JP7516833B2 - Composite material, its manufacturing method, and all-solid-state lithium-ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、複合材料、その製造方法、前記複合材料を含む全固体型リチウムイオン二次電池用電極層および電極、ならびに、全固体型リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a composite material, a method for producing the same, an electrode layer and an electrode for an all-solid-state lithium-ion secondary battery that contain the composite material, and an all-solid-state lithium-ion secondary battery.
近年、ノートパソコン、携帯電話等の電子機器、および自動車等の輸送機器の電源として、リチウムイオン二次電池が普及してきた。これらの機器は、小型化、軽量化、薄型化の要求が高まっている。これらの要求に応えるべく、小型で軽量かつ高容量の二次電池が求められている。 In recent years, lithium-ion secondary batteries have become popular as power sources for electronic devices such as laptops and mobile phones, and for transportation equipment such as automobiles. There is an increasing demand for these devices to be smaller, lighter, and thinner. To meet these demands, there is a need for small, lightweight, and high-capacity secondary batteries.
一般的なリチウムイオン二次電池では、正極活物質としてリチウムを含む化合物、負極活物質として黒鉛、コークスを熱処理したもの等の炭素材料が用いられる。さらに、正極と負極との間には、炭酸プロピレン、炭酸エチレンなどの浸透力を有する非プロトン性の溶媒に、電解質としてLiPF6、LiBF4等のリチウム塩を溶解した電解液、またはその電解液を含浸させたポリマーゲルからなる電解質層が備えられている。これらの構成は、電池ケース用包装材により包装され保護される。 In a typical lithium-ion secondary battery, a compound containing lithium is used as the positive electrode active material, and a carbon material such as graphite or heat-treated coke is used as the negative electrode active material. In addition, between the positive electrode and the negative electrode, an electrolyte solution in which a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 is dissolved as an electrolyte in an aprotic solvent having a penetrating power such as propylene carbonate or ethylene carbonate, or an electrolyte layer made of a polymer gel impregnated with the electrolyte solution is provided. These components are packaged and protected by a packaging material for a battery case.
全固体型リチウムイオン二次電池では、正極層と負極層との間に固体電解質層がある。すなわち、上記の一般的なリチウムイオン二次電池の電解質を固体としたものである。固体電解質としては、Li2S、P2S5等の硫化物が代表的に用いられている。負極のための負極活物質としては、黒鉛等の炭素性材料が代表的に用いられている。 In the all-solid-state lithium ion secondary battery, there is a solid electrolyte layer between the positive electrode layer and the negative electrode layer. That is, the electrolyte of the general lithium ion secondary battery is made solid. As the solid electrolyte, sulfides such as Li2S and P2S5 are typically used. As the negative electrode active material for the negative electrode, carbonaceous materials such as graphite are typically used.
ここで、全固体型リチウムイオン電池の電極層は、電極活物質と固体電解質を混合して形成される。しかしながら、負極活物質や導電助剤、カーボンコーティングされた正極活物質に使用されるような炭素性材料は固体電解質との表面の親和性が低いため、これらを単に混合しただけの場合、炭素性材料と固体電解質とが均一に分散せず、容量やレート特性が低くなることが問題となっている。 Here, the electrode layer of an all-solid-state lithium-ion battery is formed by mixing an electrode active material and a solid electrolyte. However, carbonaceous materials such as those used in negative electrode active materials, conductive additives, and carbon-coated positive electrode active materials have low surface affinity with solid electrolytes, so if these are simply mixed together, the carbonaceous material and solid electrolyte do not disperse uniformly, resulting in poor capacity and rate characteristics.
本発明者らは、上記のような炭素性材料と固体電解質との分散性を改善するために、炭素性材料の表面を、固体電解質の表面と親和性のある金属酸化物で被覆するという着想を得た。 In order to improve the dispersibility of the carbonaceous material and the solid electrolyte as described above, the inventors came up with the idea of coating the surface of the carbonaceous material with a metal oxide that has an affinity for the surface of the solid electrolyte.
炭素性材料の表面を金属酸化物で被覆した例として、特許文献1では、炭素性材料等の負極活物質表面に、アルミニウム酸化物から構成される粒子状被覆部を備えることが開示されている。特許文献2では、黒鉛性材料粒子の表面の少なくとも一部を被覆するチタン含有酸化物層を含む負極を含む非水電解質二次電池が開示されている。特許文献3では、炭素繊維と複合酸化物粒子とを含有して成る複合材料が開示されている。また、特許文献4では、気相成長炭素繊維に金属酸化物の粒子が付着した親水性気相成長炭素繊維が開示されている。
As an example of coating the surface of a carbonaceous material with a metal oxide,
しかしながら、一般に金属酸化物は、イオン伝導性に優れる固体電解質と表面同士の親和性が高い一方で、電子伝導性には乏しいため、単に炭素性材料を金属酸化物で被覆すればよいというものでもない。特許文献1および2のいずれも炭素性材料の表面を金属酸化物で被覆した活物質を開示しているものの、このような観点からの検討はなされていない。特許文献3および4では、金属酸化物は粒子の形状であるため、固体電解質と混合した際には、金属酸化物粒子と固体電解質粒子の接触面積が小さく、イオン伝導径路が比較的少なくなる恐れがある。
However, while metal oxides generally have a high surface affinity with solid electrolytes, which have excellent ionic conductivity, they have poor electronic conductivity, so it is not enough to simply coat a carbonaceous material with a metal oxide. Although both
また、電極層を強く加圧して密着性を向上させることで容量やレート特性を改善する手法が用いられる場合もあるが、その場合、活物質が割れるなどによりサイクル特性が悪化するという問題が発生する。 In some cases, a method is used to improve capacity and rate characteristics by applying strong pressure to the electrode layer to improve adhesion, but this can cause problems such as cracking of the active material, resulting in a deterioration of cycle characteristics.
本発明の課題は、全固体型リチウムイオン二次電池の電極層(正極層および負極層のいずれか一方または両方)の成分として用いた場合に、正極層と固体電解質層と負極層とを低加圧により積層しても高容量と高出力特性を得ることができる、炭素材料と金属酸化物とを含む複合材料を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a composite material containing a carbon material and a metal oxide, which, when used as a component of the electrode layer (either or both of the positive electrode layer and the negative electrode layer) of an all-solid-state lithium-ion secondary battery, can provide high capacity and high output characteristics even when the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are laminated under low pressure.
本発明者らは、気相法炭素繊維の表面を金属酸化物層で海島状に被覆することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
[1] 気相法炭素繊維と、前記気相法炭素繊維の表面を海島状に被覆する金属酸化物層とを含み、前記金属酸化物層による前記気相法炭素繊維の被覆率が20%以上80%以下である複合材料。
[2] 前記気相法炭素繊維が黒鉛化処理されている前記[1]に記載の複合材料。
[3] 前記金属酸化物層の平均厚さが10nm以上である前記[1]または[2]のいずれか1項に記載の複合材料。
[4] 前記金属酸化物層を構成する金属酸化物が、前記気相法炭素繊維100質量部に対して、0.1質量部以上10質量部以下の量で含まれる前記[1]~[3]のいずれか1項に記載の複合材料。
[5] 前記金属酸化物層を構成する金属酸化物が、Li、Na、K、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Pt、Ru、Rh、Pd、Ag、Al、Ga、In、Tl、SnおよびPbから選ばれる金属の酸化物を含む前記[1]~[4]のいずれか1項に記載の複合材料。
[6] 前記金属酸化物層を構成する金属酸化物が、チタン酸リチウムおよびニオブ酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物を含む前記[1]~[5]のいずれか1項に記載の複合材料。
[7] BET比表面積が20.0m2/g以下であり、かつ、X線回折測定による(002)面の平均面間隔d002が0.3354nm以上0.3400nm未満である前記[1]~[6]のいずれか1項に記載の複合材料。
[8] 平均繊維径Dfaが100nm以上300nm以下である前記[1]~[7]のいずれか1項に記載の複合材料。
[9] 粒子状導電助剤、繊維状導電助剤および固体電解質粒子からなる群より選択される少なくとも1種をさらに含む前記[1]~[8]のいずれか1項に記載の複合材料。
[10] 前記[1]~[9]のいずれか1項に記載の複合材料、活物質および固体電解質を含む全固体型リチウムイオン二次電池用電極層。
[11] 前記[10]に記載の全固体型リチウムイオン二次電池用電極層と集電体を含む全固体型リチウムイオン二次電池用電極。
[12] 正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、前記正極および前記負極の間に形成された固体電解質層とを有する全固体型リチウムイオン二次電池であって、前記負極および前記正極のいずれか一方または両方が、前記[1]~[9]のいずれか1項に記載の複合材料を含有する全固体型リチウムイオン二次電池。
[13] 前記[1]~[9]のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法であって、
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
金属酸化物前駆体が付着した気相法炭素繊維を熱処理して金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。
[14] 前記[1]~[9]のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法であって、
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
ゾル-ゲル反応によって金属酸化物前駆体から金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。
[15] 前記前駆体溶液が、さらにリチウム化合物を含む前記[13]または[14]に記載の複合材料の製造方法。
The present inventors have found that the above problems can be solved by covering the surface of vapor-grown carbon fiber with a metal oxide layer in an islands-in-a-sea pattern, and have thus completed the present invention.
[1] A composite material comprising a vapor-grown carbon fiber and a metal oxide layer covering a surface of the vapor-grown carbon fiber in a sea-island pattern, wherein a coverage of the vapor-grown carbon fiber with the metal oxide layer is 20% or more and 80% or less.
[2] The composite material according to [1], wherein the vapor-grown carbon fiber is graphitized.
[3] The composite material according to any one of [1] or [2], wherein the metal oxide layer has an average thickness of 10 nm or more.
[4] The composite material according to any one of [1] to [3], wherein the metal oxide constituting the metal oxide layer is contained in an amount of 0.1 parts by mass or more and 10 parts by mass or less per 100 parts by mass of the vapor-grown carbon fiber.
[5] The composite material according to any one of [1] to [4], wherein the metal oxide constituting the metal oxide layer contains an oxide of a metal selected from Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Pt, Ru, Rh, Pd, Ag, Al, Ga, In, Tl, Sn, and Pb.
[6] The composite material according to any one of [1] to [5], wherein the metal oxide constituting the metal oxide layer contains at least one metal oxide selected from the group consisting of lithium titanate and lithium niobate.
[7] The composite material according to any one of [1] to [6] above, having a BET specific surface area of 20.0 m 2 /g or less and an average interplanar spacing d 002 of the (002) plane as determined by X-ray diffraction measurement of 0.3354 nm or more and less than 0.3400 nm.
[8] The composite material according to any one of [1] to [7], wherein the average fiber diameter D fa is 100 nm or more and 300 nm or less.
[9] The composite material according to any one of the above [1] to [8], further comprising at least one selected from the group consisting of a particulate conductive assistant, a fibrous conductive assistant, and solid electrolyte particles.
[10] An electrode layer for an all-solid-state lithium ion secondary battery, comprising the composite material according to any one of [1] to [9] above, an active material, and a solid electrolyte.
[11] An electrode for an all-solid-state lithium ion secondary battery, comprising the electrode layer for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to [10] above and a current collector.
[12] An all-solid-state lithium ion secondary battery having a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode and the negative electrode, wherein either or both of the negative electrode and the positive electrode contain the composite material according to any one of [1] to [9] above.
[13] A method for producing the composite material according to any one of [1] to [9] above, comprising the steps of:
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent;
spraying the precursor solution onto a vapor-grown carbon fiber in a fluidized state; and heat-treating the vapor-grown carbon fiber having the metal oxide precursor attached thereto to form a metal oxide layer.
[14] A method for producing the composite material according to any one of [1] to [9],
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent;
spraying the precursor solution onto a fluidized vapor-grown carbon fiber; and forming a metal oxide layer from the metal oxide precursor by a sol-gel reaction.
[15] The method for producing a composite material according to [13] or [14], wherein the precursor solution further contains a lithium compound.
全固体型リチウムイオン二次電池の電極層(正極層および負極層のいずれか一方または両方)の一成分として、本発明の一実施形態における複合材料を用いることにより、電極層中の活物質および固体電解質両方の分散性が向上し、正極層と固体電解質層と負極層とを低加圧により積層しても高容量と高出力特性を得ることができる。 By using the composite material of one embodiment of the present invention as one component of the electrode layer (either or both of the positive and negative electrode layers) of an all-solid-state lithium-ion secondary battery, the dispersibility of both the active material and the solid electrolyte in the electrode layer is improved, and high capacity and high output characteristics can be obtained even when the positive electrode layer, solid electrolyte layer, and negative electrode layer are laminated under low pressure.
以下、本発明の実施形態について説明する。
以下の説明において、「体積基準の累積粒度分布における50%粒子径」および「DpV50」は、レーザー回折・散乱法によって求めた体積基準の累積粒径分布において50%となる粒子径である。また、「平均繊維径Dfa」は、SEM画像から無作為に選択した1本の繊維状複合材料における10箇所の直径を画像認識ソフトにより測定し、その算術平均値を該1本の繊維状複合材料の繊維径とし、さらに、この繊維径の測定を合計で100本の繊維状複合材料について行い、得られた100本の繊維径を算術平均した値である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
In the following description, "50% particle size in cumulative volumetric particle size distribution" and "D pV50 " are particle sizes at 50% in cumulative volumetric particle size distribution determined by a laser diffraction/scattering method. Also, "average fiber diameter D fa " is a value obtained by measuring the diameters of 10 points in a single fibrous composite material randomly selected from an SEM image using image recognition software, taking the arithmetic mean value as the fiber diameter of the single fibrous composite material, and further measuring the fiber diameters of 100 fibrous composite materials in total, and taking the arithmetic mean value of the obtained 100 fiber diameters.
[1]複合材料
本発明の一実施形態に係る複合材料(以下「複合材料(I)」ともいう。)は、気相法炭素繊維と、前記気相法炭素繊維の表面を海島状に被覆する金属酸化物層とを含み、前記金属酸化物層による前記気相法炭素繊維の被覆率が20%以上80%以下である。
[1] Composite material A composite material according to one embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as "composite material (I)") comprises a vapor-grown carbon fiber and a metal oxide layer covering a surface of the vapor-grown carbon fiber in a sea-island pattern, and a coverage rate of the vapor-grown carbon fiber with the metal oxide layer is 20% or more and 80% or less.
図2は、複合材料(I)の構成の一例を示した模式断面図である。以下、複合材料(I)に関し、必要に応じて図2を参照しながら説明するが、各構成要素に付した符号については省略することがある。
複合材料(I)2は、気相法炭素繊維21と、気相法炭素繊維21の表面を海島状に被覆する金属酸化物層22とを含む。
Fig. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the composite material (I). Hereinafter, the composite material (I) will be described with reference to Fig. 2 as necessary, but the reference numerals attached to the respective components may be omitted.
The composite material (I) 2 includes a vapor-grown
複合材料(I)の表面は、気相法炭素繊維21が露出している部分と金属酸化物層22部分の両方を特定の割合で有する。すなわち、電子伝導性に優れる気相法炭素繊維21とイオン伝導性に優れる金属酸化物層22の両方が特定の割合で複合材料(I)の表面を構成している。ここで、黒鉛やカーボンコーティングされた正極活物質などの、炭素質の表面を持つ活物質と固体電解質と複合材料(I)を混合すると、それぞれの表面同士の親和性から、炭素質の表面を持つ活物質は複合材料の気相法炭素繊維21の表面に、固体電解質は複合材料の金属酸化物層22の表面によく配置される。これにより、複合材料、活物質および固体電解質のいずれについても良好な分散状態が達成される。結果として、前記活物質、固体電解質、複合材料(I)、さらに任意成分としての導電助剤とバインダーの混合物である電極層内では、均一に分散したリチウムイオンの移動径路および均一に分散した電子伝導径路を形成することができると考えられる。そのため、このような電極層を用いた全固体型リチウムイオン二次電池では、高い容量および良好なレート特性が得られる。
The surface of the composite material (I) has both the vapor-grown
金属酸化物層22は、気相法炭素繊維21の表面を被覆する層である。金属酸化物層22は気相法炭素繊維21の表面に島状に点在する海島構造を呈する。金属酸化物層22による被覆率は20%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは30%以上である。前記被覆率を20%以上とすることにより、複合材料(I)の表面近傍のイオン伝導径路を増大することができる。前記被覆率は80%以下、好ましくは70%以下、より好ましくは65%以下である。前記被覆率を80%以下とすることにより、複合材料(I)の表面近傍の電子伝導径路を十分に多く保つことができる。
The
気相法炭素繊維21の表面を金属酸化物層22が島状に被覆していることは、EDS,AES,ラマン分光分析等のマッピングによって確認することができる。
The fact that the surface of the vapor-grown
前記被覆率は、例えば、気相法炭素繊維21に対して、後述する金属酸化物前駆体の添加量や添加速度、雰囲気温度等の製造条件によって調節することができる。また、前記被覆率は走査型電子顕微鏡(SEM)像や組成分析像の二値化などから測定することができる。
The coverage can be adjusted by, for example, the manufacturing conditions such as the amount and rate of addition of the metal oxide precursor described below to the vapor-grown
複合材料(I)の金属酸化物層22の平均厚さは、好ましくは10nm以上、より好ましくは12nm以上、さらに好ましくは15nm以上である。平均厚さを10nm以上とすることにより化学的安定性と機械的強度を確保することができる。また、複合材料(I)の金属酸化物層22の平均厚さは、好ましくは75nm以下、より好ましくは50nm以下、さらに好ましくは20nm以下である。平均厚さを75nm以下とすることにより複合材料のサイズが必要以上に大きくなることを抑制でき、前記複合材料(I)を用いた全固体型リチウムイオン二次電池のリチウムイオン伝導性と電子導電性のバランスをとることができ、サイクル特性を向上させることできる。なお、金属酸化物層22の平均厚さは、実施例に記載の方法により測定することができる。
The average thickness of the
複合材料(I)において、気相法炭素繊維100質量部に対する金属酸化物層の含有量は、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは0.3質量部以上、さらに好ましくは0.5質量部以上である。金属酸化物層の含有量を0.1質量部以上とすることにより、複合材料(I)上で、固体電解質との親和性が高い領域を十分確保できるので、これらの間でのイオン伝導がスムーズに行われる。また、前記金属酸化物層の含有量は、好ましくは10質量部以下、より好ましくは5.5質量部以下、さらに好ましくは3.0質量部以下である。金属酸化物層の含有量を10質量部以下とすることにより、複合材料(I)中の気相法炭素繊維が十分に露出し、その部分を接点とした、複合材料間あるいは複合材料と活物質との間での電子伝導がスムーズに行われる。これらのことは、電子伝導については、例えば、電極層に対する四探針法などによる体積固有抵抗の測定などから、またイオン伝導については、例えば、電極層を白金などのブロッキング電極で挟み込んだ構成の電気化学セルの交流測定などから、明らかにすることができる。いずれも、これらの複合材料を用いない場合の測定値と比較することにより、電極層の見かけの電子伝導率や見かけのイオン伝導率の向上という形で確認することができる。電子伝導やイオン伝導がスムーズになることにより、それらのトータルとしてのセルの直流抵抗やレート特性といった電池特性も向上する。 In the composite material (I), the content of the metal oxide layer relative to 100 parts by mass of vapor-grown carbon fiber is preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 0.3 parts by mass or more, and even more preferably 0.5 parts by mass or more. By making the content of the metal oxide layer 0.1 parts by mass or more, it is possible to sufficiently secure an area on the composite material (I) that has a high affinity with the solid electrolyte, so that ion conduction between them is smoothly performed. In addition, the content of the metal oxide layer is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 5.5 parts by mass or less, and even more preferably 3.0 parts by mass or less. By making the content of the metal oxide layer 10 parts by mass or less, the vapor-grown carbon fiber in the composite material (I) is sufficiently exposed, and electronic conduction between the composite materials or between the composite material and the active material with the exposed part as a contact is smoothly performed. These things can be clarified, for example, by measuring the volume resistivity of the electrode layer by the four-probe method, and the ion conduction can be clarified, for example, by AC measurement of an electrochemical cell configured such that the electrode layer is sandwiched between blocking electrodes such as platinum. In either case, the improvement can be confirmed by comparing the apparent electronic conductivity and apparent ionic conductivity of the electrode layer with the measured values when these composite materials are not used. Smooth electronic and ionic conduction also improves the battery characteristics, such as the cell's DC resistance and rate characteristics, as a whole.
複合材料(I)のBET比表面積は、好ましくは3.0m2/g以上、より好ましくは4.0m2/g以上、さらに好ましくは5.0m2/g以上である。BET比表面積が3.0m2/g以上であると、複合材料(I)におけるリチウム挿入・脱離のための反応面積が十分に存在するため、レート特性が良くなる。また、複合材料(I)のBET比表面積は、好ましくは20.0m2/g以下、より好ましくは18.0m2/g以下、さらに好ましくは15.0m2/g以下、特に好ましくは10.0m2/g以下である。BET比表面積が20.0m2/g以下であると、複合材料(I)と固体電解質との反応(副反応)の面積が小さく保たれるため、初回クーロン効率が高くなる。BET比表面積は実施例に記載の方法により測定することができる。 The BET specific surface area of the composite material (I) is preferably 3.0 m 2 /g or more, more preferably 4.0 m 2 /g or more, and even more preferably 5.0 m 2 /g or more. When the BET specific surface area is 3.0 m 2 /g or more, the reaction area for lithium insertion and desorption in the composite material (I) is sufficient, so that the rate characteristics are improved. In addition, the BET specific surface area of the composite material (I) is preferably 20.0 m 2 /g or less, more preferably 18.0 m 2 /g or less, even more preferably 15.0 m 2 /g or less, and particularly preferably 10.0 m 2 /g or less. When the BET specific surface area is 20.0 m 2 /g or less, the area of the reaction (side reaction) between the composite material (I) and the solid electrolyte is kept small, so that the initial Coulomb efficiency is high. The BET specific surface area can be measured by the method described in the examples.
複合材料(I)のX線回折測定による、気相法炭素繊維に由来する(002)面の平均面間隔d002は0.3354nm以上が好ましい。0.3354nmは黒鉛結晶のd002の理論値であり、下限値でもある。また、前記d002は、黒鉛結晶組織が発達しすぎていない方が、膨張収縮が少なくサイクル特性に優れるという観点から、より好ましくは0.3356nm以上である。また、前記d002は、十分な結晶性を有し、よって良好な電子伝導性を得る観点、また副反応を抑制する観点から、好ましくは0.3400nm未満、より好ましくは0.3390nm以下、さらに好ましくは0.3380nm以下である。d002は粉末X線回折(XRD)法を用いて測定することができる。具体的な測定方法は実施例の項に記載されている。 The average interplanar spacing d 002 of the (002) plane derived from the vapor grown carbon fiber by X-ray diffraction measurement of the composite material (I) is preferably 0.3354 nm or more. 0.3354 nm is the theoretical value of d 002 of the graphite crystals, and is also the lower limit. In addition, the d 002 is more preferably 0.3356 nm or more from the viewpoint that the graphite crystal structure is not too developed, and therefore the expansion and contraction is small and the cycle characteristics are excellent. In addition, the d 002 is preferably less than 0.3400 nm, more preferably 0.3390 nm or less, and even more preferably 0.3380 nm or less from the viewpoint of having sufficient crystallinity and therefore obtaining good electronic conductivity, and from the viewpoint of suppressing side reactions. d 002 can be measured using a powder X-ray diffraction (XRD) method. A specific measurement method is described in the Examples section.
複合材料(I)の平均繊維径Dfaは、好ましくは100nm以上、より好ましく110nm以上、さらに好ましくは120nm以上である。前記Dfaを100nm以上とすることにより、複合材料(I)のハンドリング性が向上するほか、複合材料(I)を全固体型リチウムイオン二次電池の電極層の成分として固体電解質と混合して用いた場合には、電極層中の活物質および固体電解質両方の分散性が向上し、電池の容量およびレート特性が良好となる。また、前記Dfaは、好ましくは300nm以下、より好ましくは270nm以下、さらに好ましくは250nm以下である。前記Dfaを300nm以下とすることにより、複合材料(I)の比表面積が大きい状態を維持でき、複合材料(I)を全固体型リチウムイオン二次電池の電極層の成分として用いた場合に、電池の体積エネルギー密度が向上する。 The average fiber diameter D fa of the composite material (I) is preferably 100 nm or more, more preferably 110 nm or more, and even more preferably 120 nm or more. By making the D fa 100 nm or more, the handleability of the composite material (I) is improved, and when the composite material (I) is mixed with a solid electrolyte and used as a component of the electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, the dispersibility of both the active material and the solid electrolyte in the electrode layer is improved, and the capacity and rate characteristics of the battery are improved. In addition, the D fa is preferably 300 nm or less, more preferably 270 nm or less, and even more preferably 250 nm or less. By making the D fa 300 nm or less, the specific surface area of the composite material (I) can be maintained large, and when the composite material (I) is used as a component of the electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, the volumetric energy density of the battery is improved.
[2]気相法炭素繊維
複合材料(I)に含まれる気相法炭素繊維は、特に限定されず、公知の方法で製造されたものや市販の気相法炭素繊維(例えば、昭和電工(株)製の「VGCF(登録商標)」シリーズ)を用いることができる。
[2] Vapor-grown carbon fiber The vapor-grown carbon fiber contained in the composite material (I) is not particularly limited, and may be one produced by a known method or a commercially available vapor-grown carbon fiber (for example, the “VGCF (registered trademark)” series manufactured by Showa Denko K.K.).
気相法炭素繊維は、例えば、有機化合物を原料とし、触媒としての有機遷移金属化合物をキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し生成し、続いて熱処理することにより製造することができる(日本国特開昭60-54998号公報、日本国特許第2778434号公報等参照)。その繊維径は2~1000nm、好ましくは10~500nmであり、アスペクト比は好ましくは10~15000である。また、気相法炭素繊維に特異な構造として、黒鉛の六角網平面が同心円状に積層し、繊維の内部には長手方向に沿った中空部分が存在している、という構造がある。 Vapor-grown carbon fibers can be produced, for example, by using organic compounds as raw materials and introducing an organic transition metal compound as a catalyst together with a carrier gas into a high-temperature reactor, followed by heat treatment (see JP 60-54998 A, JP 2778434 A, etc.). The fiber diameter is 2-1000 nm, preferably 10-500 nm, and the aspect ratio is preferably 10-15000. Vapor-grown carbon fibers also have a unique structure in which hexagonal graphite mesh planes are stacked concentrically, with a hollow portion present inside the fiber along the longitudinal direction.
気相法炭素繊維の原料となる有機化合物としては、トルエン、ベンゼン、ナフタレン、エチレン、アセチレン、エタン、メタン、天然ガス、一酸化炭素等のガスおよびそれらの混合物が挙げられる。中でもトルエン、ベンゼン等の芳香族炭化水素が好ましい。 Organic compounds that are the raw material for vapor-grown carbon fiber include gases such as toluene, benzene, naphthalene, ethylene, acetylene, ethane, methane, natural gas, and carbon monoxide, as well as mixtures thereof. Among these, aromatic hydrocarbons such as toluene and benzene are preferred.
有機遷移金属化合物は、触媒となる遷移金属を含むものである。遷移金属としては、周期律表第IVa、Va、VIa、VIIa、VIII族の金属が挙げられる。有機遷移金属化合物としてはフェロセン、ニッケロセン等の化合物が好ましい。 Organotransition metal compounds contain transition metals that act as catalysts. Examples of transition metals include metals in groups IVa, Va, VIa, VIIa, and VIII of the periodic table. Preferred organic transition metal compounds are compounds such as ferrocene and nickelocene.
気相法炭素繊維としては、未処理のもの、焼成処理されたもの、および黒鉛化処理されたものを挙げることができるが、これらの中では黒鉛化処理されたものを用いることが好ましい。黒鉛化処理された気相法炭素繊維を用いれば、金属酸化物層を気相法炭素繊維の表面に海島状に良好に形成することができる。 Vapor-grown carbon fibers can be untreated, sintered, or graphitized, but it is preferable to use graphitized vapor-grown carbon fibers. If graphitized vapor-grown carbon fibers are used, a metal oxide layer can be well formed in an island-like pattern on the surface of the vapor-grown carbon fibers.
気相法炭素繊維の黒鉛化処理の方法としては、例えば、アルゴン雰囲気下、2800℃という条件で加熱処理する方法が挙げられる。黒鉛化処理された気相法炭素繊維は、XRDによるd002が0.3400nm未満である。 An example of a method for graphitizing the vapor grown carbon fiber is a method of heat treating the fiber under an argon atmosphere at 2800° C. The graphitized vapor grown carbon fiber has a d 002 measured by XRD of less than 0.3400 nm.
[3]金属酸化物層
複合材料(I)に含まれる金属酸化物層を構成する金属酸化物は、特に限定されないが、Li、Na、K、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Pt、Ru、Rh、Pd、Ag、Al、Ga、In、Tl、SnおよびPbから選ばれる金属の酸化物を含むことが好ましく、チタン酸リチウム(Li2TiO3、LiTiO2、Li4Ti5O12、LiTi2O4など)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)および酸化チタン(非晶質)の群から選ばれる少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。チタン酸リチウムおよびニオブ酸リチウムはリチウムイオン伝導性に優れるとともに、固体電解質との表面の親和性が高いためである。チタン酸リチウムが最も好ましい。
[3] Metal oxide layer The metal oxide constituting the metal oxide layer contained in the composite material (I) is not particularly limited, but preferably contains an oxide of a metal selected from Li, Na, K, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y , Zr, Nb, Mo, Pt, Ru , Rh, Pd, Ag, Al, Ga, In, Tl, Sn and Pb, and more preferably contains at least one selected from the group consisting of lithium titanate ( Li2TiO3 , LiTiO2 , Li4Ti5O12 , LiTi2O4 , etc.), lithium niobate ( LiNbO3 ) and titanium oxide ( amorphous ). This is because lithium titanate and lithium niobate have excellent lithium ion conductivity and high surface affinity with the solid electrolyte. Lithium titanate is most preferred.
[4]他の成分
複合材料(I)は、上述した気相法炭素繊維および金属酸化物層以外の他の成分、例えば、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤および固体電解質粒子からなる群より選択される少なくとも1種をさらに含んでもよい。
[4] Other Components The composite material (I) may further contain other components in addition to the above-mentioned vapor-grown carbon fiber and metal oxide layer, such as at least one selected from the group consisting of a particulate conductive assistant, a fibrous conductive assistant, and solid electrolyte particles.
粒子状導電助剤、繊維状導電助剤および固体電解質粒子は、金属酸化物層の表面に添着した構造であってもよいし、金属酸化物層に一部または全部が埋め込まれた構造であってもよい。 The particulate conductive assistant, fibrous conductive assistant, and solid electrolyte particles may be attached to the surface of the metal oxide layer, or may be partially or completely embedded in the metal oxide layer.
他の成分の含有量は、気相法炭素繊維100質量部に対して、0.1質量部以上5.0質量部以下が好ましい。 The content of other components is preferably 0.1 parts by mass or more and 5.0 parts by mass or less per 100 parts by mass of vapor-grown carbon fiber.
粒子状導電助剤としては、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックが挙げられる。複合材料(I)が粒子状導電助剤を含むことにより、複合材料(I)表面の電子伝導径路が増大する。
繊維状導電助剤としては、例えばカーボンナノチューブが挙げられる。複合材料(I)が繊維状導電助剤を含むことにより、複合材料(I)表面の電子伝導径路が増大する。
固体電解質粒子としては、例えば粒子状硫化物系固体電解質、粒子状酸化物系固体電解質が挙げられる。複合材料(I)が固体電解質粒子を含むことにより、電極層を調製する際に固体電解質の分散性が向上する。
他の成分を含む複合材料(I)は、例えば他の成分と複合材料(I)を遊星ボールミルで混合することにより、得ることができる。
Examples of the particulate conductive additive include carbon black, acetylene black, and ketjen black. When the composite material (I) contains the particulate conductive additive, the number of electron conduction paths on the surface of the composite material (I) is increased.
An example of the fibrous conductive additive is carbon nanotubes. When the composite material (I) contains the fibrous conductive additive, the number of electron conduction paths on the surface of the composite material (I) is increased.
Examples of the solid electrolyte particles include particulate sulfide-based solid electrolytes and particulate oxide-based solid electrolytes. When the composite material (I) contains the solid electrolyte particles, the dispersibility of the solid electrolyte is improved when preparing the electrode layer.
The composite material (I) containing other components can be obtained, for example, by mixing the other components and the composite material (I) in a planetary ball mill.
前記固体電解質粒子の体積基準の累積粒度分布における50%粒子径DpV50は10nm以上1μm以下が望ましい。DpV50は、レーザー回折式粒度分布測定装置を使用することで測定可能である。具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。 The solid electrolyte particles preferably have a 50% particle diameter D pV50 in a cumulative particle size distribution based on volume of 10 nm or more and 1 μm or less. D pV50 can be measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device. Specifically, it can be measured by the method described in the examples.
[5]金属酸化物層の含有量
複合材料に含まれる気相法炭素繊維の質量を炭素・硫黄分析装置を用いて測定し、複合材料の質量から差し引くことで金属酸化物の含有量を求めることができる。また、複合材料に他の成分が付着している場合は、別途、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP-AES)等により、金属元素の定量分析から、それぞれの含有量を求めることも可能である。
複合材料(I)が金属酸化物層と構成元素が一部同一の固体電解質を含む場合は、例えばTEM-EELS等で金属酸化物層の組成と固体電解質の組成をそれぞれ明らかにしておき、上記定量分析によって得られる各元素の含有量からそれぞれの含有量を決定することができる。
[5] Content of metal oxide layer The mass of vapor grown carbon fiber contained in the composite material is measured using a carbon/sulfur analyzer, and the mass is subtracted from the mass of the composite material to obtain the content of metal oxide. In addition, when other components are attached to the composite material, the content of each component can be obtained from a quantitative analysis of the metal elements by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) or the like.
When the composite material (I) contains a solid electrolyte having some of the same constituent elements as the metal oxide layer, the composition of the metal oxide layer and the composition of the solid electrolyte are each clarified by, for example, TEM-EELS, and the contents of each element can be determined from the contents of each element obtained by the above quantitative analysis.
[6]複合材料(I)の製造方法
以下、本発明の複合材料(I)の製造方法の実施形態を例示するが、本発明の複合材料(I)の製造方法は下記に限定されない。
[6] Production Method of Composite Material (I) Hereinafter, an embodiment of the production method of the composite material (I) of the present invention will be exemplified, but the production method of the composite material (I) of the present invention is not limited to the following.
本発明の一実施形態に係る複合材料(I)の製造方法は、金属アルコキシドおよび金属錯体(キレート錯体を含む)から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、流動状態にした炭素性材料に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および金属酸化物前駆体の付着した炭素性材料を熱処理して金属酸化物層を形成する工程を含む。 A method for producing a composite material (I) according to one embodiment of the present invention includes the steps of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from metal alkoxides and metal complexes (including chelate complexes) and a solvent, spraying the precursor solution onto a carbonaceous material in a fluidized state, and heat-treating the carbonaceous material to which the metal oxide precursor is attached to form a metal oxide layer.
本発明の他の一実施形態に係る複合材料(I)の製造方法は、金属アルコキシドおよび金属錯体(キレート錯体を含む)から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、流動状態にした炭素性材料に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、およびゾル-ゲル反応によって金属酸化物前駆体から金属酸化物層を形成する工程を含む。 A method for producing a composite material (I) according to another embodiment of the present invention includes the steps of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from metal alkoxides and metal complexes (including chelate complexes) and a solvent, spraying the precursor solution onto a carbonaceous material in a fluidized state, and forming a metal oxide layer from the metal oxide precursor by a sol-gel reaction.
金属酸化物前駆体は、金属アルコキシドおよび金属錯体(キレート錯体を含む)から選ばれる少なくとも一種であり、溶媒中に安定して溶解するものが好ましい。具体的にはオルトチタン酸テトライソプロピル、ニオブ(V)エトキシド、バナジウム(V)トリエトキシドオキシド、アルミニウムトリエトキシド、ジルコニウム(IV)エトキシドなどが挙げられる。 The metal oxide precursor is at least one selected from metal alkoxides and metal complexes (including chelate complexes), and is preferably one that dissolves stably in a solvent. Specific examples include tetraisopropyl orthotitanate, niobium (V) ethoxide, vanadium (V) triethoxide oxide, aluminum triethoxide, and zirconium (IV) ethoxide.
溶媒は水または有機溶媒から選択され、金属酸化物前駆体を溶解できるものであれば特に限定されないが、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等、極性の大きな有機溶媒が好ましい。また、有機溶媒は沸点が200℃以下のものが好ましい。 The solvent is selected from water or an organic solvent, and is not particularly limited as long as it can dissolve the metal oxide precursor, but organic solvents with high polarity, such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and butanol, are preferred. In addition, the organic solvent preferably has a boiling point of 200°C or less.
前駆体溶液はリチウム化合物をさらに含むことが好ましい。この場合、金属酸化物がリチウムを含む金属酸化物となり、リチウムイオン伝導性が高くなる。リチウム化合物としては例えば、メトキシリチウム、エトキシリチウム等が挙げられる。 The precursor solution preferably further contains a lithium compound. In this case, the metal oxide becomes a metal oxide containing lithium, and the lithium ion conductivity is increased. Examples of lithium compounds include methoxylithium and ethoxylithium.
前駆体溶液における金属酸化物前駆体の濃度は、海島構造を形成しやすくする観点から、好ましくは1質量%以上、より好ましくは5質量%以上、さらに好ましくは10質量%以上である。また、金属酸化物前駆体の濃度は、高すぎると金属酸化物前体層の厚さが75nm以下の層になりにくいため、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは35質量%以下である。 From the viewpoint of facilitating the formation of a sea-island structure, the concentration of the metal oxide precursor in the precursor solution is preferably 1% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and even more preferably 10% by mass or more. In addition, if the concentration of the metal oxide precursor is too high, it is difficult to form a metal oxide precursor layer having a thickness of 75 nm or less, so the concentration is preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, and even more preferably 35% by mass or less.
気相法炭素繊維を流動状態にする方法は特に限定されないが、転動流動層や旋回流動層を用いる方法が挙げられ、転動流動層を用いる方法が好ましい。転動流動層の装置としては、例えばパウレック社製のMPシリーズが挙げられる。 The method for fluidizing the vapor grown carbon fiber is not particularly limited, but examples include a method using a tumbling fluidized bed or a rotating fluidized bed, and a method using a tumbling fluidized bed is preferred. An example of a tumbling fluidized bed device is the MP series manufactured by Powrex Corporation.
転動流動層を用いる場合、給気温度は有機溶媒の沸点+5~20℃以上で運転することが好ましい。この範囲内とすることにより、厚さが75nm以下の金属酸化物前駆体層を形成しやすい。 When using a tumbling fluidized bed, it is preferable to operate the supply air temperature at 5 to 20°C above the boiling point of the organic solvent. By keeping it within this range, it is easy to form a metal oxide precursor layer with a thickness of 75 nm or less.
転動流動層を用いる場合、低湿雰囲気下で行うことが好ましい。低湿雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、または湿度25%以下の大気雰囲気等が挙げられる。 When using a rolling fluidized bed, it is preferable to carry out the process in a low humidity atmosphere. Examples of low humidity atmospheres include a nitrogen gas atmosphere, an argon gas atmosphere, or an air atmosphere with a humidity of 25% or less.
転動流動層の給気風量は限定されないが、気相法炭素繊維が完全に流動する条件が好ましい。 There are no limitations on the air supply volume to the tumbling fluidized bed, but conditions that allow the vapor-grown carbon fiber to flow completely are preferred.
前駆体溶液を気相法炭素繊維に噴霧する方法は特に限定されないが、例えばチューブポンプ、コンプレッサーおよびスプレーノズルを用いる方法が挙げられる。 The method for spraying the precursor solution onto the vapor grown carbon fiber is not particularly limited, but examples include methods using a tube pump, a compressor, and a spray nozzle.
前駆体溶液を噴霧後の気相法炭素繊維を熱処理することで金属酸化物層を形成することができる。また、ゾル-ゲル反応等により金属酸化物層を形成する場合は熱処理することなく金属酸化物層を形成することができる。
熱処理の条件は特に限定はないが、熱処理温度は200℃以上500℃以下が好ましい。昇温速度は10℃/h以上200℃/h以下が好ましい。最高温度の保持時間は1h以上5h以下が好ましい。降温速度は10℃/h以上300℃/h以下が好ましい。また、金属酸化物層に硫化物系固体電解質を含む場合は窒素ガス雰囲気下またはアルゴンガス雰囲気下で行うことが好ましい。
ゾル-ゲル反応の条件は、金属アルコキシド水溶液を用い、これを噴霧した際に加水分解が起き、酸化物粒子を生成させられれば特に限定されない。
The metal oxide layer can be formed by heat-treating the vapor-grown carbon fiber after spraying the precursor solution. When the metal oxide layer is formed by a sol-gel reaction or the like, the metal oxide layer can be formed without heat treatment.
The conditions for the heat treatment are not particularly limited, but the heat treatment temperature is preferably 200° C. or more and 500° C. or less. The heating rate is preferably 10° C./h or more and 200° C./h or less. The maximum temperature is preferably maintained for 1 h or more and 5 h or less. The heating rate is preferably 10° C./h or more and 300° C./h or less. In addition, when the metal oxide layer contains a sulfide-based solid electrolyte, the heat treatment is preferably performed in a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere.
The conditions for the sol-gel reaction are not particularly limited as long as an aqueous metal alkoxide solution is used, hydrolysis occurs when this solution is sprayed, and oxide particles are produced.
上述した粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子等の一部または全部が金属酸化物層に埋め込まれた構造とする場合は、前駆体溶液にこれらの成分を含ませて、次工程で気相法炭素繊維に噴霧することにより製造することができる。これら成分の配合量は、使用する気相法炭素繊維を100質量部としたとき0.1質量部以上10.0質量部以下が好ましい。 When a structure is to be formed in which the particulate conductive assistant, fibrous conductive assistant, solid electrolyte particles, etc., described above are partially or entirely embedded in the metal oxide layer, these components can be added to a precursor solution, which is then sprayed onto the vapor-grown carbon fiber in the next step. The blending amount of these components is preferably 0.1 parts by mass or more and 10.0 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the vapor-grown carbon fiber used.
これら成分の前駆体溶液中の分散性を向上させるために、界面活性剤等の分散剤を前駆体溶液中に配合してもよい。 To improve the dispersibility of these components in the precursor solution, a dispersant such as a surfactant may be added to the precursor solution.
また、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子等が金属酸化物層に添着された構造とする場合は、金属酸化物層形成後の複合材料の表面に前記成分を添着させることによっても製造できる。添着させる方法としては、撹拌混合造粒装置、スプレードライ等を用いる方法が挙げられる。撹拌混合造粒装置としてはパウレック社製のVGシリーズが挙げられる。添着量は複合材料中の気相法炭素繊維を100質量部としたとき0.1質量部以上10.0質量部以下が好ましい。 In addition, when a particulate conductive additive, a fibrous conductive additive, solid electrolyte particles, etc. are attached to the metal oxide layer, the composite material can be manufactured by attaching the above-mentioned components to the surface of the composite material after the metal oxide layer is formed. Methods for attachment include a method using a stirring/mixing granulator, a spray dryer, etc. Examples of stirring/mixing granulators include the VG series manufactured by Powrex Corporation. The amount of attachment is preferably 0.1 parts by mass or more and 10.0 parts by mass or less when the vapor-grown carbon fiber in the composite material is 100 parts by mass.
さらに、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子等を前駆体溶液に含ませる方法と添着させる方法を併用してもよく、さらに固体電解質層を表面に形成する方法も併用することもできる。これらを併用した場合でも、粒子状導電助剤、繊維状導電助剤、固体電解質粒子、固体電解質層等の合計量は、気相法炭素繊維を100質量部としたとき0.1質量部以上10.0質量部以下が好ましい。 Furthermore, the method of including particulate conductive assistant, fibrous conductive assistant, solid electrolyte particles, etc. in the precursor solution and the method of attaching them may be used in combination, and further, the method of forming a solid electrolyte layer on the surface may also be used in combination. Even when these methods are used in combination, the total amount of particulate conductive assistant, fibrous conductive assistant, solid electrolyte particles, solid electrolyte layer, etc. is preferably 0.1 parts by mass or more and 10.0 parts by mass or less when the vapor-grown carbon fiber is taken as 100 parts by mass.
[7]全固体型リチウムイオン二次電池
本発明の一実施形態に係る全固体型リチウムイオン二次電池(以下、単に「電池(II)」ともいう。)は、正極活物質を含有する正極と、負極活物質を含有する負極と、前記正極および前記負極の間に形成された固体電解質層とを有し、前記負極および前記正極のいずれか一方または両方が複合材料(I)を含有する。
[7] All-solid-state lithium-ion secondary battery An all-solid-state lithium-ion secondary battery according to one embodiment of the present invention (hereinafter, also simply referred to as "battery (II)") has a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode and the negative electrode, and either or both of the negative electrode and the positive electrode contain a composite material (I).
図1は、電池(II)の構成の一例を示した概略断面図である。以下、電池(II)に関し、必要に応じて図1を参照しながら説明するが、各構成要素に付した符号については省略することがある。
図1に示すように、全固体型リチウムイオン二次電池(II)1は、正極層112と、固体電解質層12と、負極層132とを備える。
Fig. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the battery (II). Hereinafter, the battery (II) will be described with reference to Fig. 1 as necessary, but the reference numerals attached to the respective components may be omitted.
As shown in FIG. 1 , the all-solid-state lithium ion secondary battery (II) 1 includes a
複合材料(I)を用いて電極層(正極層および負極層のいずれか一方または両方)を形成する場合、複合材料(I)と固体電解質の表面の親和性が高いことから、上記正極層112と固体電解質層12と負極層132とを積層して電池(II)を製造する際、1MPa(10kgf/cm2)以下の低圧で製造することができる。
When the composite material (I) is used to form an electrode layer (either or both of the positive electrode layer and the negative electrode layer), since the composite material (I) has a high affinity with the surface of the solid electrolyte, when the
正極11は、正極集電体111と正極層112とを有する。正極集電体111には、外部回路との電子の授受を行うための正極リード111aが接続されている。正極集電体111は、金属箔であることが好ましく、金属箔としては、アルミニウム箔を用いることが好ましい。
The
正極層112は、正極活物質および固体電解質を含み、さらに複合材料(I)、導電助剤、バインダー等を含んでもよい。正極活物質としては、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等の層状化合物、LiMn2O4等のスピネル型化合物、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCuPO4等のオリビン型化合物、Li2S等の硫化物等を使用することができる。また、これらの正極活物質はLTO(Lithium Tin Oxide)や炭素等でコーティングされていてもよい。
The
正極層112が複合材料(I)を含む場合、正極層112における複合材料(I)の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは1質量部以上、さらに好ましくは2質量部以上である。複合材料(I)の含有量が0.1質量部以上であることにより、正極活物質および固体電解質を正極層112内に均一に分布できる。また、正極層112における複合材料(I)の含有量は、好ましくは50質量部以下、より好ましくは40質量部以下、さらに好ましくは30質量部以下である。複合材料(I)の含有量が50質量部以下であることにより、正極活物質を電池ケースという限られた空間に必要量充填することができる。
When the
正極層112に含まれる固体電解質としては、後述する固体電解質層12で挙げられている材料を用いることができるが、固体電解質層12に含まれている材料と異なる材料を用いてもよい。正極層112における固体電解質の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは50質量部以上、より好ましくは70質量部以上、さらに好ましくは80質量部以上である。また、正極層112における固体電解質の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは200質量部以下、より好ましくは150質量部以下、さらに好ましくは125質量部以下である。
The solid electrolyte contained in the
正極層112に含まれていてもよい導電助剤としては、粒子状炭素質導電助剤または繊維状炭素質導電助剤が好ましい。粒子状炭素質導電助剤としては、デンカブラック(登録商標)(電気化学工業株式会社製)、ケッチェンブラック(ライオン株式会社製)、黒鉛微粉SFGシリーズ(Timcal社製)、グラフェン等の粒子状炭素を使用することができる。繊維状炭素質導電助剤としては、気相法炭素繊維(VGCF(登録商標)、VGCF(登録商標)-H(昭和電工株式会社製))、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を使用することができる。サイクル特性に優れることから気相法炭素繊維「VGCF(登録商標)-H」(昭和電工株式会社製)が最も好ましい。正極層112における導電助剤の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上、より好ましくは1質量部以上である。また、正極合材層112における導電助剤の含有量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは5質量部以下、より好ましくは3質量部以下である。
As the conductive assistant that may be contained in the
正極層112に含まれていてもよいバインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアセテート、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、スチレン-ブタジエンラバー、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。
Examples of binders that may be included in the
正極層112において、正極活物質100質量部に対するバインダーの含有量は、好ましくは0質量部以上10質量部以下、より好ましくは1質量部以上7質量部以下である。
In the
固体電解質層12は、正極層112と負極層132との間に介在し、正極層112と負極層132との間で、主にリチウムイオンによって電気が運ばれる相(イオン伝導相)である。固体電解質層12は、硫化物固体電解質および酸化物固体電解質からなる群から選ばれる少なくとも1つを含有することが好ましく、硫化物固体電解質を含有することがより好ましい。
The
硫化物固体電解質としては、硫化物ガラス、硫化物ガラスセラミックス、Thio-LISICON型硫化物などを挙げることができる。より具体的には、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-LiCl、Li2S-P2S5-LiBr、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(式中、m、nは正の数、ZはGe、Zn、Gaのいずれかを表す。)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(式中、x、yは正の数、MはP、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかを表す。)、Li10GeP2S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4、30Li2S・26B2S3・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P2S5、50LiS2・50GeS2、Li7P3S11、Li3.25P0.95S4、Li3PS4、Li2S・P2S3・P2S5等を挙げることができる。硫化物固体電解質材料は、非晶質であってもよく、結晶質であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。 Examples of sulfide solid electrolytes include sulfide glass, sulfide glass ceramics, and Thio-LISICON type sulfides. More specifically, for example, Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -LiCl, Li 2 S-P 2 S 5 -LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 - LiI, Li 2 S-SiS 2 - LiBr, Li 2 S-SiS 2 - LiCl, Li 2 S-SiS 2 - B 2 S 3 - LiI, Li 2 S-SiS 2 - P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n (wherein m and n are positive numbers, and Z represents any one of Ge, Zn, and Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (wherein x and y are positive numbers, and M represents any one of P, Si, Ge, B, Al, Ga, and In), Li 10 GeP 2 S 12 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , 30 Li 2 S.26 B 2 S 3.44 LiI, 63 Li 2 S.36 SiS Examples of the sulfide solid electrolyte material include 2 · 1Li3PO4 , 57Li2S · 38SiS2 · 5Li4SiO4 , 70Li2S · 30P2S5 , 50LiS2 · 50GeS2 , Li7P3S11 , Li3.25P0.95S4 , Li3PS4 , Li2S · P2S3 · P2S5 , etc. The sulfide solid electrolyte material may be amorphous , crystalline , or glass ceramics.
酸化物固体電解質としては、ペロブスカイト型、ガーネット型、LISICON型の酸化物が挙げられる。より具体的には、例えば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li7La3Zr2O12、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.3N0.46(LIPON)、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3等を挙げることができる。酸化物固体電解質材料は、非晶質であってもよく、結晶質であってもよく、ガラスセラミックスであってもよい。 Examples of oxide solid electrolytes include perovskite-type, garnet-type, and LISICON-type oxides. More specifically , for example, La0.51Li0.34TiO2.94 , Li1.3Al0.3Ti1.7 ( PO4 ) 3 , Li7La3Zr2O12 , 50Li4SiO4.50Li3BO3 , Li2.9PO3.3N0.46 ( LIPON ) , Li3.6Si0.6P0.4O4 , Li1.07Al0.69Ti1.46 ( PO4 ) 3 , Li1.5Al0.5Ge1.5 ( PO4 ) 3 , etc. can be mentioned . The oxide solid electrolyte material may be amorphous, crystalline, or glass ceramics.
負極13は、負極集電体131と負極層132とを有する。負極集電体131には、外部回路と電子の授受を行うための負極リード131aが接続されている。負極集電体131は、金属箔であることが好ましく、金属箔としては、ステンレス箔、銅箔またはアルミニウム箔を用いることが好ましい。集電体の表面はカーボン等でコーティングされていてもよい。
The
負極層132は、負極活物質および固体電解質を含み、さらに複合材料(I)、バインダーおよび導電助剤等を含んでもよい。負極活物質としては、特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池の負極活物質として一般に用いられる黒鉛等の炭素性材料が挙げられる。前記炭素性材料としては、例えば、球状天然黒鉛や人造黒鉛が好ましい。
The
負極層132に含まれる固体電解質としては、固体電解質層12で挙げられている材料を用いることができるが、固体電解質層12に含まれる固体電解質あるいは正極層112に含まれている固体電解質と異なる材料を用いてもよい。負極層132における固体電解質の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは50質量部以上、より好ましくは70質量部以上、さらに好ましくは80質量部以上である。また、負極合材層132における固体電解質の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは200質量部以下、より好ましくは150質量部以下、さらに好ましくは125質量部以下である。
The solid electrolyte contained in the
負極層132に含まれていてもよい導電助剤としては、正極層112の説明で挙げられた導電助剤を用いることができるが、正極層112に含まれる導電助剤と異なる材料を用いてもよい。負極層132における導電助剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上、より好ましくは1質量部以上である。また、負極層132における導電助剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは5質量部以下、より好ましくは3質量部以下である。
The conductive assistant mentioned in the description of the
バインダーは、例えば、正極層112の説明で挙げた材料を用いることができるが、これらに限られない。負極層132において、負極活物質100質量部に対するバインダーの含有量は、0質量部以上10質量部以下であることが好ましく、0質量部以上5質量部以下であることがより好ましい。
For example, the binder may be the materials mentioned in the description of the
[8]その他の用途
上述のように、本発明に係る複合材料(I)は全固体型リチウムイオン二次電池の電極層に好適に用いられるが、それ以外にも、例えば液体型リチウムイオン二次電池用電極層、リチウムイオン二次電池用電極ペースト、リチウムイオン二次電池用集電体のコーティング材料、燃料電池における触媒層およびガス拡散層用材料、レドックスフロー電池用電極、強化材料用フィラー、熱伝導材料用フィラー、電子伝導材料用フィラーなどの用途にも好適に用いることができる。また、強磁性体、超伝導体、耐摩耗部材、ディスプレイなどの用途にも好適に用いることができる。
[8] Other Applications As described above, the composite material (I) according to the present invention is suitably used for the electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, but it can also be suitably used for applications such as, for example, an electrode layer for a liquid type lithium ion secondary battery, an electrode paste for a lithium ion secondary battery, a coating material for a current collector for a lithium ion secondary battery, a material for a catalyst layer and a gas diffusion layer in a fuel cell, an electrode for a redox flow battery, a filler for a reinforcing material, a filler for a thermally conductive material, a filler for an electronically conductive material, etc. It can also be suitably used for applications such as a ferromagnetic material, a superconductor, an abrasion-resistant member, and a display.
以下、本発明の実施例および比較例について説明するが、これらは本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施例および比較例の複合材料の評価方法、電池の作製方法、電池の特性の測定方法、および各例で用いた原料は以下の通りである。
Examples and comparative examples of the present invention will be described below, but they are not intended to limit the technical scope of the present invention.
The methods for evaluating the composite materials in the examples and comparative examples, the methods for preparing the batteries, the methods for measuring the battery characteristics, and the raw materials used in each example are as follows.
[1]複合材料の評価
[1-1]BET比表面積
BET比表面積測定装置としてカンタクローム(Quantachrome)社製NOVA2200e(登録商標)を用い、サンプルセル(9mm×135mm)に3gのサンプルを入れ、300℃、真空条件下で1時間乾燥後、測定を行った。BET比表面積測定用のガスとしてN2を用いた。
[1] Evaluation of composite materials [1-1] BET specific surface area A NOVA2200e (registered trademark) manufactured by Quantachrome was used as a BET specific surface area measuring device, and 3 g of a sample was placed in a sample cell (9 mm x 135 mm) and dried for 1 hour under vacuum conditions at 300° C., after which measurements were performed. N2 was used as the gas for measuring the BET specific surface area.
[1-2]50%粒子径(DpV50)
レーザー回折式粒度分布測定装置としてマルバーン製マスターサイザー3000(Mastersizer;登録商標)を用い、5mgのサンプルを容器に入れ、界面活性剤が0.04質量%含まれた水を10g加えて5分間超音波処理を行った後に測定を行い、体積基準累積粒度分布における50%粒子径(DpV50)を得た。
[1-2] 50% particle size (D pV50 )
A Malvern Mastersizer 3000 (registered trademark) laser diffraction particle size distribution measuring device was used. 5 mg of the sample was placed in a container, 10 g of water containing 0.04 mass% of a surfactant was added, and the sample was subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes. Then, measurement was performed to obtain the 50% particle diameter (D pV50 ) in the volume-based cumulative particle size distribution.
[1-3]面間隔d002
気相法炭素繊維と標準シリコン(NIST製)が9対1の質量比になるように混ぜた混合物をガラス製試料板(試料板窓18×20mm、深さ0.2mm)に充填し、以下のような条件で測定を行った。
XRD装置:リガク製SmartLab(登録商標)
・X線種:Cu-Kα線
・Kβ線除去方法:Niフィルター
・X線出力:45kV、200mA
・測定範囲:24.0~30.0deg.
・スキャンスピード:2.0deg./min
得られた波形に対し、学振法を適用し面間隔d002の値を求めた(Iwashita et al., Carbon, vol.42(2004), p.701-714参照)。なお、以下の実施例および比較例では、気相法炭素繊維を金属酸化物でコーティングしても、すなわち複合材料を形成しても、面間隔d002は変化しない。
[1-3] Surface spacing d 002
A mixture of vapor grown carbon fiber and standard silicon (manufactured by NIST) in a mass ratio of 9:1 was filled into a glass sample plate (sample plate window 18 x 20 mm, depth 0.2 mm), and the following was performed: The measurements were carried out under the following conditions.
XRD device: Rigaku SmartLab (registered trademark)
・X-ray type: Cu-Kα ray ・Kβ ray removal method: Ni filter ・X-ray output: 45 kV, 200 mA
・Measurement range: 24.0 to 30.0 deg.
Scan speed: 2.0 deg./min
The interplanar spacing d 002 was calculated by applying the Gakushin method to the obtained waveform (see Iwashita et al., Carbon, vol. 42 (2004), pp. 701-714). In the examples and comparative examples, the lattice spacing d 002 does not change even when the vapor grown carbon fiber is coated with a metal oxide, i.e., when a composite material is formed.
[1-4]金属酸化物層の平均厚さ
金属酸化物層22の平均厚さtは以下の方法で求めた。
(1)透過型電子顕微鏡(TEM)で観察される複合材料の中から1つの複合材料A1をランダムに抽出する。
(2)抽出された複合材料A1において、金属酸化物層22が形成されている部分をランダムに1箇所選び、選ばれた部分の金属酸化物層22の厚さt1を測定する。厚さt1は、気相法炭素繊維21の表面に垂直な線と気相法炭素繊維21の表面との交点x1、およびこの垂直な線と金属酸化物層22の外周との交点x2を求め、求めた交点x1とx2との間の距離を測定することにより求める。
(3)前記の(1)および(2)を50回繰り返す。すなわち、TEMで観察される複合材料の中からランダムに抽出される50個の複合材料A1~A50において測定される金属酸化物層22の厚さt1~t50を測定する。なお、ランダムに抽出される複合材料A1~A50はいずれも互いに重複しない。
(4)得られた値t1~t50の算術平均値を金属酸化物層22の平均厚さtとする。
[1-4] Average Thickness of Metal Oxide Layer The average thickness t of the
(1) One composite material A1 is randomly selected from the composite materials observed under a transmission electron microscope (TEM).
(2) In the extracted composite material A1, one portion where
(3) The above steps (1) and (2) are repeated 50 times. That is, thicknesses t1 to t50 of the
(4) The arithmetic mean value of the obtained values t1 to t50 is set as the average thickness t of the
TEMにより複合材料を観察し、金属酸化物層が炭素繊維に付着していることを確認した。 The composite material was observed using a TEM and it was confirmed that a metal oxide layer was attached to the carbon fiber.
[1-5]被覆層の含有量
複合材料に含まれる気相法炭素繊維の質量を堀場製作所製の炭素・硫黄分析装置EMIA(登録商標)-320Vを用いて測定し、複合材料の質量から差し引くことで金属酸化物の含有量を求めた。
[1-5] Content of Coating Layer The mass of the vapor-grown carbon fiber contained in the composite material was measured using a carbon/sulfur analyzer EMIA (registered trademark)-320V manufactured by HORIBA, Ltd., and the mass was subtracted from the mass of the composite material to determine the content of metal oxide.
[1-6]金属酸化物層による被覆率
被覆率はSEM像から得られる二値化像から算出した。白い領域が金属酸化物層となるように調整した。
被覆率=白い領域の合計の面積/粒子全体の面積×100[%]
本明細書において、『被覆率』とは、上記のように、SEM像の二値化から、上式を用いて算出されるものと定義する。
[1-6] Coverage rate by metal oxide layer The coverage rate was calculated from a binarized image obtained from a SEM image. The white area was adjusted to be the metal oxide layer.
Coverage rate = total area of white areas / total area of particles x 100 [%]
In this specification, the "coverage rate" is defined as being calculated using the above formula from the binarization of the SEM image, as described above.
具体的な方法は以下の通り。SEMにて複合材料一本の全体が映るように調整し、画像を取得した。その際にオートコントラストを使用した。取得したSEM像をPhotoshop(Adobe製)で開き、「イメージ/モード/グレースケール」を選択し、次いで「イメージ/色調補正/平均化(イコライズ)」を実施した。さらに「イメージ/色調補正/2階調化」を選択し、しきい値を110にして実行した。「クイック選択ツール」を選択し、「自動調整」にチェックし、「硬さ」を100%、「間隔」を25%に設定し、「直径」は任意に調整した。複合材料全体を選択し、「イメージ/解析/計測値を記録」を選択し面積を算出した。その後、白い領域(1つのドメインと認識されるもの)を選択し、同様に面積を測定した。複数の領域がある場合はすべての領域を一つずつ測定した。すべての白い領域の合計面積を算出した。ここで、1つのドメインと認識される範囲の境界は白い領域の幅が0.1μm以下になったところとした。ランダムに抽出した50個の複合材料に関して上記測定を行い、その平均値を被覆率とした。なお、「クイック選択ツール」を選択する前に「イメージ/解析/計測スケールを設定/カスタム」を選択し、SEM像のスケールバーの値をピクセル換算しておく。ただし、SEM像の二値化による被覆率の算出は他のソフトを用いてもよく、また組成分析像などから求めてもよい。 The specific method is as follows. The SEM was adjusted so that the entire composite material was captured, and an image was acquired. Auto contrast was used at that time. The acquired SEM image was opened in Photoshop (made by Adobe), "Image / Mode / Grayscale" was selected, and then "Image / Color Correction / Equalize" was performed. Furthermore, "Image / Color Correction / Two-tone" was selected, and the threshold was set to 110. "Quick Selection Tool" was selected, "Auto Adjustment" was checked, "Hardness" was set to 100%, "Spacing" was set to 25%, and "Diameter" was adjusted arbitrarily. The entire composite material was selected, and "Image / Analysis / Record Measurement Value" was selected to calculate the area. After that, a white area (recognized as one domain) was selected, and the area was measured in the same manner. If there were multiple areas, all of the areas were measured one by one. The total area of all the white areas was calculated. Here, the boundary of the range recognized as one domain was set to the point where the width of the white area was 0.1 μm or less. The above measurements were carried out on 50 randomly selected composite materials, and the average value was taken as the coverage rate. Before selecting the "Quick Selection Tool", select "Image/Analysis/Set Measurement Scale/Custom" and convert the value of the scale bar on the SEM image into pixels. However, the coverage rate can be calculated by binarizing the SEM image using other software, or it can be calculated from a composition analysis image, etc.
[2]電池の作製
以下、実施例および比較例で得られた複合材料を用いた電池の作製方法について説明する。ここで作製する電池の各構成について、図1に示された参照符号が付された構成に対応するものは、その対応する構成の参照符号を付して説明する。
[2] Battery Fabrication Hereinafter, a method for fabricating a battery using the composite materials obtained in the Examples and Comparative Examples will be described. Each component of the battery fabricated here will be described with the reference numerals of the corresponding components in FIG.
[2-1]固体電解質層12の準備
アルゴンガス雰囲気下で出発原料のLi2S(日本化学工業株式会社製)とP2S5(シグマアルドリッチジャパン合同会社製)を75:25のモル比率で秤量して混ぜ合わせ、遊星型ボールミル(P-5型、フリッチュ・ジャパン株式会社製)およびジルコニアボール(10mmφ7個、3mmφ10個)を用いて20時間メカニカルミリング(回転数400rpm)することにより、DpV50が0.3μmのLi3PS4の非晶質固体電解質を得た。
得られた非晶質固体電解質を、内径10mmφのポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて、一軸プレス成形機によりプレス成形を行うことで、厚さ960μmのシートとして固体電解質層12を準備した。
[2-1] Preparation of
The obtained amorphous solid electrolyte was press-molded by a uniaxial press molding machine using a polyethylene die with an inner diameter of 10 mm and a SUS punch to prepare a
[2-2]負極層132の準備
実施例および比較例で得られた複合材料3質量部と、中国製人造黒鉛(DpV50:12μm、BET:1.8m2/g)48.5質量部と、固体電解質(Li3PS4、DpV50:8μm)48.5質量部とを混合した。この混合物を、遊星型ボールミルを用いて100rpmで1時間ミリング処理することにより均一化した。均一化された混合物を、内径10mmφポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて一軸プレス成形機により400MPaでプレス成形して、厚さ65μmのシートとして負極層132を準備した。
[2-2] Preparation of the
[2-3]正極層112の準備
実施例および比較例で得られた複合材料3質量部と、正極活物質LiCoO2(日本化学工業株式会社製、DpV50:10μm)55質量部と、固体電解質(Li3PS4、DpV50:8μm)42質量部とを混合した。この混合物を、遊星型ボールミルを用いて100rpmで1時間ミリング処理することにより均一化した。均一化された混合物を、内径10mmφポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて一軸プレス成形機により400MPaでプレス成形して、厚さ65μmのシートとして正極層112を準備した。
[2-3] Preparation of the
[2-4]全固体型リチウムイオン二次電池1の組み立て
内径10mmφポリエチレン製ダイの中に、上記で得られた負極層132、固体電解質層12、正極層112の順に積層し、負極層132側および正極層112側の両側からSUS製のパンチで100MPaの圧力で挟み、負極層132、固体電解質層12、および正極層112を接合して積層体Aを得た。
得られた積層体Aを一旦ダイから取り出し、上記ダイの中に、下から負極リード131a、銅箔(負極集電体131)、負極層132を下側に向けた積層体A、アルミニウム箔(正極集電体111)、正極リード111aの順に重ねて、負極リード131a側および正極リード111a側の両側からSUS製のパンチで1MPaの圧力で挟み、負極リード131a、銅箔、積層体A、アルミニウム箔、および正極リード111aを接合して全固体型リチウムイオン二次電池1を得た。
[2-4] Assembly of All-Solid-State Lithium-Ion
The obtained laminate A was once removed from the die, and the
[3]電池の評価
以下の電池評価はすべて25℃の大気中で行った。
[3] Battery Evaluation All of the following battery evaluations were carried out in the air at 25° C.
[3-1]クーロン効率の測定
上記の通り作製された全固体型リチウムイオン二次電池1に対し、レストポテンシャルから4.2Vになるまで1.25mA(0.05C)で定電流充電を行った。続いて4.2Vの一定電圧で40時間の定電圧充電を行った。定電流、定電圧による充電容量の和(単位:mAh)を初回充電容量Qc1とした。
次に、1.25mA(0.05C)で2.75Vになるまで定電流放電を行った。定電流放電による放電容量(単位:mAh)を初回放電容量Qd1とする。初回放電容量Qd1(mAh)を正極層中の活物質の質量で割った値を初回放電比容量(単位:mAh/g)とした。
また、初回充電容量Qc1に対する初回放電容量Qd1を百分率で表した数値、100×Qd1/Qc1を初回クーロン効率(%)とした。
[3-1] Measurement of Coulombic Efficiency The all-solid-state lithium ion
Next, constant current discharge was performed at 1.25 mA (0.05 C) until the voltage reached 2.75 V. The discharge capacity (unit: mAh) by constant current discharge was designated as the initial discharge capacity Qd1 . The value obtained by dividing the initial discharge capacity Qd1 (mAh) by the mass of the active material in the positive electrode layer was designated as the initial discharge specific capacity (unit: mAh/g).
The initial discharge capacity Q d1 relative to the initial charge capacity Q c1 was expressed as a percentage, ie, 100×Q d1 /Q c1 , which was defined as the initial coulomb efficiency (%).
[3-2]3Cレート容量維持率の評価
上記と同様の手順で充電した後、2.5mA(0.1C)で2.75Vになるまで定電流放電して測定される放電容量Q2.5d(単位:mAh)を測定した。上記と同様の手順で充電した後、75mA(3.0C)で2.75Vになるまで定電流放電して測定される放電容量Q75d(単位:mAh)を測定した。100×Q75d/Q2.5dを3Cレート容量維持率(%)とした。
[3-2] Evaluation of 3C rate capacity retention rate After charging in the same manner as above, the battery was discharged at a constant current of 2.5 mA (0.1 C) until the voltage reached 2.75 V, and the discharge capacity Q 2.5d (unit: mAh) was measured. After charging in the same manner as above, the battery was discharged at a constant current of 75 mA (3.0 C) until the voltage reached 2.75 V, and the discharge capacity Q 75d (unit: mAh) was measured. 100×Q 75d /Q 2.5d was defined as the 3C rate capacity retention rate (%).
[3-3]100サイクル容量維持率の評価
充電は4.2Vになるまで5.0mA(0.2C)の定電流で行い、続いて4.2Vの定電圧で、電流値が1.25mA(0.05C)に減少するまで定電圧充電を行った。放電は25mA(1.0C)の定電流で、電圧が2.75Vになるまで行った。
これらの充放電を100回行い、100回目の放電容量Qd100として、100×Qd100/Qd1を100サイクル容量維持率(%)とした。
[3-3] Evaluation of 100-cycle capacity retention rate Charging was performed at a constant current of 5.0 mA (0.2 C) until the battery reached 4.2 V, and then constant-voltage charging was performed at a constant voltage of 4.2 V until the current value decreased to 1.25 mA (0.05 C). Discharging was performed at a constant current of 25 mA (1.0 C) until the voltage reached 2.75 V.
These charge/discharge cycles were repeated 100 times, the 100th discharge capacity was Q d100 , and 100×Q d100 /Q d1 was defined as the 100 cycle capacity maintenance rate (%).
[4]原料
表1に示されている原料の詳細は以下の通りである。
[4] Raw Materials Details of the raw materials shown in Table 1 are as follows.
・VGCF(登録商標)黒鉛化品:昭和電工株式会社製の気相法炭素繊維、VGCF(登録商標)-Hを用いた。この炭素繊維は平均繊維径Dfaが150nm、BET比表面積が13m2/g、XRD測定によるd002が0.3380nmである。 VGCF (registered trademark) graphitized product: VGCF (registered trademark)-H, a vapor grown carbon fiber manufactured by Showa Denko K.K., was used. This carbon fiber had an average fiber diameter D fa of 150 nm, a BET specific surface area of 13 m 2 /g, and d 002 measured by XRD of 0.3380 nm.
[実施例1~9,比較例1~2]
各実施例および各比較例において、表1に示す原料を表1に示す割合で転動流動コーティング装置(MP-01_mini、株式会社パウレック製)に投入し、下記および表1に示す条件で、前駆体溶液を完全にスプレーしきるまで、気相法炭素繊維を転動および流動させた。得られた複合化物に対し、表1に示すように、熱処理を行うものについては、電気式管状炉にて下記条件で熱処理を行い、複合材料を得た。得られた複合材料の物性および電池評価の結果を表2に示す。
[Examples 1 to 9, Comparative Examples 1 to 2]
In each example and comparative example, the raw materials shown in Table 1 were charged into a tumbling fluidized coating device (MP-01_mini, manufactured by Powrex Corporation) in the ratios shown in Table 1, and the vapor-grown carbon fiber was tumbling and fluidized under the conditions below and shown in Table 1 until the precursor solution was completely sprayed. For the obtained composites that were to be heat-treated as shown in Table 1, heat treatment was performed in an electric tubular furnace under the conditions below to obtain composite materials. The physical properties of the obtained composite materials and the results of battery evaluation are shown in Table 2.
転動流動コーティング装置の運転条件
・ローター:標準
・フィルター:FPM
・メッシュ:800M
・ノズル形式:NPX-II
・ノズル口径:1.2mm
・ノズル位置:接線
・ノズル数:1
・ローター回転速度:400rpm
・スプレー窒素圧:0.17(MPa)
・払い落とし圧:0.2(MPa)
・フィルター払い落とし時間/インターバル:4.0/0.3(sec/sec)
Operating conditions of the rolling fluid coating equipment: Rotor: Standard Filter: FPM
Mesh: 800M
Nozzle type: NPX-II
Nozzle diameter: 1.2 mm
Nozzle position: tangent Nozzle number: 1
Rotor speed: 400 rpm
Spray nitrogen pressure: 0.17 (MPa)
・ Brush-off pressure: 0.2 (MPa)
Filter cleaning time/interval: 4.0/0.3 (sec/sec)
熱処理条件
・雰囲気:アルゴン
・最高温度:400℃
・最高温度保持時間:1時間
・昇温速度:150℃/h
・降温速度:150℃/h
Heat treatment conditions: Atmosphere: Argon Maximum temperature: 400°C
Maximum temperature holding time: 1 hour Heating rate: 150°C/h
・Cooling rate: 150℃/h
表2から、以下のことが判明した。
実施例1から、気相法炭素繊維VGCF(登録商標)-Hを表1に示す条件で、チタン酸リチウムで被覆した複合材料は被覆率が50%であった。この複合材料を全固体型リチウムイオン二次電池の正極層および負極層の成分として用いた場合、該電池の特性は良好と評価されるものであった。
実施例2から、金属酸化物層による被覆率が20%でも、電池の特性は十分によい。
実施例3から、金属酸化物層による被覆率が80%でも、電池の特性は十分によい。
実施例4から、複合材料のBET比表面積が8.0m2/gでも、電池の特性は十分によい。
実施例5から、複合材料のBET比表面積が6.6m2/gでも、電池の特性は十分によい。
実施例6から、金属酸化物層の平均厚さが50nmでも、電池の特性は十分によい。
実施例7から、金属酸化物層の平均厚さが10nmでも、電池の特性は十分によい。
実施例8から、金属酸化物層としてニオブ酸リチウムを用いた場合でも、電池の特性はよい。
実施例9から、金属酸化物層として酸化チタン(非晶質)を用いた場合でも、電池の特性はよい。熱処理を行わなくても電池の特性はよい。
比較例1から、金属酸化物層による被覆率が10%であると、電池の特性は比較的悪い。
比較例2から、金属酸化物層による被覆が行われていないと、電池の特性は比較的悪い。
From Table 2, the following became clear.
From Example 1, the composite material in which the vapor grown carbon fiber VGCF (registered trademark)-H was coated with lithium titanate under the conditions shown in Table 1 had a coverage rate of 50%. When this composite material was used as a component of the positive electrode layer and the negative electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, the characteristics of the battery were evaluated as good.
From Example 2, it can be seen that even when the coverage rate of the metal oxide layer is 20%, the battery characteristics are sufficiently good.
From Example 3, it can be seen that even when the coverage by the metal oxide layer is 80%, the battery characteristics are sufficiently good.
From Example 4, it is seen that even when the BET specific surface area of the composite material is 8.0 m 2 /g, the battery characteristics are sufficiently good.
From Example 5, it is seen that even when the BET specific surface area of the composite material is 6.6 m 2 /g, the battery characteristics are sufficiently good.
From Example 6, it can be seen that even when the average thickness of the metal oxide layer is 50 nm, the battery characteristics are sufficiently good.
From Example 7, it can be seen that even when the average thickness of the metal oxide layer is 10 nm, the battery characteristics are sufficiently good.
From Example 8, it can be seen that the battery characteristics are good even when lithium niobate is used as the metal oxide layer.
From Example 9, it is seen that even when titanium oxide (amorphous) is used as the metal oxide layer, the battery characteristics are good. The battery characteristics are good even without heat treatment.
From Comparative Example 1, when the coverage by the metal oxide layer is 10%, the battery characteristics are relatively poor.
From Comparative Example 2, it can be seen that the battery characteristics are relatively poor when no metal oxide layer is coated.
1:全固体型リチウムイオン二次電池
11:正極
111:正極集電体
111a:正極リード
112:正極層
12:固体電解質層
13:負極
131:負極集電体
131a:負極リード
132:負極層
2:複合材料
21:気相法炭素繊維
22:金属酸化物層
1: All-solid-state lithium ion secondary battery 11: Positive electrode 111: Positive electrode
Claims (15)
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
金属酸化物前駆体が付着した気相法炭素繊維を熱処理して金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。 A method for producing the composite material according to any one of claims 1 to 9, comprising the steps of:
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent;
spraying the precursor solution onto a vapor-grown carbon fiber in a fluidized state; and heat-treating the vapor-grown carbon fiber having the metal oxide precursor attached thereto to form a metal oxide layer.
金属アルコキシドおよび金属錯体から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物前駆体と溶媒を含む前駆体溶液を準備する工程、
流動状態にした気相法炭素繊維に対して前記前駆体溶液を噴霧する工程、および
ゾル-ゲル反応によって金属酸化物前駆体から金属酸化物層を形成する工程
を含む複合材料の製造方法。 A method for producing the composite material according to any one of claims 1 to 9, comprising the steps of:
A step of preparing a precursor solution containing at least one metal oxide precursor selected from a metal alkoxide and a metal complex and a solvent;
spraying the precursor solution onto a fluidized vapor-grown carbon fiber; and forming a metal oxide layer from the metal oxide precursor by a sol-gel reaction.
The method for producing a composite material according to claim 13 or 14, wherein the precursor solution further contains a lithium compound.
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