JP2023522808A - 電池用の負極活性材料及びその製造方法、電池負極、電池 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は本発明の例示的な実施形態に係る負極活性材料の断面図である。
図3は本発明の例示的な実施形態に係る負極活性材料の製造方法のフローチャートである。
1、電気化学法
浴槽、陽極電極、陰極電極、電源の4つの部品を含み、陽極電極と陰極電極はそれぞれ電源の両端に接続されている電気化学槽を提供する。同時に、陽極電極はリチウム源に接続され、陰極電極はシリコン酸化物粒子を含む容器に接続される。浴槽に有機溶媒を充填し、リチウム源(陽極電極)とシリコン酸化物粒子を含む容器(陰極電極)を有機溶媒中に浸漬させる。電源投入後、電気化学反応の発生により、リチウムイオンはシリコン酸化物構造に嵌入され、リチウムドーピング改質のシリコン酸化物粒子が得られる。上記の有機溶剤は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸フルオロエチレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、ジメチルスルホキシドなどの溶剤を採用することができる。また、当該有機溶媒に電解質リチウム塩も含まれており、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)などを採用することができる。上記のリチウム源(陽極電極)は、リチウム箔、または、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸バナジウムリチウム、ニッケル酸リチウムなどのリチウム化合物を採用することができる。
金属リチウム、電子移動触媒、シリコン酸化物粒子をエーテル系溶媒に添加し、溶液中の金属リチウムが完全に消失するまで、非酸化雰囲気の中で撹拌しながら加熱して恒温反応を維持する。電子移動触媒の作用により、金属リチウムはエーテル系溶媒に溶解し、リチウムイオンの配位化合物を形成することができ、より低い還元電位を持つため、シリコン酸化物と反応し、リチウムイオンはシリコン酸化物構造に入ることができる。前記電子移動触媒は、ビフェニル、ナフタレンなどを含む。前記エーテル系溶媒は、メチルブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどを含む。前記恒温反応温度は25~200℃である。前記非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴン、水素またはヘリウムの少なくとも一種のガスによって提供される。
シリコン酸化物粒子をリチウム含有の化合物と均一に混合し、その後、非酸化雰囲気の中で熱処理を行う。前記リチウム含有の化合物は、水酸化リチウム、炭酸リチウム、酸化リチウム、過酸化リチウム、水素化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、草酸リチウムなどを含む。前記混合方法は、高速分散機、高速攪拌機、ボールミル、テーパーミキサー、スパイラルミキサー、攪拌型ミキサーまたはVCミキサーのいずれか一種を採用する。前記熱処理用の設備は、回転炉、取鍋精錬炉、インナーポット炉、ローラー窯、プッシャー窯、雰囲気ボックス炉またはチューブ炉のいずれか一種である。前記熱処理の温度は400~900℃であり、好ましくは550~850℃であり、保温時間は0.1~12時間であり、昇温速度は0.1℃/分より大きく、20℃/分より小さい。前記非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴン、水素またはヘリウムの少なくとも一種のガスにより提供される。
1、材料検査:各実施例及び対比例によって製造された負極活性材料を以下の設備で特性評価する。丹東百特BetterSize 2000型レーザー粒度計を用いて負極活性材料の粒径分布を測定する。Hitachi SU8010型走査電子顕微鏡を用いて負極活性材料の表面形態を観察する。EDX元素テスタを用いて負極活性材料の元素組成分析を行う。
メジアン径が5ミクロンであり、かつケイ素と酸素の原子比が1:1であるシリコン酸化物粒子を500グラム用意した。相対湿度が30%より低い乾燥室内に、上記のシリコン酸化物粉末500グラム、金属リチウムリボン70グラムおよびビフェニルを密封可能なガラス容器に入れ、そしてメチルブチルエーテルを加え、アルゴン雰囲気で撹拌反応した。その後、容器内のメチルブチルエーテルを除去して乾燥させ、得られた粉末をアルゴン雰囲気で熱処理し、300℃で2時間保温し、自然冷却後にリチウムをドープしたシリコン酸化物粉末を得ることができた。
メジアン径は5ミクロンの一酸化ケイ素粒子1000グラムを取り、CVD炉に置いた。アセチレンを炭素源として950℃で被覆反応を行い、完全な炭素膜層を被覆したシリコン酸化物粒子を得た。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子1000グラムを取り、CVD炉に置いた。アセチレンを炭素源として950℃で被覆反応を行い、完全な炭素膜層を被覆したシリコン酸化物粒子を得た。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子1000gとコールタールピッチ粉末50gをドライ法で均一に混合した後に加熱して撹拌し、コールタールピッチに被覆されたシリコン酸化物材料を得た。上記の材料を窒素雰囲気で1000℃まで加熱し、コールタールピッチを炭化させた。冷却して得られた材料を500目ふるいにかけ、炭素膜に被覆されたシリコン酸化物粉末を得た。
実施例4と比較して、本実施例は同じ原料と被覆炭素膜プロセスを採用した。次に電気化学のプリリチウム化の方法を用いて上記のシリコン酸化物をリチウム金属ドーピングし、リチウム金属のドーピング量はシリコン酸化物の質量の7%を占めた。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、実施例2と同じ被覆炭素膜プロセスを採用し、炭素を被覆したシリコン酸化物を得た。次に、実施例2と同様な方法でリチウム元素をドープし、その中で、金属リチウムリボンの添加量が50グラムであり、後続のチューブ炉での熱処理温度が600℃で2時間保温し、炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物粒子を得た。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、実施例4と同じ被覆炭素膜プロセスを採用し、炭素を被覆したシリコン酸化物を得た。
実施例3と同様に、メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、同じ被覆炭素膜プロセス及びリチウムドーピングプロセスを採用して、炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物粉末を得た。
実施例2と類似し、その相違点は、リチウム元素及び非リチウム金属元素とリンの複合酸化物被覆層を形成するプロセスがないため、製品は炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物である。
実施例6と類似し、その相違点は、溶液法を用いてリチウムとリンの複合酸化物被覆層を形成する時、アルミニウム塩溶液を添加しなかったことであり、秤量分析により、当該ステップで被覆改質した後、材料は0.2wt%増となったことがわかった。製品はリチウムリン酸化物被覆層と炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物粒子であった。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、CVD炉に置いた。アセチレンを炭素源として950℃で被覆反応を行い、完全な炭素膜層を被覆したシリコン酸化物粒子を得た。次に、熱ドーピング法を用いてリチウム金属ドーピングを行い、具体的には、上記の粒子を500グラム取って水素化リチウム68.4グラムを混合し、アルゴン雰囲気に置いて熱処理を行い、700℃で3時間保温し、自然冷却後に材料をチューブ炉から取り出し、500目のふるいをかけ、炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物を得た。
実施例1と同様に、当該対比例は同じシリコン酸化物原料とリチウムドーピングプロセスを採用し、リチウム含有のシリコン酸化物粉末を得た。
図1は本発明の例示的な実施形態に係る負極活性材料の断面図である。
図3は本発明の例示的な実施形態に係る負極活性材料の製造方法のフローチャートである。
1、電気化学法
浴槽、陽極電極、陰極電極、電源の4つの部品を含み、陽極電極と陰極電極はそれぞれ電源の両端に接続されている電気化学槽を提供する。同時に、陽極電極はリチウム源に接続され、陰極電極はシリコン酸化物粒子を含む容器に接続される。浴槽に有機溶媒を充填し、リチウム源(陽極電極)とシリコン酸化物粒子を含む容器(陰極電極)を有機溶媒中に浸漬させる。電源投入後、電気化学反応の発生により、リチウムイオンはシリコン酸化物構造に嵌入され、リチウムドーピング改質のシリコン酸化物粒子が得られる。上記の有機溶剤は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸フルオロエチレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、ジメチルスルホキシドなどの溶剤を採用することができる。また、当該有機溶媒に電解質リチウム塩も含まれており、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)などを採用することができる。上記のリチウム源(陽極電極)は、リチウム箔、または、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸バナジウムリチウム、ニッケル酸リチウムなどのリチウム化合物を採用することができる。
金属リチウム、電子移動触媒、シリコン酸化物粒子をエーテル系溶媒に添加し、溶液中の金属リチウムが完全に消失するまで、非酸化雰囲気の中で撹拌しながら加熱して恒温反応を維持する。電子移動触媒の作用により、金属リチウムはエーテル系溶媒に溶解し、リチウムイオンの配位化合物を形成することができ、より低い還元電位を持つため、シリコン酸化物と反応し、リチウムイオンはシリコン酸化物構造に入ることができる。前記電子移動触媒は、ビフェニル、ナフタレンなどを含む。前記エーテル系溶媒は、メチルブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどを含む。前記恒温反応温度は25~200℃である。前記非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴン、水素またはヘリウムの少なくとも一種のガスによって提供される。
シリコン酸化物粒子をリチウム含有の化合物と均一に混合し、その後、非酸化雰囲気の中で熱処理を行う。前記リチウム含有の化合物は、水酸化リチウム、炭酸リチウム、酸化リチウム、過酸化リチウム、水素化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、草酸リチウムなどを含む。前記混合方法は、高速分散機、高速攪拌機、ボールミル、テーパーミキサー、スパイラルミキサー、攪拌型ミキサーまたはVCミキサーのいずれか一種を採用する。前記熱処理用の設備は、回転炉、取鍋精錬炉、インナーポット炉、ローラー窯、プッシャー窯、雰囲気ボックス炉またはチューブ炉のいずれか一種である。前記熱処理の温度は400~900℃であり、好ましくは550~850℃であり、保温時間は0.1~12時間であり、昇温速度は0.1℃/分より大きく、20℃/分より小さい。前記非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴン、水素またはヘリウムの少なくとも一種のガスにより提供される。
1、材料検査:各実施例及び対比例によって製造された負極活性材料を以下の設備で特性評価する。丹東百特BetterSize 2000型レーザー粒度計を用いて負極活性材料の粒径分布を測定する。Hitachi SU8010型走査電子顕微鏡を用いて負極活性材料の表面形態を観察する。EDX元素テスタを用いて負極活性材料の元素組成分析を行う。
メジアン径が5ミクロンであり、かつケイ素と酸素の原子比が1:1であるシリコン酸化物粒子を500グラム用意した。相対湿度が30%より低い乾燥室内に、上記のシリコン酸化物粉末500グラム、金属リチウムリボン70グラムおよびビフェニルを密封可能なガラス容器に入れ、そしてメチルブチルエーテルを加え、アルゴン雰囲気で撹拌反応した。その後、容器内のメチルブチルエーテルを除去して乾燥させ、得られた粉末をアルゴン雰囲気で熱処理し、300℃で2時間保温し、自然冷却後にリチウムをドープしたシリコン酸化物粉末を得ることができた。
メジアン径は5ミクロンの一酸化ケイ素粒子1000グラムを取り、CVD炉に置いた。アセチレンを炭素源として950℃で被覆反応を行い、完全な炭素膜層を被覆したシリコン酸化物粒子を得た。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子1000グラムを取り、CVD炉に置いた。アセチレンを炭素源として950℃で被覆反応を行い、完全な炭素膜層を被覆したシリコン酸化物粒子を得た。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子1000gとコールタールピッチ粉末50gをドライ法で均一に混合した後に加熱して撹拌し、コールタールピッチに被覆されたシリコン酸化物材料を得た。上記の材料を窒素雰囲気で1000℃まで加熱し、コールタールピッチを炭化させた。冷却して得られた材料を500目ふるいにかけ、炭素膜に被覆されたシリコン酸化物粉末を得た。
実施例4と比較して、本実施例は同じ原料と被覆炭素膜プロセスを採用した。次に電気化学のプリリチウム化の方法を用いて上記のシリコン酸化物をリチウム金属ドーピングし、リチウム金属のドーピング量はシリコン酸化物の質量の7%を占めた。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、実施例2と同じ被覆炭素膜プロセスを採用し、炭素を被覆したシリコン酸化物を得た。次に、実施例2と同様な方法でリチウム元素をドープし、その中で、金属リチウムリボンの添加量が50グラムであり、後続のチューブ炉での熱処理温度が600℃で2時間保温し、炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物粒子を得た。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、実施例4と同じ被覆炭素膜プロセスを採用し、炭素を被覆したシリコン酸化物を得た。
実施例3と同様に、メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、同じ被覆炭素膜プロセス及びリチウムドーピングプロセスを採用して、炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物粉末を得た。
実施例2と類似し、その相違点は、リチウム元素及び非リチウム金属元素とリンの複合酸化物被覆層を形成するプロセスがないため、製品は炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物である。
実施例6と類似し、その相違点は、溶液法を用いてリチウムとリンの複合酸化物被覆層を形成する時、アルミニウム塩溶液を添加しなかったことであり、秤量分析により、当該ステップで被覆改質した後、材料は0.2wt%増となったことがわかった。製品はリチウムリン酸化物被覆層と炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物粒子であった。
メジアン径が5ミクロンの一酸化ケイ素粒子を1000グラム取り、CVD炉に置いた。アセチレンを炭素源として950℃で被覆反応を行い、完全な炭素膜層を被覆したシリコン酸化物粒子を得た。次に、熱ドーピング法を用いてリチウム金属ドーピングを行い、具体的には、上記の粒子を500グラム取って水素化リチウム68.4グラムを混合し、アルゴン雰囲気に置いて熱処理を行い、700℃で3時間保温し、自然冷却後に材料をチューブ炉から取り出し、500目のふるいをかけ、炭素膜を被覆したリチウム含有のシリコン酸化物を得た。
実施例1と同様に、当該対比例は同じシリコン酸化物原料とリチウムドーピングプロセスを採用し、リチウム含有のシリコン酸化物粉末を得た。
Claims (38)
- 電池用の負極活性材料であって、負極活性物質粒子を含み、前記負極活性物質粒子は、単量体ナノシリコンとリチウム元素を含むシリコン酸化物粒子と、前記シリコン酸化物粒子の一部または全部をカバーする複合酸化物被覆層と、を含み、前記複合酸化物被覆層は、M金属とリンの複合酸化物を含み、前記M金属はリチウム元素と非リチウム金属元素とを含むことを特徴とする電池用の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層はM金属とリンの複合酸化物のその場成長層であることを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子におけるリチウム元素の含有量は0.1~20wt%であることを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子におけるリチウム元素の含有量は2~18wt%であることを特徴とする請求項3に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子におけるリチウム元素の含有量は4~15wt%であることを特徴とする請求項4に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子は、Li4SiO4、Li2SiO3、Li6Si2O7、Li8SiO6およびLi2Si2O5のうちの少なくとも一種の化合物を含むことを特徴とする請求項3に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子のメジアン径は0.2~20ミクロンであることを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子のメジアン径は1~15ミクロンであることを特徴とする請求項7に記載の負極活性材料。
- 前記シリコン酸化物粒子のメジアン径は2~10ミクロンであることを特徴とする請求項8に記載の負極活性材料。
- 前記単量体シリコンナノ粒子のメジアン径は0.1~35ナノメートルであることを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記単量体シリコンナノ粒子の中間値粒径は0.5~20ナノメートルであることを特徴とする請求項10に記載の負極活性材料。
- 前記単量体シリコンナノ粒子の中間値粒径は1~15ナノメートルであることを特徴とする請求項11に記載の負極活性材料。
- 前記負極活性物質粒子におけるケイ素元素の含有量は30~80wt%であることを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記負極活性物質粒子におけるケイ素元素の含有量は35~65wt%であることを特徴とする請求項13に記載の負極活性材料。
- 前記負極活性物質粒子におけるケイ素元素の含有量は40~65wt%であることを特徴とする請求項14に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層は、化学式LixNyPzOwで表され、Nが非リチウム金属元素であり、x>0、y>0、z>0、w>0を満たすことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層は、Lix1Py1Oz1および/またはNx2Py2Oz2をさらに含み、Nは非リチウム金属元素であり、x1>0、x2>0、y1>0、z1>0、y2>0、z2>0を満たすことを特徴とする請求項16に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層は、Lix3Py3Oz3とNx4Py4Oz4を同時に含み、Nは非リチウム金属元素であり、x3>0、x4>0、y3>0、z3>0、y4>0、z4>0を満たすことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層の質量比は、前記負極活性物質粒子の10wt%より小さいことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層の質量比は、前記負極活性物質粒子の5wt%より小さいことを特徴とする請求項19に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層の質量比は、前記負極活性物質粒子の3wt%より小さいことを特徴とする請求項20に記載の負極活性材料。
- 前記複合酸化物被覆層は、リチウムイオンの高速イオン導体成分を含み、前記リチウムイオンの高速イオン導体とは、室温でのリチウムイオンに対するイオン伝導率が10-8S/cmより大きいものを指すことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記非リチウム金属元素は、チタン、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム、カルシウム、亜鉛のうちの1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記非リチウム金属要素の質量比は、前記負極活性物質粒子の3wt%より小さいことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記非リチウム金属要素の質量比は、前記負極活性物質粒子の1.5wt%より小さいことを特徴とする請求項24に記載の負極活性材料。
- 前記非リチウム金属要素の質量比は、前記負極活性物質粒子の1wt%より小さいことを特徴とする請求項25に記載の負極活性材料。
- 前記負極活性物質粒子は、前記シリコン酸化物粒子と前記複合酸化物被覆層との間に位置し、前記シリコン酸化物粒子を部分的または全部被覆する炭素膜層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の負極活性材料。
- 前記炭素膜層の厚さは0.001~5ミクロンであることを特徴とする請求項27に記載の負極活性材料。
- 前記炭素膜層の厚さは0.005~2ミクロンであることを特徴とする請求項28に記載の負極活性材料。
- 前記炭素膜層の厚さは0.01~1ミクロンであることを特徴とする請求項29に記載の負極活性材料。
- 前記炭素膜層の質量比は、前記負極活性物質粒子の0.01~20wt%であることを特徴とする請求項27に記載の負極活性材料。
- 前記炭素膜層の質量比は、前記負極活性物質粒子の0.1~15wt%であることを特徴とする請求項31に記載の負極活性材料。
- 前記炭素膜層の質量比は、前記負極活性物質粒子の1~12wt%であることを特徴とする請求項32に記載の負極活性材料。
- 負極活性材料の製造方法であって、シリコン酸化物粒子を用意するステップと、リチウム元素を前記シリコン酸化物粒子中に嵌入するステップと、前記シリコン酸化物粒子の表面に複合酸化物被覆層をその場成長するステップと、を含み、前記複合酸化物被覆層は前記シリコン酸化物粒子を部分的または全部カバーし、かつ前記複合酸化物被覆層は、M金属とリンの複合酸化物を含み、前記M金属はリチウム元素と非リチウム金属元素とを含むことを特徴とする負極活性材料の製造方法。
- 複合酸化物被覆層は前記シリコン酸化物粒子表面にその場成長する前に、炭素膜層を形成し、前記シリコン酸化物粒子の表面に炭素膜層を被覆し、炭素膜層を有するシリコン酸化物粒子を形成することを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記シリコン酸化物粒子は炭素膜層を被覆した後、前記炭素膜層を有するシリコン酸化物粒子にリチウム元素を嵌入することを特徴とする請求項35に記載の方法。
- 電池負極であって、請求項1~33のいずれか1項に記載の負極活性材料を含み、前記負極活性材料は請求項34~36のいずれか1項に記載の方法で製造されることを特徴とする電池負極。
- 電池であって、請求項37に記載の電池負極を含むことを特徴とする電池。
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