JP2017179473A - 金属多孔体及びその製造方法、負極材料並びにリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(A)前記無電解めっき工程において、スズ又はスズ合金をめっきする
(B)前記無電解めっき工程の後、スズ又はスズ合金をめっきし、前記除去工程に供する
(C)前記除去工程の後にスズ又はスズ合金をめっきする
本発明の金属多孔体は、少なくともニッケル及びスズを有する合金(ニッケル−スズ合金)を含む。本発明の金属多孔体は、ニッケルに加えて、電気容量の極めて大きいスズを含むため、蓄電デバイスの負極材料として用いると、集電体の軽量化に伴い、負極全重量あたりの充放電容量(すなわち、充放電容量密度又は負極としてのエネルギー密度(以下同じ))及び静電容量を大きくできる。
本発明の金属多孔体は、比表面積が大きく、細孔を有するため、充放電に伴うリチウムとの合金、脱合金化による体積変化が緩和されるため、サイクル特性が向上でき、蓄電デバイスの負極材料としての性能が向上する。
本発明の金属多孔体の製造方法は、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)に、少なくともニッケル又はニッケル合金を無電解めっきする無電解めっき工程と、無電解めっき工程の後にエポキシ樹脂を加熱処理により分解除去する除去工程とを含んでいる。このような方法において、スズ又はスズ合金は、任意の段階でめっきしてもよく、前記無電解めっき工程において、スズ又はスズ合金をめっきするか(A)、前記無電解めっき工程の後、スズ又はスズ合金をめっきし、前記除去工程を供するか(B)、前記除去工程の後にさらにスズ又はスズ合金をめっきする(C)ことにより、少なくともニッケルとスズとを有する合金を含む金属多孔体を製造する。
エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)は、例えば、エポキシ基を有する化合物(エポキシ化合物)と、硬化剤と、マクロ孔及び細孔(メソポア)を形成するためのポア形成剤とを含む混合溶液を調製後、この混合溶液中のエポキシ化合物と硬化剤とを重合させ、ポア形成剤を除去することにより得られる。具体的なエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)の調製方法は、例えば、特開2014−47421号公報の[0017]〜[0032]を参照できる。
無電解めっき工程では、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)に、少なくともニッケルを無電解めっきする。具体的な方法は、例えば、特開2014−47421号公報のめっき工程の項を参照でき、無電解めっき処理の前に、エポキシ樹脂骨格表面にめっき触媒金属粒子を担持させる。めっき触媒金属粒子を担持させる具体的な方法としては、例えば、めっき触媒金属塩又は錯体を含む溶液をエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)の細孔内に浸透させて、めっき触媒金属イオンをエポキシ樹脂骨格に吸着させ、その後、熱還元などの還元操作によりめっき触媒金属粒子を担持させる方法が挙げられる。
スズめっき工程では、公知のめっき法、例えば、乾式めっき法(例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、PVD法など)、湿式めっき法などが利用でき、通常、湿式めっき法を利用することが多い。湿式めっき法としては、例えば、無電解めっき法(例えば、還元型めっき法、置換めっき法)、電気めっき法などが例示でき、通常、電気めっき法である場合が多い。
除去工程では、例えば、無電解めっき工程の後にエポキシ樹脂を窒素ガス等の不活性雰囲気下での加熱処理により分解除去する。
本発明の製造方法では、除去工程を施してからスズ又はスズ合金をめっきした後に減圧下での加熱処理により合金化してもよい。加熱温度は、例えば、100〜500℃の広い範囲から選択でき、好ましくは150℃以上(例えば、150〜450℃)、さらに好ましくは180℃以上(例えば、180〜400℃)、特に200℃以上(例えば、210〜350℃)、通常、220℃以上(例えば、250〜350℃)であってもよい。加熱時間は、例えば、1〜12時間、好ましくは2〜10時間程度であってもよい。
本発明の負極は、集電体と、この集電体上に配置されている負極活物質層とを含み、負極活物質層は、前記金属多孔体を含む。
本発明のリチウムイオン二次電池は、前記負極を含んでいればよく、さらに正極と、非水電解質とを含んでもよい。リチウムイオン二次電池の形態は、特に限定されず、円筒型、角型(例えば、四角柱型など)、コイン型(例えば、円板型など)、シート型などの形態であってもよい。
[エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)の調製]
特開2014−47421号公報の実施例1と同様にしてエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)を調製した。すなわち、1,3−ビス(N,N−ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン(三菱ガス化学(株)製、「TETRAD−C」)2gと、4,4’−メチレン−ビス−シクロヘキシルアミン(東京化成工業(株)製、「BACM」)1.1gと、ポリエチレングリコール(PEG)(ナカライテスク(株)製、重量平均分子量300)9.6gとを10分間攪拌混合し、8分間遠心脱泡した。この混合物を内径8mmのテフロン(登録商標)チューブ内に封入し、130℃に設定した電気炉内に入れ、60分間加熱硬化させ、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)を得た。次に、テフロン(登録商標)チューブ(チューブ)内で生成したエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)をチューブごと長さ10mmだけ切り出した。切り出したチューブの一端から他端にシリンジポンプによってアセトンを12ml送液し、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)内のPEGをアセトンで溶出した。
参考例において、アセトンでPEGを溶出したエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)に、無電解めっき工程を行った。まず、0.005g/mlの酢酸パラジウムアセトン溶液を6ml送液し、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)内に酢酸パラジウムを吸着又は付着させ、再びアセトンを12ml送液して、過剰な酢酸パラジウムを除去した。酢酸パラジウムを吸着させたエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)を、重量平均分子量200のPEG20g内に浸漬し、130℃の電気炉内で30分間保持し、熱還元により、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)表面にパラジウムを担持した。この後、電気炉から前記チューブを取り出し室温まで放冷し、アセトンを12ml送液し、エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)内のPEGを除去した。
塩化ニッケル六水和物の水溶液 320g/l
コハク酸ナトリウム水溶液 320g/l
D,L−リンゴ酸水溶液 360g/l
ホスフィン酸ナトリウム水溶液 480g/l
アンモニア水(28%)
pH 8〜10。
硫酸第一スズ 0.2M
ピロリン酸カリウム 0.5M
ポリエチレングリコール(重量平均分子量4,000) 1g/l。
スズめっき処理において、前記スズめっき浴に代えて、下記組成液のニッケル−スズ合金めっき浴を用い、めっき温度50℃、電流密度0.75mA/cm2、浸漬時間14時間とする以外は、実施例1と同様にしてNi及びSn含有多孔体を得た。得られたNi及びSn含有多孔体を水洗して(減圧下、330℃で8時間加熱処理は行わず)、25℃で乾燥して、ニッケルとスズとを合金化した金属多孔体を得た。
塩化ニッケル六水和物 0.075M
塩化スズ(II)2水和物 0.175M
ピロリン酸カリウム 0.5M
グリシン 0.125M
アンモニア水(約30%水溶液) 5ml/l。
参考例のエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)に代えて、ウレタン樹脂多孔体を鋳型にしたニッケル多孔体(住友電工(株)製、「セルメット#8」)を用いる以外は、実施例2と同様にして金属多孔体を得た。
参考例のエポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)に代えて、Ni平板(ニコラ(株)製品)を用い、スズめっき処理において、電流密度0.75mA/cm2、浸漬時間1.2時間とする以外は、実施例2と同様にしてNi及びSn含有めっき層を得た。得られたNi及びSn含有めっき層を水洗して25℃で乾燥して平板電極を得た。
得られた実施例1〜2及び比較例1〜2の金属多孔体の各物性(比表面積、平均孔径、スズ含有量、合金組成、元素比)を評価した。
実施例1〜2の金属多孔体のBET比表面積を、窒素吸着BET比表面積測定装置を用いて測定した。結果を表1に示す。
実施例1〜2の金属多孔体の平均孔径を、SEM像で得られた断面のSEM像の画像処理によりランダムに抽出された10点以上の孔径の平均により算出した。実施例1〜2の金属多孔体のSEM像をそれぞれ図1〜2に示し、結果を表1に示す。
各金属多孔体中のスズ含有量(重量%)を算出した。なお、実施例1〜2、比較例1〜2のスズ含有量は、スズめっき処理前後の各重量の差分/金属多孔体の重量により算出した。結果を表1に示す。
X線回折装置(JEOL社製「RINT2500VHF」)を用い、X線(CuKα線)の出力条件を40kV、200mAとし、実施例1〜2、比較例2の金属多孔体の粉末X線回折を行った。図3〜5に各金属多孔体のX線回折(XRD)スペクトルに基づき、各金属多孔体の組成を確認した。
エネルギー分散型X線分光装置(EDS)に基づき、実施例1〜2、及び比較例2の金属多孔体の元素分析を行った。
実施例1及び比較例1で得られた金属多孔体を、水酸化カリウム水溶液(2M)に浸漬し、掃引速度5mV/sでスイープし、参照極として、銀/塩化銀電極を使用した。銀/塩化銀参照極を使用して、比静電容量(F/g)を測定した。結果を表1に示す。
実施例1及び実施例2で得られた金属多孔体1cm2を集電体である銅箔上に導電性接着剤で張り付け負極を作製した。比較例2はNi平板の表面にスズがめっきされているため、そのままNi平板のタブ部分(周縁部)を溶接して負極を作成した。
上記、負極を使用しアルゴンガス雰囲気下のグローブボックス内にて3極セルをそれぞれ作製した。対極及び参照極は金属リチウムとしセパレータにはガラスフィルターとPE多孔膜を使用した。電解液は[エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネート(体積比(前者/後者)=1/2)]の混合溶媒に、1mol/LのLiPF6を溶解した非水電解液を使用した。
Claims (10)
- 少なくともニッケルとスズとを有する合金を含む金属多孔体であって、BET比表面積が、1×104〜5×108m2/m3である金属多孔体。
- BET比表面積が、1×105〜5×107m2/m3である請求項1記載の金属多孔体。
- 平均孔径が、0.1〜100μmである請求項1又は2記載の金属多孔体。
- 蓄電デバイスの負極材料用である請求項1〜3のいずれかに記載の金属多孔体。
- 蓄電デバイスが、リチウムイオン二次電池である請求項4記載の金属多孔体。
- 集電体と、この集電体上に配置されている負極活物質層とを含み、前記負極活物質層が、請求項1〜5のいずれかに記載の金属多孔体を含む負極。
- 請求項6記載の負極を含むリチウムイオン二次電池。
- エポキシ樹脂多孔体(エポキシ樹脂モノリス)に、少なくともニッケル又はニッケル合金を無電解めっきする無電解めっき工程と、無電解めっき工程の後にエポキシ樹脂を加熱処理により分解除去する除去工程とを含む金属多孔体の製造方法であって、さらに下記(A)〜(C)のいずれかの態様により、スズ又はスズ合金をめっきすることにより、少なくともニッケルとスズとを有する合金を含む金属多孔体を製造する方法。
(A)前記無電解めっき工程において、スズ又はスズ合金をめっきする
(B)前記無電解めっき工程の後、スズ又はスズ合金をめっきし、前記除去工程に供する
(C)前記除去工程の後にスズ又はスズ合金をめっきする - 請求項8記載の(C)の態様により、スズ又はスズ合金をめっきして、熱処理により合金化する請求項8記載の製造方法。
- 除去工程における加熱温度が、250〜800℃である請求項8又は9記載の製造方法。
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