JPWO2020105196A1 - リチウムイオン二次電池用負極材、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スラリー、リチウムイオン二次電池用負極、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
<1>酸素含有率が0.15質量%以下の炭素粒子を含む、リチウムイオン二次電池用負極材。
<2>前記炭素粒子のR値は0.45以下である、<1>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<3>前記炭素粒子の菱面体晶量は0.20より大きい、<1>又は<2>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<4>前記炭素粒子は円形度が0.8より大きい、<1>〜<3>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。
<5>前記炭素粒子は示差熱分析において500℃〜650℃の範囲にDTA発熱ピークが検出されない、<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。
<6>前期炭素粒子の窒素ガス吸着法で測定される比表面積は、4.0m2/g以上である<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。
<7><1>〜<6>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と、有機結着剤と、溶媒とを含むリチウムイオン二次電池用負極材スラリー。
<8>集電体と、前記集電体上に形成された<1>〜<6>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負極材層と、を有するリチウムイオン二次電池用負極。
<9>正極と、電解質と、<8>に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、を有するリチウムイオン二次電池。
<10>炭素粒子の温度が400℃〜1300℃になるように加熱する工程と、前記加熱後の炭素粒子の温度が400℃未満になるまで冷却する工程とを含み、前記加熱及び冷却をそれぞれ非酸化雰囲気中で行う、リチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
<11><1>〜<6>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の製造のための、<10>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
本開示において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「層」又は「膜」との語には、当該層又は膜が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示のリチウムイオン二次電池用負極材(以下、単に負極材とも称する)は、酸素含有率が0.15質量%以下の炭素粒子を含む。
上記構成を有する負極材は、炭素粒子が非晶質炭素で被覆されていなくても、これを負極材として用いたリチウムイオン二次電池の性能(特に、保存特性)が良好に維持される。その理由は必ずしも明らかではないが、下記のように推測される。
炭素粒子の酸素含有率は、例えば、後述する負極材の製造方法に記載したように、酸素含有官能基が分解する温度で炭素粒子を加熱することで、0.15質量%以下にすることができる。炭素粒子の酸素含有率は、0.12質量%以下であることが好ましく、0.10質量%以下であることがより好ましく、0.07質量%以下であることがより好ましく、0.04質量%以下であることがさらに好ましい。
炭素粒子の体積平均粒子径は、レーザー回折粒度分布測定装置により測定することができ、体積基準の粒度分布において小径側からの積算が50%となるときの粒子径(D50)である。
炭素粒子は、R値が0.45以下であることが好ましい。R値は炭素粒子の表面の結晶性の度合いを示す指標であり、R値が小さいほど結晶性が高いことを意味する。また、球形化などの加工により炭素粒子表面にダメージを与えられるとR値が上昇する傾向にある。炭素粒子は、R値が0.42以下であることがより好ましく、0.40以下であることがより好ましく、0.32以下であることがより好ましく、0.30以下であることがさらに好ましい。
R値の下限値は特に制限されないが、電池特性のバランスの観点からは0.05以上であることが好ましく、0.10以上であることがより好ましく、0.15以上であることがより好ましく、0.20以上であることがより好ましく、0.22以上であることがさらに好ましい。高い充電性能を得たい場合には、R値は0.15以上であることが好ましい。
レーザー光の波長:532nm
波数分解能:2.56cm−1
測定範囲:1180cm−1〜1730cm−1
ピークリサーチ:バックグラウンド除去
炭素粒子が黒鉛質を含む場合には、菱面体晶量は、0.20より大きいことが好ましく、0.21以上であることがより好ましく、0.22以上であることがより好ましく、0.23以上であることがより好ましく、0.26以上であることがさらに好ましい。炭素粒子の菱面体晶量が前記範囲内である場合、急速充放電特性、高温保存特性等に優れる傾向にある。
一般的な黒鉛粒子は、菱面体晶量が大きくなる(例えば、0.33を超える)と球形化よりも粉砕が進行する傾向にあり、酸素含有量が急速に上昇すると共に高温保存特性などが急速に低下し始める。しかし、本発明者らの検討により、酸素含有率を0.15質量%以下とした炭素粒子は、高温保存特性の低下を抑制したまま入出力を向上することができることがわかった。
菱面体晶量の上限値は特に制限されないが、例えば、0.50未満であってもよく、0.45以下であってもよく、0.40以下であってもよく、0.35以下であってもよく、0.30以下であってもよい。
菱面体晶量 = P1/(P1+P2)
P1:菱面体晶構造の(101)面のピーク強度(回折角2θは43°付近)
P2:六方晶構造の(101)面のピーク強度(回折角2θは44°付近)
線源:CuKα線(波長=0.15418nm)
発散スリットDS:1°
受光スリットRS:0.3mm
散乱スリットSS:1°
炭素粒子が非晶質炭素で被覆されているか否か、又は被覆の程度は、例えば、示差熱分析(DTA)により判断することができる。炭素粒子が非晶質炭素で被覆されていると、500℃〜650℃の範囲にDTA発熱ピークが現れる傾向にある。
炭素粒子が非晶質炭素で被覆されている場合、500℃〜650℃の範囲にDTA発熱ピークを有さない程度に少ないことが好ましい。例えば、非晶質炭素の量は炭素粒子全体(コア粒子と非晶質炭素の合計)の1質量%未満であってもよい。
炭素粒子の吸油量は、例えば、25mL/100g以上であることが好ましく、30mL/100g以上であることがより好ましく、35mL/100g以上であることがより好ましく、40mL/100g以上であることがより好ましく、45mL/100g以上であることがさらに好ましい。
炭素粒子の吸油量は、炭素粒子中及び炭素粒子間の空隙の割合を示す指標である。扁平状粒子は球形化する過程で炭素粒子が折り畳まれたり造粒したりして高密度な球状粒子となり、吸油量は減衰する傾向になる。前述した通り、電極をプレスする際の粒子配向の観点からは、球形化された(すなわち、吸油量が少ない)炭素粒子が好ましいと考えられる。一方、リチウムイオンが泳動する為に必要な電解液量を確保し、充放電特性の低下を抑制する観点からは、炭素粒子の吸油量は少なすぎないことが好ましい。例えば、炭素粒子の吸油量が25mL/100g以上であると、リチウムイオンが高速で移動する為に必要な電解液量が十分存在し、高電極密度(例えば、1.7g/cm3以上)にする際でも、電池にした際に諸特性が良好に維持される傾向にある。高い容量を求めない場合又は入出力特性を重視する場合には、高電極密度にする必要がないので、これには制限されない。
炭素粒子は、タップ密度が0.70g/cm3以上であってもよく、0.75g/cm3以上であってもよく、0.80g/cm3以上であってもよく、0.85g/cm3以上であってもよく、0.90g/cm3以上であってもよい。炭素粒子のタップ密度が0.70g/cm3以上であると、電極を板状に成形するために必要なバインダーが炭素粒子の表面により多く付着して集電体界面剥離等の不具合が生じにくい傾向にある。
炭素粒子は、タップ密度が1.30g/cm3以下であってもよく、1.25g/cm3以下であってもよく、1.20g/cm3以下であってもよく、1.15g/cm3以下であってもよく、1.10g/cm3以下であってもよい。炭素粒子のタップ密度が1.30g/cm3以下であると、炭素粒子間の空隙の量が増えてプレス時の柔軟性が高くなる傾向にある。
炭素粒子の比表面積は、炭素粒子と電解液との界面の面積を示す指標である。比表面積の値が小さいほど、炭素粒子と電解液との界面の面積が大きくなりすぎず、電解液の分解反応の反応場の増加が抑制されてガス発生が抑制され、且つ、初回充放電効率が良好となる傾向にある。また、比表面積の値が大きいほど、単位面積あたりにかかる電流密度が急上昇しにくく、負荷が軽減されるため、充放電効率、充電受入性、急速充放電特性等が良好となる傾向にある。
本開示では、ガス発生の原因となる酸素含有率が0.15質量%以下であるために、比表面積を減らすことなくガスの発生量を抑制できる。
炭素粒子の比表面積は、特に制限されない。例えば、0.5m2/g以上であることが好ましく、1.0m2/g以上であることがより好ましく、2.0m2/g以上であることがより好ましく、3.0m2/g以上であることがより好ましく、4.0m2/g以上であることがさらに好ましい。
また、炭素粒子の比表面積は、20.0m2/g以下であることが好ましく、15.0m2/g以下であることがより好ましく、12.0m2/g以下であることがより好ましく、10.0m2/g以下であることがより好ましく、8.0m2/g以下であることがさらに好ましい。
炭素粒子の比表面積は、例えば、平均粒子径を調整(平均粒子径を小さくすると比表面積が大きくなる傾向にあり、平均粒子径を大きくすると比表面積が小さくなる傾向にある)により、所望の範囲とすることができる。
負極材は、酸素含有率が0.15質量%以下の炭素粒子以外の負極材を含んでもよい。例えば、Si、Sn、Ge、In等のリチウムイオンを吸蔵及び放出可能な元素を含む負極材を含んでもよい。
負極材が、酸素含有率が0.15質量%以下の炭素粒子と、これ以外の負極材とを含む場合、負極材全体の酸素含有率が0.15質量%以下であることが好ましい。
本開示のリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法は、炭素粒子の温度が400℃〜1300℃になるように加熱する工程と、前記加熱後の炭素粒子の温度が400℃未満になるまで冷却する工程とを含み、前記加熱及び冷却をそれぞれ非酸化雰囲気中で行う。
本開示のリチウムイオン二次電池用負極材スラリー(以下、負極材スラリーとも称する)は、上述した負極材と、有機結着剤と、溶媒とを含む。
本開示のリチウムイオン二次電池用負極(以下、負極とも称する)は、集電体と、集電体上に形成された上述した負極材を含む負極材層と、を有する。
負極の電極密度は、例えば、1.5g/cm3〜1.9g/cm3であってもよく、1.6g/cm3〜1.8g/cm3であってもよい。電極密度が高いほど体積容量が向上し、集電体への負極材層の密着性が向上する傾向にある。体積密度よりも電流密度を重視する用途(例えば、HEV用)の場合、前記電極密度は1.5g/cm3以下であってもよい。
本開示のリチウムイオン二次電池は、正極と、電解質と、上述した負極と、を有する。リチウムイオン二次電池は、必要に応じ、これら以外の部材を有していてもよい。リチウムイオン二次電池としては、例えば、少なくとも負極と正極とがセパレータを介して対向するように配置され、電解質を含む電解液が注入された構成とすることができる。
下記に示す原料の炭素粒子を、表1に示す加熱温度(最高温度)まで加熱し、30分維持した後に室温(25℃)まで冷却して、実施例の負極材を作製した。加熱及び冷却は、電気炉を用いて、窒素雰囲気中(酸素含有率0.005〜0.2体積%)で連続して実施した。
炭素粒子2…体積平均粒子径12.2μm、円形度0.92の球状天然黒鉛
炭素粒子3…体積平均粒子径15.8μm、円形度0.85の球状天然黒鉛
炭素粒子4…体積平均粒子径18.1μm、円形度0.88の球状天然黒鉛
炭素粒子5…体積平均粒子径21.6μm、円形度0.90の球状天然黒鉛
比較例6の負極材としては、炭素粒子1を100質量部とコールタールピッチ(軟化点90℃、残炭率(炭化率)50%)6質量部を混合し、次いで窒素流通下、20℃/時間の昇温速度で1000℃まで昇温し、1000℃(焼成処理温度)にて1時間保持して得られる非晶質炭素(3質量%)で被覆された炭素粒子(炭素粒子6)を使用した。
各負極材について、上述した方法で比表面積、吸油量、タップ密度、体積平均粒子径(D50)R値及び菱面体晶量を測定した。結果を表1に示す。
各負極材について上述した方法でDTA分析を行い、500℃〜650℃の領域にピークを有するかを調べた。その結果、非晶質炭素で被覆された炭素粒子6(比較例6)は500℃〜650℃の領域にピークが観察され、炭素粒子1〜5を用いた実施例及び比較例は500℃〜650℃の領域にピークが観察されなかった。
図1に示すような直径15mmの金型に負極材を3.0g充填し、オートグラフ(株式会社島津製作所製)を用いて定速10mm/minの速度で圧縮した。この圧縮の際に、負極材底面からプレス面までの距離を測定し、これに金型の底面積(1.767cm2)を乗じて得られる負極材の体積から加圧中の密度を算出した。オートグラフのプレスハンマはロードセルを取り付けて、所定の密度1.7g/cm3に達したときの加圧力(kN/cm2)をプレス性とした。
負極材の酸素含有率(質量%)を、赤外線吸収法により、下記に示す条件で測定した。測定装置としては、LECOジャパン合同会社の「TCH−600」を使用した。結果を表1に示す。
・アウトガスサイクル 2回
・アナリシス・ディレイ 30秒
・アナリシス・ディレイ・コンパレータ 1.0%
・分析の種類 自動分析
・炉制御モード パワー(W)
・パージ時間 15秒
・アウトガス時間 30秒
・アウトガス・クールタイム 5秒
・アウトガス低(開始)電力 5400W
・アウトガス高(終了)電力 5400W
・分析時低(開始)電力 5000W
・分析時(終了)電力 5000W
・分析昇温速度 0℃/秒
・元素 酸素
・最短積分時間 55秒
・インテグレーション・ディレイ 10秒
・コンパレーターレベル 0.50%
・ルツボ 高温用黒鉛坩堝
・試料質量 約1.0g
負極材98質量部、スチレンブタジエンゴム(BM−400B、日本ゼオン株式会社製)1質量部、及びカルボキシメチルセルロース(CMC2200、株式会社ダイセル製)1質量部に、水を加えてスラリーを調製し、このスラリーを集電体(厚さ10μmの銅箔)に塗布して負極材層を形成し、110℃で1時間大気中で乾燥した。負極材層の形成は、スラリーの単位面積当りの塗布量が10.0mg/cm2となるように行った。次いで、ロールプレスにて塗布層(負極材層)が所定の電極密度(1.70g/cm3)となる条件で一体化して、負極を作製した。
作製したリチウムイオン二次電池を、25℃に設定した恒温槽内に入れ、電流値0.1Cで電圧0V(V vs. Li/Li+)まで定電流充電し、次いで電流値が0.02Cとなるまで0Vで定電圧充電を行った。このときの容量を初回充電容量とした。
次いで、30分間休止後、電流値0.1Cで電圧1.5V(V vs. Li/Li+)まで定電流放電を行った。このときの容量を初回放電容量とした。
また、初回充電容量の値から初回放電容量の値を差し引いて不可逆容量を求め、初回充放電特性の指標とした。
なお、電流値の単位として用いた「C」とは、「電流値(A)/電池容量(Ah)」を意味する。
電極密度1.7g/cm3の初回充電前の負極材層の厚みに対する満充電時の負極材層の厚みの割合を充電膨張率とし、放電後の負極材層の厚みの割合を放電膨張率とした。
初回効率は、最初に測定された初回充電容量の値に対する初回放電容量の値の割合とした。
2サイクル目の電流値を0.2Cにて放電した放電容量に対する、3サイクル目を2.0Cにて放電した放電容量の割合(レート(2.0C/0.2C)を放電負荷特性の指標とした。その他の条件(充電電流値、カット電圧、休止時間等)は、初回充放電条件と同一とした。
初回効率を測定した後の評価用セルを、同じく25℃に設定した恒温槽内に入れ、電流値0.2Cで電圧0V(V vs. Li/Li+)まで定電流充電し、次いで電流値が0.02Cとなるまで0Vで定電圧充電を行った。次いで、30分間休止後、電流値0.2Cで電圧1.5V(V vs. Li/Li+)まで定電流放電を行った。このときの放電容量(25℃で2回目の放電容量)を測定した。
その後、電流値0.2Cで電圧0V(V vs. Li/Li+)まで定電流充電し、次いで電流値が0.02Cとなるまで0Vで定電圧充電を行い、この状態の評価用セルを60℃に設定した恒温槽に入れ、5日間保存した。
その後、評価用セルを25℃に設定した恒温槽内に入れ、60分間放置し、電流値0.2Cで電圧1.5V(V vs. Li/Li+)まで定電流放電を行った。このときの放電容量(60℃で5日間保存後、25℃で1回目の放電容量)を測定し、保存後維持率を次式から算出した。
評価用セルを25℃に設定した恒温槽内に入れ、充電:CC/CV 0.2C 0V 0.02C cut,放電:CC 0.2C 1.5V Cutの条件にて1サイクル充放電を行った。次いで、電流値0.2CでSOC 50%まで定電流充電を行った。
その後、評価用セルを25℃に設定した恒温槽内に入れ、1C、3C、5Cの条件にて定電流充電を各10秒間ずつ行い、各定電流の電圧降下(ΔV)を測定し、下式を用いて、直流抵抗(DCR)を測定し、25℃保存後のDCRとした。
評価用セルを25℃に設定した恒温槽内に入れ、充電:CC/CV 0.2C 0V 0.02C cut,放電:CC 0.2C 1.5V Cutの条件にて1サイクル充放電を行った。次いで、電流値0.2CでSOC 50%まで定電流充電を行った。
その後、評価用セルを−30℃に設定した恒温槽内に入れ、0.1C、0.3C、0.5Cの条件にて定電流充電を各10秒間ずつ行い、各定電流の電圧降下(ΔV)を測定し、下式を用いて、直流抵抗(DCR)を測定し、−30℃保存後のDCRとした。
また、原料が同じ炭素粒子である実施例5で作製した負極材と比較例2で作製した負極材のプレス性を比較すると、実施例5のプレス性の方が低圧力でプレスされ膨張率も低減されたことが確認できる。電極膨張は、プレスにより蓄えられた歪みエネルギーが膨張としてエネルギー開放すること、接着強度不足で剥離すること、活物質表面等へのLi析出成長することを示唆していることから、電極膨張が抑制できる負極は充放電特性に優れる傾向にある。
Claims (11)
- 酸素含有率が0.15質量%以下の炭素粒子を含む、リチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素粒子のR値は0.45以下である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素粒子の菱面体晶量は0.20より大きい、請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素粒子は円形度が0.8より大きい、請求項1〜請求項3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。
- 前記炭素粒子は示差熱分析において500℃〜650℃の範囲にDTA発熱ピークが検出されない、請求項1〜請求項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。
- 前期炭素粒子の窒素ガス吸着法で測定される比表面積は、4.0m2/g以上である請求項1〜請求項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。
- 請求項1〜請求項6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と、有機結着剤と、溶媒とを含むリチウムイオン二次電池用負極材スラリー。
- 集電体と、前記集電体上に形成された請求項1〜請求項6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負極材層と、を有するリチウムイオン二次電池用負極。
- 正極と、電解質と、請求項8に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、を有するリチウムイオン二次電池。
- 炭素粒子の温度が400℃〜1300℃になるように加熱する工程と、前記加熱後の炭素粒子の温度が400℃未満になるまで冷却する工程とを含み、前記加熱及び冷却をそれぞれ非酸化雰囲気中で行う、リチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
- 請求項1〜請求項6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の製造のための、請求項10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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