JP2015228290A

JP2015228290A - 電極材料の製造方法

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Publication number: JP2015228290A
Application number: JP2014112600A
Authority: JP
Inventors: 澤井　岳彦; Takehiko Sawai; 岳彦澤井; 慎治齊藤; Shinji Saito; 和憲浦尾; Kazunori Urao; 潤中川; Jun Nakagawa; 一真花井; Kazuma Hanai
Original assignee: SEI KK
Current assignee: SEI KK
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: EP3151319A4; CN106550614A; JP5971279B2; KR20180020857A; CA2948451A1; EP3151319A1; CN106550614B; WO2015182794A1; WO2015182794A8; US20170084920A1; EP3151319B1; US20170324089A9; ES2756276T3; KR102266117B1; DK3151319T3

Abstract

【課題】高エネルギー密度と高出力を達成でき、また、それを永年に渡って持続可能な長寿命なリチウム電池用の電極材料およびその製造法、並びにリチウム電池を提供する。
【解決手段】リチウム電池の正および負電極に使用される、炭素系導電材と電極活物質とが複合化された電極材料であり、この電極材料における、炭素系導電材はフッ素ガスを含むガスを用いて親水化処理された炭素系導電材であり、上記複合化はフッ素樹脂存在下において、上記親水化処理された炭素系導電材および上記電極活物質の混合物を焼成する。
【選択図】図４

Description

本発明はリチウム電池の電極材料およびその製造方法、ならびにリチウム電池に関する。

リチウムイオンの吸蔵、放出が可能な電極材料を用いて正極・負極を形成したリチウム電池は、高エネルギー密度と高出力（大電流充放電）、そしてその繰返しによる前述の特性を長年に渡っての維持（長寿命化）、ならびに高い安全性が大きな課題となっている。
これらの課題に対して、（１）正・負電極材料自身の改良（特許文献１、２）、（２）集電箔の改良（特許文献３）、（３）セパレータの改良（特許文献４）など色々な解決策が提案されてきた。

正、負電極活物質粒子自身の高容量化や粒子自体の小粒径化や表面改質等により粒子比表面積の増加や電極設計による電極面積の増加等を図ることでリチウム電池の高エネルギー密度化や高出力化がなされてきた。しかし電極材料の特性改善が進んだものの、上記高安全性や長寿命対策に対しては不十分であった。また、高エネルギー密度化に対しての研究開発は活発で、正極ではＮｉリッチＬｉ（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ）Ｏ₂正電極材料の充電高電圧化や理論上容量密度の高いイオウ化合物の検討、負極では半導体特性を有する合金系負電極やその酸化物系の検討等、また新たなリチウム電池系材料として空気金属リチウム電池なるものも提案されている。
さらに新材料系としてＬｉ（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ）Ｏ₂とＬｉＦｅＰＯ₄との正極混合系の電池が公表されている（非特許文献１）。
また、カーボンブラックの表面改質法として、フッ素分圧が２６６.６〜３９９９Ｐａ、酸素分圧が６６６５Ｐａ以上のガス雰囲気下でカーボンブラックを０〜５０℃の温度で酸化処理する表面改質法が知られている（特許文献５）。

特許第３８６７０３０号公報特許第５１１８８７７号公報ＷＯ２０１１／０４９１５３ＷＯ２０１３／１２８６５２特開平９−４０８８１号公報

（社）電気化学会電池技術委員会、第５３回電池討論会要旨集（４０頁、２０１２年１１月）

しかしながら、これらの改善もリチウム電池の電池使用初期のエネルギー密度を高くすることは可能であるが、サイクルを進めた長年に渡っての特性維持を実現することが困難である。
また、単に正電極活物質の混合による電池の場合、初期は容量や出力低下を各正電極の性質が現れて特性改善できるが、充放電サイクルが進むと混合時の不均一さや活物質自身の抵抗の違いによって、反応が生じやすい活物質に集中してかえって特性低下を招くという問題がある。

本発明は以上のような問題に対処するためになされたもので、高エネルギー密度と高出力を達成でき、また、それを永年に渡って持続可能な長寿命なリチウム電池用の電極材料およびその製造法、ならびにリチウム電池の提供を目的とする。

本発明の電極材料は、リチウム電池の正および負電極に使用される、炭素系導電材と電極活物質とが複合化された電極材料である。この電極材料における、炭素系導電材はフッ素ガスを含むガスを用いて親水化処理された炭素系導電材であり、上記複合化はフッ素樹脂存在下において、上記親水化処理された炭素系導電材および上記電極活物質の混合物を焼成することを特徴とする。

上記正電極に使用される電極活物質は、フッ素樹脂および金属酸化物存在下において、上記フッ素樹脂が溶融する温度以上、上記電極活物質が熱分解しない温度以下で焼成された電極活物質であることを特徴とする。また、上記正電極に使用される電極活物質の複合化は、上記フッ素樹脂が溶融する温度以上、上記電極活物質が熱分解しない温度以下で焼成することを特徴とする。

本発明の電極材料の製造方法は、上記炭素系導電材を、フッ素ガスを含むガスに接触させて親水化処理する工程と、未処理電極活物質と、上記親水化処理された炭素系導電材とフッ素樹脂とを混合する混合工程と、上記混合された混合物を焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする。

本発明のリチウム電池は、正電極と負電極との間にセパレータを介して、捲回または積層してなる電極群に有機電解液を浸透または浸漬させてリチウムイオンの吸蔵・放出を繰返し行なうリチウム電池であって、上記正電極および上記負電極を構成する電極材料が本発明の電極材料であることを特徴とする。

本発明の電極材料は、放電時も充電時も、直流抵抗を低くすることができ、このことにより電池の高エネルギー密度がサイクル後も維持できる。

親水化処理の図である。正電極活物質の表面処理工程を示す図である。正電極材料の複合化について示す図である。正電極材料の他の複合化について示す図である。

各種導電材と正電極に使用される電極活物質である鉄リン酸リチウムとを焼成法にて複合結合化させる技術は発明者等により開示されている（特許文献２）。しかし、層状型金属リチウム酸化物やスピネル型金属リチウム酸化物は、５００℃程度の温度で上記リチウム酸化物が分解して酸素を放出すること、また焼成結合時に導電材の炭素原子の開裂を生じる７００℃近傍まで焼成温度を上げるとその炭素と前述の酸素とが結合して二酸化炭素となってしまうために、上記リチウム酸化物を含む正電極材料と炭素系導電材との焼成による複合化は極めて困難であった。しかしながら、あらかじめ親水化処理を施した炭素系導電材を使用して、フッ素樹脂存在下に特定の条件で焼成することにより複合結合化させることができた。本発明はこのような知見に基づくものである。

本発明に使用できる炭素系導電材は、導電性カーボン粉体および導電性カーボン繊維から選ばれた少なくとも１つの導電材であることが好ましい。導電性カーボン粉体として、具体的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、および黒鉛結晶を含む粉体から選ばれた少なくとも１つであることが好ましい。
カーボン繊維としては、導電性を有するカーボン繊維である。例えば、カーボン繊維、グラファイト繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノファイバーおよびカーボンナノチューブのうちの少なくとも１種類を含有することが好ましい。カーボン繊維の繊維径としては５ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍであることがより好ましい。また、繊維長が１００ｎｍ〜５０μｍであることが好ましく、１μｍ〜３０μｍであることがより好ましい。

また、導電性カーボン粉体および導電性カーボン繊維を併用してもよく、併合する場合の配合割合としては、質量比で［導電性カーボン粉体／導電性カーボン繊維＝（２〜８）／（１〜３）］であることが好ましい。
また、電極材料全体に対して、炭素系導電材は１〜１２質量％、好ましくは４〜８質量％配合することができる。

炭素系導電材は、電極活物質と複合化する前に親水化処理を行なう。炭素系導電材は本来疎水性であり水へ分散しない。機械的に水と混合しても数分で炭素系導電材の層と水層に分離してしまう。親水化処理により、炭素系導電材の層と水層に分離することなく、炭素系導電材が水に分散するようになる。すなわち、親水化処理とは、本来疎水性である炭素系導電材の水への分散性を改善する処理をいう。親水化処理により、炭素系導電材の表面に−ＣＯＯＨ基、＞ＣＯ基、−ＯＨ基などの親水基の形成がなされるためと考えられる。

親水化処理の図を図１に示す。図１（ａ）は導電性カーボン粉体の例であり、図１（ｂ）は導電性カーボン繊維の例である。
親水化処理は、炭素系導電材である導電性カーボン粉体１または導電性カーボン繊維３を、フッ素ガスを含むガス、好ましくは、フッ素ガスおよび酸素ガスを含むガスと接触させることにより、表面に−ＣＯＯＨ基、＞ＣＯ基、−ＯＨ基などの親水基が形成された導電性カーボン粉体２または導電性カーボン繊維４となる。
フッ素ガスを含むガスによる親水化処理は、フッ素原子が炭素系導電材の表面に実質的に残存しない範囲で行なうことが好ましく、フッ素ガスと酸素ガスとの混合比率、処理条件等を調整することで、親水基の形成がなされる。たとえば、親水化処理温度は５０℃以下の常温で、処理圧力は常圧で行なうことが好ましい。また、酸素ガスと共存させる場合、フッ素ガスの体積比率の上限は（フッ素ガスの体積／（フッ素ガスの体積）＋（酸素ガスの体積））が０．０１であることが好ましい。フッ素原子が炭素系導電材の表面に多量に存在すると親水性ではなく撥水性となる。

本発明に使用できる正電極活物質としては、コバルト、ニッケル、マンガン層状型またはマンガンや一部がニッケルに置換されたスピネル構造のリチウム含有金属酸化物やその固溶体、またオリビン構造のリチウム含有金属リン酸化合物、同リチウム含有コバルトあるいはマンガンのリン酸化物やリチウム含有金属珪酸化物およびそれらのフッ化物、さらには硫黄等のリチウム含有化合物等が挙げられる。

層状型リチウム含有金属酸化物としては、α層状型リチウム含有金属酸化物が好ましく、たとえばＬｉ（Ｎｉ_α／Ｍｎ_β／Ｃｏ_γ）Ｏ_２（α＋β＋γ＝１）が挙げられる。
スピネル構造のリチウム含有金属酸化物としては、スピネル型ＬｉＮｉ_δＭｎ_εＯ_４（δ＋ε＝２）が挙げられる。
オリビン構造のリチウム含有金属リン酸化合物としては、オリビン型Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）、Ｌｉ_２（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４Ｆ（ζ＋η＋θ＝１）が挙げられる。
リチウム含有金属珪酸化物としては、Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＳｉＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）が挙げられる。
フッ化物としてはＬｉ_２ＦｅＰＯ₄・Ｆ等がある。リチウム含有化合物としては、ＬｉＴｉ_２（ＰＯ_４）_３、ＬｉＦｅＯ_２などが挙げられる。

本発明に使用できる正電極活物質は、上記化合物の中で、α層状型Ｌｉ（Ｎｉ_α／Ｍｎ_β／Ｃｏ_γ）Ｏ_２（α＋β＋γ＝１）およびスピネル型ＬｉＮｉ_δＭｎ_εＯ_４（δ＋ε＝２）から選ばれる少なくとも１つのリチウム化合物である第一のリチウム化合物と、オリビン型Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）、Ｌｉ_２（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４Ｆ（ζ＋η＋θ＝１）、および、Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＳｉＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）から選ばれる少なくとも１つのリチウム化合物である第二のリチウム化合物との混合物であることが好ましい。フッ素樹脂および金属酸化物存在下において、フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、正電極活物質が熱分解しない温度以下で焼成することにより表面処理または炭素系導電材との複合化が容易にできるためである。

正電極活物質の表面処理工程を図２に示す。
正電極活物質５は、フッ素樹脂および金属酸化物存在下において、フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、電極活物質５が熱分解しない温度以下、たとえば３５０〜３８０℃の温度で焼成することにより、上記フッ素樹脂および金属酸化物が電極活物質５表面で反応して、金属のフッ化物およびフッ化炭素（（ＣＦ_ｘ）_ｎ）からなる表面層６が形成されて、フッ化炭素の存在により表面導電性の電極活物質７が得られる。また、未処理電極活物質５の表面結晶格子サイトに表面層６が存在することで、未処理電極活物質５に含まれるＭｎ系材料の抵抗低減を図ることができる。表面層６は、たとえばフッ化アルミニウム層、フッ化リチウム酸素層、およびフッ化炭素層として電極活物質５の表面を被覆する状態で析出する。

フッ素樹脂と併用される金属酸化物または該金属酸化物生成化合物としては、周期律表第３族から第６族元素およびその酸化物や水酸化物が挙げられる。好ましい金属としては、アルミニウム、モリブデン、チタン、ジルコニウムである。これらの中でより好ましい金属としてはアルミニウムであり、好ましい金属酸化物としてはＡｌ_２Ｏ_３で表される酸化アルミニウムである。

本発明で使用できるフッ素樹脂は、正電極活物質が熱分解しない温度以下で、熱分解を開始するフッ素樹脂である。上記正電極活物質が熱分解する温度は３５０〜３８０℃であるので、これらの温度以下で溶融し熱分解を開始するフッ素樹脂である。ここで、融点は示差熱分析曲線（昇温速度５℃／分）において最大吸熱ピークを示す温度であり、熱分解開始温度は、熱天秤における質量減少曲線（空気中、昇温速度５℃／分）において質量減少率５％を示す温度である。

３５０〜３８０℃で熱分解開始するフッ素樹脂の具体例としては、ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ：融点１７２〜１７７℃、熱分解開始温度３５０℃）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体樹脂（ＥＴＦＥ：融点２７０℃、熱分解開始温度３５０〜３６０℃）、ポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ：融点約２００℃、熱分解開始温度約３５０℃）等が挙げられる。また、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ：融点２５５〜２６５℃、熱分解開始温度約４００℃）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ：融点３００〜３１０℃、熱分解開始温度約４１０℃）等は、上記３５０〜３８０℃で熱分解開始するフッ素樹脂と併用できる。
これらの中で溶融範囲が広く、溶融分解して酸化アルミニウムと反応しやすいポリフッ化ビニリデン樹脂が好ましい。

正電極材料の複合化について図３および図４に示す。
図３に示す複合化は、親水化処理された炭素系導電材２および４と、未処理電極活物質５の表面に表面層６が形成されている電極活物質７との混合物をフッ素樹脂存在下において、フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、電極活物質５が熱分解しない温度以下で焼成して複合化する例である。ここでフッ素樹脂は上記フッ素樹脂類を使用できる。未処理電極活物質５が分解を開始する温度以下で焼成することにより、ポリフッ化ビニリデン樹脂の分子構造中に含まれているフッ素原子の一部は酸化アルミニウム分子中のアルミニウム原子と反応してフッ化アルミニウムになるとともに、フッ素原子の他の一部はフッ化炭素層６ａとなり表面層６に導電性を付与し、炭素系導電材２および４と複合化される。

図４に示す複合化は、未処理電極活物質５の表面処理と複合化とを同時に行なう場合の例であり、親水化処理された炭素系導電材２および４と、未処理電極活物質５との混合物をフッ素樹脂および金属酸化物または該金属酸化物生成化合物存在下において、フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、電極活物質５が熱分解しない温度以下で焼成して複合化する例である。ここでフッ素樹脂は上記フッ素樹脂類を使用できる。

正電極材料の複合化は、親水化処理された炭素系導電材、電極活物質等の原材料をフッ素樹脂の水溶媒または有機溶媒のエマルジョン中にて混合して、この混合物を乾燥後焼成するか、あるいは各種原材料の混合および複合化を紛体状で混合して焼成するドライプロセスのいずれかを採用できる。ドライプロセスは未処理電極活物質５の表面処理と複合化とを同時に行なうことができる。

本発明に使用できる負電極活物質は、黒鉛、表面に非晶質炭素材層またはグラフェン構造炭素材層が存在してなる黒鉛、ＳｉＯ_xまたはＳｎＯ_xが添加された黒鉛、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２等のチタン酸リチウム化合物である。ここで、グラフェン構造炭素材層とはｓｐ²結合炭素原子の平面６員環構造一層をいい、非晶質炭素材層とはこの６員環構造が３次元的に構成されたものをいう。

上記原料の負電極活物質と親水化処理された炭素系導電材との混合物を、フッ素樹脂存在下において焼成することにより、複合化された負電極活物質が得られる。フッ素樹脂および親水化処理された炭素系導電材は、正電極活物質の複合化に使用した材料を使用できる。焼成温度としては、６００℃以上、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１１００〜１３００℃の範囲である。特に高結晶黒鉛面に存在する炭素原子は、非晶質炭素原子と異なり、結合が開裂して化学的に結合するためには１０００℃以上の焼成温度が必要となる。

負電極材料の複合化は、正電極と同様に、親水化処理された炭素系導電材、電極活物質等の原材料をフッ素樹脂の水溶媒または有機溶媒のエマルジョン中にて混合して、この混合物を乾燥後焼成するか、あるいは各種原材料の混合および複合化を紛体状で混合して焼成するドライプロセスのいずれかを採用できる。

上記本発明の電極材料の製造方法について説明する。
電極材料の製造方法は、（１）炭素系導電材を、フッ素ガスを含むガスに接触させて親水化処理する工程と、（２）未処理電極活物質と、親水化処理された炭素系導電材と、フッ素樹脂とを混合する混合工程と、（３）混合された混合物を焼成する焼成工程とを備える。

（１）炭素系導電材を、フッ素ガスを含むガスに接触させて親水化処理する工程
反応容器に炭素系導電材を投入して、該容器内の雰囲気をフッ素ガスを含むガスに置換して室温で数分間放置することにより、炭素系導電材の親水化ができる。親水化されていることは、接触角の測定により判断できるが、簡易的には純水と混合後放置して、炭素系導電材の層と水層に分離することなく、炭素系導電材が水に分散することにより確認できる。

（２）電極活物質と、親水化処理された炭素系導電材と、フッ素樹脂とを混合する混合工程
電極活物質は、未処理の電極活物質と、この未処理電極活物質を前述の方法で表面処理した後の電極活物質との両者を含む。この両者は次工程の焼成工程が異なる。
混合方法は、電極活物質、炭素系導電材等を水または有機溶媒に分散させて混合後、乾燥させる湿式混合方法、ロータリーキルン、ボールミル、ニーダーなどの混合装置を用いる乾式混合方法のいずれも採用できる。

（３）混合された混合物を焼成する焼成工程
焼成工程は混合物を複合化する工程である。焼成することで混合されているフッ素樹脂が導電性のフッ化炭素になり電極活物質の表面に生成するとともに親水化処理された炭素系導電材と密に接触することにより複合化される。
正電極に使用される電極材料の場合、表面に金属のフッ化物およびフッ化炭素が形成された電極活物質ではフッ素樹脂存在下に焼成する。一方、未処理電極活物質の場合は、フッ素樹脂および金属酸化物の混合物存在下に焼成する。焼成温度はフッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、電極活物質が熱分解しない温度以下である。
負電極に使用される電極材料の場合、上述したように、６００℃以上、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１１００〜１３００℃の範囲である。

焼成工程は、必要に応じて焼成後の電極材料を粉砕する粉砕工程を伴う。粉砕は、電極材料の最密充填ができる粒子径、および電極活物質としての電池特性を考慮して行なう。たとえば上記鉄リン酸リチウム正電極粉体は、粉体粒子の直径が５０ｎｍよりも小さくなるとオリビン型結晶中にアモルファス相が生成し、リチウム電池の極度な容量低下を生じることが認められている。このため、鉄リン酸リチウム正電極粉体の場合、粉砕は５０ｎｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは７０ｎｍ以上、１００ｎｍ未満である。層状型リチウム化合物の場合、粉体粒子の直径は３〜１５μｍであることが好ましい。
また、負電極材の場合、正電極材料同様に微細化するとリチウム電池の容量以下を引き起こすことが認められている。また、市販や量産検討されている負電極材料粒子の最小直径は約４μｍであることから、約４μｍ以上に粉砕することが好ましい。より好ましくは７μｍ以上、２０μｍ未満である。

上記電極材料と、結着剤と、必要に応じて上記導電材とを分散溶媒を用いて混合してペーストを作製し集電箔表面に塗布・乾燥することで活物質合剤層が形成されて、電極が得られる。このようにして得られた正電極と負電極との間にセパレータを介して、捲回または積層してなる電極群に有機電解液を浸透または浸漬させてリチウムイオンの吸蔵・放出を繰返し行なうリチウム電池となる。

集電箔としては、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、ステンレス、チタンなどの金属箔などが挙げられる。集電箔はパンチングや突起状の穴あけ加工等を施してもよい。また、金属箔の表面に導電性カーボン被覆層を有することが好ましい。

穴あけ加工等を施した集電箔における突起状の孔の箔断面形状は、多角錐、円柱状、円錐状等また、これら形状の組み合わせなどいずれの形状でも使用可能である。加工速度や加工治具の加工ショットライフ、さらには突出孔先端部の加工後の箔の切り粉や剥離粉の発生を抑えることから、円錐状がより好ましい。また、この突出孔は、集電箔を突き破って形成される貫通孔であることが集電効果を向上させるので好ましい。集電箔を突き破って形成される貫通孔は、集電箔にパンチング加工で形成される貫通孔またはエンボス加工で形成される凹凸に比較して、リチウム二次電池としたときの大電流充放電に優れ、サイクル時の内部短絡等の耐久性に優れる。

結着剤としては、電池内の雰囲気下、物理的、化学的に安定な材料であって、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。またアクリル系樹脂材料、さらにはスチレン・ブタジエン系材料等を用いることができる。

セパレータとしては、正電極および負電極を電気的に絶縁して電解液を保持するものである。上記セパレータは合成樹脂製フィルムや繊維または無機繊維製などを挙げることができ、その具体例としては、ポリエチレンやポリプロピレンフィルムやこれらの樹脂製の織布や不織布、またガラス繊維やセルロース繊維製のものなどを挙げることができる。

電極群が浸漬される電解液としては、リチウム塩を含む非水電解液またはイオン伝導ポリマーなどを用いることが好ましい。
リチウム塩を含む非水電解液における非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等が挙げられる。
また、上記非水溶媒に溶解できるリチウム塩としては、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）、ホウ四フッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＳＯ₃ＣＦ₄）、リチウムビスフルオロスルホニルイミド（ＬｉＳＦＩ）等が挙げられる。

本発明のリチウム電池は、車載用のリチウム電池、リチウムイオンキャパシタやその他非水系の発電素子すべてに応用できる。
車載用のリチウム電池は、形状として円筒形、角形、ラミネートタイプと様々な形状に適用できる。また車そのものの仕様や、スターター用、ＩＳＳ用、ＨＥＶ用、ＰＨＥＶ用、ＥＶ用等車載用として異なる用途に適用できる。

実施例１
リチウム電池用の正電極活物質として、Ｌｉ（Ｎｉ_1/3／Ｍｎ_1/3／Ｃｏ_1/3）Ｏ_２化合物を準備した。この化合物は平均粒子径が５〜８μｍの粒子であった。つぎに導電材としてアセチレンブラックと直径１５ｎｍ、長さ２μｍのカーボンナノチューブとを準備し、ステンレス製反応容器にアセチレンブラックを６０質量部、カーボンナノチューブを４０質量部の割合で所定量投入して反応容器内を真空状態にし、常温下で酸素ガスを９９．９５体積％およびフッ素ガスを０．０５体積％予め混合したガスを真空下の反応容器内に導入して数分間放置し、反応容器内を真空に排気した。なお排気ガスはアルミナ反応管に通してフッ化水素ガスの大気への放出を防止した。次いで反応容器内にアルゴンガスを導入した後、反応容器を開けて粉体を取り出す。導電材粉体が親水化されたことを確認するために水に分散させて分離沈降しないことを確認した。なお、この親水化処理は各導電材を別々に行なうことができる。
次ぎに正電極活物質と親水化炭素導電材とを複合結合化させた。正電極活物質粉体を９５質量部と、上記親水性導電材を５質量部と、Ａｌ_２Ｏ_３粉体を１質量部と、ポリフッ化ビニリデン粉体を３質量部とをロータリーキルン法で個体混合し、混合された紛体を３７０℃にて焼成し複合化させ、粉砕を行なって平均粒子径１０μｍ程度の導電材付ＡｌＦ_３およびフッ化炭素被覆の正電極材料を得た。

上記方法で得られた正電極材料と、結着剤として６質量部のポリフッ化ビニリデンを添加した。これに分散溶媒として、Ｎ−メチルピロリドンを添加し、混練して、正極合剤（正極スラリー）を作製した。このスラリーを１５μｍのアルミニウム箔に塗工してアルミニウム箔を含む厚さ１６０μｍの正電極を作製した。

一方、上記正極に対向させる負極としては非晶質炭素材が被覆された天然黒鉛および非晶質炭素材被覆された人造黒鉛と親水化カーボンナノチューブとをそれぞれ９９質量部と１質量部の割合で混合し、ポリフッ化ビニリデン粉体を用いて７００℃の温度にて焼成複合化させた。当該複合負電極材料９８質量部と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液にバインダーとしてスチレン・ブタジエン系材料（ＳＢＲ）溶液固形分質量比で２質量部を混合してスラリーを作製した。このスラリーを１０μｍの銅箔上に塗布して銅箔を含む厚さ１００μｍの負電極を作製した。

上記正電極および負電極を所定寸法に裁断し、正電極５枚と負電極６枚を用いて正・負電極間には不織布セパレータを介在させて積層し、電極群を作製した。
端子を溶接してからラミネートフィルムで電極群を包みラミネート形電池を作製した。電解液にはエチレンカーボネート（ＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）溶媒を混合した溶液中に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／ｌとビニレンカーボネート１質量％溶解したものを用いた。正・負電極のセパレータには、セルロース繊維製の厚さ２０μｍの不織布を用いた。電解液を注液後、ラミネートフィルムを溶着して密閉し、初充電をして３．７Ｖ−７００ｍＡｈリチウム電池を作製した。

実施例２
未処理正電極活物質粉体を９５質量部と、Ａｌ_２Ｏ_３粉体を１質量部と、ポリフッ化ビニリデン粉体を３質量部とをロータリーキルン法で個体混合し、混合された紛体を３７０℃にて焼成して、粉砕を行なって平均粒子径１０μｍ程度の導電材付ＡｌＦ_３およびフッ化炭素被覆の正電極材料を得た。
この正電極材料と、親水化炭素導電材とを複合結合化させた。正電極活物質粉体を９５質量部と、上記親水性導電材を５質量部と、ポリフッ化ビニリデン粉体を３質量部とをロータリーキルン法で個体混合し、混合された紛体を３７０℃にて焼成し複合化させ、粉砕を行なって平均粒子径１０μｍ程度の導電材付ＡｌＦ_３およびフッ化炭素被覆の正電極材料を得た。この正電極材料を用いて、実施例１と同一の方法で正電極を得て、実施例１で用いた負電極を組み合わせて、実施例１と同一方法にて３．７Ｖ−７００ｍＡｈリチウム電池を作製した。

実施例３
実施例２において、正電極活物質粉体を９５質量部と、上記親水性導電材を５質量部とを、ポリフッ化ビニリデン粉体の水エマルジョン溶液（ポリフッ化ビニリデン含有量３質量％）に分散させた。混合紛体を回収して１００℃で乾燥した後、混合された紛体を３７０℃にて焼成し複合化させ、粉砕を行なって平均粒子径１０μｍ程度の導電材付ＡｌＦ_３およびフッ化炭素被覆の正電極材料を得た。

比較例１
実施例１で用いた正電極および負電極、および親水化処理した導電材料を複合化処理することなく用いた以外は、実施例１と同一方法にて３．７Ｖ−７００ｍＡｈリチウム電池を作製した。

得られた実施例１および比較例１の電池を用いて、充電状態ＳＯＣを５０％となるように調整後、異なる放電電流を流した際の開路電圧からの電圧降下をプロットした放電Ｉ−Ｖ特性と、逆に異なる充電電流を流した際の開路電圧からの電圧上昇をプロットした充電Ｉ−Ｖ特性から最小二乗法にて算出した各電池の放電と充電の直流抵抗（ＤＣＲ）を比較した。測定した結果を表１に示す。

続いて同電池を用いて、放電条件が５ＩｔＡ定電流放電３．０Ｖ終止電圧カット、充電条件が４．２Ｖ定電圧（５ＩｔＡ定電流制限）、０．０５ＩｔＡ検出時充電終了の繰り返しで１０００サイクル後、３０００サイクル後、５０００サイクル後の初期容量に対する容量維持率を算出して表２にまとめた。

表１の結果から、実施例１、２および３の電池は比較例１に比して放電時も充電時も、直流抵抗が低いことが分かる。これは、導電材との複合結合化が困難であったＬｉ（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ）Ｏ_２正電極材料でも炭素原子同士やＡｌＦ_３、さらには（ＣＦ_ｘ）_n等の導電性フッ素化合物の生成結合により導電材と複合化が形成されたことによると考えられる。ただし、同様の効果は発現するものの製造方法により多少の優劣があり、特に水溶液分散のバインダーでは少し焼成昇温中の酸化の影響と考えられるが、直流抵抗は実施例１や２よりも大きくなった。一方、このことにより電池の高エネルギー密度がサイクル時に維持され、表２のサイクル寿命時も実施例１、２および３のものは、５０００サイクルを経た時点でも高エネルギー密度を維持している。ただし実施例３は直流抵抗時の試験結果同様に、少し低下がみられた。以上より、本発明の電池では充放電時の直流抵抗が低いために大電流充放電でも大きな容量を発現でき（高エネルギー密度化）、かつ充放電サイクル時の正・負電極活物質の膨張収縮、特に負電極での導電材との結合が維持されているために低抵抗が維持されたためといえる。一方、比較例１の電池では同種同量の導電材が混合されているが、充放電時の膨張収縮により、導電材と正・負電極活物質間の接触状態が変化したために接点が外れて抵抗が増大して容量維持ができなかったものと考える。

また、本発明の複合化では、Ｌｉ（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ）Ｏ_２等の層状化合物正電極活物質やスピネル型電極活物質のみならず、オリビン型正電極活物質やＬｉ（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ）Ｏ_２とこれらの混合系、さらにいずれの負電極材料にも展開でき同様の効果が得られた。一方、リチウム電池の電極材料に止まらず、本発明の複合結合法はリチウムイオンキャパシタの正電極材料や負電極活性炭と各種導電材料との複合化にも適用できる。

本発明のリチウム電池用の電極材料は、高出力、高エネルギー密度で、かつ充放電の繰り返しにも長期に渡ってその効果が維持され、車載等の産業用電池への展開が可能である。

１導電性カーボン粉体
２親水化処理された導電性カーボン粉体
３導電性カーボン繊維
４親水化処理された導電性カーボン繊維
５未処理正電極活物質
６表面層
７表面導電性の電極活物質

本発明の電極材料は、リチウム電池の正および負電極に使用される、炭素系導電材と電極活物質とが複合化された電極材料である。この電極材料における、炭素系導電材は導電性カーボン粉体および導電性カーボン繊維から選ばれた少なくとも１つであり、かつフッ素ガスを含むガスを用いて親水化処理された炭素系導電材であり、上記複合化はフッ素樹脂存在下において、上記親水化処理された炭素系導電材および上記電極活物質の混合物を焼成することを特徴とする。

本発明はリチウム電池の電極材料の製造方法に関する。

本発明は以上のような問題に対処するためになされたもので、高エネルギー密度と高出力を達成でき、また、それを永年に渡って持続可能な長寿命なリチウム電池用の電極材料の製造方法の提供を目的とする。

本発明の電極材料の製造方法は、リチウム電池の正および負電極に使用される、炭素系導電材と電極活物質とが複合化された電極材料の製造方法であって、
導電性カーボン粉体および導電性カーボン繊維から選ばれた少なくとも１つの上記炭素系導電材を、フッ素ガスを含むガスに接触させて親水化処理する工程と、未処理電極活物質と、上記親水化処理された炭素系導電材とフッ素樹脂とを混合する混合工程と、上記混合された混合物を焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする。

本発明のリチウム電池の製造方法において、上記混合工程は、上記親水化処理された炭素系導電材と、上記未処理正電極活物質と、上記フッ素樹脂と、金属酸化物または該金属酸化物生成化合物との混合物を混合する混合工程であり、上記焼成工程は、上記フッ素樹脂が溶融する温度以上、上記未処理正電極活物質が熱分解しない温度以下で、上記混合された混合物を焼成する焼成工程であることを特徴とする。また、上記混合工程が水または有機溶媒存在下になされ、上記焼成工程が上記混合物を乾燥後焼成することを特徴とする。また、上記混合工程および上記焼成工程が無溶媒でなされることを特徴とする。

本発明の製造方法により得られる電極材料は、放電時も充電時も、直流抵抗を低くすることができ、このことにより電池の高エネルギー密度がサイクル後も維持できる。

本発明の製造方法により得られる電極材料を用いたリチウム電池は、車載用のリチウム電池、リチウムイオンキャパシタやその他非水系の発電素子すべてに応用できる。
車載用のリチウム電池は、形状として円筒形、角形、ラミネートタイプと様々な形状に適用できる。また車そのものの仕様や、スターター用、ＩＳＳ用、ＨＥＶ用、ＰＨＥＶ用、ＥＶ用等車載用として異なる用途に適用できる。

表１の結果から、実施例１、２および３の電池は比較例１に比して放電時も充電時も、直流抵抗が低いことが分かる。これは、導電材との複合結合化が困難であったＬｉ（Ｎｉ／Ｍｎ／Ｃｏ）Ｏ_２正電極材料でも炭素原子同士やＡｌＦ_３、さらには（ＣＦ_ｘ）_n等の導電性フッ素化合物の生成結合により導電材と複合化が形成されたことによると考えられる。ただし、同様の効果は発現するものの製造方法により多少の優劣があり、特に水溶液分散のバインダーでは少し焼成昇温中の酸化の影響と考えられるが、直流抵抗は実施例１や２よりも大きくなった。一方、このことにより電池の高エネルギー密度がサイクル時に維持され、表２のサイクル寿命時も実施例１、２および３のものは、５０００サイクルを経た時点でも高エネルギー密度を維持している。ただし実施例３は直流抵抗時の試験結果同様に、少し低下がみられた。以上より、本発明の製造方法により得られる電極材料を用いた電池では充放電時の直流抵抗が低いために大電流充放電でも大きな容量を発現でき（高エネルギー密度化）、かつ充放電サイクル時の正・負電極活物質の膨張収縮、特に負電極での導電材との結合が維持されているために低抵抗が維持されたためといえる。一方、比較例１の電池では同種同量の導電材が混合されているが、充放電時の膨張収縮により、導電材と正・負電極活物質間の接触状態が変化したために接点が外れて抵抗が増大して容量維持ができなかったものと考える。

本発明の製造方法により得られるリチウム電池用の電極材料は、高出力、高エネルギー密度で、かつ充放電の繰り返しにも長期に渡ってその効果が維持され、車載等の産業用電池への展開が可能である。

Claims

リチウム電池の正および負電極に使用される、炭素系導電材と電極活物質とが複合化された電極材料であって、
前記炭素系導電材は、フッ素ガスを含むガスを用いて親水化処理された炭素系導電材であり、
前記複合化は、フッ素樹脂存在下において、前記親水化処理された炭素系導電材および前記電極活物質の混合物を焼成することを特徴とする電極材料。
前記正電極に使用される電極活物質は、前記フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、前記電極活物質が熱分解しない温度以下で、前記フッ素樹脂と、未処理電極活物質と、金属酸化物または該金属酸化物生成化合物との混合物が焼成された電極活物質であることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
前記正電極に使用される電極材料の複合化は、前記フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、前記電極活物質が熱分解しない温度以下で、前記親水化処理された炭素系導電材および前記焼成された電極活物質の混合物を焼成することを特徴とする請求項２記載の電極材料。
前記正電極に使用される電極材料の複合化は、前記フッ素樹脂が溶融し熱分解開始する温度以上、前記電極活物質が熱分解しない温度以下で、前記親水化処理された炭素系導電材と、前記フッ素樹脂と、未処理電極活物質と、金属酸化物または該金属酸化物生成化合物との混合物を焼成することを特徴とする請求項１記載の電極材料。
前記正電極に使用される正電極活物質は、α層状型Ｌｉ（Ｎｉ_α ／Ｍｎ_β／Ｃｏ_γ）Ｏ_２（α＋β＋γ＝１）、スピネル型ＬｉＮｉ_δＭｎ_εＯ_４（δ＋ε＝２）、オリビン型Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）、Ｌｉ_２（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４Ｆ（ζ＋η＋θ＝１）、および、Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＳｉＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）から選ばれる少なくとも１つのリチウム化合物であることを特徴とする請求項２、請求項３または請求項４記載の電極材料。
前記正電極に使用される正電極活物質は、α層状型Ｌｉ（Ｎｉ_α／Ｍｎ_β／Ｃｏ_γ）Ｏ_２（α＋β＋γ＝１）およびスピネル型ＬｉＮｉ_δＭｎ_εＯ_４（δ＋ε＝２）から選ばれる少なくとも１つのリチウム化合物である第一のリチウム化合物と、オリビン型Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）、Ｌｉ_２（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＰＯ_４Ｆ（ζ＋η＋θ＝１）、および、Ｌｉ（Ｆｅ_ζ／Ｃｏ_η／Ｍｎ_θ）ＳｉＯ_４（ζ＋η＋θ＝１）から選ばれる少なくとも１つのリチウム化合物である第二のリチウム化合物との混合物であることを特徴とする請求項５記載の電極材料。
前記負電極に使用される負電極活物質は、黒鉛、表面に非晶質炭素材層またはグラフェン構造炭素材層が存在してなる前記黒鉛、ＳｉＯ_xまたはＳｎＯ_xが添加された前記黒鉛、チタン酸リチウム化合物であることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
前記負電極に使用される電極材料の複合化は、６００℃以上の温度で焼成することを特徴とする請求項７記載の電極材料。
前記炭素系導電材は、導電性カーボン粉体および導電性カーボン繊維から選ばれた少なくとも１つの炭素系導電材であることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
前記フッ素ガスを含むガスは、フッ素ガスおよび酸素ガスを含むガスであることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
前記フッ素樹脂はポリフッ化ビニリデン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
前記金属酸化物または該金属酸化物生成化合物に含まれる金属は、アルミニウム、モリブデン、チタン、またはジルコニウムであることを特徴とする請求項２、請求項３または請求項４記載の電極材料。
リチウム電池の正および負電極に使用される、炭素系導電材と電極活物質とが複合化された請求項１記載の電極材料の製造方法であって、
前記炭素系導電材を、フッ素ガスを含むガスに接触させて親水化処理する工程と、
未処理電極活物質と、前記親水化処理された炭素系導電材と、フッ素樹脂とを混合する混合工程と、
前記混合された混合物を焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする電極材料の製造方法。
前記正電極に使用される電極材料において、前記混合工程は、前記親水化処理された炭素系導電材と、前記未処理正電極活物質と、前記フッ素樹脂と、金属酸化物または該金属酸化物生成化合物との混合物を混合する混合工程であり、前記焼成工程は、前記フッ素樹脂が溶融する温度以上、前記未処理正電極活物質が熱分解しない温度以下で、前記混合された混合物を焼成する焼成工程であることを特徴とする請求項１３記載の電極材料の製造方法。
前記混合工程が水または有機溶媒存在下になされ、前記焼成工程が前記混合物を乾燥後焼成することを特徴とする請求項１３記載の電極材料の製造方法。
前記混合工程および前記焼成工程が無溶媒でなされることを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の電極材料の製造方法。
正電極と負電極との間にセパレータを介して、捲回または積層してなる電極群に有機電解液を浸透または浸漬させてリチウムイオンの吸蔵・放出を繰返し行なうリチウム電池であって、
前記正電極および前記負電極を構成する電極材料が請求項１から請求項１２のいずれか１項記載の電極材料であることを特徴とするリチウム電池。