JPWO2015152215A1 - 全固体電池用負極電極の製造方法及び全固体電池用負極電極 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献2は、炭素材料と固体電解質とをメカノケミカル処理にて混合するリチウム電池用負極合材の製造方法を開示している。また、特許文献3は、全固体電池において、負極活物質として、黒鉛及びアモルファスカーボンを用いることを開示している。
本発明者らは乱層構造炭素及び固体電解質を用いて、負極電極の作成を試みた。しかしながら、乱層構造炭素及び固体電解質を単に混合して全固体電池用負極電極を作成した場合、加圧成形後に、乱層構造炭素の反発により、負極電極が変形することが分かった。
本発明の目的は、乱層構造炭素及び固体電解質を用いた全固体電池用負極電極の製造において、負極電極の変形を抑制する製造方法を提供することである。
本発明は、こうした知見に基づくものである。
従って、本発明は、
[1](1)ブタノール法により求めた真密度が1.30g/cm3〜2.10g/cm3である炭素質材料に、固体電解質を被覆する工程、及び(2)前記固体電解質被覆炭素質材料を加圧成形する工程を含む全固体電池用負極電極の製造方法、
[2]炭素質材料と、固体電解質との体積比が20:80〜99:1である、[1]に記載の全固体電池用負極電極の製造方法、
[3]前記炭素質材料が、粉末X線回折法により求められる002面の平均面間隔が0.340〜0.400nm、Lc(002)が0.5〜10nm、及び平均粒子径Dv50が1〜50μmである、[1]又は[2]に記載の全固体電池用負極電極の製造方法、
[4]前記炭素質材料が、示差熱分析による燃焼ピークT(℃)とブタノール真密度ρBt(g/cm3)とが、下記式(1)300≦T−100×ρBt≦650 (1)を満たす炭素質材料である[1]〜[3]のいずれかに記載の全固体電池用負極電極の製造方法、
[5][1]〜[4]のいずれかに記載の製造方法により得られる全固体電池用負極電極、又は
[6][5]に記載の全固体電池用負極電極を含む全固体電池、
に関する。
本発明の全固体電池用負極電極の製造方法は、(1)ブタノール法により求めた真密度が1.30g/cm3〜2.10g/cm3である炭素質材料に、固体電解質を被覆する工程、及び(2)前記固体電解質被覆炭素質材料を加圧成形する工程、を含む。
(炭素質材料の原料)
本発明の製造方法に用いる炭素質材料は乱層構造炭素であり、ブタノール法により求めた真密度が1.30g/cm3〜2.10g/cm3である限りにおいて限定されるものではないが、ある好ましい態様においてはブタノール法により求めた真密度が1.30g/cm3以上1.70g/cm3以下である難黒鉛化性炭素であり、又はある好ましい態様においてはブタノール法により求めた真密度が1.70g/cm3より大きく2.10g/cm3以下である易黒鉛化性炭素である。
難黒鉛化性炭素、又は易黒鉛化性炭素の炭素源は、難黒鉛化性炭素、又は易黒鉛化性炭素が製造できる限りにおいて限定されるものではなく、例えば石油系ピッチ、石炭系ピッチ、熱可塑性樹脂(例えば、ケトン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリアクリロニトリル、スチレン/ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリアミドイミド、アラミド樹脂、又はポリエーテルエーテルケトン)、熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂、ポリアセタール樹脂、ナイロン樹脂、フラン樹脂、又はアルデヒド樹脂(例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、アミノ樹脂及びアミド樹脂))を挙げることができる。なお、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、又は熱可塑性樹脂は、酸化処理などにより不融化することによっても、難黒鉛化性炭素の炭素源として用いることができる。
炭素質材料の(002)面の平均面間隔は、結晶完全性が高いほど小さな値を示し、理想的な黒鉛構造のそれは、0.3354nmの値を示し、構造が乱れるほどその値が増加する傾向がある。従って、平均面間隔は、炭素の構造を示す指標として有効である。
本発明の製造方法に用いる炭素質材料のX線回折法により測定した(002)面の平均面間隔は限定されるものではないが、好ましくは0.340〜0.400nmであり、更に好ましくは0.350nm以上0.400nm以下であり、特に好ましくは、0.355nm以上0.400である。0.340nm未満の炭素質材料はサイクル特性が悪くなることがある。
本発明の製造方法に用いるに用いる炭素質材料のc軸方向の結晶子厚みLc(002)は、限定されるものではないが、好ましくは0.5〜10.0nmである。Lc(002)の上限は、好ましくは8.0nm以下であり、より好ましくは5.0nm以下である。Lc(002)が10.0nmを超えると、リチウムのドープ、脱ドープに伴う体積膨張収縮が大きくなる。これにより、炭素構造を破壊し、リチウムのドープ、脱ドープが遮断され、繰り返し特性に劣ることがある。
比表面積は、窒素吸着によるBETの式から誘導された近似式で求めることができる。本発明の全固体電池用負極に用いる炭素質材料の比表面積は、限定されるものではないが、好ましくは0.5〜50m2/gである。BET比表面積の上限は、好ましくは45m2/g以下であり、より好ましくは40m2/g以下であり、更に好ましくは35m2/g以下である。BET比表面積の下限は、好ましくは1m2/g以上である。比表面積が、50m2/g以下を超えると固体電解質との分解反応が増加し、不可逆容量の増加に繋がり、従って電池性能が低下する可能性がある。また、BET比表面積が0.5m2/g未満であると、全固体電池の負極として用いた場合に、固体電解質との反応面積が低下することにより入出力特性が低下する可能性がある。
理想的な構造を有する黒鉛質材料の真密度が2.27g/cm3であり、結晶構造が乱れるに従い真密度が小さくなる傾向がある。従って、真密度は炭素の構造を表す指標として用いることができる。
本発明の全固体電池用負極に用いる炭素質材料の真密度は、1.30g/cm3〜2.10g/cm3である。真密度の上限は、好ましくは2.05g/cm3以下であり、より好ましくは2.00g/cm3以下である。真密度の下限は、好ましくは1.31g/cm3以上であり、より好ましくは1.32g/cm3以上であり、更に好ましくは1.33g/cm3以上である。更に、真密度の下限は1.40g/cm3以上であってもよい。真密度が2.10g/cm3を超える炭素質材料は、リチウムを格納できるサイズの細孔が少なくドープ及び脱ドープ容量が小さくなるため好ましくない。また、真密度の増加は炭素六角平面の選択的配向性を伴うため、リチウムのドープ・脱ドープ時に炭素質材料が膨張収縮を伴う場合が多いため好ましくない。一方、1.30g/cm3未満の炭素材料は、閉孔が多くなる場合があり、ドープ及び脱ドープ容量が小さくなることがあるので好ましくない。更に、電極密度が低下するため体積エネルギー密度の低下をもたらすので好ましくない。
なお、本明細書において、「難黒鉛化性炭素」とは、一般的には3000℃程度の超高温で熱処理しても黒鉛構造に変化しない非黒鉛質炭素の総称であるが、ここでは真密度が1.30g/cm3以上1.70g/cm3以下の炭素質材料を難黒鉛化性炭素と呼ぶ。
また本明細書において、「易黒鉛化性炭素」とは、一般的には2000℃以上の高温で熱処理することにより黒鉛構造に変化する非黒鉛質炭素の総称であるが、ここでは真密度が1.70g/cm3より大きく2.10g/cm3以下の炭素質材料を易黒鉛化性炭素と呼ぶ。
本発明の製造方法に用いる炭素質材料の平均粒子径(Dv50)は、1〜50μmである。平均粒子径の下限は、好ましくは1μm以上であり、更に好ましくは1.5μm以上であり、特に好ましくは2.0μm以上である。平均粒子径が1μm未満の場合、微粉が増加し比表面積が増加し、固体電解質との反応性が高くなり充電しても放電しない容量である不可逆容量が増加し、正極の容量が無駄になる割合が増加するため、好ましくない。平均粒子径の上限は、好ましくは40μm以下であり、更に好ましくは35μm以下である。平均粒子径が50μmを超えると、粒子内でのリチウムの拡散自由行程が増加するため、急速な充放電が困難となる。
本発明の全固体電池用負極に用いる炭素質材料は、限定されるものではないが、好ましくは、示差熱分析による燃焼ピークT(℃)とブタノール真密度ρBt(g/cm3)とが、下記式(1)
300≦T−100×ρBt≦650(1)
を満たす炭素質材料である。
燃焼ピークは、一般的に炭素質材料の炭素六角平面の大きさとそれらの三次元的な秩序性に応じて変化を示すものであり、一般的に炭素六角平面が大きく、また三次元的な秩序性が高いほど高温側にピークが現れる傾向にある。このような炭素質材料は、三次元的な秩序性が高いため、ブタノール法により測定した真密度ρBtも高い。例えば、炭素六角平面が大きく、面間隔0.3354nmを有する黒鉛材料は、800℃近くの燃焼ピーク温度を示す。このような炭素質材料は、リチウムのドープ、脱ドープの繰り返しによる結晶の膨張収縮による破壊が起きやすく、充放電の繰り返し性能が劣る。
一方で、一般的に炭素六角平面が小さく、また三次元的な秩序性が低いほど低温側にピークが現れる傾向にある。このような炭素質材料は、リチウムのドープ、脱ドープの繰り返しによる結晶の膨張収縮が黒鉛に比して小さく、高いサイクル耐久性を示す。しかしながら、過度に燃焼ピークが低温側に現れる場合、細孔量や細孔径が過度に大きく、比表面積が高いため、不可逆容量の増加を招き好ましくない。また、炭素質材料中の細孔量が大きいため、ブタノール法により測定した真密度ρBtが過度に低くなり、体積エネルギー密度の観点で好ましくない。
これらの燃焼ピークT及びブタノール法により測定した真密度ρBtと、結晶の膨張収縮が小さい炭素質材料との関係において、鋭意研究した結果、炭素質材料が300≦T−100×ρBt≦650の関係を満たす燃焼ピークTとブタノール法により測定した真密度ρBtを有する場合、結晶の膨張収縮が黒鉛に比して小さく、高いサイクル耐久性が期待できることがわかった。本発明の炭素質材料は、好ましくは305≦T−100×ρBt≦650、更に好ましくは310≦T−100×ρBt≦650を満たす燃焼ピークTとブタノール法により測定した真密度ρBtを有することである。また、本発明の炭素質材料のT−100×ρBtの下限は、430であってもよい。
本発明の全固体電池用負極電極の製造方法に用いる固体電解質材料は、リチウムイオン二次電池分野で使用されているものを限定することなく使用することができ、有機化合物、無機化合物、又はそれらの混合物からなる固体電解質材料を用いることができる。固体電解質材料はイオン伝導性および絶縁性を有しており、具体的には、ポリマー電解質(例えば真性ポリマー電解質)、硫化物固体電解質材料、又は酸化物固体電解質材料を挙げることができるが、硫化物固体電解質材料が好ましい。
真性ポリマー電解質としては、エチレンオキシド結合を有するポリマーやその架橋体やその共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート系ポリマーなどが挙げられ、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネートなどが挙げられる。
硫化物固体電解質材料としては、Li2Sと、Al2S3、SiS2、GeS2、P2S3、P2S5、As2S3、Sb2S3若しくはそれらの混合物との組み合わせを挙げることができる。すなわち、硫化物固体電解質材料として、Li2S−Al2S3材料、Li2S−SiS2材料、Li2S−GeS2材料、Li2S−P2S3材料、Li2S−P2S5材料、Li2S−As2S3材料、Li2S−Sb2S3材料、Li2S−材料を挙げることができ、特にはLi2S−P2S5材料が好ましい。更に、これらの固体電解質材料に、Li3PO4、ハロゲン、又はハロゲン化合物を添加して、固体電解質材料として用いることもできる。
酸化物固体電解質材料としては、ペロブスカイト型、NASICON型、又はガーネット型の構造を有する酸化物固体電解質材料が挙げられ、例えば、La0.51LiTiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、又はLi7La3Zr2O12などが挙げられる。
本発明の製造方法は、前記炭素質材料に固体電解質を被覆する工程を含む。炭素質材料と、固体電解質との体積比は、本発明の効果が得られる限りにおいて限定されるものではないが、20:80〜99:1であり、より好ましくは30:70〜97:3である。
本発明の製造方法は、前記固体電解質が被覆された炭素質材料を加圧成形する工程を含む。加圧成形の操作は、従来公知の方法を用いることができ、特に限定されるものではない。加圧成形の圧力は、特に限定されるものではないが、例えば0.5〜600MPaで行うことができ、好ましくは1.0〜600MPaであり、より好ましくは2.0〜600MPaである。
本発明の製造方法においては、前記工程(1)の被覆工程において、炭素質材料に固体電解質を被覆することによって、加圧成形後の炭素質材料の反発が抑制され、負極電極の変形率が少ない負極電極を得ることができる。本発明の製造方法において、負極電極の変形率が少ない負極電極を得ることができる理由について、完全には解明されていないが、以下のように考えることができる。しかしながら、本発明は以下の記載によって、限定されるものではない。
図1に示すように、本発明に用いる炭素質材料は粒子強度が高いため、炭素質材料と固体電解質とを用いて負極電極を作製する場合に、炭素質材料の粒子間で接点を持ち(ブリッジを組み)、加圧成形時に、垂直方向に反力が生じる(図1(ii))。この加圧による圧力が解放された場合、接点を形成する粒子群が反力を解放し安定な構造となろうとする。従って、荷重方向とは反対方向に変形し、電極厚みが大きくなる(図1(iii))。そして、炭素質材料と固体電解質との間で剥離が生じ、空隙を形成するため、入出力特性が悪化することも考えられる。
前記のように弾性率の異なる炭素質材料と固体電解質とを単純に混合したのみでは、電極内で、炭素質材料がブリッジを組んでしまい、固体電解質の炭素質材料粒子の間隙への回り込みが悪いと考えられる。一方、本発明の製造方法においては、炭素質材料粒子の表面に固体電解質が被覆されているため、炭素質材料がブリッジを組みにくく、粒子間隙に固体電解質が回り込みやすいと考えられる。これによって、加圧成形後の炭素質材料の反力が抑制される。また、炭素質材料よりも弾性率の低い固体電解質が、反力を緩和するため、電極変形率が改善されると考えられる。
本発明の全固体電池用負極電極は、前記製造方法により得られるものである。すなわち、本発明の全固体電池用負極電極は、ブタノール法により求めた真密度が1.30g/cm3〜2.10g/cm3である炭素質材料及び固体電解質を含む。具体的には、炭素質材料及び固体電解質としては、前記「[1]全固体電池用負極電極の製造方法」に記載の炭素質材料及び固体電解質を含むものである。
本発明の全固体電池用負極電極は、炭素質材料と固体電解質との間の剥離が少ない。従って、炭素質材料間の空隙がなく、入出力特性が向上する。
本発明の全固体電池は、前記全固体電池用負極電極を含むものである。より具体的には、負極活物質層、正極活物質層、及び固体電解質層を含み、負極活物質層として、本発明の全固体電池用負極電極を用いることができる。
負極活物質層は、前記全固体電池用負極電極を含むものである。すなわち、前記炭素質材料及び固体電解質材料を含むが、更に導電助剤、バインダー、又はその両方を含んでもよい。負極活物質層における、負極活物質層の全体積に対する炭素質材料の体積は、好ましくは20体積%〜80体積%であり、より好ましくは30体積%〜70体積%である。例えば、炭素質材料に固体電解質を体積比99:1で被覆した場合は、負極活物質層の全体積に対する炭素質材料の体積が20体積%〜80体積%となるように、固体電解質などを加えて、負極活物質層を形成することが好ましい。
負極活物質層は、本発明の効果が得られる限りにおいて、前記炭素質材料以外の負極材料を含むことができる。
負極活物質層は、通常集電体を有する。負極集電体としては、例えば、SUS、銅、ニッケル又はカーボンを用いることができ、中でも、Cu又はSUSが好ましい。
正極活物質層は、正極活物質及び固体電解材料を含み、更に導電助剤、バインダー、又はその両方を含んでもよい。正極活物質層における正極活物質と、固体電解質との混合比は、本発明の効果が得られる限りにおいて、限定されるものではなく、適宜決定することができる。
正極活物質層の調製方法は、特に限定されるものではないが、前記正極活物質、及び固体電解質材料、更に必要に応じて導電助剤及び/又はバインダーを混合して、加圧成形することにより、製造することができる。また、特定の溶媒に正極活物質、固体電解質材料、必要に応じて導電助剤及び/又はバインダーを混合し、スラリー状態としたものを塗工、乾燥し、その後加圧成形することでも製造できる。
正極活物質層は、通常集電体を有する。負極集電体としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボンを用いることができ、中でも、アルミニウム又はSUSが好ましい。
固体電解質層は、前記「[1]全固体電池用負極電極の製造方法」の項に記載の固体電解質を含むものである。
固体電解質層に対する固体電解質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば10体積%〜100体積%であり、好ましくは50体積%〜100体積%である。
固体電解質層の厚さも、特に限定されるものではないが、例えば0.1μm〜1000μmであり、好ましくは0.1μm〜300μmである。
固体電解質層の調製方法は、特に限定されるものではないが、気相法、又は加圧成形法によって、作製することができる。気相法としては、限定されるものではないが、真空蒸着法、パルスレーザデポジション法、レーザアブレーション法、イオンプレーティング法、又はスパッタリング法を挙げることができる。また、加圧成形法としては、固体電解質、更に必要に応じて導電助剤及び/又はバインダーを混合して、加圧成形することにより、製造することができる。また、特定の溶媒に固体電解質材料、必要に応じて導電助剤及び/又はバインダーを混合し、スラリー状態としたものを塗工、乾燥し、その後加圧成形することでも製造できる。
全固体電池の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の全固体電池の製造方法を用いることができる。例えば、負極活物質層として、本発明の全固体電池用負極電極、前記正極活物質層を構成する材料を混合したもの、及び前記固体電解質層を構成する材料を混合したものを圧縮成形することによって、全固体電池を得ることができる。圧縮成形の順番は、特に限定されないが、負極活物質層、固体電解質層、そして正極活物質層の順番、正極活物質層、固体電解質層、そして負極活物質層の順番、固体電解質層、負極活物質層、そして正極活物質層の順番、又は固体電解質層、正極活物質層、そして負極活物質層の順番を挙げることができる。また、固体電解質層に関しては、前記の通り気相法により、形成した後に、各層を圧縮成形することもできる。
なお、以下に本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料の物性値(「X線回折法による(002)面の平均面間隔d(002)及びc軸方向の結晶子厚みLc(002)」、「比表面積」、「ブタノール法により求めた真密度」、「レーザー回折法による平均粒子径」、及び「示差熱分析測定」)の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。
炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、PANalytical社製X’Pert PROを用いて、対称反射法にて測定した。走査範囲は8<2θ<50°で印加電流/印加電圧は45kV/40mAの条件で、Niフィルターにより単色化したCuKα線(λ=1.5418Å)を線源とし、X線回折図形を得た。回折図形の補正は、ローレンツ変更因子、吸収因子、及び原子散乱因子などの関する補正を行わず、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折線を用いて、回折角を補正した。CuKα線の波長を0.15418nmとし、Braggの公式d(002)=λ/2・sinθによりd(002)を計算した。また、(002)回折線のピークトップ法(ピークの広がりをピーク強度の半分の所に相当する2θ)により求められた半値幅からシリコン粉末の(111)回折線の半値幅を差し引いた値βより、Scherrerの式Lc(002)=Kλ/(β1/2・cosθ)によりc軸方向の結晶子の厚みLc(002)を計算した。ここでは形状因子K=0.9とし計算した。
JIS Z8830に定められた方法に準拠し、比表面積を測定した。概要を以下に記す。
BETの式から誘導された近似式vm=1/(v(1−x))を用いて液体窒素温度における、窒素吸着による1点法(相対圧力x=0.2)によりvmを求め、次式により試料の比表面積を計算した:比表面積=4.35×vm(m2/g)
(ここで、vmは試料表面に単分子層を形成するに必要な吸着量(cm3/g)、vは実測される吸着量(cm3/g)、xは相対圧力である。)
具体的には、MICROMERITICS社製「Flow Sorb II2300」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における炭素質物質への窒素の吸着量を測定した。
炭素材料を試料管に充填し、窒素ガスを20モル%濃度で含有するヘリウムガスを流しながら、試料管を−196℃に冷却し、炭素材に窒素を吸着させる。次に試験管を室温に戻す。このとき試料から脱離してくる窒素量を熱伝導度型検出器で測定し、吸着ガス量vとした。
JIS R7212に定められた方法に準拠し、ブタノールを用いて測定した。概要を以下に記す。
内容積約40mLの側管付比重びんの質量(m1)を正確に量る。次に、その底部に試料を約10mmの厚さになるように平らに入れた後、その質量(m2)を正確に量る。これに1−ブタノールを静かに加えて、底から20mm程度の深さにする。次に比重びんに軽い振動を加えて、大きな気泡の発生がなくなったのを確かめた後、真空デシケーター中に入れ、徐々に排気して2.0〜2.7kPaとする。その圧力に20分間以上保ち、気泡の発生が止まった後取り出して、更に1−ブタノールで満たし、栓をして恒温水槽(30±0.03℃に調節してあるもの)に15分間以上浸し、1−ブタノールの液面を標線に合わせる。次に、これを取り出して外部をよくぬぐって室温まで冷却した後、質量(m4)を正確に量る。次に同じ比重びんに1−ブタノールだけを満たし、前記と同じようにして恒温水槽に浸し、標線を合わせた後、質量(m3)を量る。また、使用直前に沸騰させて溶解した気体を除いた蒸留水を比重びんにとり、前と同様に恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m5)を量る。真密度(ρBt)は次の式により計算する。
試料約0.1gに対し、分散剤(カチオン系界面活性剤「SNウェット366」(サンノプコ社製))を3滴加え、試料に分散剤を馴染ませる。次に、純水30mLを加え、超音波洗浄機で約2分間分散させたのち、粒径分布測定器(島津製作所製「SALD−3000J」)で、粒径0.05〜3000μmの範囲の粒径分布を求めた。
得られた粒径分布から、累積容積が50%となる粒径をもって平均粒径Dv50(μm)とした。
島津製作所製DTG−60Hを使用し、乾燥空気気流下で示差熱分析を行った。分析条件は、試料2mg、100mL/minの空気気流下、昇温速度10℃/minで行った。示差熱曲線から発熱ピーク温度を読み取った。
軟化点205℃、H/C原子比0.65、キノリン不溶分0.4%の石油系ピッチ70kgと、ナフタレン30kgとを、撹拌翼及び出口ノズルのついた内容積300リットルの耐圧容器に仕込み、190℃で1〜2時間加熱溶融混合を行った。その後、加熱溶融混合した石油系ピッチを100℃程度まで冷却し、耐圧容器内を窒素ガスにより加圧して、内容物を出口ノズルから押し出すことで、直径約500μmの紐状成型体を得た。次いで、この紐状成型体を直径(D)と長さ(L)の比(L/D)が約1.5〜2.0になるように粉砕し、得られた粉砕物を93℃に加熱した0.53質量%のポリビニルアルコール(ケン化度88%)を溶解した水溶液中に投入し、攪拌分散し、冷却して球状ピッチ成型体スラリーを得た。大部分の水をろ過により取り除いた後に、球状ピッチ成型体の約6倍量の重量のn−ヘキサンでピッチ成型体中のナフタレンを抽出除去した。このようにして得た多孔性球状ピッチを、流動床を用いて、加熱空気を通じながら、260℃まで昇温し、260℃で1時間保持して酸化し、熱に対して不融性の多孔性球状酸化ピッチを得た。
次に、内径50mm、高さ900mmの縦型管状炉に酸化ピッチ100gを入れて、装置下部から常圧の窒素ガスを5NL/minの流量で流しながら550℃まで昇温し、550℃で1時間保持して仮焼成を実施し、炭素質前駆体を得た。得られた炭素質前駆体200gをジェットミル(ホソカワミクロン社AIR JET MILL;MODEL 100AFG)により、粉砕圧4.0kgf/cm2、ローターの回転数4500rpmで、20分間粉砕し、粉砕炭素質前駆体とした。なお、使用したジェットミルは、分級機を備えたものである。次に、粉砕炭素質前駆体10gを直径100mmの横型管状炉に入れ、250℃/hの昇温速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持して、本焼成を行い、炭素質材料1を調製した。なお、本焼成は、流量10L/minの窒素雰囲気下で行った。
得られた炭素質材料1の物性は、比表面積が2.9m2/g、平均粒子径が21.0μm、d(002)が0.386nm、Lc(002)が1.1nm、ρBtが1.52g/cm3、燃焼ピークTが654℃、T−100×ρBtが502である。
(1)フェノール樹脂の製造
オルトクレゾール108gにパラホルムアルデヒド32g、エチルセロソルブ242g及び硫酸10gを添加し115℃で3時間反応させたのち、炭酸水素ナトリウム17g及び水30gを加え反応液を中和した。得られた反応溶液は高速で撹拌した2リットルの水中投入しノボラック樹脂を得た。次に、ノボラック樹脂17.3gとヘキサミン2.0gを120℃で混練し、窒素ガス雰囲気中250℃で2時間加熱し硬化樹脂とした。
(2)炭素質材料の製造
得られた硬化樹脂を粗粉砕したのち、600℃で窒素雰囲気下(常圧)1時間仮焼成し、更にアルゴンガス雰囲気下(常圧)1200℃で1時間熱処理して炭素質材料を得た。得られた炭素質材料を、更に粉砕し、炭素質材料2を得た。
得られた炭素質材料2の物性は、比表面積が0.3m2/g、平均粒子径が22.8μm、d(002)が0.393nm、Lc(002)が1.1nm、ρBtが1.41g/cm3、燃焼ピークTが639℃、T−100×ρBtが498である。
多孔性球状ピッチの酸化において、加熱空気の温度を165℃とし、1時間保持したことを除いては、製造例1の操作を繰り返して炭素質材料3を得た。
得られた炭素質材料3の物性は、比表面積が3.9m2/g、平均粒子径が19.5μm、d(002)が0.357nm、Lc(002)が1.8nm、ρBtが1.97g/cm3、燃焼ピークTが748℃、T−100×ρBtが551である。
本実施例では、炭素質材料2に、固体電解質代替物として、ポリエチレングリコールをゾルゲル法により被覆し、全固体電池用負極電極を製造した。
具体的には、炭素質材料2とポリエチレングリコールを重量比で90:10、体積比84:16になるように秤量した。秤量したポリエチレングリコールを、10gのメタノールと水の混合溶媒に溶解させた。次に、炭素質材料2を溶媒中に分散させ、ロータリーエバポレータ−を用いて、メタノールを除去した。得られた粉末を、60℃、真空中で、8時間乾燥することにより負極電極1を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料2のみの物性を表1に示す。
炭素質材料2と、固体電解質代替物との重量比を70:30、体積比で65:35とした以外は、実施例1の操作を繰り返して、負極電極2を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料2のみの物性を表1に示す。
固体電解質代替物として臭化カリウム(KBr)を用い、そして炭素質材料として製造例1で得られた炭素質材料1を用いたこと、並びに炭素質材料1と固体電解質代替物との重量比を50:50、体積比で65:35とした以外は、実施例1の操作を繰り返して、負極電極3を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料1のみの物性を表2に示す。
本実施例では、製造例1で得た素質材料1に、固体電解質代替物としてKBrを、ボールミルを用いて混合し、全固体電池用負極電極を製造した。
具体的には、炭素質材料1とKBrを重量比で50:50、体積比で65:35になるように秤量した。容積12mLのジルコニアポットに、直径2mmのジルコニアボールを4mL分、投入した。次に、秤量した粉末を容器に入れ、ボールミル(FRITSCH社製P−6)を用いて、回転数600rpmで1時間混合して、負極電極4を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料1のみの物性を表2に示す。
ボールミルでの混合時間を3時間とした以外は、実施例4の操作を繰り返して、負極電極5を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料1のみの物性を表2に示す。
ボールミルでの混合時間を5時間とした以外は、実施例4の操作を繰り返して、負極電極6を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料1のみの物性を表2に示す。
本実施例では、製造例3で得た炭素質材料3を使用した以外は、実施例4の操作を繰り返して、負極電極7を得た。電極変形率、及び被覆処理後に被覆物を除去して得た炭素質材料3のみの物性を表3に示す。
本比較例では、製造例2で得た炭素質材料2に、固体電解質代替物として、ポリエチレングリコールをボールミルを用いて混合し、全固体電池用負極電極を製造した。
具体的には、炭素質材料2とポリエチレングリコールを重量比で90:10、体積比で84:16になるように秤量した。容積12mLのジルコニアポットに、直径2mmのジルコニアボールを4mL分、投入した。次に、秤量した粉末を容器に入れ、ボールミル(FRITSCH社製P−6)を用いて、回転数150rpmで20分混合して、比較負極電極1を得た。電極変形率、及び処理後に得られた炭素質材料2のみの物性を表1に示す。
炭素質材料2と、固体電解質代替物との重量比を70:30、体積比で65:35とした以外は、比較例1の操作を繰り返して、比較負極電極2を得た。電極変形率、及び処理後に得られた炭素質材料2のみの物性を表1に示す。
固体電解質代替物として、臭化カリウム(KBr)を用い、そして炭素質材料として製造例1で得られた炭素質材料1を用いたこと、並びに炭素質材料1と、固体電解質代替物との重量比を50:50、体積比で65:35とした以外は、比較例1の操作を繰り返して、比較負極電極3を得た。電極変形率、及び処理後に得られた炭素質材料1のみの物性を表2に示す。
炭素質材料に製造例3で得られた炭素質材料3を用いたこと、固体電解質代替物として、臭化カリウム(KBr)を用いたこと、並びに炭素質材料3と、固体電解質代替物との重量比を50:50、体積比で65:35とした以外は、比較例1の操作を繰り返して、比較負極電極4を得た。電極変形率、及び処理後に得られた炭素質材料3のみの物性を表3に示す。
φ10、高さ3cmの筒状容器に、試料0.65mL分を入れ、上部よりφ10の円柱上のロッドで加圧する。加圧は、0から400MPaまで加圧する。その際、400MPa加圧時のロッド上部までの高さをAとする。その後、圧力を徐々に開放し、0MPa時のロッド上部までの高さをBとする。電極変形率は、次の式で算出する。
電極変形率=[(B/A)×100]−100
以上、本発明を特定の態様に沿って説明したが、当業者に自明の変形や改良は本発明の範囲に含まれる。
Claims (6)
- (1)ブタノール法により求めた真密度が1.30g/cm3〜2.10g/cm3である炭素質材料に、固体電解質を被覆する工程、及び
(2)前記固体電解質被覆炭素質材料を加圧成形する工程
を含む全固体電池用負極電極の製造方法。 - 炭素質材料と、固体電解質との体積比が20:80〜99:1である、請求項1に記載の全固体電池用負極電極の製造方法。
- 前記炭素質材料が、粉末X線回折法により求められる(002)面の平均面間隔が0.340〜0.400nm、Lc(002)が0.5〜10nm、及び平均粒子径Dv50が1〜50μmである、請求項1又は2に記載の全固体電池用負極電極の製造方法。
- 前記炭素質材料が、示差熱分析による燃焼ピークT(℃)とブタノール真密度ρBt(g/cm3)とが、下記式(1)
300≦T−100×ρBt≦650 (1)
を満たす炭素質材料である請求項1〜3のいずれか一項に記載の全固体電池用負極電極の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法により得られる全固体電池用負極電極。
- 請求項5に記載の全固体電池用負極電極を含む全固体電池。
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