JP2017182887A - 非水電解質二次電池用電極の導電助剤及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セルロースナノファイバー由来の炭素からなる非水電解質二次電池用電極の導電助剤であり、好ましくはBET比表面積が5〜60m2/gである非水電解質二次電池用電極の導電助剤。
【選択図】なし
Description
また、本発明は、セルロースナノファイバー及び水を含有するスラリーを噴霧乾燥して、造粒体を得る工程(I)、並びに
得られた造粒体を、還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(II)
を備える非水電解質二次電池用電極の導電助剤の製造方法を提供するものである。
本発明の非水電解質二次電池用電極の導電助剤は、セルロースナノファイバー由来の炭素からなるもの、すなわちセルロースナノファイバーが炭化されてなるものである。かかるセルロースナノファイバーとは、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維であり、セルロースナノファイバーを構成するセルロース分子鎖は、炭素による周期的構造で形成されている。かかるセルロースナノファイバーは、繊維径が1〜500nm、繊維長が1〜500μmであり、水への良好な分散性を有している。したがって、セルロースナノファイバーと水を混合してスラリーとした後、かかるスラリーを適度な攪拌力で攪拌することによって、セルロースナノファイバーが均一に分散したスラリーを得ることができる。用いるセルロースナノファイバーの繊維長は、好ましくは1〜470μmであり、より好ましくは1〜450μmであり、さらに好ましくは1〜430μmであり、例えば、セリッシュKY−100G(繊維長:200〜400μm、ダイセルファインケム株式会社製)等の市販品を好適に用いることができる。
合材層に含有される電極活物質は、二次電池の正極活物質、又は二次電池の負極活物質のいずれであってもよく、特に制限されないが、具体的には、例えば正極活物質としては、LiFePO4、Li2MnSiO4、NaFePO4の酸化物を用いたものが挙げられ、負極活物質としては、Li4Ti5O12の酸化物を用いたものが挙げられる。
なお、正極活物質、及び負極活物質ともに、樹脂バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを用いる場合、ポリフッ化ビニリデンは水に溶解又は分散しないため、有機溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を併用する必要がある。
得られた造粒体を、還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(II)
を備える。
噴霧乾燥の温度は、得られる造粒体中に、繊維体又は凝集体としてセルロースナノファイバーを含有させる観点から、好ましくは100〜320℃であり、より好ましくは150〜250℃である。
LiOH・H2O 1272g、及び水4000mLからなるスラリー水に、85%のリン酸水溶液1153gを滴下して、Li3PO4を含有するスラリーを得た。次いで、得られたスラリーにFeSO4・7H2O 2780gを添加して混合液を得た後、得られた混合液を水熱合成反応に付してLiFePO4を得た。得られたLiFePO4 1000gに水1000gとグルコース(無水結晶ぶどう糖、日本食品化工(株)製)100gを加えて噴霧乾燥して複合体を得た後、かかる複合体を還元雰囲気焼成に付して、グルコース由来の炭素が担持されたLiFePO4/C(炭素の量=2.0質量%)を得た。
LiOH・H2O 2141g、Na4SiO4・nH2O 10479g及び水15000mLからなるスラリー水に、MnSO4・5H2O 6027gを添加して混合液を得た後、得られた混合液を水熱合成反応に付してLi2MnSiO4を得た。得られたLi2MnSiO4 1000gに水1000gとグルコース225gを加えて噴霧乾燥して複合体を得た後、かかる複合体を還元雰囲気焼成に付して、グルコース由来の炭素が担持されたLi2MnSiO4/C(炭素の量=4.5質量%)を得た。
NaOH 1200g、及び水18000mLからなるスラリー水に、85%のリン酸水溶液1154gを滴下して、Na3PO4を含有するスラリーを得た。次いで、得られたスラリーにFeSO4・7H2O 2780gを添加して混合液を得た後、得られた混合液を水熱合成反応に付してNaFePO4を得た。得られたNaFePO4 1000gに水1000gとグルコース100gを加えて噴霧乾燥して複合体を得た後、かかる複合体を還元雰囲気焼成に付して、グルコース由来の炭素が担持されたNaFePO4/C(炭素の量=2.0質量%)を得た。
アナターゼ型TiO2 1597g、Li2CO3 1478g、及びエタノール 30gをボールミルで混合し、大気雰囲気焼成してLi4Ti5O12を得た。得られたLi4Ti5O12 1000gに水1000gとグルコース100gを加えて噴霧乾燥して複合体を得た後、かかる複合体を還元雰囲気焼成に付して、グルコース由来の炭素が担持されたLi4Ti5O12/C(炭素の量=2.0質量%)を得た。
水 4500mL及びセルロースナノファイバー500g(ダイセルファインケム製セリッシュFD200L(繊維長:300〜500μm)、含水量20質量%)を混合してスラリー水を得た。得られたスラリー水を、超音波攪拌機(IKA製、、T25)で攪拌しながら、180℃で噴霧乾燥(スプレードライヤー;藤崎電機(株)製 MDL−050M)を行い、セルロースナノファイバーの凝集体(平均粒径3μm)を得た。得られた凝集体を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)1000℃で1時間焼成した後、得られた焼成物10gについて、φ3mmのジルコニアボール50gを媒体としたボールミル粉砕を30秒間行い、セルロースナノファイバーが炭化されてなる導電助剤を得た。
水 4000mL及びセルロースナノファイバー1000g(ダイセルファインケム製セリッシュKY100G(繊維長:200〜400μm)、含水量10質量%)を混合してスラリー水を作製した以外、実施例1と同様にして導電助剤を得た。
導電助剤として、市販のアセチレンブラック(電気化学工業社製、粒状グレード)を用いた。
導電助剤として、市販のケッチェンブラック(ライオン社製EC300J)を用いた。
比表面積測定装置((株)島津製作所製FlowSorbIII 2305)を用いて、実施例及び比較例で得られた導電助剤の窒素吸着法によるBET比表面積を測定した。
結果を表1に示す。
実施例1〜2及び比較例1〜2で得られた導電助剤を用い、リチウムイオン二次電池及びナトリウムイオン電池の正極及び負極を作製した。具体的には、製造例1〜4で得られた各正極活物質又は負極活物質、実施例1〜2及び比較例1〜2で得られた導電助剤、ポリフッ化ビニリデンを重量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極もしくは負極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。負極スラリーの場合には、銅箔への塗工を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極もしくは負極とした。
次いで、上記の正極又は負極を用いてコイン型リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池を構築した。対極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔(リチウムイオン電池の場合)もしくはナトリウム箔(ナトリウムイオン電池の場合)を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6(リチウムイオン二次電池の場合)もしくはNaPF6(ナトリウムイオン二次電池の場合)を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンなどの高分子多孔フィルムなど、公知のものを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型リチウム二次電池(CR−2032)を製造した。
正極活物質の場合には、充電条件を電流密度170mA/g、電圧4.5Vの定電流定電圧充電とし、放電条件を電流密度170mA/g、終止電圧2.0V、及び電流密度1700mA/g、終止電圧2.0Vの2種類の定電流放電について、放電容量を求めた。
負極活物質の場合には、充電条件を電流密度175mA/g、電圧3.0Vの定電流定電圧充電とし、放電条件を電流密度175mA/g、終止電圧1.0V、及び電流密度1750mA/g、終止電圧2.0Vの2種類の定電流放電について、放電容量を求めた。
結果を表2〜5に示す。
なお、各表に示す容量比率(%)は、下記式から求めたレート特性の指標であって、値が大きいほど高速充放電が可能であることを示す。
容量比率(%)={電流密度1700mA/gの場合の放電容量(mA/g)/
電流密度170mA/gの場合の放電容量(mA/g)×100}
Claims (8)
- セルロースナノファイバー由来の炭素からなる非水電解質二次電池用電極の導電助剤。
- BET比表面積が、5〜60m2/gである請求項1に記載の非水電解質二次電池用電極の導電助剤。
- 繊維長が1〜470μmの繊維体、又は平均粒径が1〜100μmの凝集体である請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用電極の導電助剤。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極の導電助剤1質量部に対し、電極活物質を16〜48質量部、及び樹脂バインダーを0.5〜2質量部含有する非水電解質二次電池用電極の合材層。
- セルロースナノファイバー及び水を含有するスラリーを噴霧乾燥して、造粒体を得る工程(I)、並びに
得られた造粒体を、還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(II)
を備える非水電解質二次電池用電極の導電助剤の製造方法。 - 工程(I)で用いるスラリーにおけるセルロースナノファイバーの含有量が、水100質量部に対して10〜50質量部である請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極の導電助剤の製造方法。
- 工程(I)で得られる造粒体の粒径が、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で1〜20μmである請求項5又は6に記載の非水電解質二次電池用電極の導電助剤の製造方法。
- 工程(II)における焼成温度が、700〜1200℃である請求項5〜7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極の導電助剤の製造方法。
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