JP6969175B2 - リチウム二次電池用負極材料、その製造方法、及びそれを備えるリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
前記ガーネット型酸化物の一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子の平均粒子径が1〜100nmであり、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子中に炭素原子が存在する、
ことを特徴とするものである。
前記第一ポリマーブロック成分からなり、前記ガーネット型酸化物の前駆体が導入された第一ポリマー相と、前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相とが自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記ガーネット型酸化物の前駆体を、LiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記ガーネット型酸化物の一次粒子を調製する第二の工程と、
前記ガーネット酸化物の一次粒子がシリコン中に分散している負極材料前駆体を調製する第三の工程と、
前記負極材料前駆体に圧力を印加しながら又は印加した後に、加熱処理を施して、前記ガーネット型酸化物の一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、前記ガーネット型酸化物の一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである、負極材料を得る第四の工程と、
を含むことを特徴とする。
前記ガーネット型酸化物の一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子の平均粒子径が1〜100nmであり、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子中に炭素原子が存在する、
ものである。
互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、LiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物の前駆体とを溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
前記第一ポリマーブロック成分からなり、前記ガーネット型酸化物の前駆体が導入された第一ポリマー相と、前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相とが自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記ガーネット型酸化物の前駆体を、LiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記ガーネット型酸化物の一次粒子を調製する第二の工程と、
前記ガーネット酸化物の一次粒子がシリコン中に分散している負極材料前駆体を調製する第三の工程と、
前記負極材料前駆体に圧力を印加しながら又は印加した後に、加熱処理を施して、前記ガーネット型酸化物の一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、前記ガーネット型酸化物の一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである、負極材料を得る第四の工程と、
を含む方法である。
この工程は、以下に説明するブロックコポリマーと、以下に説明するLiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物(LLZO)の前駆体とを溶媒に溶解して原料溶液を調製する工程である。
溶解度パラメータδ[(cal/cm3)1/2]=(ΔE/V)1/2
(式中、ΔEはモル蒸発エネルギー[cal]、Vはモル体積[cm3]を示す。)
に基づいて求められる値である。
この工程は、以下に詳述する相分離処理、変換処理及び除去処理を含み、前記LLZOの一次粒子を調製する工程である。
この工程は、前記第二の工程において調製された前記LLZOの一次粒子がシリコン中に分散している負極材料前駆体を調製する工程である。
この工程は、前記第三の工程で調製された負極材料前駆体に圧力を印加しながら又は印加した後に、加熱処理(アニール処理又は焼成処理)を施して、前記LLZOの一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、前記LLZOの一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである、負極材料を形成する工程である。
ブロックコポリマーとしてポリスチレン−b−ポリ(4−ビニルピリジン)〔PS−b−P4VP、PS成分の数平均分子量:110×103、P4VP成分の数平均分子量:107×103〕と、Li6.5、La3.0Zr1.6Ta0.4O12+Al(0.1質量%)〔LLZTaAl〕前駆体(Li前駆体、La前駆体、Zr前駆体、Ta前駆体及びAl前駆体)として安息香酸リチウム〔C6H5COOLi〕、2−エチルヘキサン酸ランタン〔C4H9(C2H5)CHCOOLa〕、アセチルアセトナートジルコニウム(IV)(Zr〔CH3COCHCOCH3)4〕、タンタル(V)エトキシド〔Ta(OC2H5)5〕及びアセチルアセトナートアルミニウム〔Al(CH3COCHCOCH3)3〕とを、Li:La:Zr:Ta(モル比)=6.5:3.0:1.6:0.4かつAl含有量が0.1質量%となるように、また、Li前駆体、La前駆体、Zr前駆体、Ta前駆体及びAl前駆体の総量が前記PS−b−P4VP中のP4VP成分と等モルとなるように、さらに、前記PS−b−P4VPの濃度が0.5質量%となるように、トルエンとN,N−ジメチルホルムアミド〔DMF〕との混合溶媒(トルエン:DMF(容量比)=78:12)に溶解し、原料溶液を得た。なお、この原料溶液において、前記LLZTaAl前駆体は、P4VPからなるポリマー相に導入されている。
シリコン粉末(シリコンウェハ製造工程で得られた不定形シリコン粉末、平均粒径D50:1.3μm)と調製例1で得られたLLZTaAl仮焼成粉末とを質量比5:5で混合し、さらに、乳鉢で粉砕混合して負極材料前駆体を得た。この負極材料前駆体の約10mgを、ニッケル集電体(純金属ニッケル板(株式会社ニラコ製)を直径14mm×厚み500μmに加工したもの)の表面に均一に散布して付着させ、ハンドプレスにより仮成形した後、得られた仮成形物に、常温(25℃)、圧力1.5MPaの条件で180秒間の冷間等方圧成形を施した。得られた成形体に、窒素雰囲気下、750℃で12時間のアニール処理を施し、LLZTaAl焼成粉末及びシリコンを含有する負極材料とニッケル集電体とを備える負極を得た。
得られた負極材料について、エネルギー分散型X線(EDX)分光分析装置を備える走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてSEM観察及びEDX分析を行なった。その結果を図2に示す。図2に示した負極材料のSEM像及びEDXマッピングから明らかなように、前記負極材料においては、前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)がシリコン中に分散していることが確認された。また、前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)には炭素原子が含まれていることが確認された。
調製例1で得られたLLZTaAl仮焼成粉末のX線回折(XRD)パターンを、粉末X線回折装置(株式会社リガク製「RINT−TTR」)を用いて測定した。その結果を図3Aに示す。図3Aに示したように、前記LLZTaAl仮焼成粉末のXRDスペクトルには、アモルファスなカーボンに由来するブロードな回折ピークが2θ=15〜30degの範囲において観測された。このアモルファスなカーボンは、LLZTaAl仮焼成粉末の調製時に使用したPS−b−P4VPに由来するものであると考えられる。
調製例1で得られたLLZTaAl仮焼成粉末を窒素雰囲気下、750℃で12時間加熱してLLZTaAl焼成粉末を得た。このLLZTaAl焼成粉末をエポキシ樹脂に包埋させ、ウルトラミクロトーム(ダイヤモンドナイフ)を用いてTEM観察及びEDX分析用超薄切片試料(厚さ50nm)作製した。得られた超薄切片試料のTEM観察及びEDX分析を、エネルギー分散型X線(EDX)分光分析装置を備える透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて行なった。その結果を図4に示す。図4に示したEDXマッピングから明らかなように、TEM像の一次粒子に対応する部分に炭素原子が存在していることが観察され、前記LLZTaAl焼成粉末中の一次粒子には炭素原子が含まれていることが確認された。なお、図4に示したEDXマッピングにおいて、前記LLZTaAl焼成粉末が存在しない部分の炭素原子は、前記超薄切片試料作製時に使用した前記エポキシ樹脂に由来する炭素原子であると考えられる。
図4に示したTEM像において、孤立している一次粒子を無作為に20個抽出し、各一次粒子において、最大長さと最小長さを測定し、その平均値をその一次粒子の粒子径とした。抽出した20個の一次粒子の粒子径の平均値、すなわち、LLZTaAl焼成粉末の平均一次粒子径及び標準偏差を求めたところ、平均一次粒子径は52.9nm、標準偏差は17.8nmであった。
調製例1で得られたLLZTaAl仮焼成粉末の約10mgを、ニッケル集電体(純金属ニッケル板(株式会社ニラコ製)を直径14mm×厚み500μmに加工したもの)の表面に均一に散布して付着させ、ハンドプレスにより仮成形した後、得られた仮成形物に、常温(25℃)、圧力1.5MPaの条件で180秒間の冷間等方圧成形を施した。得られた成形体に、窒素雰囲気下、750℃で12時間のアニール処理を施し、ニッケル集電体上に形成されたLLZTaAl焼成粉末からなるLLZO成形材料を得た。このLLZO成形材料をニッケル集電体上から削り取り、LLZTaAl焼成粉末を回収した。このLLZTaAl焼成粉末の体積基準の粒度分布を、レーザー回折・散乱式
粒子径分布測定装置(マイクロトラック社製「MT3000IIシリーズ」)を用いて測定した。その結果を図5に示す。図5に示した前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)の粒度分布曲線に基づいて、累積50%における粒子径D50を求めたところ、前記LLZTaAl焼成粉末の平均二次粒子径は18.2μmであった。
シリコン粉末とLLZTaAl仮焼成粉末との質量比を7:3に変更した以外は実施例1と同様にして、一次粒子に炭素原子が存在している前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)がシリコン中に分散している負極材料とニッケル集電体とを備える負極を作製した。なお、得られた負極材料のSEM観察を行い、得られたSEM像において、前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)を無作為に複数個抽出して平均二次粒子径を求めたところ、実施例1で求めた前記粒子径D50とほぼ同等であることが確認された。
シリコン粉末とLLZTaAl仮焼成粉末との質量比を3:7に変更した以外は実施例1と同様にして、一次粒子に炭素原子が存在している前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)がシリコン中に分散している負極材料とニッケル集電体とを備える負極を作製した。なお、得られた負極材料のSEM観察を行い、得られたSEM像において、前記LLZTaAl焼成粉末(二次粒子)を無作為に複数個抽出して平均二次粒子径を求めたところ、実施例1で求めた前記粒子径D50とほぼ同等であることが確認された。
シリコン粉末とLLZTaAl仮焼成粉末との質量比を10:0に変更した以外は実施例1と同様にして、シリコンのみからなる負極材料とニッケル集電体とを備える負極を作製した。
得られた負極(直径14mm)と、正極としてリチウム金属箔(直径14mm、厚さ0.4mm)を用い、これらの電極によりポリエチレンオキサイド(PEO、分子量600×103)にリチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)をドープしたポリマー電解質(直径14mm、厚さ1mm)を挟持して電池セルを作製した。この電池セルの電気化学特性を、マルチチャンネル電気化学測定システム(BioLogic社製「VMP3」)を用いてサイクリックボルタンメトリー(CV)により3回測定した。図6には、実施例1で作製した負極を備える電池セルの電流−電位曲線及び放電容量−電位曲線を示す。図6中、(i)〜(iii)はそれぞれ1回目〜3回目の電流−電位曲線であり、(I)〜(III)はそれぞれ1回目〜3回目の放電容量−電位曲線である。図6に示した電流−電位曲線から明らかなように、0.4〜0.5Vに放電ピークが、0.6〜0.8Vに充電ピークがそれぞれ観測され、前記電池セルは二次電池として機能することが確認された。
実施例1で作製した負極を用いて作製した前記電池セルの充放電を、36時間充電と36時間放電とを1サイクルとして繰返した。各サイクルにおける放電容量を、マルチチャンネル電気化学測定システム(BioLogic社製「VHP3」)を用いて定電流定電圧法(CC−CV法)により測定した。図8には充放電回数とシリコン1g当たりの放電容量との関係を示す。図8に示したように、充放電を繰返すことによって、放電容量が増加し、7回以上の充放電の繰返しにより、200mA・h/g−Si以上の放電容量が得られた。
Claims (9)
- LiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物と、シリコンとを含有し、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子の平均粒子径が1〜100nmであり、
前記ガーネット型酸化物の一次粒子中に炭素原子が存在する、
ことを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。 - 前記ガーネット型酸化物の含有量が、リチウム二次電池用負極材料全量に対して、30〜70質量%であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極材料。
- 請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用負極材料からなる負極を備えることを特徴とするリチウム二次電池。
- 前記負極が、ニッケル集電体と、該ニッケル集電体上に配置された前記リチウム二次電池用負極材料とからなるものであることを特徴とする請求項3に記載のリチウム二次電池。
- 互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、LiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物の前駆体とを溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
前記第一ポリマーブロック成分からなり、前記ガーネット型酸化物の前駆体が導入された第一ポリマー相と、前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相とが自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記ガーネット型酸化物の前駆体を、LiとLaとZrとを含有するガーネット型酸化物に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記ガーネット型酸化物の一次粒子を調製する第二の工程と、
前記ガーネット酸化物の一次粒子がシリコン中に分散している負極材料前駆体を調製する第三の工程と、
前記負極材料前駆体に圧力を印加しながら又は印加した後に、加熱処理を施して、前記ガーネット型酸化物の一次粒子の少なくとも一部が二次粒子の状態で前記シリコン中に分散しており、前記ガーネット型酸化物の一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである、負極材料を得る第四の工程と、
を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極材料の製造方法。 - 前記第三の工程において、前記ガーネット酸化物の一次粒子とシリコンとを、30:70〜70:30の質量比で混合して前記負極材料前駆体を調製することを特徴とする請求項5に記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記第二の工程において、前記相分離処理、前記変換処理及び前記除去処理を300〜500℃の温度で行うことを特徴とする請求項5又は6に記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記第四の工程において、前記加熱処理を500〜750℃の温度で行うことを特徴とする請求項5〜7のうちのいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記第四の工程において、ニッケル集電体上に配置した前記負極材料前駆体に圧力を印加しながら又は印加した後に、加熱処理を施すことによって、前記ニッケル集電体と前記負極材料前駆体とを一体化処理することを特徴とする請求項5〜8のうちのいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
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