JPWO2016084909A1 - シリカ被覆カーボンブラック並びにそれを用いた電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)カーボンブラックと、前記カーボンブラックの表面を被覆するシリカと、を含み、前記カーボンブラックの圧縮DBP吸収量に対するDBP吸収量の比(DBP吸収量/圧縮DBP吸収量)が2.2以下であり、前記シリカが式(1)で表されるテトラアルコキシシランの加水分解縮合物を含む、シリカ被覆カーボンブラック。
(2)前記シリカが、式(2)で表されるアンモニウム塩の共存下、前記アンモニウム塩に対する質量比が20〜250の前記テトラアルコキシシランを、加水分解及び縮合したものである、(1)に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(3)前記アンモニウム塩が、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドである、(2)に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(4)前記nが1以上3以下の整数である、(1)〜(3)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(5)前記シリカの被覆量が、前記シリカ及び前記カーボンブラックの総量に対し10質量%〜30質量%である、(1)〜(4)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(6)前記カーボンブラックがアセチレンブラックである、(1)〜(5)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(7)体積抵抗率が1×105Ω・cm以下である、(1)〜(6)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(8)前記カーボンブラックのDBP吸収量が280mL/100gである、(1)〜(7)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(9)体積抵抗率が1×103Ω・cm以下である、(1)〜(8)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラック。
(10)(1)〜(9)のいずれか一つに記載のシリカ被覆カーボンブラックと、カチオンを吸蔵及び放出することが可能な正極活物質並びにカチオンを吸蔵及び放出することが可能な負極活物質からなる群より選択される少なくとも一種と、バインダーと、を含む電極用組成物。
(11)金属箔と、前記金属箔上に設けられた請求項10に記載の電極用組成物の塗膜と、を備える二次電池用電極。
(12)(11)に記載の二次電池用電極を、正極及び負極のうち少なくとも一方に備えた二次電池。
(13)カーボンブラックを含む分散液中で、式(1)で表されるテトラアルコキシシランを加水分解及び縮合させて、前記カーボンブラックの表面を前記テトラアルコキシシランの加水分解縮合物を含むシリカで被覆する工程を含み、前記カーボンブラックの圧縮DBP吸収量に対するDBP吸収量の比(DBP吸収量/圧縮DBP吸収量)が2.2以下である、シリカ被覆カーボンブラックの製造方法。
(14)前記分散液が、式(2)で表されるアンモニウム塩をさらに含み、前記アンモニウム塩に対する前記テトラアルコキシシランの質量比が20〜250である、(13)に記載の製造方法。
(カーボンブラック)
本実施例ではカーボンブラックとして、DBP吸収量171mL/100g、圧縮DBP吸収量83mL/100gであるアセチレンブラック(電気化学工業社製、HS100)を用いた。なお、カーボンブラックのDBP吸収量及び圧縮DBP吸収量は、以下の方法により測定した。
DBP吸収量はJIS K6217−4に準拠する方法で測定した。また、圧縮DBP吸収量はJIS K6217−4附属書Aに準拠する方法で、165MPaで4回圧縮して作製した圧縮試料について、DBP吸収量と同様の測定法で測定した。
アセチレンブラック2.0g及びヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(関東化学社製)44mgを水/エタノール=1/1(質量比)混合溶媒200gに精密分散乳化機(エム・テクニック社製、クレアミックス)を用いて分散させ、次いで1Nアンモニア水(関東化学社製)を加えてpH11に調製した。この分散液をマグネチックスターラーで撹拌しながらテトラエトキシシラン(東京化成工業社製)4.0gを室温下で10時間かけて滴下し、さらに2時間撹拌し、反応させた。その後反応液を吸引ろ過し、純水で洗浄を行い、乾燥させたところ、シリカ被覆カーボンブラック2.1gが黒色粉末として得られた。このとき、テトラエトキシシランとヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドの質量比(テトラエトキシシランの質量/ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドの質量)は91あった。図1は実施例1のシリカ被覆カーボンブラックの走査型電子顕微鏡写真である。
シリカ被覆カーボンブラックの物性等は、各々次のようにして評価した。結果を表1に示す。
熱重量分析装置(ブルカー社製 TG−DTA2000SA)を用いて、シリカ被覆カーボンブラックAgを大気下、1000℃で1時間保持した。この状態で、カーボンブラックは燃焼し試料より焼失するため残査はシリカのみからなる。その後、室温まで冷却し、残査の質量Bgを測定した。シリカ被覆率は以下の式により求めた。
シリカ被覆率=B/A×100(%)
シリカ被覆カーボンブラック0.5gを量り取り、25±1℃、相対湿度50±2%の環境に24時間静置し、粉体抵抗測定システム(三菱化学アナリテック社製、MCP−PD51型)を用いて、24MPaの荷重下で直径20mmの円盤状に圧縮した状態で体積抵抗率を測定した。
シリカ被覆カーボンブラック5質量部に、活物質としてスピネル型ニッケルマンガン酸リチウム(宝泉社製)を90質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン溶液(呉羽化学社製、「KFポリマー(登録商標)1120」、固形分濃度12質量%)を溶質量で5質量部、さらに分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン(キシダ化学社製)30質量部を加えて自転公転式混合機(シンキー社製、あわとり練太郎ARV−310)を用いて混合し、電極用組成物を得た。この電極用組成物を、ベーカー式アプリケーターを用いて厚さ20μmのアルミニウム箔に塗布、乾燥し、その後、プレス、裁断して、リチウム二次電池用正極電極を得た。
上記で作製した電極用組成物及び二次電池用電極について、次のようにして分散性の評価を行った。結果を表1に示す。
電極用組成物におけるシリカ被覆カーボンブラックの分散性はJIS K5600−2−5に記載されるつぶゲージを用いた方法で評価した。具体的には、スクレパーを用い、塗工液を塗布し、試料面に10mm以上連続した線状痕が、一つの溝について3本以上並んだ箇所の目盛りを測定した。分散性は数値が低い程、良好な分散性を意味する。
二次電池用電極におけるシリカ被覆カーボンブラックの分散性はリチウム二次電池用正極電極の外観によって判断した。具体的には100mm四方の電極5枚を作製し、以下の尺度で評価した。
A:5枚とも電極面に筋状の塗工跡及び凝集塊が観られなかった。
B:1枚以上の電極面に筋状の塗工跡又は1mm未満の凝集塊が観られた。
C:1枚以上の電極面に1mm以上の凝集塊が観察された。
前記二次電池用電極を正極として用いて、次のようにして二次電池を作製した。
活物質として黒鉛粉末(日立化成社製 MAG−D)98質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン溶液を溶質量で2質量部、さらに分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン30質量部を加えて自転公転式混合機を用いて混合し、負極用電極用組成物を得た。これをベーカー式アプリケーターを用いて厚さ15μmの銅箔に塗布、乾燥し、その後、プレス、裁断して、リチウム二次電池用負極電極を得た。
正極として前記電極用組成物を用いて作製した二次電池用正極電極を縦40mm、横40mmに裁断したもの、負極として前記二次電池用負極電極を縦44mm、横44mmに裁断したものを用い、これらを電気的に隔離するセパレータとしてオレフィン繊維製不織布、外装としてアルミラミネートフィルムを用いてラミネート型電池とした。電解液にはEC(エチレンカーボネート、Aldrich社製)、DEC(ジエチルカーボネート、Aldrich社製)を体積比で1:2に混合した溶液中に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6、ステラケミファ社製)を1mol/L溶解したものを用いた。
上記で作製した二次電池について、次のようにして評価を行った。結果を表1に示す。なお特に記載のない場合は、評価値は3個の電池の評価値の算術平均値である。
まず正極の質量から正極上に存在する正極活物質量(g)を求め、これを140で除した値(mA)を電流値「1C」とした。電流を1C、上限電圧を5.0Vとして定電流・定電圧充電を行い、さらに電流を1C、下限電圧を3.0Vとして定電流放電を行い、この際の正極活物質1gあたりの充電容量(mAh/g)に対する、正極活物質1gあたりの放電容量(mAh/g)の比(%)をクーロン効率とした。尚、放電容量が高いほど、電極の導電性が優れ、電池の抵抗が低いことを意味する。また、クーロン効率が高いほど、電解液の酸化反応等の寿命低下をもたらす副反応が少ないことを意味する。
寿命の評価として、次の要領でサイクル特性の測定を行った。電流を1C、上限電圧を5.0Vとして定電流・定電圧充電を行ったあと、電流を1C、下限電圧を3.0Vとして定電流を行うことを1サイクルとして、これを200回繰り返した。1回目の放電容量に対する200回目の放電容量の比(%)をサイクル特性値とした。200サイクル未満で放電容量が0となった場合は、その電池のサイクル特性値は0として3個の電池の算術平均値を計算した。
ガス発生抑制効果の評価として、サイクル特性試験前後の電池の体積変化(mL)をガス発生量として測定した。電池の体積は比重測定装置(島津製作所社製 AUW220D)を用いて25±1℃の恒温室内で測定した。また、200サイクル未満で放電容量が0となった電池については、はじめて放電容量が0となったサイクル後に測定した。
実施例1のヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド及びテトラエトキシシランの添加量を、表1に示す質量比となるように変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表1に示す。
実施例1のカーボンブラックを、DBP吸収量234mL/100g、圧縮DBP吸収量115mL/100gであるファーネスブラック(ティムカル・グラファイト・アンド・カーボン社製、SuperPLi)へ変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1のカーボンブラックを、DBP吸収量228mL/100g、圧縮DBP吸収量125mL/100gであるアセチレンブラック(電気化学工業社製、AB粉状)へ変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1のカーボンブラックを、DBP吸収量338mL/100g、圧縮DBP吸収量240mL/100gであるアセチレンブラック(電気化学工業社製、SAB)へ変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1のテトラエトキシシランをテトラブトキシシラン(東京化成工業社製)に変更し、さらにテトラブトキシシラン及びヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドの添加量を、表2に示す質量比となるように変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1のテトラエトキシシランをテトラプロポキシシラン(東京化成工業社製)に変更し、さらにテトラブトキシシラン及びヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドの添加量を、表2に示す質量比となるように変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1のヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドをドデシルトリメチルアンモニウムクロリド(東京化成工業社製)に変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1のテトラエトキシシランの添加量を0に変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表3に示す。比較例1の二次電池では、サイクル特性の測定において200サイクル未満で放電容量が0となった。なお、図2は比較例1のカーボンブラックの走査型電子顕微鏡写真である。
実施例1のカーボンブラックを、DBP吸収量254mL/100g、圧縮DBP吸収量104mL/100gであるファーネスブラック(ティムカル・グラファイト・アンド・カーボン社製 SuperC65)へ変更した以外は、実施例1と同様な方法でシリカ被覆カーボンブラック、電極用組成物、二次電池用電極及び二次電池を作製し、各評価を実施した。結果を表3に示す。比較例2の二次電池用電極は電極外観に劣るものであった。また、比較例2の二次電池はサイクル特性が低い値となった。
Claims (14)
- カーボンブラックと、
前記カーボンブラックの表面を被覆するシリカと、
を含み、
前記カーボンブラックの圧縮DBP吸収量に対するDBP吸収量の比(DBP吸収量/圧縮DBP吸収量)が2.2以下であり、
前記シリカが式(1)で表されるテトラアルコキシシランの加水分解縮合物を含む、シリカ被覆カーボンブラック。
- 前記シリカが、式(2)で表されるアンモニウム塩の共存下、前記アンモニウム塩に対する質量比が20〜250の前記テトラアルコキシシランを、加水分解及び縮合したものである、請求項1に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 前記アンモニウム塩が、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリドである、請求項2に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 前記nが1以上3以下の整数である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 前記シリカの被覆量が、前記シリカ及び前記カーボンブラックの総量に対し10質量%〜30質量%である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 前記カーボンブラックがアセチレンブラックである、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 体積抵抗率が1×105Ω・cm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 前記カーボンブラックのDBP吸収量が280mL/100gである、請求項1〜7のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 体積抵抗率が1×103Ω・cm以下である、請求項1〜8のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラック。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載のシリカ被覆カーボンブラックと、
カチオンを吸蔵及び放出することが可能な正極活物質並びにカチオンを吸蔵及び放出することが可能な負極活物質からなる群より選択される少なくとも一種と、
バインダーと、
を含む電極用組成物。 - 金属箔と、
前記金属箔上に設けられた請求項10に記載の電極用組成物の塗膜と、
を備える二次電池用電極。 - 請求項11に記載の二次電池用電極を、正極及び負極のうち少なくとも一方に備えた二次電池。
- カーボンブラックを含む分散液中で、式(1)で表されるテトラアルコキシシランを加水分解及び縮合させて、前記カーボンブラックの表面を前記テトラアルコキシシランの加水分解縮合物を含むシリカで被覆する工程を含み、
前記カーボンブラックの圧縮DBP吸収量に対するDBP吸収量の比(DBP吸収量/圧縮DBP吸収量)が2.2以下である、シリカ被覆カーボンブラックの製造方法。
- 前記分散液が、式(2)で表されるアンモニウム塩をさらに含み、
前記アンモニウム塩に対する前記テトラアルコキシシランの質量比が20〜250である、請求項13に記載の製造方法。
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