JPWO2006118120A1 - 蓄電デバイス用負極活物質 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)電解質としてリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備える蓄電デバイス用の負極活物質であり、比表面積が0.01〜50m2/gであり、全メソ孔容積が0.005〜1.0cc/gであり、かつ細孔直径100〜400Åのメソ孔容積が全メソ孔容積の25%以上を占める炭素材料からなることを特徴とする蓄電デバイス用負極活物質。
(2)炭素材料が、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、又はポリアセン系物質である上記(1)に記載の蓄電デバイス用負極活物質。
(3)炭素材料が、該炭素材料の前駆体を、遷移金属含有物質の存在下に600℃〜1500℃で熱処理して得られたものである上記(1)又は(2)に記載の蓄電デバイス用負極活物質。
(4)遷移金属が、ニッケル及び/又は鉄である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の蓄電デバイス用負極活物質。
(5)負極活物質が上記(1)〜(4)のいずれかに記載の負極活物質であるリチウムイオン二次電池。
(6)負極活物質が上記(1)〜(4)のいずれかに記載の負極活物質であり、正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的に吸着・脱着可能な物質であり、かつ正極と負極を短絡させた後の正極の電位が2.0V(vsLi/Li+)以下になるように負極及び/又は正極に対してリチウムイオンがドープされているリチウムイオンキャパシタ。
炭素材料の原料として、平均粒子径(D50)12μmのコークスを選び、部分的な熱履歴のばらつきを無くすために、最初に820℃で2時間、窒素雰囲気中で熱処理を行った。この熱処理コークスをボールミルで平均粒子径(D50)5μmまで粉砕を行い、炭素材料前駆体とした。
92重量部の試料3及び試料7に対し、それぞれアセチレンブラック粉体6重量部、アクリレート系共重合体バインダー5重量部、カルボキシメチルセルロース(CMC)4重量部、イオン交換水200重量部を加えて混合攪拌機にて充分混合することにより負極スラリー1及び負極スラリー2を得た。厚さ32μm(開口率57%)の銅製エキスパンドメタル(日本金属工業社製)に対し、上記負極スラリー1及び負極スラリー2を縦型両面同時ダイコーターにていずれも活物質目付量が同じになるよう両面同時塗工し、乾燥することにより、総厚み141μmの負極1及び負極2を得た。
ポリフッ化ビニリデン粉末3.5重量部をN−メチルピロリドン50重量部に溶解した溶液に、粒径が5μmの市販LiCoO2粉末100重量部、グラファイト粉末5重量部を添加し、充分混合することにより正極スラリー1を得た。厚さ38μm(開口率45%)のアルミニウム製エキスパンドメタル(日本金属工業社製)の両面に水系のカーボン系導電塗料を縦型両面同時ダイコーターにて両面同時塗工し、乾燥することにより導電層が形成された正極用集電体を得た。総厚み(集電体厚みと導電層厚みの合計)は52μmであり正極集電体の貫通孔はほぼ導電塗料により閉塞された。上記正極スラリー1をコンマコーターにて該正極集電体の両面に片面ずつ塗工、乾燥することにより、厚み189μmの正極1を得た。
厚さ141μmの負極1と厚さ189μmの正極1をいずれも2.4cm×3.8cmの矩形状にカットし、セパレータとして厚さ35μmのセルロース/レーヨンの混合不織布を用いて、負極集電体、正極集電体の接続端子との溶接部(以下、接続端子溶接部という)がそれぞれ交互に反対側になるよう配置し、それぞれ負極6枚、正極5枚を積層した。最上部と最下部はセパレータを配置させて、4辺をテープ止めすることにより電極積層ユニットaを得た。次に、上記電極積層セルaの正極集電体の端子溶接部(5枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾10mm、長さ30mm、厚さ0.2mmのアルミニウム製正極端子を重ねて超音波溶接した。同様に負極集電体の端子溶接部(6枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾10mm、長さ30mm、厚さ0.2mmのニッケル製負極端子を重ねて抵抗溶接し、縦60mm、横30mm、深さ1.3mmに深絞りした外装フィルム2枚の内部へ設置した。
(リチウムイオン二次電池特性評価)
試作したフィルム型リチウムイオン二次電池a及びbを各2セル、25℃にて300mAの定電流でセル電圧が4.2Vになるまで充電し、その後4.2Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を6時間行った。その後25℃及び−10℃の恒温槽に各1セルずつそれぞれ24時間放置した後に、150mAの定電流でセル電圧が3.0Vになるまで放電した。この時の放電容量を測定した結果を表4に示す。
実施例4と同様に92重量部の試料1、試料9及び試料10に対し、それぞれアセチレンブラック粉体6重量部、アクリレート系共重合体バインダー5重量部、カルボキシメチルセルロース(CMC)4重量部、イオン交換水200重量部を加えて混合攪拌機にて充分混合することにより負極スラリー3、4及び5を得た。
厚さ32μm(気孔率57%)の銅製エキスパンドメタル(日本金属工業社製)に対し、上記負極スラリー3、4及び5を縦型両面同時ダイコーターにていずれも活物質目付量が同じになるよう両面同時塗工し、乾燥することにより、総厚み119μmの負極3と総厚み142μmの負極4及び総厚み144μmの負極5を得た。
おが屑を原料とし、電気炉中に入れ窒素気流下で50℃/時間の昇温速度で950℃まで昇温した後、窒素/水蒸気1:1の混合ガスにより12時間水蒸気で賦活することにより、比表面積2450m2/gの活性炭を製造した。該活性炭をアルミナ製ボールミル粉砕機で5時間粉砕して平均粒子径(D50)が7μmの活性炭粉末を得た。
負極3、4及び5と正極2を用いて実施例4と同様に各々電極積層セルを得た。厚さ60μmのリチウム金属箔を厚さ80μmのステンレス網に圧着したものを作製し、これを負極と対向するように各々の電極積層セルの最外部にそれぞれ各1枚配置した。負極(6枚)とリチウム金属を圧着したステンレス網はそれぞれ溶接し、接触させ、負極とリチウム金属箔がショートした三極積層セルを各々得た。次に、上記三極積層ユニットの正極集電体の端子溶接部(5枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾10mm、長さ30mm、厚さ0.2mmのアルミニウム製正極端子を重ねて超音波溶接した。同様に負極集電体の端子溶接部(6枚)に、予めシール部分にシーラントフィルムを熱融着した巾10mm、長さ30mm、厚さ0.2mmのニッケル製負極端子を重ねて抵抗溶接し、縦60mm、横30mm、深さ1.3mmに深絞りした外装フィルム2枚の内部へ設置した。
14日間室温にて放置後1セルを分解したところ、リチウム金属はいずれも完全に無くなっていた。
残ったフィルム型リチウムイオンキャパシタc、d及びeの各2セルを、25℃及び−20℃でそれぞれ24時間放置した後に、200mAの定電流でセル電圧が3.8Vになるまで充電し、その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を1時間行った。次いで、20mAの定電流でセル電圧が1.9Vになるまで放電した。この3.8V−1.9Vのサイクルを繰り返し、3回目の放電容量を測定した。結果を表6に示す。
課題を解決するための手段
[0009]
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を行った結果、上記の蓄電デバイスの負極活物質として、比表面積が0.01〜50m2/gという特定の範囲にあり、かつ、メソ孔容積が0.005〜1.0cc/gであり、かつ細孔直径100〜400Åのメソ孔容積が全メソ孔容積の25%以上を占める炭素材料を使用することにより、上記の課題が達成できることを見出し本発明に到達した。
[0010]
本発明における上記の細孔特性を有する炭素材料からなる負極活物質は新規である。すなわち、従来、リチウムイオン二次電池などの負極活物質の炭素材料では、メソ孔容積とミクロ孔容積は独立して制御することが不可能であり、仮にメソ孔容積を発現させようとすると、どうしてもミクロ孔容積も増大し、結果として、炭素材料の比表面積も大きくなり過ぎていた。比表面積が大きいと、充放電効率、クーロン効率が低下してしまう結果を招く。
[0011]
本発明では、メソ孔容積とミクロ孔容積を独立して制御できる手段を採用することにより、比表面積を特定範囲に有しながら、高出力時若しくは低温時にリチウムイオンの易動度を充分確保でき、特定の細孔直径を有するメソ孔容積を特定量だけ有する炭素材料からなる負極活物質の開発に成功したものである。
[0012]
かくして、本発明は、以下の要旨を有することを特徴とするものである。
(1)電解質としてリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備える蓄電デバイス用の負極活物質であり、比表面積が0.01〜50m2/gであり、全メソ孔容積が0.005〜1.0cc/gであり、かつ細孔直径100〜400Åのメソ孔容積が全メソ孔容積の25%以上を占める炭素材料からなることを特徴とする蓄電デバイス用負極活物質。
(2)炭素材料が、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、又はポリアセン系物質である上記(1)に記載の蓄電デバイス用負極活物質。
(3)炭素材料が、該炭素材料の前駆体を、遷移金属含有物質の存在下に600℃〜1500℃で熱処理して得られたものである上記(1)又は(2)に記載の蓄電デバイス用負極活物質。
(4)遷移金属が、ニッケル及び/又は鉄である上記(3)に記載の
気炉中に入れ、窒素雰囲気下で500℃まで50℃/時間の速度で、更に10℃/時間の速度で650℃まで昇温、熱処理し、PAS板を合成した。かくして得られたPAS板をボールミルで粉砕、及び同様の酸洗浄を行うことにより、D50が5.1μmのPAS粉体試料9を得た。このPAS粉体のH/C比は0.22であった。同様の条件で、硝酸ニッケル六水和物塩を溶かし込まずに形成した厚さ0.5mmのフェノール樹脂成形板を用いて熱処理、粉砕、酸洗浄を行うことによりD50が5.3μmになるように調整したPAS粉体試料10を得た。こうして得られた試料8、試料9、試料10の比表面積や細孔物性を表2に示す。
[0052]
[表2]
[0053]
表2に示されるように、原料に難黒鉛化性炭素であるフラン樹脂炭やPASを用いても、遷移金属塩であるニッケル塩を添加し600℃〜1500℃にて熱処理することによりメソ孔が発達することがわかる。また、ニッケル塩を添加せずに熱処理を行った試料10は、メソ孔がほとんど存在しない試料となった。
実施例3
[0054]
実施例1の試料1と全く同様に、添加する遷移金属塩の種類だけを硝酸鉄に変えた試料11、及び硝酸銅に変えた試料12を作製した。比表面積や細孔物性を表3に示す。
[0055]
[表3]
[0069]
表5に示されるように、全メソ孔容積が0.005〜0.1cc/g、かつ細孔直径100〜400Åのメソ孔容積が全メソ孔容積の25%以上となりメソ孔が発達すると同時に比表面積も0.01〜50m2/gと小さい試料1及び試料9は初期の充放電効率が高くなる。
実施例6
[0070]
(負極の作製)
厚さ32μm(気孔率57%)の銅製エキスパンドメタル(日本金属工業社製)に対し、上記負極スラリー3、4及び5を縦型両面同時ダイコーターにていずれも活物質目付量が同じになるよう両面同時塗工し、乾燥することにより、総厚み119μmの負極3と総厚み142μmの負極及び総厚み144μmの負極5を得た。
[0071]
(正極の作製)
おが屑を原料とし、電気炉中に入れ窒素気流下で50℃/時間の昇温速度で950℃まで昇温した後、窒素/水蒸気1:1の混合ガスにより12時間水蒸気で賦活することにより、比表面積2450m2/gの活性炭を製造した。該活性炭をアルミナ製ボールミル粉砕機で5時間粉砕して平均粒子径(D50)が7μmの活性炭粉末を得た。
[0072]
上記正極用活性炭粉末92重量部、アセチレンブラック粉体6重量部、アクリレート系共重合体バインダー7重量部、カルボキシメチルセルロース(CMC)4重量部及びイオン交換水200重量部を混合攪拌機にて充分混合することにより正極スラリー2を得た。
[0073]
厚さ38μm(気孔率45%)のアルミニウム製エキスパンドメタル(日本金属工業社製
Claims (6)
- 電解質としてリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒電解質溶液を備える蓄電デバイス用の負極活物質であり、比表面積が0.01〜50m2/gであり、全メソ孔容積が0.005〜1.0cc/gであり、かつ細孔直径100〜400Åのメソ孔容積が全メソ孔容積の25%以上を占める炭素材料からなることを特徴とする蓄電デバイス用負極活物質。
- 炭素材料が、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、又はポリアセン系物質である請求項1に記載の蓄電デバイス用負極活物質。
- 炭素材料が、該炭素材料の前駆体を、遷移金属含有化合物の存在下に600℃〜1500℃で熱処理して得られたものである請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用負極活物質。
- 遷移金属が、ニッケル及び/又は鉄である請求項1〜3のいずれかに記載の蓄電デバイス用負極活物質。
- 負極活物質が請求項1〜4のいずれかに記載の負極活物質であるリチウムイオン二次電池。
- 正極活物質がリチウムイオン及び/又はアニオンを可逆的に吸着・脱着可能な材料であり、負極活物質が請求項1〜4のいずれかに記載の負極活物質であり、かつ正極と負極を短絡させた後の正極電位が2.0V(vsLi/Li+)以下になるように負極及び/又は正極に対してリチウムイオンがドープされているリチウムイオンキャパシタ。
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