JPWO2016009938A1 - 電極材料ならびにそれを用いたリチウムイオン電池またはリチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明でいう電極材料とは、リチウムイオンを電気伝導物質とする蓄電装置の電極として用いる、リチウムイオンを吸放出できる材料である。現在検討されているこのような蓄電装置としては、リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタを挙げることができ、本発明の電極材料はこれらの電極材料、特に負極材料として用いることができる。
本発明において、炭素材料とは、後述する炭化可能樹脂を焼成して得られる主として炭素からなる材料であり、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)や易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)が好ましく例示される。中でも、炭素面が配向しておらず、出入力性能に優れているため、本発明においては難黒鉛化炭素からなる炭素材料を用いることが好ましい。難黒鉛化炭素は、黒鉛などの結晶性の炭素と比較して配向性が低い炭素材料であるため、細孔の比表面積を本発明の範囲に容易に調整することができる。また、特に1m2/g以上、好ましくは10m2/g以上と比表面積が大きい場合において、黒鉛と比較して電解質の分解による性能低下が生じにくいという利点を有する。なお、炭素材料の原料等については、製造方法についての記載中で詳述する。
構造周期:L、λ:入射X線の波長、θ:散乱強度ピークの極大値に対応する散乱角度
共連続構造部分の構造周期が0.002μm以上であると、空隙部に電解液を充填及び/又は流すことが容易になるほか、炭素骨格による電気伝導性、熱伝導性の向上が顕著となる。また、後述する金属を含有する形態とする場合には充放電に伴う膨張収縮を効果的に吸収できる。構造周期は0.01μm以上であることがより好ましく、0.1μm以上であることがさらに好ましい。また、構造周期が3μm以下であると、高い表面積や物性を得やすい。構造周期は2μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることがさらに好ましい。なお、X線による構造周期の解析に際して、共連続構造を有しない部分については、構造周期が上記範囲外となるため解析には影響ない。よって、上記式で算出される構造周期を以って、共連続構造形成部の構造周期とするものとする。
平均空隙率は、高いほど電解質の移動が速やかになるほか、低いほど圧縮や曲げといった断面方向にかかる力に強くなるため、取り扱い性や加圧条件での使用に際して有利となる。これらのことを考慮し、共連続構造部分の平均空隙率は15〜75%であることが好ましく、18〜70%がさらに好ましい。
本発明の多孔質炭素材料は、共連続構造を実質的に有しない部分(以下、単に「共連続構造を有しない部分」という場合がある。)を含んでいることも、好ましい態様である。共連続構造を実質的に有しない部分とは、クロスセクションポリッシャー法(CP法)により形成させた断面を、1±0.1(nm/画素)の拡大率で観察した際に、解像度以下であることにより明確な空隙が観察されない部分が、一辺が後述のX線から算出される構造周期Lの3倍に対応する正方形の領域以上の面積で存在することを意味する。
本発明の多孔質炭素材料の形状は特に限定されず、例えば塊状、棒状、平板状、円盤状、球状などが挙げられる。中でも繊維状、フィルム状または粒子状の形態であることが好ましい。繊維、フィルム状であれば、バインダーを用いない電極とすることができる点で好ましく、一方、粒子状であれば、取り扱い性に優れる点で好ましい。
前述の多孔質炭素材料と、リチウム金属を可逆的に吸蔵放出可能な金属を複合化されてなる電極材料は、本発明のもっとも好ましい態様の一つである。リチウム金属を可逆的に吸蔵放出可能な金属とは、Si、Sn、Ge、In、Sb、Zn、Mg、Al、Pb、などの、リチウムイオンと合金を形成する金属である。本明細書においてはこれらの酸化物も含めて金属と呼ぶこととする。なお、Si、Geは厳密には半導体に属するものであるが、本明細書では金属に含めるものとする。リチウムイオンと合金を形成する金属としては、容量の大きさとコストの点で、Siが好ましい。
本発明の電極材料は、1種または2種以上を混合して集電体上にバインダー等と共に活物質層を形成させ、電極とすることができる。この電極はリチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池の負極とすることが好ましい。
本発明のリチウムイオンキャパシタは、上記した電極を負極として用い、活性炭やポリアセン系物質等の正極活物質と、導電剤及び結着剤等を混合して得た正極材を用いて作製することができる。
本発明の電極材料に用いる多孔質炭素材料は、一例として、炭化可能樹脂10〜90重量%と消失樹脂90〜10重量%とを相溶させて樹脂混合物とする工程(工程1)と、相溶した状態の樹脂混合物を相分離させ、固定化する工程(工程2)、加熱焼成により炭化する工程(工程3)、により製造することができ、必要に応じて炭化物を賦活する工程(工程4)を行うことができる。
工程1は、炭化可能樹脂10〜90重量%と、消失樹脂90〜10重量%と相溶させ、樹脂混合物とする工程である。
工程2は、工程1において相溶させた状態の樹脂混合物を相分離させて微細構造を形成し、固定化する工程である。
工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物は、炭化工程(工程3)に供される前または炭化工程と同時、あるいはその両方で消失樹脂の除去処理を行う。除去処理の方法は特に限定されるものではなく、消失樹脂を除去することが可能であれば良い。具体的には、酸、アルカリや酵素を用いて消失樹脂を化学的に分解、低分子量化して除去する方法や、消失樹脂を溶解する溶媒により溶解除去する方法、電子線、ガンマ線や紫外線、赤外線などの放射線や熱を用いて消失樹脂を分解除去する方法などが好適である。
工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物である前駆体材料は、炭化工程(工程3)に供される前に不融化処理を行うことが好ましい。不融化処理の方法は特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。具体的な方法としては、酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法、電子線、ガンマ線などの高エネルギー線を照射して架橋構造を形成する方法、反応性基を持つ物質を含浸、混合して架橋構造を形成する方法などが挙げられる。中でも酸素存在下で加熱することで酸化架橋を起こす方法が、プロセスが簡便であり製造コストを低く抑えることが可能である点から好ましい。これらの手法は単独もしくは組み合わせて使用しても、それぞれを同時に使用しても別々に使用しても良い。
工程3は、工程2において相分離後の微細構造が固定化された樹脂混合物、あるいは、消失樹脂を既に除去している場合には炭化可能樹脂を焼成し、炭化して炭化物を得る工程である。
工程3において得た炭化物は、必要に応じて賦活処理することが好ましい。本発明において、特に比表面積を増加させる必要がある場合は、賦活処理を行うことが好ましい。
前述のように、本発明の多孔質炭素材料は、粉末状であることが好ましい態様である。粉末状の多孔質炭素材料を製造する場合、上記のいずれかの工程または処理の後に、粉砕処理を行うことが好ましい。粉砕処理は、従来公知の方法を選択することが可能であり、粉砕処理を施した後の粒度、処理量に応じて適宜選択されることが好ましい。粉砕処理方法の例としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルなどを例示することができる。粉砕処理は、連続式でもバッチ式でも良い。生産効率の観点から連続式であることが好ましい。ボールミルに充填する充填材は適宜選択される。金属材料の混入が好ましくない用途に対しては、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどの金属酸化物によるもの、もしくはステンレス、鉄などを芯としてナイロン、ポリオレフィン、フッ化ポリオレフィンなどをコーティングしたものを用いることが好ましく、それ以外の用途であればステンレス、ニッケル、鉄などの金属が好適に用いられる。
金属と多孔質炭素材料とを複合化する方法としては、上述のように多孔質炭素材料を作製した後に担持等させる方法、あるいは、炭素となる前の原料あるいは中間体の段階で含有させる方法、等特に限定されるものではない。
〔共連続構造部分の構造周期〕
(1)X線散乱法
多孔質炭素材料を試料プレートに挟み込み、CuKα線光源(波長λ=0.154184nm)から得られたX線源から散乱角度10度未満の情報が得られるように、光源、試料及び二次元検出器の位置を調整した。二次元検出器から得られた画像データ(輝度情報)から、ビームストッパーの影響を受けている中心部分を除外して、ビーム中心から動径を設け、角度1°毎に360°の輝度値を合算して散乱強度分布曲線を得た。得られた曲線においてピークの極大値に対応する散乱角度θより、共連続構造部分の構造周期Lを下記の式によって得た。
また、構造周期が1μm以上であり、X線散乱強度ピークが観測されない場合には、X線顕微鏡で0.3°ステップ、180°以上の範囲で連続回転像を撮影し、CT像を得た。得られたCT像に対してフーリエ変換を実施し、散乱角度θと散乱強度の散乱強度分布曲線を得て、前述と同様の方法で下記式により構造周期Lを得た。
構造周期:L、λ:入射X線の波長、θ:散乱強度ピークの極大値に対応する散乱角度
〔平均空隙率〕
多孔質炭素材料を樹脂中に包埋し、その後カミソリ等を用いることで電極材料の断面を露出させ、日本電子製SM−09010を用いて加速電圧5.5kVにて試料表面にアルゴンイオンビームを照射、エッチングを施した。得られた電極材料の断面を走査型二次電子顕微鏡にて材料中心部を1±0.1(nm/画素)となるよう調整された拡大率で、70万画素以上の解像度で観察した画像から、計算に必要な着目領域を512画素四方で設定し、着目領域の面積A、孔部分または消失樹脂部分の面積をBとして、以下の式で平均空隙率を算出した。
〔BET比表面積、細孔直径〕
300℃で約5時間、減圧脱気した後、日本ベル社製の「BELSORP−18PLUS−HT」を使用し、液体窒素を用いて77Kの温度での窒素吸脱着を多点法で測定した。比表面積はBET法、細孔分布解析(細孔直径、細孔容積)はMP法またはBJH法により行った。
70gのポリサイエンス社製ポリアクリロニトリル(MW15万、炭素収率58%)と70gのシグマ・アルドリッチ社製ポリビニルピロリドン(MW4万)、及び、溶媒として400gの和研薬製ジメチルスルホキシド(DMSO)をセパラブルフラスコに投入し、3時間攪拌および還流を行いながら150℃で均一かつ透明な溶液を調整した。このときポリアクリロニトリルの濃度、ポリビニルピロリドンの濃度はそれぞれ13重量%であった。
結果を表1に示す。
実施例1で得た多孔質炭素材料とSiCl4液体と炭素材料を混合して含浸した後還元して、ケイ素担持電極材料を得た。多孔質炭素材料の代わりに当該ケイ素担持電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池を作製した。結果を表1に示す。
実施例1において、ポリアクリロニトリルとポリビニルピロリドンからなる溶液に、コロイダルシリカ(日産化学工業株式会社製、“スノーテックス”)を混合して、酸化ケイ素含有電極材料を得た。得られた電極材料は、実施例1と同様に共連続構造部分の平均空隙率は40%であり、構造周期は76nmであった。また共連続構造を有しない部分を粒子の一部に含む構造をしていた。多孔質炭素材料の代わりに当該ケイ素含有電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池を作製した。結果を表1に示す。
実施例1の多孔質炭素の代わりに、BET比表面積10m2/gの人造黒鉛を用いた以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池を作製した。結果を表1に示す。
Claims (10)
- 炭素骨格と空隙とがそれぞれ連続構造をなす共連続構造部分を有するとともに、BET法で計測される比表面積が1〜4500m2/g、BJH法で計測される細孔容積が0.01〜2.0cm3/gである多孔質炭素材料からなる電極材料。
- 前記多孔質炭素材料の共連続構造部分の構造周期が0.002μm〜3μmである、請求項1に記載の電極材料。
- 前記多孔質炭素材料の、MP法で計測される細孔容積(Vm)とBJH法で計測される細孔容積(Vb)の比(Vm/Vb)が1.0以下である、請求項1または2に記載の電極材料。
- 前記多孔質炭素材料が主としてポリアクリロニトリルを原料とするものである、請求項1〜3のいずれかに記載の電極材料。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の多孔質炭素材料と、リチウム金属を可逆的に吸蔵放出可能な金属が複合化されてなる電極材料。
- 前記リチウム金属を可逆的に吸蔵放出可能な金属が、Si、Sn、Ge、In、Sb、Zn、Mg、Al、Pb、及びこれらの酸化物からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項5に記載の電極材料。
- 前記リチウム金属を可逆的に吸蔵放出可能な金属が、前記多孔質炭素材料の共連続構造部分の炭素骨格において、その表面から一部露出するように担持または含有されている、請求項5または6に記載の電極材料。
- 前記リチウム金属を可逆的に吸蔵放出可能な金属が、前記多孔質炭素材料表面に形成された微細孔に担持されている、請求項5〜7のいずれかに記載の電極材料。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の電極材料を用いたリチウムイオン電池。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の電極材料を用いたリチウムイオンキャパシタ。
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