JP2014183043A - リチウムイオン電池用の負極材料としてのSi/C複合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si/C複合体の製造方法、マイクロサイズ又は、ナノサイズのケイ素粒子を含有する活物質を準備する段階、リグニンを準備する段階、活物質をリグニンを粉砕、または物理的に混合することによりC前駆体に接触させる段階および不活性ガス雰囲気中において少なくとも400℃の温度でリグニンを無機炭素に転化することにより活物質を炭化させる。
【選択図】なし
Description
実施例で実施した全ての炭化を、タイプNのプローブ熱電対を含むカスケード制御を使用するCarbolite GmbHの1200℃の3ゾーン管状炉(three−zone tube furnace、TFZ12/65/550/E301)を使用して実施した。
炭化後に得たSi/C粉末をその後、Retschの遊星ボールミルPM1000を使用する粉砕により更に細かく砕いた。
顕微鏡的研究を、Zeiss Ultra55走査型電子顕微鏡およびINCAクロスサイトエネルギー分散型X線スペクトロメータを使用して実施した。
実施例中に示したCおよび該当する場合にはSの含有量をLeco CS230分析器を用いて測定し、Leco TCH−600分析器をOならびに該当する場合にはNおよびHの含有量の測定に使用した。
実施例に示した粒度分布の測定を、HoribaのLA−950機器上での静的レーザー光散乱を用いて実施した。
得たSi/C複合体の比表面積の測定を、Thermo Fisher Scientific Inc.のSorptomatic1990機器を使用するBET法により実施した。
複合体中の様々な炭素修飾物(特に非晶質炭素(a−C)に加えて黒鉛(G))の比率を、Mettler TGA851熱天秤を使用する熱量分析により測定した。
以下の材料を商業的供給源から入手しまたは内製で合成し、更なる精製をすることなく直接使用した:
ケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)、
ケイ素ナノ粉末分散液(エタノール中に23重量%、D50=180nm)、
黒鉛KS6L−C(Timcal)、
カーボンナノチューブ(BaytubesC70P;Bayer Material Science)、
ポリアクリロニトリル(Sigma Aldrich)、
ジメチルスルホキシド(Acros Organics)、
ドデシル硫酸ナトリウム(SDS;Sigma Aldrich)。
1.50gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)を150mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)中に導入し、1時間にわたって超音波浴中で処理した。揮発性成分を減圧下で除去し、褐色の残渣を2つの溶融シリカボートに分け、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、4.70gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率36%)。生成物をその後、遊星ボールミル中で粉砕した:特殊鋼製の粉砕用カップおよび粉砕媒体;最初の粉砕:3個のボール(20mm)、200rpm、1時間;2回目の粉砕:12個のボール(10mm)、200rpm、1時間。
2.00gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)を200mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)中に導入し、生じた分散液を10分にわたって超音波で処理した。アルゴンを通すことによって予め溶存酸素を除いている水(200ml)を分散液に撹拌しつつ滴下した。沈殿したSi/リグニン複合体をろ過により分離し、水で数回洗浄し、減圧下において60℃で乾燥させた(3.5時間)。褐色の残渣を2つの溶融シリカボートに分け、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、3.95gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率57%)。生成物をその後、遊星ボールミル中で粉砕した:特殊鋼製の粉砕用カップおよび粉砕媒体;3個のボール(20mm)、200rpm、2時間。
4.00gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)を400mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)中に導入し、生じた分散液を10分にわたって超音波で処理した。アルゴンを通すことによって予め溶存酸素を除いている水(400ml)を分散液に撹拌しつつ滴下した。沈殿したSi/リグニン複合体をろ過により分離し、水で数回洗浄し、減圧下において60℃で乾燥させた(4.5時間)。褐色の残渣を2つの溶融シリカボートに分け、管状炉中でアルゴン下において2段階で炭化させた。
1)加熱速度2℃/分、温度300℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。段階1での炭化収率:70%。
2)加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。段階2での炭化収率:89%。
2.00gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)および3gの黒鉛(Timcal)を180mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)中に導入し、生じた分散液を15分にわたって超音波で処理した。アルゴンを通すことによって予め溶存酸素を除いている水(180ml)を分散液に撹拌しつつ滴下した。沈殿したSi/黒鉛/リグニン複合体をろ過により分離し、水で数回洗浄し、減圧下において60℃で乾燥させた(4時間)。黒褐色の残渣を溶融シリカボート中に配置し、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:最初の加熱速度2℃/分、温度300℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分;その後直ちに更に加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、6.00gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率76%)。生成物を乳鉢中において手動で細かく砕いた。
18.0gのケイ素ナノ粉末分散液(エタノール中に23重量%、D50=180nm)および400mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)を撹拌により互いに混合した。アルゴンを通すことによって予め溶存酸素を除いている水(450ml)を分散液に撹拌しつつ滴下した。沈殿したSi/リグニン複合体をろ過により分離し、水で数回洗浄し、減圧下において60℃で乾燥させた(4.5時間)。褐色の残渣を2つの溶融シリカボートに分け、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:最初の加熱速度3℃/分、温度300℃、保持時間1時間、Ar流量200ml/分;その後直ちに更に加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、5.04gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率49%)。生成物を最初に乳鉢中において手動で細かく砕き、その後遊星ボールミル中で粉砕した:特殊鋼製の粉砕用カップおよび粉砕媒体;3個のボール(20mm)、200rpm、2時間。
1.70gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)および2.60gのカーボンナノチューブを155mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)中に導入し、生じた分散液を最初にドデシル硫酸ナトリウム(SDS)のヘラの先端で混合し、その後25分にわたって超音波で処理した。アルゴンを通すことによって予め溶存酸素を除いている水(200ml)を分散液に撹拌しつつ滴下した。沈殿したSi/CNT/リグニン複合体をろ過により分離し、水で数回洗浄し、減圧下において60℃で乾燥させた(4.5時間)。黒褐色の残渣を溶融シリカボート中に配置し、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:最初の加熱速度2℃/分、温度300℃、保持時間2時間、Ar流量200m/分;その後直ちに更に加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、5.72gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率25%)。生成物をその後、遊星ボールミル中で粉砕した:酸化ジルコニウムの粉砕用カップおよび粉砕媒体);3個のボール(20mm)、300rpm、2時間。
a)
4.00gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)を400mlのリグニン溶液(7重量%、H2O/EtOH中)中に導入し、生じた分散液を15分にわたって超音波で処理した。アルゴンを通すことによって予め溶存酸素を除いている水(400ml)を分散液に撹拌しつつ滴下した。沈殿したSi/リグニン複合体をろ過により分離し、水で数回洗浄し、減圧下において60℃で乾燥させた(4.5時間)。褐色の残渣を溶融シリカボート中に配置し、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:最初の加熱速度3℃/分、温度300℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分;その後直ちに更に加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、6.33gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率51%)。生成物をその後、遊星ボールミル中で粉砕した:特殊鋼製の粉砕用カップおよび粉砕媒体;12個のボール(10mm)、200rpm、2時間。粒度分布:二峰性;D10:0.14μm、D50:0.91μm、D90:5.75μm。
4.00gのポリアクリロニトリル(PAN)を、室温で撹拌することにより60mlの水を含まないジメチルスルホキシド中に溶解した。a)で製造したSi/C複合体(6.05g)をPAN溶液中に撹拌しつつ導入し、生じた分散液を1時間にわたって超音波浴中で処理した。揮発性成分を減圧下において80〜90℃で除去した。ゴム様残渣を細かく砕き、2つの溶融シリカボートに分け、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:最初の加熱速度3℃/分、温度280℃、保持時間1.5時間、Ar流量200ml/分;その後直ちに更に加熱速度10℃/分、温度800℃、保持時間2時間、Ar流量200ml/分。冷却後、7.29gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率72%)。生成物をその後、遊星ボールミル中で粉砕した:酸化ジルコニウム製の粉砕用カップおよび粉砕媒体;3個のボール(20mm)、300rpm、2時間。
実施例4由来の1.18gの複層体材料および0.18gの導電性カーボンブラック(Timcal、Super P Li)を、12m/秒の周速度で高速混合器を用いて11.4gの1.0重量%の濃度カルボキシメチルセルロースナトリウム(Daicel、Grade1380)の水中溶液に分散させた。脱気後、分散液を、0.25mmのギャップ高さを有するフィルム延伸フレーム(Erichsen、model360)を用いて、0.030mmの厚さを有する銅箔(Schlenk Metallfolien、SE−Cu58)に塗布した。このようにして製造した電極被膜をその後80℃で60分にわたって乾燥させた。電極被膜の単位面積当たりの平均重量は2.35mg/cm2である。
電気化学的研究を、三電極配置における半電池上で実施した(ゼロ電流電位測定)。実施例8由来の電極被膜を作用電極として使用し、リチウム箔(Rockwood Lithium、厚さ0.5mm)を参照電極およびカウンター電極として使用した。100μlの電解液を含浸させた6層の不織布スタック(Freudenberg Vliesstoffe、FS2226E)をセパレーターとして機能させた。使用した電解液は、ヘキサフルオロリン酸リチウムの、2重量%のビニレンカーボネートを混合しているエチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの3:7(体積/体積)混合物中1mol溶液から成った。電池の構築をグローブボックス(<1ppm H2O、O2)中で行い、使用した全ての成分の乾燥物質中における含水量は20ppm未満であった。
2.00gのケイ素ナノ粉末(20−30nm;Nanostructured&Amorphous Materials)を激しく撹拌することにより16mlのエタノールおよび160mlの水の溶液中に導入し、超音波浴中で30分にわたって処理した。アンモニア溶液(32%、625μl)およびレゾルシノール(1.60g)を添加し、全てのレゾルシノールが溶液中に入るまで分散液を室温で30分にわたって撹拌した。ホルムアルデヒド溶液(10重量%のメタノールで安定化した水中で37重量%;2.36g)を添加し、反応混合物を最初に30℃で30分にわたって撹拌し、その後60℃で10時間にわたって加熱した。室温に冷却後、ケイ素含有粒子を遠心分離(5000rpm、30分、23℃)により分散媒から分離し、全125mlのエタノール中に再分散させ、再び遠心分離し、25mlのエタノールで4回洗浄した。減圧下(3.5×10−2mbar)において80℃で複合粒子から溶媒を除去し、得られた固体残渣を真空内で2時間にわたって乾燥させた。褐色の残渣を溶融シリカボート中に配置し、管状炉中においてアルゴン下で炭化させた:加熱速度5℃/分、温度650℃、保持時間3時間、Ar流量200ml/分。冷却後、1.78gの黒色の粉末状固体を得た(炭化収率63%)。
Claims (15)
- Si/C複合体の製造方法であって、ケイ素を含有する活物質を準備する段階、リグニンを準備する段階、活物質を、リグニンを含有するC前駆体に接触させる段階および不活性ガス雰囲気中において少なくとも400℃の温度でリグニンを無機炭素に転化することを含む、方法。
- 前記活物質が、ケイ素元素、酸化ケイ素またはケイ素−金属合金を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記活物質が、マイクロサイズのまたはナノサイズのケイ素粒子を含み、好ましくは500nm未満の平均粒径を有するナノサイズのSi粒子を含む、請求項1または請求項2に記載の方法。
- 前記活物質および前記C前駆体を、粉砕することによりまたは物理的に混合することにより接触させる、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
- 活物質とC前駆体との接触が、活物質をリグニンの分散液または溶液中に分散させ、活物質をリグニンで被覆することまたはその後の溶媒の除去により活物質をリグニン中に包埋することにより起こる、請求項1から3のいずれかに記載の方法。
- 活物質とC前駆体との接触が、化学蒸着または熱蒸着によって前記C前駆体上にケイ素粒子を堆積させることによりまたは前記ケイ素粒子上に前記C前駆体を堆積させることにより起こる、請求項3に記載の方法。
- 炭化が、400〜1400℃の目標温度に加熱し、この目標温度での少なくとも30分にわたる熱処理およびその後の冷却により起こる、請求項1から6のいずれかに記載の方法。
- 10〜90重量%のケイ素および10〜90重量%の炭素を含有しならびに1mm未満の平均径を有するSi/C複合体であって、前記炭素が少なくとも部分的にリグニンに由来する、Si/C複合体。
- 請求項1から7のいずれかに記載の方法により製造されたSi/C複合体であって、10〜90重量%のケイ素および10〜90重量%の炭素を含有しならびに1mm未満の平均径を有するSi/C複合体。
- 炭素被覆ケイ素粒子を含む、請求項8または請求項9に記載のSi/C複合体。
- ケイ素粒子が、包埋されている炭素マトリックスを含む、請求項8から10のいずれかに記載のSi/C複合体。
- 請求項8から11のいずれかに記載のSi/C複合体を含む、リチウムイオン電池用の負極材料。
- リチウムイオン電池用の負極の製造方法であって、該方法が、請求項12に記載の負極材料を処理して5〜95重量%の固形分含有量を有するインクまたはペーストを形成する段階、インクまたはペーストを集電体に2〜500μmの乾燥層の厚さで塗布する段階、集電体上のインクまたはペーストを20〜300℃の温度で乾燥させる段階を含み、インクまたはペーストの乾燥重量に基づく負極材料の割合が5〜98重量%である、方法。
- 負極材料を、黒鉛、リチウム、結合剤、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、金属粉末、分散剤、細孔形成剤およびインクまたはペーストを形成するための溶媒から成る群から選択される1種以上の成分で処理する、請求項13の記載の方法。
- 正極、負極、正極と負極との間に配置されているセパレーターとしての膜、リチウムイオンを含有する電解液を含むリチウムイオン電池であって、負極が請求項12に記載の負極材料を含む、リチウムイオン電池。
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