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)を用いたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合負極活物質Gを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
硝酸ニッケル(II)六水和物の代わりに、硝酸コバルト(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)を用いたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合負極活物質Gを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例8》
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を90分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、人造黒鉛65重量部とを、N−メチル−2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図5に示すような、複合電極活物質Hを得た。
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を90分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、人造黒鉛65重量部とを、N−メチル−2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図5に示すような、複合電極活物質Hを得た。
《実施例9》
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、人造黒鉛100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を15分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部とを、N−メチル2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図6に示すような、複合負極活物質1を得た。
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、人造黒鉛100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を15分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部とを、N−メチル2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図6に示すような、複合負極活物質1を得た。
《実施例10》
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した混合物の保持時間を60分間としたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Jを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した混合物の保持時間を60分間としたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Jを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
《実施例11》
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した複合粒子の保持時間を60分間としたこと以外、実施例3と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Kを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した複合粒子の保持時間を60分間としたこと以外、実施例3と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Kを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
《比較例1》
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aだけを用い、炭素からなる材料Bは用いなかった。すなわち、一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との乾式混合物の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)だけを用い、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中でカーボンナノファイバを成長させる保持時間を1時間に変更したこと以外、実施例1と同様にして、複合負極活物質Lを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、纎維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aだけを用い、炭素からなる材料Bは用いなかった。すなわち、一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との乾式混合物の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)だけを用い、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中でカーボンナノファイバを成長させる保持時間を1時間に変更したこと以外、実施例1と同様にして、複合負極活物質Lを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、纎維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《比較例2》
ケイ素粒子の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)を用いたこと以外、比較例1と同様にして、複合負極活物質Mを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
ケイ素粒子の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)を用いたこと以外、比較例1と同様にして、複合負極活物質Mを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《比較例3》
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製の試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを、乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物90重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)10重量部とを混合し、複合負極活物質Nとした。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製の試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを、乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物90重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)10重量部とを混合し、複合負極活物質Nとした。
《比較例4》
硝酸ニッケル(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)1重量部をイオン交換水100重量部に溶解させ、得られた溶液をアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)5重量部と混合した。この混合物を1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、アセチレンブラックに硝酸ニッケル(II)を担持させた。この硝酸ニッケル(II)を担持したアセチレンブラックを、大気中300℃で焼成することで、粒径0.1μm程度の酸化ニッケル粒子を得た。
硝酸ニッケル(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)1重量部をイオン交換水100重量部に溶解させ、得られた溶液をアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)5重量部と混合した。この混合物を1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、アセチレンブラックに硝酸ニッケル(II)を担持させた。この硝酸ニッケル(II)を担持したアセチレンブラックを、大気中300℃で焼成することで、粒径0.1μm程度の酸化ニッケル粒子を得た。
得られた酸化ニッケル粒子をセラミック製反応容器に投入し、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を60分としたこと以外、実施例1と同様の条件で、カーボンナノファイバの成長を行った。得られたカーボンナノファイバをSEMで分析した結果、繊維径80nm程度で、長さ100μm程度のカーボンナノファイバであることが確認された。得られたカーボンナノファイバを塩酸水溶液で洗浄して、ニッケル粒子を除去し、触媒元素を含まないカーボンナノファイバを得た。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物80重量部に、導電剤として上記で得られたカーボンナノファイバ20重量部を混合し、複合電極活物質Oとした。
《比較例5》
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物をセラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で1000℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスをベンゼンガス50体積%とヘリウムガス50体積%との混合ガスに置換し、1000℃で1時間保持することにより、化学蒸着(CVD)処理を行った。その後、混合ガスをヘリウムガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却し、複合電極活物質Pを得た。複合電極活物質PをSEMで分析した結果、一酸化ケイ素粒子と黒鉛粒子が、それぞれカーボン層で被覆されていることが確認された。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物をセラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で1000℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスをベンゼンガス50体積%とヘリウムガス50体積%との混合ガスに置換し、1000℃で1時間保持することにより、化学蒸着(CVD)処理を行った。その後、混合ガスをヘリウムガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却し、複合電極活物質Pを得た。複合電極活物質PをSEMで分析した結果、一酸化ケイ素粒子と黒鉛粒子が、それぞれカーボン層で被覆されていることが確認された。
《比較例6》
比較例4で得られた、触媒元素を含まないカーボンナノファイバだけを電極活物質Qとした。
比較例4で得られた、触媒元素を含まないカーボンナノファイバだけを電極活物質Qとした。
[評価]
(コイン型テストセルの作製)
実施例1〜9および比較例1〜5の複合電極活物質を含む非水電解液二次電池の特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストセルを作製した。
複合負極活物質100重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のディスパージョン(呉羽化学社製、KFポリマー)をPVDF分で7重量部と、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを混合し、負極合剤スラリーを調製した。
(コイン型テストセルの作製)
実施例1〜9および比較例1〜5の複合電極活物質を含む非水電解液二次電池の特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストセルを作製した。
複合負極活物質100重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のディスパージョン(呉羽化学社製、KFポリマー)をPVDF分で7重量部と、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを混合し、負極合剤スラリーを調製した。
得られたスラリーを、厚さ15μmのCu箔からなる集電体に、ドクターブレードを用いて塗布し、60℃の乾燥機で乾燥させ、負極合剤を集電体に担持させた。負極合剤を担持した集電体を、直径13mmの円形に打ち抜き、テストセルの作用極(負極)とした。
金属リチウム箔(本荘ケミカル(株)製、厚さ300μm)を、直径17mmの円形に打ち抜き、作用極の対極とした。多孔質ポリプロピレンシート(セルガード社製、2400、厚さ25μm)を直径18.5mmの円形に打ち抜いたものを、作用極と対極との間に、セパレータとして介在させ、2016サイズのコイン型ケースに挿入した。ケース内に電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒にLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させた非水電解液(三菱化学(株)製、ソルライト)を滴下した。最後に、ケースの開口を封口板で閉じ、かしめ密閉し、テストセルを完成した。
(初回放電容量および不可逆容量)
作製したコイン型テストセルに関し、0.05Cの充放電速度で、初回充電容量と初期放電容量を測定した。初回放電容量を表1に示す。
また、初回充電容量と初回放電容量との差から不可逆容量を求め、その初回充電容量に対する割合を百分率値で求めた。結果を表1に示す。
作製したコイン型テストセルに関し、0.05Cの充放電速度で、初回充電容量と初期放電容量を測定した。初回放電容量を表1に示す。
また、初回充電容量と初回放電容量との差から不可逆容量を求め、その初回充電容量に対する割合を百分率値で求めた。結果を表1に示す。
(サイクル特性)
0.1Cの充放電速度で得られた初回放電容量に対する、同充放電速度で充放電を50サイクル繰り返した時の放電容量の割合を、百分率値で求め、サイクル特性とした。結果を表1に示す。なお、充放電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量として算出した。
0.1Cの充放電速度で得られた初回放電容量に対する、同充放電速度で充放電を50サイクル繰り返した時の放電容量の割合を、百分率値で求め、サイクル特性とした。結果を表1に示す。なお、充放電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量として算出した。
(コイン型テストキャパシタの作製)
実施例10、11および比較例6の複合電極活物質を含む非水電解液電気化学キャパシタの特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストキャパシタを作製した。
粉末活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒径10μm、水蒸気賦活品)80重量部、アセチレンブラック10重量部、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)10重量部と、適量のイオン交換水とを混合し、正極合剤スラリーを調製した。PTFEは水性ディスパージョンの状態で用いた。
実施例10、11および比較例6の複合電極活物質を含む非水電解液電気化学キャパシタの特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストキャパシタを作製した。
粉末活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒径10μm、水蒸気賦活品)80重量部、アセチレンブラック10重量部、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)10重量部と、適量のイオン交換水とを混合し、正極合剤スラリーを調製した。PTFEは水性ディスパージョンの状態で用いた。
得られたスラリーを、厚さ15μmのAl箔からなる集電体に、ドクターブレードを用いて塗布し、120℃の乾燥機で乾燥させ、正極合剤を集電体に担持させた。正極合剤を担持した集電体を、直径13mmの円形に打ち抜き、テストセルの正極とした。
得られた正極を金属リチウム箔の代わりに使用したこと以外、上記のコイン型テストセルと同様にして、コイン型テストキャパシタを作製した。
(放電容量)
作製したコイン型テストキャパシタに関し、電流密度1mA/cm2において、2.5Vから0Vまでの充放電を行い、放電時の電気エネルギーの積算値から静電容量を算出した。その結果を表2に示す。なお、静電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量で算出した。
作製したコイン型テストキャパシタに関し、電流密度1mA/cm2において、2.5Vから0Vまでの充放電を行い、放電時の電気エネルギーの積算値から静電容量を算出した。その結果を表2に示す。なお、静電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量で算出した。
実施例1〜9は、いずれも黒鉛を単独で用いる場合よりも、高い放電容量が得られており、SiやSnを含む材料を用いることで、黒鉛の理論容量よりも高い充放電容量を有する活物質が得られることが確認できた。
実施例1〜9は、いずれも50サイクル後のサイクル特性が85%以上と良好である。これは、活物質粒子の表面にカーボンナノファイバを成長させたことにより、充放電に伴うリチウムと合金化可能な元素を含む材料Aの体積変化による活物質粒子間の導電性の低下を抑制できたためである。
実施例1〜9は、いずれも50サイクル後のサイクル特性が85%以上と良好である。これは、活物質粒子の表面にカーボンナノファイバを成長させたことにより、充放電に伴うリチウムと合金化可能な元素を含む材料Aの体積変化による活物質粒子間の導電性の低下を抑制できたためである。
ケイ素または一酸化ケイ素を単独で用いた比較例1、2でも、高い放電容量と良好なサイクル特性が得られてはいるが、黒鉛との混合物もしくは複合体を用いた場合に比べ、カーボンナノファイバの成長に著しく長い時間を要した。また、充放電に伴う体積変化の大きい材料の負極内での含有割合が高いため、黒鉛を用いた場合よりも、サイクル特性は低下している。
活物質粒子の表面にカーボンナノファイバを成長させていない比較例3〜5では、初回放電容量が低下しているだけでなく、50サイクル後には、ほとんど充放電しなくなった。このことから、負極合剤に導電剤を単純混合したり、活物質粒子の表面にカーボン層を形成したりするだけでは、活物質粒子間の導電性の低下を抑制する効果が十分に得られないことがわかる。
また、実施例10および11は、いずれもカーボンナノファイバを単独で用いた比較例6よりも、高い静電容量が得られており、リチウムと合金化可能な材料や炭素からなる材料が含まれることによる疑似容量の分の容量増加が認められる。
また、実施例10および11は、いずれもカーボンナノファイバを単独で用いた比較例6よりも、高い静電容量が得られており、リチウムと合金化可能な材料や炭素からなる材料が含まれることによる疑似容量の分の容量増加が認められる。
以上の結果から、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、炭素からなる材料Bとの混合物もしくは複合体に、カーボンナノファイバを成長させることにより、高い充放電容量と優れたサイクル特性を持つ非水電解液二次電池が得られること、カーボンナノファイバの成長速度が非常に速くなり、生産効率が向上すること、更に、高いエネルギー密度を持つ非水電解液電気化学キャパシタが得られることが示された。
本発明の複合電極活物質は、高容量が期待される非水電解質二次電池および高エネルギー密度が期待される非水電解液電気化学キャパシタの負極活物質として有用である。本発明の複合電極活物質は、特に、電子伝導性が高く、初期充放電特性やサイクル特性に優れ、高度な信頼性が要求される非水電解質二次電池および非水電解液電気化学キャパシタの負極活物質として好適である。
本発明は、非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質およびその製造法に関する。詳しくは、本発明は、表面からカーボンナノファイバを成長させた材料を含む複合電極活物質に関する。本発明の複合電極活物質は、優れた充放電特性およびサイクル特性を有する非水電解液二次電池および非水電解液電気化学キャパシタを与える。
電子機器のポータブル化、コードレス化が進むにつれて、小型、軽量で、かつ高エネルギー密度を有する非水電解液二次電池への期待は高まりつつある。現在、非水電解質二次電池の負極活物質としては、黒鉛などの炭素材料が実用化されている。黒鉛は、理論上、炭素原子6個に対してリチウム原子1個を吸蔵できる。
黒鉛の理論容量密度は372mAh/gである。しかし、不可逆容量による容量ロスなどがあり、実際の放電容量密度は310〜330mAh/g程度に低下する。基本的には、この容量密度以上でリチウムイオンを吸蔵および放出できる炭素材料を得ることは困難である。
そこで、更に高エネルギー密度の電池が求められる中、理論容量密度の高い負極活物質として、リチウムと合金化するSi、Sn、Geや、これらの酸化物および合金が期待されている。特に安価なSiおよびその酸化物は幅広く検討されている。しかし、これらの材料は、リチウムの吸蔵および放出に伴う体積変化が非常に大きい。そのため、充放電サイクルによって膨張と収縮を繰り返し、活物質粒子の微紛化や粒子間の導電性の低下が起こる。よって、充放電サイクルに伴う活物質の劣化が非常に大きくなる。
このような状況の中、リチウムと合金化可能な元素を含む材料と炭素材料との複合体からなる粒子が考案されている(例えば特許文献1)。この粒子は、黒鉛単独の活物質よりも大きな充放電容量を持ち、リチウムと合金化可能な材料単独の活物質よりも充放電に伴う体積変化率が小さい。しかし、充放電サイクルが繰り返されると、複合体粒子の体積変化による粉砕、微紛化、粒子間の導電性の低下が起こるため、サイクル特性は十分であるとは言えない。
上記複合体粒子の充放電サイクルによる体積変化を抑制し、粒子の粉砕や微紛化を低減するために、複合体粒子の表面を炭素材料で被覆することが提案されている(例えば特許文献2)。この提案は、複合体粒子の表面を覆う炭素材料により、リチウムの吸蔵による粒子の膨張を抑制することを意図している。
また、炭素材料を活物質とする非水電解液二次電池用負極において、炭素材料の表面に触媒を担持させ、カーボンナノチューブを成長させる技術が提示されている(特許文献3)。この提案は、炭素材料の粒子間の導電性を高め、さらに、高密度極板を作製する際の電解液の浸透性を向上させることを目的としている。
一方、正極および負極に活性炭などの分極性電極を用いた電気化学キャパシタは、二次電池と比較して高い容量を有し、サイクル特性にも優れている。このため、電気化学キャパシタは、電子機器のバックアップ用電源などに用いられているが、エネルギー密度が低いという短所を有する。電気化学キャパシタでは、電荷が電極表面だけに蓄えられるからである。しかし、電極の比表面積を大きくするだけでは、電気化学キャパシタのエネルギー密度を大きく向上させることは困難である。
特開2000−113885号公報
特開2002−216751号公報
特開2001−196064号公報
以上のように、従来から、リチウムと合金化可能な元素を含む材料を非水電解液二次電池用電極活物質として用いることが検討されている。しかし、いずれの提案も、充放電サイクルに伴う劣化の抑制が十分であるとは言えず、実用化には至っていない。例えば、リチウムと合金化可能な材料と炭素材料との複合体からなる粒子の表面を炭素材料で被覆したとしても、リチウムと合金化可能な材料の体積変化を制御することはできない。よって、リチウムの吸蔵により、炭素材料からなる被覆層ごと粒子が膨張する。また、充放電サイクルを繰り返すと、被覆層の破断や剥離が生じ、複合体粒子が粉砕され、微紛化し、粒子間の導電性が低下し、充放電特性が劣化する。よって、特許文献1、2のような技術は実用的ではない。
特許文献3は、炭素材料だけを活物質とする負極を提案するものである。よって、上記のような体積変化の大きな材料を電極活物質として用いる場合の問題に対して、解決策を提案するものではない。
本発明は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方から成長させたカーボンナノファイバとを含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質を提案する。
触媒元素は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bおよびカーボンナノファイバよりなる群から選択される少なくとも1つに担持されていればよい。例えば、触媒元素は、カーボンナノファイバの少なくとも一方の端部に担持されていればよい。
リチウムと合金化可能な元素は、Siまたは/およびSnであることが好ましい。また、触媒元素は、Mn、Fe、Co、Ni、CuおよびMoよりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
本発明は、また、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aおよび炭素からなる材料Bを含む複合体もしくは混合物を得る工程と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素を含む化合物を担持する工程と、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガス中で、前記化合物を還元するとともに、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバを成長させる工程と、カーボンナノファイバを成長させた材料Aおよび材料Bの複合体もしくは混合物を、不活性ガス中で、400℃以上1600℃以下で、焼成する工程と、を含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質の製造法に関する。
本発明は、さらに、上記の複合電極活物質を含む負極、リチウムの充放電が可能な正極、負極と正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する非水電解液二次電池に関する。
本発明は、さらに、上記の複合電極活物質を含む負極、分極性電極材料を含む正極、負極と正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する非水電解液電気化学キャパシタに関する。
本発明は、さらに、上記の複合電極活物質を含む負極、分極性電極材料を含む正極、負極と正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する非水電解液電気化学キャパシタに関する。
本発明によれば、黒鉛の理論容量をこえる充放電容量を持つ活物質を得ることができる。また、リチウムと合金化可能な材料Aが大きな体積変化を起こしても、活物質粒子間の導電性を保つことができる。よって、本発明の複合電極活物質は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aの膨張と収縮による電極の導電性の低下を抑制し、高い充放電容量と良好なサイクル特性を有する非水電解液二次電池を与える。
また、本発明の複合電極活物質に含まれるカーボンナノファイバは電気二重層容量を有し、リチウムと合金化可能な材料Aは、リチウムの挿入および脱離による疑似容量を有する。よって、本発明の複合電極活物質は、高い充放電容量と良好なサイクル特性を有する非水電解液電気化学キャパシタを与える。
例えば、リチウムと合金化可能な材料Aおよび炭素からなる材料Bがそれぞれ粒子状の場合、材料Aの粒子表面および材料Bの粒子表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバを成長させ、各粒子をカーボンナノファイバで被覆する。そして、カーボンナノファイバ同士を互いに絡み合った状態にすることで、粒子同士がカーボンナノファイバを介して多数の点で接続される。そのため、材料Aが大きな体積変化を起こしても、活物質粒子間の導電性を保つことができる。この場合、材料Aの充放電に伴う膨張と収縮が繰り返され、粒子の粉砕や微紛化が起こっても、形成された微粉はカーボンナノファイバを介して電気的に接続されている。よって、従来のように粒子間の導電性が大きく低下することはない。
カーボンナノファイバは、材料Aの粒子表面および材料Bの粒子表面の両方に成長していてもよいし、どちらか一方だけに成長していてもよい。例えば、粒子表面にカーボンナノファイバが成長した材料Aと、粒子表面にカーボンナノファイバが成長していない材料Bとを混合した場合でも、材料Aの粒子同士がカーボンナノファイバを介して互いに絡み合う。そして、材料Aの粒子間の隙間に材料Bの粒子が入り込み、材料Bもカーボンナノファイバと電気的に接続される。よって、体積変化が起こっても、活物質粒子間の導電性を保つことができる。材料Aの粒子表面および材料Bの粒子表面の両方にカーボンナノファイバが成長している方が、電気的な接続点がより多数となるため、活物質間の導電性を確保する効果が大きい。
本発明の複合電極活物質では、特許文献2が提案するように、炭素材料からなる固い被覆層で粒子を覆うのではなく、緩衝作用のあるカーボンナノファイバが層状になって粒子を覆っている。そのため、材料Aの粒子が膨張しても、カーボンナノファイバ層が膨張による応力を吸収することができる。よって、材料Aの膨張によるカーボンナノファイバ層の破損や剥離は抑制される。また、隣接する粒子同士が互いに強く押し合うこともない。さらに、材料Aの粒子が収縮しても、カーボンナノファイバ同士が絡み合っているため、隣接する粒子間の導電性の断絶も抑制される。
また、材料Aと炭素からなる材料Bとの複合体もしくは混合物にカーボンナノファイバを成長させる場合、カーボンナノファイバの成長速度が著しく速くなるという知見が得られている。この場合、カーボンナノファイバの成長速度は、材料Aだけにカーボンナノファイバを成長させる場合よりも著しく速くなる。よって、本発明によれば、カーボンナノファイバを成長させるのに必要な時間を短くすることができる。その結果、カーボンナノファイバを成長させる工程を含む電極活物質の製造法を効率化することができ、電極活物質の生産効率は格段に向上する。
本発明の複合電極活物質は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素と、材料Aの表面および材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方から成長させたカーボンナノファイバとを含む。複合負極活物質には、材料Aと、材料Bと、触媒元素と、カーボンナノファイバのみからなるものと、さらに他の要素を含むものとが含まれる。他の要素としては、材料A、B以外のリチウムを吸蔵および放出できる材料や不純物等が挙げられる。
上記のような複合負極活物質は、カーボンナノファイバの成長を促進する触媒元素を担持した材料Aおよび/または材料Bの表面に、カーボンナノファイバを成長させることにより得ることができる。カーボンナノファイバは、少なくともその一端が材料Aおよび/または材料Bの表面に結合しており、通常は、一端のみが結合している。結合には、化学結合や分子間力による結合が含まれるが、樹脂成分を介した結合は含まれない。なお、化学結合には、イオン結合や共有結合が含まれる。
カーボンナノファイバは、その成長の開始地点となる材料Aおよび/または材料Bの表面に直接結合している。カーボンナノファイバと材料Aとの結合点では、材料Aの構成元素とカーボンナノファイバの構成炭素とが、化合物を形成していることが好ましい。また、カーボンナノファイバと材料Bとの結合点では、材料Bの構成炭素とカーボンナノファイバの構成炭素とが、共有結合を形成していることが好ましい。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aは、例えばリチウムと合金化可能な元素の単体のように、リチウムと合金化可能な元素のみからなるものでもよく、リチウムと合金化しない元素を含むものでもよい。材料Aは、1種を単独で用いてもよく、2種以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
リチウムと合金化可能な元素としては、特に限定されないが、例えばAl、Si、Zn、Ge、Cd、Sn、Pb等を挙げることができる。これらは単独で材料Aに含まれていてもよく、2種以上が材料Aに含まれていてもよい。なお、吸蔵可能なリチウム量の多い材料が得られ、入手も容易である点で、特にSi、Sn等がリチウムと合金化可能な元素として好ましい。Si、Sn等を含む材料Aとしては、Si単体、Sn単体、SiOx(0<x<2)、SnOx(0<x≦2)等の酸化物、Ni−Si合金、Ti−Si合金、Mg−Sn合金、Fe−Sn合金等の遷移金属元素を含む合金等、様々な材料を用いることができる。
材料Aは、材料Bと複合体を形成できる状態であれば、どのような形態をとることもできるが、粒子状であるか、もしくは材料Bの粒子を被覆する層状であることが好ましい。
カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bとしては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛、カーボンブラック、コークス、活性炭素繊維等、様々な材料を用いることができる。材料Bは、1種を単独で用いてもよく、2種以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
材料Bは、材料Aと複合体を形成できる状態であれば、どのような形態をとることもできるが、粒子状であるか、もしくは材料Aの粒子を被覆する層状であることが好ましい。
カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素は、特に限定されないが、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。複合電極活物質中では、触媒元素は、金属状態でもよく、酸化物等の化合物の状態でもよい。また、触媒元素が金属状態である場合は、単体でもよく、合金を形成していてもよい。また、触媒元素が合金を形成している場合は、触媒元素とそれ以外の金属元素との合金でもよい。また、上記のうち、複数の状態の触媒元素が複合電極活物質中に混在してもよい。なお、触媒元素は、複合電極活物質中に、粒子状で存在することが好ましい。
触媒元素が粒子状である場合、触媒元素の粒子(以下、触媒粒子)の粒径は1nm〜1000nmであることが好ましい。粒径が1nm未満の触媒粒子の形成は非常に難しく、触媒粒子の粒径が1000nmを超えると、触媒粒子の大きさが極端に不均一となる。その結果、カーボンナノファイバを成長させることが困難になり、もしくは導電性に優れた複合電極活物質が得られないことがある。なお、触媒粒子の粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)等で測定することができる。また、平均粒径を得る場合には、例えば20〜100個の任意の触媒粒子の粒径を測定し、その平均を取ればよい。
触媒元素は、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bおよびカーボンナノファイバよりなる群から選択される少なくとも1つに担持されていればよい。なお、触媒元素が材料Aに担持されている場合、触媒元素は、少なくとも材料Aの表面に存在していればよいが、さらに内部にも存在してもよい。また、触媒元素が材料Bに担持されている場合、触媒元素は、少なくとも材料Bの表面に存在していればよいが、さらに内部にも存在してもよい。さらに、触媒元素がカーボンナノファイバに担持されている場合、触媒元素は、カーボンナノファイバの少なくとも一方の端部に担持されていればよい。
カーボンナノファイバが成長しても、触媒元素が材料Aおよび/または材料Bから脱離しない場合には、触媒元素は、材料Aおよび/または材料Bの表面に結合しているカーボンナノファイバの根元、すなわち固定端に存在する。一方、カーボンナノファイバの成長に伴い、触媒元素が材料Aおよび/または材料Bから脱離する場合には、触媒元素は、通常、カーボンナノファイバの先端、すなわち自由端に存在する。
複合電極活物質中には、触媒元素が固定端に存在するカーボンナノファイバと、触媒元素が自由端に存在するカーボンナノファイバとが、混在していてもよい。また、カーボンナノファイバは、少なくともその一端が材料Aおよび/または材料Bの表面と結合していればよいが、その両端が材料Aおよび/または材料Bの表面と結合していてもよい。また、カーボンナノファイバが成長する過程で、ファイバ内に触媒元素が取り込まれることもある。
材料Aおよび/または材料Bの表面から成長させたカーボンナノファイバの長さは、1nm〜1000μmが好ましく、500nm〜100μmがさらに好ましい。カーボンナノファイバの長さが1nmより短ければ、電極の導電性の向上や、材料Aの膨張応力を吸収する効果が小さくなり、1000μmより長ければ、電極における活物質密度が低下し、高エネルギー密度が得られない。また、カーボンナノファイバの繊維径は、1nm〜1000nmが好ましく、50nm〜300nmがさらに好ましい。なお、カーボンナノファイバの繊維長および繊維径は、走査型電子顕微鏡(SEM)等で測定することができる。また、平均長さや平均径を得る場合には、例えば20〜100本の任意のカーボンナノファイバの繊維長および繊維径を測定し、それらの平均を取ればよい。
カーボンナノファイバは、どのような状態のものでもよいが、例えばチューブ状態、アコーディオン状態、プレート状態、ヘーリング・ボーン状態のもの等が挙げられる。カーボンナノファイバは、これらのうちの1種のみを含んでもよく、2種以上を含んでもよく、さらに他の状態のカーボンナノファイバを含んでもよい。
以下、本発明の複合電極活物質の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の複合電極活物質には様々な形態のものが含まれ、以下に限定されない。
図1Aおよび図1Bは、本発明の複合電極活物質の第1の例を示す概念図である。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1aと、炭素からなる材料B2aとは、それぞれ同程度の粒径を有する。カーボンナノファイバ4aは、触媒粒子を基点として成長している。図1Aでは、材料Aおよび材料Bには、それぞれ触媒粒子3aが担持されている。図1Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4aの先端に存在する。材料A1aおよび材料B2aのそれぞれの粒子表面に成長したカーボンナノファイバ4aは、互いに絡み合っている。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1aと、炭素からなる材料B2aとは、それぞれ同程度の粒径を有する。カーボンナノファイバ4aは、触媒粒子を基点として成長している。図1Aでは、材料Aおよび材料Bには、それぞれ触媒粒子3aが担持されている。図1Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4aの先端に存在する。材料A1aおよび材料B2aのそれぞれの粒子表面に成長したカーボンナノファイバ4aは、互いに絡み合っている。
図1Aおよび図1Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。また、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。
図2Aおよび図2Bは、本発明の複合電極活物質の第2の例を示す概念図である。
炭素からなる材料B2bの表面に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1bの微小な粒子が担持されている。カーボンナノファイバ4bは、触媒粒子を基点として成長している。図2Aでは、さらに微小な触媒粒子3bが、材料A1bの微小な粒子と材料B2bの表面に担持されており、その触媒粒子を基点としてカーボンナノファイバ4bが成長している。図2Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4bの先端に存在する。材料A1bの微小な粒子は、材料2bが有する窪みに埋没している。
炭素からなる材料B2bの表面に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1bの微小な粒子が担持されている。カーボンナノファイバ4bは、触媒粒子を基点として成長している。図2Aでは、さらに微小な触媒粒子3bが、材料A1bの微小な粒子と材料B2bの表面に担持されており、その触媒粒子を基点としてカーボンナノファイバ4bが成長している。図2Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4bの先端に存在する。材料A1bの微小な粒子は、材料2bが有する窪みに埋没している。
図2Aおよび図2Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.001〜50μmであることが好ましい。また、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。
図3Aおよび図3Bは、本発明の複合電極活物質の第3の例を示す概念図である。
炭素からなる材料B2cの粒子表面を、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1cが、層状に被覆している。図3Aおよび図3Bでは、材料B2cの粒子表面の全面が材料A1cの層で被覆されているが、材料B2cの粒子表面が部分的に被覆されている場合もある。図3Aでは、材料A1cで被覆された材料B2cの粒子に、触媒粒子3cが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4cが成長している。図3Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4cの先端に存在する。
炭素からなる材料B2cの粒子表面を、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1cが、層状に被覆している。図3Aおよび図3Bでは、材料B2cの粒子表面の全面が材料A1cの層で被覆されているが、材料B2cの粒子表面が部分的に被覆されている場合もある。図3Aでは、材料A1cで被覆された材料B2cの粒子に、触媒粒子3cが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4cが成長している。図3Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4cの先端に存在する。
図3Aおよび図3Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。また、材料Aの被覆層の厚さは、特に限定されないが、0.001μm〜50μmであることが好ましい。被覆層の厚さが0.001μmより小さくなると、高い充放電容量を実現することが困難になる。また、被覆層の厚さが50μmより大きくなると、充放電による活物質粒子の体積変化が大きくなり、粒子が粉砕されやすくなる。
図2〜3のような複合電極活物質を得る場合は、例えば、触媒粒子を担持させる前に、予め材料Bの粒子を、材料Aまたはその前駆体の溶液と混合し、乾燥させて、材料Bに材料Aまたはその前駆体を担持させる。材料Aの前駆体は、その後、加熱処理することで、材料Aに変換される。また、例えば、触媒粒子を担持させる前に、予め材料Bの粒子と材料Aとを、せん断力を印加しながら十分に混合してもよい。
図2〜3のような材料Aと材料Bとの複合体粒子の場合、その平均粒径は、特に限定されないが、1μm〜100μmが好ましい。複合体粒子の粒径が1μmより小さくなると、負極活物質の比表面積が大きくなり、初回充放電時の不可逆容量が大きくなることがある。また、複合体粒子の粒径が100μmより大きくなると、厚さの均一な負極を作製することが困難となることがある。
図4Aおよび図4Bは、本発明の複合負極材料の第4の例を示す概念図である。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1dの微小な粒子と、それより大きな炭素からなる材料B2dの粒子とが、凝集して二次粒子(複合体粒子)を形成している。図4Aおよび図4Bでは、材料B2dの粒子の方が材料A1dの粒子よりも大きいが、材料A1dの粒子の方が材料B2dの粒子よりも大きい場合もある。図4Aでは、二次粒子に触媒粒子3dが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4dが成長している。図4Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4dの先端に存在する。カーボンナノファイバ4dは、二次粒子間における電子伝導だけでなく、二次粒子内における電子伝導を確保する役割を果たす。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1dの微小な粒子と、それより大きな炭素からなる材料B2dの粒子とが、凝集して二次粒子(複合体粒子)を形成している。図4Aおよび図4Bでは、材料B2dの粒子の方が材料A1dの粒子よりも大きいが、材料A1dの粒子の方が材料B2dの粒子よりも大きい場合もある。図4Aでは、二次粒子に触媒粒子3dが担持されており、そこを基点として、カーボンナノファイバ4dが成長している。図4Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4dの先端に存在する。カーボンナノファイバ4dは、二次粒子間における電子伝導だけでなく、二次粒子内における電子伝導を確保する役割を果たす。
図4Aおよび図4Bのような複合電極活物質を得る場合、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.01〜100μmであることが好ましい。また、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。さらに、材料A1dの粒子の方が材料B2dの粒子よりも大きい場合には、材料Aの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましく、材料Bの粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.01〜100μmであることが好ましい。また、二次粒子(複合体粒子)の平均粒径は、特に限定されないが、1〜100μmであることが好ましい。
図4Aおよび図4Bのような複合電極活物質を得る場合は、例えば、触媒粒子を担持させる前に、予め材料Aと材料Bとをせん断力を印加しながら十分に混合する。その際、材料Aと材料Bとの間に、メカノケミカル反応を進行させることが好ましい。
図5Aおよび図5Bは、本発明の複合電極活物質の第5の例を示す概念図である。
図5Aでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1eに、触媒粒子3eが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4eが成長している。図5Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4eの先端に存在する。材料A1eと触媒粒子3eとカーボンナノファイバ4eとの複合粒子の間隙に、炭素からなる材料B2eの粒子が入り込んでいる。
図5Aでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1eに、触媒粒子3eが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4eが成長している。図5Bでは、触媒粒子は成長したカーボンナノファイバ4eの先端に存在する。材料A1eと触媒粒子3eとカーボンナノファイバ4eとの複合粒子の間隙に、炭素からなる材料B2eの粒子が入り込んでいる。
図5Aおよび図5Bのような複合電極活物質は、例えば、材料Aだけに触媒粒子を担持させてカーボンナノファイバを成長させたのち、その複合粒子と材料Bとを分散媒中で湿式混合することで得ることができる。
図6Aおよび図6Bは、本発明の複合負極材料の第6の例を示す概念図である。
図6Aでは、炭素からなる材料B2fに、触媒粒子3fが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4fが成長している。図6Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4fの先端に存在する。材料B2fと触媒粒子3fとカーボンナノファイバ4fとの複合粒子の間隙に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1fの粒子が入り込んでいる。
図6Aでは、炭素からなる材料B2fに、触媒粒子3fが担持されており、そこを起点として、カーボンナノファイバ4fが成長している。図6Bでは、触媒粒子は、成長したカーボンナノファイバ4fの先端に存在する。材料B2fと触媒粒子3fとカーボンナノファイバ4fとの複合粒子の間隙に、リチウムと合金化可能な元素を含む材料A1fの粒子が入り込んでいる。
図6Aおよび図6Bのような複合電極活物質は、例えば、材料Bだけに触媒粒子を担持させてカーボンナノファイバを成長させたのち、その複合粒子と材料Aとを分散媒中で湿式混合することで得ることができる。
図5〜6のような複合負極活物質を得るための混合は、後述する電極作製のための合剤スラリーを調製する工程で行うことが好ましい。カーボンナノファイバが表面に成長した粒子を含む均質な合剤スラリーを調製することが困難であるが、カーボンナノファイバの成長していない粒子を混合することで、均質な合剤スラリーの調製が容易となる。
複合電極活物質において、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと炭素からなる材料Bとの合計重量に占める、材料Aの重量割合は、10重量%〜90重量%が好ましく、20重量%〜60重量%が特に好ましい。材料Aの割合が10重量%未満になると、高い充放電容量が得られない。材料Aの割合が90重量%を超えると、活物質粒子の体積変化が大きくなり、粒子の粉砕や粒子間の導電性の低下が起こることがある。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aだけにカーボンナノファイバを成長させる場合に比べ、材料Aと炭素からなる材料Bとの複合体もしくは混合物にカーボンナノファイバを成長させる場合の方が、カーボンナノファイバの成長速度は著しく速くなる。このようなカーボンナノファイバの成長速度を向上させる効果は、材料Bの重量割合にかかわらず得られる。よって、材料Aと材料Bとの合計重量に占める材料Bの重量割合が10重量%〜90重量%の範囲であれば、同程度のカーボンナノファイバの成長速度を向上させる効果が得られる。
リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと炭素からなる材料Bとの複合体もしくは混合物を得る方法としては、以下が挙げられるが、他にも種々の方法を選択することができる。
(i)材料Aと材料Bとを乳鉢等を用いて混合する単純混合方法。
(ii)材料Aと材料Bに機械的せん断力を印加するメカノケミカル反応を利用し、複合体の粒子を得る方法(例えばミリング法)。
(iii)材料Bの表面に材料Aを蒸着またはめっき等により付着させる方法。
(iv)材料Aの前駆体溶液に、材料Bを浸漬し、その後、材料Bの表面に付着した材料Aの前駆体を処理する方法。
(v)材料Aと炭素前駆体との混合物を炭化する方法。
(i)材料Aと材料Bとを乳鉢等を用いて混合する単純混合方法。
(ii)材料Aと材料Bに機械的せん断力を印加するメカノケミカル反応を利用し、複合体の粒子を得る方法(例えばミリング法)。
(iii)材料Bの表面に材料Aを蒸着またはめっき等により付着させる方法。
(iv)材料Aの前駆体溶液に、材料Bを浸漬し、その後、材料Bの表面に付着した材料Aの前駆体を処理する方法。
(v)材料Aと炭素前駆体との混合物を炭化する方法。
触媒元素が存在しない場合、カーボンナノファイバの成長は認められない。よって、本発明の複合電極活物質を得るためには、まず、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物に、触媒元素を担持させる必要がある。材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物に触媒元素を担持させる方法は、特に限定されない。ただし、触媒元素の単体を担持させるよりも、触媒元素を含む化合物を担持させる方法が容易である。カーボンナノファイバの成長が終了するまでの間、触媒元素は金属状態であることが望ましい。よって、触媒元素を含む化合物は、カーボンナノファイバを成長させる前に金属状態に還元し、触媒粒子を形成させる。
触媒元素を含む化合物は、特に限定されないが、例えば酸化物、炭化物、硝酸塩等が挙げられる。なかでも硝酸塩を用いることが好ましい。硝酸塩としては、硝酸ニッケル六水和物、硝酸コバルト六水和物、硝酸鉄九水和物、硝酸銅三水和物、硝酸マンガン六水和物、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物などを挙げることができる。なかでも硝酸ニッケルや硝酸コバルト用いることが好ましい。
触媒元素を含む化合物は、固体のままで材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物と混合してもよいが、溶媒に溶かした溶液の状態で、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物と混合することが好ましい。溶媒としては、水の他、エタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、ベンゼン、ヘキサン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒を用いることができる。溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上の混合溶媒を用いてもよい。
本発明の複合電極活物質において、触媒元素と、材料Aと、材料Bとの合計重量に占める、触媒元素の重量割合は、0.01重量%〜10重量%が好ましく、0.1〜5重量%が更に好ましい。触媒元素を含む化合物を用いる場合にも、その化合物中に含まれる触媒元素の重量が上記範囲となるように調整することが好ましい。触媒元素の割合が0.01重量%未満である場合、カーボンナノファイバを成長させるのに長時間を要し、生産効率が低下する。また、触媒元素の割合が10重量%より大きい場合、触媒粒子の凝集により、不均一で太い繊維径のカーボンファイバが成長する。そのため、活物質粒子間の導電性を効率よく向上させることができず、負極の活物質密度の低下にもつながる。
非水電解液二次電池用の複合電極活物質の場合、触媒元素と、材料Aと、材料Bと、カーボンナノファイバとの合計重量に占める、カーボンナノファイバの重量割合は、5重量%〜70重量%が好ましく、10重量%〜40重量%が特に好ましい。カーボンナノファイバの割合が5重量%より少ないと、活物質粒子間の導電性を向上させ、活物質の膨張応力を吸収する効果が小さくなる。また、カーボンナノファイバの割合が70重量%より多くなると、負極の活物質密度が低下する。
非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質の場合、触媒元素と、材料Aと、材料Bと、カーボンナノファイバとの合計重量に占める、カーボンナノファイバの重量割合は、50重量%〜95重量%が好ましく、70重量%〜90重量%が特に好ましい。
次に、カーボンナノファイバを成長させる条件について説明する。
触媒元素を担持させた材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を、カーボンナノファイバの原料ガスを含む高温雰囲気中に導入すると、カーボンナノファイバの成長が進行する。例えばセラミック製反応容器に、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を投入し、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で100〜1000℃、好ましくは300〜700℃の高温になるまで昇温させる。その後、カーボンナノファイバの原料ガスを反応容器に導入し、例えば1分〜5時間かけてカーボンナノファイバを成長させる。反応容器内の温度が100℃未満では、カーボンナノファイバの成長が起こらないか、成長が遅すぎて、生産性が損なわれる。また、反応容器内の温度が1000℃を超えると、反応ガスの分解が促進されカーボンナノファイバが生成し難くなる。
触媒元素を担持させた材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を、カーボンナノファイバの原料ガスを含む高温雰囲気中に導入すると、カーボンナノファイバの成長が進行する。例えばセラミック製反応容器に、材料Aおよび材料Bを含む複合体もしくは混合物を投入し、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で100〜1000℃、好ましくは300〜700℃の高温になるまで昇温させる。その後、カーボンナノファイバの原料ガスを反応容器に導入し、例えば1分〜5時間かけてカーボンナノファイバを成長させる。反応容器内の温度が100℃未満では、カーボンナノファイバの成長が起こらないか、成長が遅すぎて、生産性が損なわれる。また、反応容器内の温度が1000℃を超えると、反応ガスの分解が促進されカーボンナノファイバが生成し難くなる。
原料ガスとしては、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスが好適である。炭素含有ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素などを用いることができる。炭素含有ガスと水素ガスとの混合比は、モル比(体積比)で、0.2:0.8〜0.8:0.2が好適である。
触媒元素を含む化合物は、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で昇温させる際に還元が進行する。昇温段階で材料Aや材料Bの表面に金属状態の触媒粒子が形成されない場合には、水素ガスの割合を多めに制御する。これにより、触媒元素の還元とカーボンナノチューブの成長とを並行して進行させることができる。
カーボンナノファイバの成長を終了させる際には、炭素含有ガスと水素ガスの混合ガスを、不活性ガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却させる。続いて、カーボンナノファイバを成長させた材料Aおよび材料Bの複合体もしくは混合物を、不活性ガス雰囲気中400℃以上1600℃以下、好ましくは600℃以上1500℃以下で、例えば10分〜5時間かけて焼成する。このような焼成により、電池の初期充電時に進行する電解液とカーボンナノファイバとの不可逆反応が抑制され、優れた充放電効率を得ることができる。
このような焼成行程を行わないか、もしくは焼成温度が400℃未満では、上記の不可逆反応が抑制されず、電池の充放電効率が低下することがある。また、焼成温度が1600℃を超えると、カーボンナノファイバと材料Aとの反応が進行し、放電特性の低下を引き起こす。例えば、材料Aが酸化ケイ素を含む場合、1600℃を超える温度では、カーボンナノファイバと酸化ケイ素とが反応し、電気化学的に不活性で抵抗の高いSiCを生成する。
次に、上述の複合電極活物質を含む非水電解質二次電池用および非水電解液電気化学キャパシタ用負極について説明する。本発明の複合電極活物質は、樹脂結着剤を含む負極合剤およびこれを担持する負極集電体からなる負極の製造に適している。
負極合剤には、複合電極活物質および樹脂結着剤の他に、さらに、導電剤、増粘剤、従来公知の負極活物質(黒鉛、酸化物、合金等)等を、本発明の効果を大きく損なわない範囲で含めることができる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸誘導体ゴム等のゴム性状樹脂等が好ましく用いられる。また、導電剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンファイバ等の炭素材料等が好ましく用いられる。また、増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリエチレンオキシド(PEO)等が用いられる。
負極合剤は、スラリー状にするために液状成分と混合される。得られたスラリーはCu箔等の集電体の両面に塗工され、乾燥される。液状成分としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMA)等の有機溶媒や水を用いることができる。その後、集電体に担持された負極合剤を集電体と共に圧延し、所定サイズに裁断すれば、負極が得られる。なお、ここで説明した方法は一例に過ぎず、他のどのような方法で負極を作製してもよい。
得られた負極と、正極と、セパレータとを用いて電極群が構成される。セパレータには、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂製の微多孔フィルムが好ましく用いられるが、特に限定されない。
非水電解液二次電池の正極は、特に限定されないが、例えば正極活物質として、リチウム複合酸化物を含む正極が好ましく用いられる。リチウム複合酸化物には、リチウムコバルト酸化物(例えばLiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(例えばLiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(例えばLiMn2O4)等を始め、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等から選ばれる1種以上の遷移金属元素を含む酸化物が好ましく用いられる。なお、リチウム複合酸化物には、主成分である遷移金属元素の他に、Al、Mg等の異種元素を含めることが好ましい。正極の集電体には、Al箔が好ましく用いられる。
非水電解液電気化学キャパシタの正極は、分極性電極材料を含むことが好ましい。分極性電極材料には、活性炭などの比表面積の高い炭素材料を用いることが好ましい。正極には、分極性電極材料の他に、リチウムの充放電が可能な材料が更に含まれていてもよい。正極の集電体には、Al箔が好ましく用いられる。
電極群は、非水電解液と共にケース内に収容される。非水電解液には、一般に、リチウム塩を溶解させた非水溶媒が用いられる。非水電解液は、さらに、ビニレンカーボネート(VC)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等の添加剤を含んでもよい。
リチウム塩は、特に限定されないが、例えばLiPF6、LiClO4、LiBF4等が好ましく用いられる。リチウム塩は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
非水溶媒は、特に限定されないが、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の炭酸エステルの他、γ−ブチロラクトン(GBL)、テトラヒドロフラン(THF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)等が好ましく用いられる。非水溶媒は、2種以上を組み合わせて混合溶媒として用いることが好ましい。
非水電解液二次電池および非水電解液電気化学キャパシタの形状や大きさは特に限定されず、円筒型、角型、コイン型など種々の形態をとることができる。
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例1》
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aとして、一酸化ケイ素(SiO)を用い、炭素からなる材料Bとして、人造黒鉛を用いた。
《実施例1》
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aとして、一酸化ケイ素(SiO)を用い、炭素からなる材料Bとして、人造黒鉛を用いた。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製の試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを、乳鉢で10分間乾式混合した。
この混合物100重量部と、関東化学(株)製の硝酸ニッケル(II)六水和物(特級試薬)1重量部をイオン交換水に溶解させて得られた溶液とを混合した。この一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛と硝酸ニッケル溶液との混合物を、1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛粒子のそれぞれの表面に硝酸ニッケルを担持させた。
硝酸ニッケルを担持した一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物を、セラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で、550℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスを水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガスに置換し、550℃で10分間保持して、硝酸ニッケル(II)を還元するとともにカーボンナノファイバを成長させた。その後、混合ガスをヘリウムガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却させ、複合電極活物質を得た。
次いで、複合電極活物質を、アルゴンガス中で1000℃まで昇温させ、1000℃で1時間焼成し、複合電極活物質Aとした。
複合電極活物質AをSEMで分析した結果、図1に示すように、繊維径80nm程度で、長さ100μm程度のカーボンナノファイバが、一酸化ケイ素粒子と黒鉛粒子の表面を、それぞれ被覆していることが確認された。成長したカーボンナノファイバの重量割合は、複合電極活物質全体の20重量%程度であった。また、硝酸ニッケルは、金属ニッケルに還元され、粒径0.1μmの触媒粒子を形成していた。
《実施例2》
一酸化ケイ素粒子100重量部に対する人造黒鉛の量を20重量部に減量したこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような複合負極活物質Bを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
一酸化ケイ素粒子100重量部に対する人造黒鉛の量を20重量部に減量したこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような複合負極活物質Bを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例3》
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、酢酸スズ(II)(関東化学(株)製、1級試薬)110重量部とを、酢酸水溶液とともに混合した。この混合物を1時間攪拌した後、エバポレータ装置で酢酸と水分を除去することで、黒鉛粒子の表面に酢酸スズ(II)を担持させた。
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、酢酸スズ(II)(関東化学(株)製、1級試薬)110重量部とを、酢酸水溶液とともに混合した。この混合物を1時間攪拌した後、エバポレータ装置で酢酸と水分を除去することで、黒鉛粒子の表面に酢酸スズ(II)を担持させた。
酢酸スズを担持させた黒鉛粒子を、セラミック製反応容器に投入し、アルゴンガス存在下で、400℃まで昇温させた。その後、400℃で10時間保持し、酢酸スズ(II)を還元させた。その後、反応容器内を室温まで冷却させ、黒鉛と酸化スズとの複合体粒子を得た。
得られた複合体粒子を、SEM、XRD、EPMA等で分析した結果、黒鉛粒子の表面に、粒径1μm程度のSnOx(0<x≦2)粒子が担持されていることが確認された。複合体粒子全体に占めるSnOxの重量割合は、50重量%程度であった。
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との乾式混合物の代わりに、上記の黒鉛とSnOxとの複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図2に示すような、複合電極活物質Cを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例4》
人造黒鉛100重量部に対する酢酸スズ(II)の量を20重量部に減量したこと以外、実施例3と同様にして、黒鉛と酸化スズとの複合体粒子を得た。
人造黒鉛100重量部に対する酢酸スズ(II)の量を20重量部に減量したこと以外、実施例3と同様にして、黒鉛と酸化スズとの複合体粒子を得た。
得られた複合体粒子を、SEM、XRD、EPMA等で分析した結果、黒鉛粒子の表面が、SnOx(0<x≦2)の被覆層(厚さ約0.5μm)で覆われていることが確認された。複合体粒子全体に占めるSnOxの重量割合は、15重量%程度であった。なお、SnOx(0<x≦2)は、黒鉛粒子の全ての表面を完全に被覆しているわけではなく、黒鉛が露出している部分も見られた。
この複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図3に示すような、複合電極活物質Dを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例5》
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)50重量部とを、遊星ボールミル装置の反応室内に投入し、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部と、予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)50重量部とを、遊星ボールミル装置の反応室内に投入し、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
得られた混合物をSEM、XRD、EPMA等で分析した結果、粒径10μm程度の黒鉛粒子と、粒径3μm程度のSi粒子との複合体粒子、すなわち黒鉛粒子とSi粒子との凝集二次粒子が得られていることが確認された。複合体粒子全体に占めるケイ素(Si)の重量割合は、30重量%程度であった。
この複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図4に示すような、複合負極活物質Eを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例6》
ケイ素粒子50重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部を用いたこと以外、実施例5と同様にして、遊星ボールミル装置を用いて、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
ケイ素粒子50重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部を用いたこと以外、実施例5と同様にして、遊星ボールミル装置を用いて、アルゴンガス存在下で、24時間粉砕および混合を行った。
得られた混合物をSEM、XRD、EPMA等で分析した結果、粒径10μm程度の黒鉛粒子と、粒径3μm程度の一酸化ケイ素粒子との複合体粒子、すなわち黒鉛粒子と一酸化ケイ素粒子との凝集二次粒子が得られていることが確認された。複合体粒子全体に占める一酸化ケイ素の重量割合は、50重量%程度であった。
この複合体粒子を用いたこと以外、実施例1と同様にして、硝酸ニッケルの担持およびカーボンナノファイバの成長を行い、図4に示すような、複合負極活物質Fを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例7》
硝酸ニッケル(II)六水和物の代わりに、硝酸コバルト(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)を用いたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合負極活物質Gを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
硝酸ニッケル(II)六水和物の代わりに、硝酸コバルト(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)を用いたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合負極活物質Gを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《実施例8》
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を90分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、人造黒鉛65重量部とを、N−メチル−2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図5に示すような、複合電極活物質Hを得た。
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を90分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、人造黒鉛65重量部とを、N−メチル−2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図5に示すような、複合電極活物質Hを得た。
《実施例9》
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、人造黒鉛100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を15分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部とを、N−メチル2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図6に示すような、複合負極活物質Iを得た。
一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との混合物100重量部の代わりに、人造黒鉛100重量部だけを用い、カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を15分間としたこと以外、実施例1と同様にして複合粒子を得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合粒子全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は35重量%程度であった。この複合粒子100重量部と、あらかじめ粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子100重量部とを、N−メチル2−ピロリドンを分散媒として乳鉢で湿式混合し、図6に示すような、複合負極活物質Iを得た。
《実施例10》
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した混合物の保持時間を60分間としたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Jを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した混合物の保持時間を60分間としたこと以外、実施例1と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Jを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
《実施例11》
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した複合粒子の保持時間を60分間としたこと以外、実施例3と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Kを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
カーボンナノファイバ成長工程において、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での触媒を担持した複合粒子の保持時間を60分間としたこと以外、実施例3と同様にして、図1に示すような、複合電極活物質Kを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、触媒粒子の粒径は、実施例1とほぼ同じであり、複合電極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合は80重量%程度であった。
《比較例1》
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aだけを用い、炭素からなる材料Bは用いなかった。すなわち、一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との乾式混合物の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)だけを用い、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中でカーボンナノファイバを成長させる保持時間を1時間に変更したこと以外、実施例1と同様にして、複合負極活物質Lを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
ここでは、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aだけを用い、炭素からなる材料Bは用いなかった。すなわち、一酸化ケイ素粒子と人造黒鉛との乾式混合物の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとしたケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)だけを用い、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中でカーボンナノファイバを成長させる保持時間を1時間に変更したこと以外、実施例1と同様にして、複合負極活物質Lを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《比較例2》
ケイ素粒子の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)を用いたこと以外、比較例1と同様にして、複合負極活物質Mを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
ケイ素粒子の代わりに、予め粉砕し、分級して、平均粒径15μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)を用いたこと以外、比較例1と同様にして、複合負極活物質Mを得た。成長したカーボンナノファイバの繊維径、繊維長、複合負極活物質全体に占めるカーボンナノファイバの重量割合、触媒粒子の粒径は、いずれも実施例1とほぼ同じであった。
《比較例3》
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製の試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを、乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物90重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)10重量部とを混合し、複合負極活物質Nとした。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製の試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを、乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物90重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)10重量部とを混合し、複合負極活物質Nとした。
《比較例4》
硝酸ニッケル(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)1重量部をイオン交換水100重量部に溶解させ、得られた溶液をアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)5重量部と混合した。この混合物を1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、アセチレンブラックに硝酸ニッケル(II)を担持させた。この硝酸ニッケル(II)を担持したアセチレンブラックを、大気中300℃で焼成することで、粒径0.1μm程度の酸化ニッケル粒子を得た。
硝酸ニッケル(II)六水和物(関東化学(株)製、特級試薬)1重量部をイオン交換水100重量部に溶解させ、得られた溶液をアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、デンカブラック)5重量部と混合した。この混合物を1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、アセチレンブラックに硝酸ニッケル(II)を担持させた。この硝酸ニッケル(II)を担持したアセチレンブラックを、大気中300℃で焼成することで、粒径0.1μm程度の酸化ニッケル粒子を得た。
得られた酸化ニッケル粒子をセラミック製反応容器に投入し、水素ガス50体積%とメタンガス50体積%との混合ガス中での保持時間を60分としたこと以外、実施例1と同様の条件で、カーボンナノファイバの成長を行った。得られたカーボンナノファイバをSEMで分析した結果、繊維径80nm程度で、長さ100μm程度のカーボンナノファイバであることが確認された。得られたカーボンナノファイバを塩酸水溶液で洗浄して、ニッケル粒子を除去し、触媒元素を含まないカーボンナノファイバを得た。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物80重量部に、導電剤として上記で得られたカーボンナノファイバ20重量部を混合し、複合電極活物質Oとした。
《比較例5》
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物をセラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で1000℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスをベンゼンガス50体積%とヘリウムガス50体積%との混合ガスに置換し、1000℃で1時間保持することにより、化学蒸着(CVD)処理を行った。その後、混合ガスをヘリウムガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却し、複合電極活物質Pを得た。複合電極活物質PをSEMで分析した結果、一酸化ケイ素粒子と黒鉛粒子が、それぞれカーボン層で被覆されていることが確認された。
予め粉砕し、分級して、平均粒径10μmとした一酸化ケイ素粒子(和光純薬(株)製、試薬)100重量部と、人造黒鉛(ティムカル社製、SLP30、平均粒径16μm)100重量部とを乳鉢で10分間乾式混合した。この混合物をセラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で1000℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスをベンゼンガス50体積%とヘリウムガス50体積%との混合ガスに置換し、1000℃で1時間保持することにより、化学蒸着(CVD)処理を行った。その後、混合ガスをヘリウムガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却し、複合電極活物質Pを得た。複合電極活物質PをSEMで分析した結果、一酸化ケイ素粒子と黒鉛粒子が、それぞれカーボン層で被覆されていることが確認された。
《比較例6》
比較例4で得られた、触媒元素を含まないカーボンナノファイバだけを電極活物質Qとした。
比較例4で得られた、触媒元素を含まないカーボンナノファイバだけを電極活物質Qとした。
[評価]
(コイン型テストセルの作製)
実施例1〜9および比較例1〜5の複合電極活物質を含む非水電解液二次電池の特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストセルを作製した。
複合負極活物質100重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のディスパージョン(呉羽化学社製、KFポリマー)をPVDF分で7重量部と、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを混合し、負極合剤スラリーを調製した。
(コイン型テストセルの作製)
実施例1〜9および比較例1〜5の複合電極活物質を含む非水電解液二次電池の特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストセルを作製した。
複合負極活物質100重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のディスパージョン(呉羽化学社製、KFポリマー)をPVDF分で7重量部と、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを混合し、負極合剤スラリーを調製した。
得られたスラリーを、厚さ15μmのCu箔からなる集電体に、ドクターブレードを用いて塗布し、60℃の乾燥機で乾燥させ、負極合剤を集電体に担持させた。負極合剤を担持した集電体を、直径13mmの円形に打ち抜き、テストセルの作用極(負極)とした。
金属リチウム箔(本荘ケミカル(株)製、厚さ300μm)を、直径17mmの円形に打ち抜き、作用極の対極とした。多孔質ポリプロピレンシート(セルガード社製、2400、厚さ25μm)を直径18.5mmの円形に打ち抜いたものを、作用極と対極との間に、セパレータとして介在させ、2016サイズのコイン型ケースに挿入した。ケース内に電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒にLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させた非水電解液(三菱化学(株)製、ソルライト)を滴下した。最後に、ケースの開口を封口板で閉じ、かしめ密閉し、テストセルを完成した。
(初回放電容量および不可逆容量)
作製したコイン型テストセルに関し、0.05Cの充放電速度で、初回充電容量と初期放電容量を測定した。初回放電容量を表1に示す。
また、初回充電容量と初回放電容量との差から不可逆容量を求め、その初回充電容量に対する割合を百分率値で求めた。結果を表1に示す。
作製したコイン型テストセルに関し、0.05Cの充放電速度で、初回充電容量と初期放電容量を測定した。初回放電容量を表1に示す。
また、初回充電容量と初回放電容量との差から不可逆容量を求め、その初回充電容量に対する割合を百分率値で求めた。結果を表1に示す。
(サイクル特性)
0.1Cの充放電速度で得られた初回放電容量に対する、同充放電速度で充放電を50サイクル繰り返した時の放電容量の割合を、百分率値で求め、サイクル特性とした。結果を表1に示す。なお、充放電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量として算出した。
0.1Cの充放電速度で得られた初回放電容量に対する、同充放電速度で充放電を50サイクル繰り返した時の放電容量の割合を、百分率値で求め、サイクル特性とした。結果を表1に示す。なお、充放電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量として算出した。
(コイン型テストキャパシタの作製)
実施例10、11および比較例6の複合電極活物質を含む非水電解液電気化学キャパシタの特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストキャパシタを作製した。
粉末活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒径10μm、水蒸気賦活品)80重量部、アセチレンブラック10重量部、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)10重量部と、適量のイオン交換水とを混合し、正極合剤スラリーを調製した。PTFEは水性ディスパージョンの状態で用いた。
実施例10、11および比較例6の複合電極活物質を含む非水電解液電気化学キャパシタの特性を評価するため、以下の手順でコイン型テストキャパシタを作製した。
粉末活性炭(比表面積2000m2/g、平均粒径10μm、水蒸気賦活品)80重量部、アセチレンブラック10重量部、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)10重量部と、適量のイオン交換水とを混合し、正極合剤スラリーを調製した。PTFEは水性ディスパージョンの状態で用いた。
得られたスラリーを、厚さ15μmのAl箔からなる集電体に、ドクターブレードを用いて塗布し、120℃の乾燥機で乾燥させ、正極合剤を集電体に担持させた。正極合剤を担持した集電体を、直径13mmの円形に打ち抜き、テストセルの正極とした。
得られた正極を金属リチウム箔の代わりに使用したこと以外、上記のコイン型テストセルと同様にして、コイン型テストキャパシタを作製した。
(放電容量)
作製したコイン型テストキャパシタに関し、電流密度1mA/cm2において、2.5Vから0Vまでの充放電を行い、放電時の電気エネルギーの積算値から静電容量を算出した。その結果を表2に示す。なお、静電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量で算出した。
作製したコイン型テストキャパシタに関し、電流密度1mA/cm2において、2.5Vから0Vまでの充放電を行い、放電時の電気エネルギーの積算値から静電容量を算出した。その結果を表2に示す。なお、静電容量は、結着剤重量を除いた負極合剤の単位重量(1g)あたりの容量で算出した。
実施例1〜9は、いずれも黒鉛を単独で用いる場合よりも、高い放電容量が得られており、SiやSnを含む材料を用いることで、黒鉛の理論容量よりも高い充放電容量を有する活物質が得られることが確認できた。
実施例1〜9は、いずれも50サイクル後のサイクル特性が85%以上と良好である。これは、活物質粒子の表面にカーボンナノファイバを成長させたことにより、充放電に伴うリチウムと合金化可能な元素を含む材料Aの体積変化による活物質粒子間の導電性の低下を抑制できたためである。
実施例1〜9は、いずれも50サイクル後のサイクル特性が85%以上と良好である。これは、活物質粒子の表面にカーボンナノファイバを成長させたことにより、充放電に伴うリチウムと合金化可能な元素を含む材料Aの体積変化による活物質粒子間の導電性の低下を抑制できたためである。
ケイ素または一酸化ケイ素を単独で用いた比較例1、2でも、高い放電容量と良好なサイクル特性が得られてはいるが、黒鉛との混合物もしくは複合体を用いた場合に比べ、カーボンナノファイバの成長に著しく長い時間を要した。また、充放電に伴う体積変化の大きい材料の負極内での含有割合が高いため、黒鉛を用いた場合よりも、サイクル特性は低下している。
活物質粒子の表面にカーボンナノファイバを成長させていない比較例3〜5では、初回放電容量が低下しているだけでなく、50サイクル後には、ほとんど充放電しなくなった。このことから、負極合剤に導電剤を単純混合したり、活物質粒子の表面にカーボン層を形成したりするだけでは、活物質粒子間の導電性の低下を抑制する効果が十分に得られないことがわかる。
また、実施例10および11は、いずれもカーボンナノファイバを単独で用いた比較例6よりも、高い静電容量が得られており、リチウムと合金化可能な材料や炭素からなる材料が含まれることによる疑似容量の分の容量増加が認められる。
また、実施例10および11は、いずれもカーボンナノファイバを単独で用いた比較例6よりも、高い静電容量が得られており、リチウムと合金化可能な材料や炭素からなる材料が含まれることによる疑似容量の分の容量増加が認められる。
以上の結果から、リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、炭素からなる材料Bとの混合物もしくは複合体に、カーボンナノファイバを成長させることにより、高い充放電容量と優れたサイクル特性を持つ非水電解液二次電池が得られること、カーボンナノファイバの成長速度が非常に速くなり、生産効率が向上すること、更に、高いエネルギー密度を持つ非水電解液電気化学キャパシタが得られることが示された。
本発明の複合電極活物質は、高容量が期待される非水電解質二次電池および高エネルギー密度が期待される非水電解液電気化学キャパシタの負極活物質として有用である。本発明の複合電極活物質は、特に、電子伝導性が高く、初期充放電特性やサイクル特性に優れ、高度な信頼性が要求される非水電解質二次電池および非水電解液電気化学キャパシタの負極活物質として好適である。
Claims (8)
- リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素と、前記材料Aの表面および前記材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方から成長させたカーボンナノファイバとを含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質。
- 前記触媒元素が、前記材料A、前記材料Bおよび前記カーボンナノファイバよりなる群から選択される少なくとも1つに担持されている、請求項1記載の複合電極活物質。
- 前記触媒元素が、前記カーボンナノファイバの少なくとも一方の端部に担持されている、請求項1記載の複合電極活物質。
- 前記リチウムと合金化可能な元素が、Siまたは/およびSnである、請求項1記載の複合電極活物質。
- 前記触媒元素が、Mn、Fe、Co、Ni、CuおよびMoよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1記載の複合電極活物質。
- リチウムと合金化可能な元素を含む材料Aと、カーボンナノファイバ以外の炭素からなる材料Bと、を含む複合体もしくは混合物を得る工程と、
前記材料Aの表面および前記材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバの成長を促す触媒元素を含む化合物を担持する工程と、
炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガス中で、前記化合物を還元するとともに、前記材料Aの表面および前記材料Bの表面より選ばれる少なくとも一方に、カーボンナノファイバを成長させる工程と、
前記カーボンナノファイバを成長させた材料Aと材料Bとを含む複合体もしくは混合物を、不活性ガス中で、400℃以上1600℃以下で、焼成する工程と、を含む非水電解液二次電池用もしくは非水電解液電気化学キャパシタ用の複合電極活物質の製造法。 - 請求項1記載の複合電極活物質を含む負極、充放電が可能な正極、前記負極と前記正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する、非水電解液二次電池。
- 請求項1記載の複合電極活物質を含む負極、分極性電極材料を含む正極、前記負極と前記正極との間に介在するセパレータおよび非水電解液を具備する、非水電解液電気化学キャパシタ。
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