JPWO2017022455A1 - リチウムイオン二次電池用負極材、その製造方法及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
そして、特許文献7の方法においては、均一な炭素被膜の形成が可能となるものの、Siを負極材として用いているため、リチウムイオンの吸脱着時の膨張・収縮が余りにも大きすぎて、結果として実用に耐えられず、サイクル性が低下するためにこれを防止するべく充電量の制限を設けなくてはならない。特許文献8の方法においては、サイクル性の向上は確認されるものの、微細な珪素結晶の析出、炭素被覆の構造及び基材との融合が不十分であることより、充放電のサイクル数を重ねると徐々に容量が低下し、一定回数後に急激に低下するという現象があり、二次電池用としてはまだ不十分であるといった問題があった。以上のことから、酸化珪素系の高い電池容量と低い体積膨張率の利点を維持しつつ、初回充放電効率が高く、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用として有効な負極材とその製造方法の開発が待たれていた。
〔1〕
珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な粒子であって、X線回折パターンの分析における28.0°≦2θ<28.2°の最高値をP1、28.2°≦2θ≦28.6°の最高値をP2としたとき、1.00≦P2/P1≦1.10であるリチウムイオン二次電池用負極材。
〔2〕
前記珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる粒子が、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した複合構造を有する粒子、一般式SiOx(0.5≦x≦1.6)で表される酸化珪素粒子、又はこれらの混合物である〔1〕に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
〔3〕
前記珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる粒子表面が炭素被膜で被覆されている〔1〕又は〔2〕に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
〔4〕
炭素被膜で被覆されている被覆粒子に対する炭素含有量が、0.5〜40質量%である〔3〕に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
〔5〕
レーザー回折式粒度分布測定装置で測定した体積基準分布における累積50%径(D50)が0.1〜30μmである〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
〔6〕
〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池用負極。
〔7〕
〔6〕に記載のリチウムイオン二次電池用負極を含むリチウムイオン二次電池。
〔8〕
SiOx(0.5≦x≦1.6)を製造後、このSiOxを粗粉砕して大きさ0.5mm以上のものを採取し、0.5mm未満の粉砕物を除去し、次いで上記0.5mm以上の大きさのSiOxを体積基準分布における累積50%径0.1〜30μmに微粉砕する工程を含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
〔9〕
〔8〕で得られた体積基準分布における累積50%径0.1〜30μmに微粉砕されたSiOx(0.5≦x≦1.6)に対し、熱分解して炭素を生成し得る有機物ガス及び/又は蒸気雰囲気中、800〜1,200℃の温度範囲で炭素を化学蒸着し、炭素被膜を形成する工程を含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
〔10〕
熱分解して炭素を生成し得る有機物ガスの原料が、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン、ペンタン、イソブタン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロルベンゼン、インデン、クマロン、ピリジン、アントラセン、フェナントレン、タール蒸留工程で得られるガス軽油、クレオソート油、アントラセン油及びナフサ分解タール油等の中から選択される1種以上である〔9〕に記載のリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
[リチウムイオン二次電池用負極材]
本発明のリチウムイオン二次電池用負極材は、珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な粒子で、X線回折パターンの分析における28.0°≦2θ<28.2°の最高値をP1、28.2°≦2θ≦28.6°の最高値をP2としたとき、1.00≦P2/P1≦1.10となることを特徴とする粒子からなるものである。
次いで、このように0.5mm未満の大きさの粉砕物が除去された0.5mm以上の大きさのSiOxを上述した方法で微粉砕し、体積基準分布における累積50%径(D50)が0.1〜30μmのSiOxを得る方法が好ましい。
また、この微粉砕されたSiOxを不均化反応させたり、熱分解して炭素を生成し得る有機物ガス及び/又は蒸気雰囲気中、800〜1,200℃で化学蒸着(CVD)することで、粒子表面に炭素被覆すると共に不均化反応させて、珪素の微粒子がSiO2等の珪素系化合物に分散した複合構造を形成する方法が好ましい。
上記リチウムイオン二次電池用負極材を用いて負極を作製する場合、更にカーボンや黒鉛等の導電剤を添加することができる。この場合においても導電剤の種類は特に限定されず、構成された電池において、分解や変質を起こさない電子伝導性の材料であればよい。具体的にはAl,Ti,Fe,Ni,Cu,Zn,Ag,Sn,Si等の金属粒子や金属繊維又は天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粒子、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛を用いることができる。
上述の負極材と、必要に応じて導電剤と、ポリイミド樹脂等の結着剤等の他の添加剤とに、N−メチルピロリドン又は水等の溶剤を混練してペースト状の合剤とし、この合剤を集電体のシートに塗布する。この場合、集電体としては、銅箔、ニッケル箔等、通常、負極の集電体として使用されている材料であれば、特に厚さ、表面処理の制限なく使用することができる。
なお、合剤をシート状に成形する成形方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
リチウムイオン二次電池は、少なくとも、正極と、負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質とを有するリチウムイオン二次電池であって、上記負極に、本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極材が用いられ、これを含むものである。本発明のリチウムイオン二次電池は、上記被覆粒子からなる負極材を用いた負極からなる点に特徴を有し、その他の正極、電解質、セパレータ等の材料及び電池形状等は公知のものを使用することができ、特に限定されない。上述のように、本発明の負極材は、リチウムイオン二次電池用の負極材として用いた場合の電池特性(充放電容量及びサイクル特性)が良好で、特にサイクル耐久性に優れたものである。
SiOxをジョークラッシャー((株)前川工業所製)で粗砕し1mm目開きの振動篩にかけ、篩から落ちた粉砕物を除去した後、篩上のSiOxをφ10mmのアルミナボールを媒体としてボールミル((株)マキノ製)で80分間粉砕した。この粒子をレーザー回折式粒度分布測定装置((株)島津製作所製SALD−3100)で屈折率3.90−0.01iの条件で測定したところ、体積分布におけるD50(累積50%径)は4.6μmであった。また、この粒子の酸素量をLECO OCN836酸素窒素分析装置(以下同様)で測定したところ、36.0質量%、すなわちSiOx(x=0.99)であった。
この粒子100gを粉体層厚みが10mmとなるようトレイに敷き、バッチ式加熱炉内に仕込んだ。そして油回転式真空ポンプで炉内を減圧しつつ、200℃/hrの昇温速度で炉内を1,000℃に昇温した。そして1,000℃に達した後、炉内にメタンを0.3L/minで通気し、10時間の炭素被覆処理を行った。メタン停止後、炉内を降温・冷却し、106gの黒色粒子を得た。
また、この黒色粒子をX線回折装置(ブルカー・エイエックス製D2 PHASER)で測定した。2θ=28.4°付近の情報を詳細に得られるよう、ステップ幅は0.015°とした。その結果、28.0°≦2θ<28.2°の最高値をP1、28.2°≦2θ≦28.6°の最高値をP2としたとき、P1の値は44644カウント、P2は46875カウントであった。よって、P2/P1の値は1.05となる。
次に、以下の方法で、得られた粒子を負極活物質として用いた電池評価を行った。
まず、得られた負極材45質量%と人造黒鉛(平均粒径10μm)45質量%、ポリイミド10質量%を混合し、更にN−メチルピロリドンを加えてスラリーとした。
このスラリーを厚さ12μmの銅箔に塗布し、80℃で1時間乾燥後、ローラープレスにより電極を加圧成形し、この電極を350℃で1時間真空乾燥させた。その後、2cm2に打ち抜き、負極とした。
そして、得られた負極の充放電特性を評価するために、対極にリチウム箔を使用し、非水電解質として六フッ化リン酸リチウムをエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの1/1(体積比)混合液に1モル/Lの濃度で溶解した非水電解質溶液を用い、セパレータに厚さ30μmのポリエチレン製微多孔質フィルムを用いた評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
以上の充放電試験を繰り返し、評価用リチウムイオン二次電池の50サイクル後の充放電試験を行った。結果を表1に示す。初回放電容量1,781mAh/g、50サイクル後の容量維持率94%の高容量かつ及びサイクル性に優れたリチウムイオン二次電池であることが確認された。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品を100g、同様にバッチ式加熱炉内に仕込んだ。そして油回転式真空ポンプで炉内を減圧しつつ、200℃/hrの昇温速度で炉内を1,100℃に昇温した。そして1,200℃に達した後、炉内にメタンを0.3L/minで通気し、6時間の炭素被覆処理を行った。メタン停止後、炉内を降温・冷却した。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量10.3質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.09であった。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品100gを実施例1と同様に炭素被覆処理を行ったが、温度は800℃で処理時間は17時間とした。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量4.6質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.01であった。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品を100gと、D50が3.6μmの金属珪素0.2gを均一になるよう混合した。これを実施例1と同条件で炭素被覆処理を行った。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量4.8質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.06であった。
黒鉛製のφ120mm反応管が、外部に設置されたヒーターにより加熱可能であって、反応管内の温度域が異なる2箇所にそれぞれトレイが内挿されている装置を用いた。高温部(第一原料トレイ)に珪素粒子(平均粒径30μm)500gを、低温部(第二原料トレイ)に酸化珪素粒子(平均粒径50μm)500gを仕込んだ。次に真空ポンプを用いて、炉内を0.1Torr以下に減圧した後、第一原料トレイの温度が2,200℃になる様ヒーターを加熱した。この時第二原料トレイの温度は1,430℃であった。この運転を10時間行った後、室温まで冷却し析出した析出物を得た。実施例1と同様に粉砕を行い、D50が4.7μmの粒子を得た。この粒子の酸素量は27.2質量%、すなわちSiOx(x=0.66)であった。この粒子を実施例1と同様に黒鉛被覆を行った。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.09であった。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品100gを、常圧、大気雰囲気中で600℃に昇温し、8時間保持した。その後降温し、冷却した後、粒子の酸素量を分析すると41.2質量%、すなわちSiOx(x=1.23)であった。この粒子を実施例1と同様に黒鉛被覆を行った。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.03であった。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品を100gと、D50が3.6μmの金属珪素0.5gを均一になるよう混合した。これを実施例1と同条件で炭素被覆処理を行った。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量4.7質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.12であった。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品を100gと、D50が3.6μmの金属珪素2gを均一になるよう混合した。これを実施例1と同条件で炭素被覆処理を行った。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量4.8質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.29であった。
実施例1と同様にして得たD50が4.6μmのSiOx(x=0.99)粉砕品100gを実施例1と同様に炭素被覆処理を行ったが、温度は700℃で処理時間は35時間とした。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量4.5質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は0.98であった。
実施例1においてジョークラッシャーで粗砕したSiOx(x=0.99)を、篩をかけずにそのままボールミルで粉砕した。得られた粒子のD50は4.3μmであった。この粒子100gを実施例1と同じ方法で炭素被覆処理を行った。
得られた黒色粒子は黒色粒子に対する炭素被覆量5.2質量%の導電性粒子であった。
この粒子を実施例1と同様にX線回折装置で測定した結果、P2/P1の値は1.13であった。
Claims (10)
- 珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な粒子であって、X線回折パターンの分析における28.0°≦2θ<28.2°の最高値をP1、28.2°≦2θ≦28.6°の最高値をP2としたとき、1.00≦P2/P1≦1.10であるリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる粒子が、珪素の微粒子が珪素系化合物に分散した複合構造を有する粒子、一般式SiOx(0.5≦x≦1.6)で表される酸化珪素粒子、又はこれらの混合物である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記珪素を含むリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる粒子表面が炭素被膜で被覆されている請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 炭素被膜で被覆されている被覆粒子に対する炭素含有量が、0.5〜40質量%である請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- レーザー回折式粒度分布測定装置で測定した体積基準分布における累積50%径(D50)が0.1〜30μmである請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用負極を含むリチウムイオン二次電池。
- SiOx(0.5≦x≦1.6)を製造後、このSiOxを粗粉砕して大きさ0.5mm以上のものを採取し、0.5mm未満の粉砕物を除去し、次いで上記0.5mm以上の大きさのSiOxを体積基準分布における累積50%径0.1〜30μmに微粉砕する工程を含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
- 請求項8で得られた体積基準分布における累積50%径0.1〜30μmに微粉砕されたSiOx(0.5≦x≦1.6)に対し、熱分解して炭素を生成し得る有機物ガス及び/又は蒸気雰囲気中、800〜1,200℃の温度範囲で炭素を化学蒸着し、炭素被膜を形成する工程を含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
- 熱分解して炭素を生成し得る有機物ガスの原料が、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン、ペンタン、イソブタン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロルベンゼン、インデン、クマロン、ピリジン、アントラセン、フェナントレン、タール蒸留工程で得られるガス軽油、クレオソート油、アントラセン油及びナフサ分解タール油等の中から選択される1種以上である請求項9に記載のリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
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