(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022105555
(43)【公開日】2022-07-14
(54)【発明の名称】ケイ素系粉末、このような粉末を含む電極及び電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/38 20060101AFI20220707BHJP
H01M 4/36 20060101ALI20220707BHJP
H01M 4/134 20100101ALI20220707BHJP
C01B 33/02 20060101ALI20220707BHJP
【FI】
H01M4/38 Z
H01M4/36 A
H01M4/134
C01B33/02 Z
【審査請求】有
【請求項の数】15
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022076637
(22)【出願日】2022-05-06
(62)【分割の表示】P 2020542577の分割
【原出願日】2019-02-05
(31)【優先権主張番号】18155539.2
(32)【優先日】2018-02-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】501094270
【氏名又は名称】ユミコア
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ステイン・ピュット
(72)【発明者】
【氏名】ニコラス・マルクス
(72)【発明者】
【氏名】ヤン・ジレイル
(72)【発明者】
【氏名】ダニエル・ネリス
(57)【要約】
【課題】より高いクーロン効率を有するアノードの調製を可能にする。
【解決手段】電池の負極で使用するためのケイ素系粉末であって、ケイ素系粉末はケイ素系粒子を含み、ケイ素系粒子はd50を有する個数基準の粒径分布を有し、粒子の粒径は当該粒子の最大寸法であると見なされ、粒子の8.0%未満はd50の2倍より大きいサイズを有する、ケイ素系粉末。このようなケイ素系粉末は、マトリックスに埋め込まれて、活物質粉末を形成し得る。好ましくは、d50<150nmであり、d10>10nmである。このような粉末を使用して作製された電池の負極のサイクル効率は、はるかに改善される。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池の負極で使用するためのケイ素系粉末であって、前記ケイ素系粉末がケイ素系粒子を含み、前記ケイ素系粒子がd50を有する個数基準の粒径分布を有し、粒子の粒径が前記粒子の最大直線寸法であると見なされ、前記ケイ素系粉末が1.5重量%以上6.1重量%以下の酸素含有量を有し、ケイ素系粒子の総数の8.0%未満が前記d50の2倍より大きい粒径を有し、d50<150nmである、ケイ素系粉末。
【請求項2】
粒子の粒径が、前記粒子の最大直線寸法として定義され、
粒子の最大直線寸法が、埋め込まれた粒子が電子顕微鏡法によって観察された際に、樹脂中に埋め込まれたときの前記粒子の周囲における2点間の最大直線距離として測定され、
前記酸素含有量が、前記ケイ素系粉末を黒鉛で還元し、前記還元の結果として生成されるCO及びCO2の量を測定することによって求められ、
前記個数基準の粒径分布が、少なくとも500個の粒子の粒径に基づいて求められ、
前記個数基準の粒径分布がd10を有し、d10は粒子の総数の10%がd10以下のサイズを有することを表し、
前記個数基準の粒径分布がd50を有し、d50は粒子の総数の50%がd50以下のサイズを有することを表し、
前記個数基準の粒径分布がd99を有し、d99は粒子の総数の99%がd99以下のサイズを有することを表す、
請求項1に記載のケイ素系粉末。
【請求項3】
ケイ素系粒子の総数の4.0%未満が、前記d50の2倍より大きい粒径を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載のケイ素系粉末。
【請求項4】
前記ケイ素系粉末が、2.5重量%以上の酸素含有量を有することを特徴とする、請求項1~3のいずれか一項に記載のケイ素系粉末。
【請求項5】
前記ケイ素系粉末が、3.9重量%以下の酸素含有量を有することを特徴とする、請求項1~4のいずれか一項に記載のケイ素系粉末。
【請求項6】
前記ケイ素系粒子の粒径分布がd99を有し、(d99-d50)/d50≦2であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載のケイ素系粉末。
【請求項7】
前記ケイ素系粒子が、少なくとも70重量%のケイ素を有する化学組成を有することを特徴とする、請求項1~6のいずれか一項に記載のケイ素系粉末。
【請求項8】
d50<120nmであることを特徴とする、請求項1~7のいずれか一項に記載のケイ素系粉末。
【請求項9】
前記粒径分布がd10を有し、d10>10nmであることを特徴とする、請求項1~8のいずれか一項に記載のケイ素系粉末。
【請求項10】
電池の負極に使用するための活物質粉末であって、前記活物質粉末が活物質粒子を含み、前記活物質粒子が、マトリックス材料と、請求項1~9のいずれか一項に記載のケイ素系粉末とを含み、前記ケイ素系粉末が前記マトリックス材料中に埋め込まれている、活物質粉末。
【請求項11】
前記活物質粉末が、少なくとも20重量%の前記ケイ素系粉末を含むことを特徴とする、請求項10に記載の活物質粉末。
【請求項12】
前記活物質粉末が、多くとも75重量%の前記ケイ素系粉末を含むことを特徴とする、請求項11に記載の活物質粉末。
【請求項13】
前記活物質粉末が、少なくとも90重量%の前記活物質粒子を含むことを特徴とする、請求項10~12のいずれか一項に記載の活物質粉末。
【請求項14】
電池用の負極であって、前記負極が請求項1~9のいずれか一項に記載のケイ素系粉末を含む、又は、前記負極が請求項10~13のいずれか一項に記載の活物質粉末を含む、負極。
【請求項15】
請求項1~9のいずれか一項に記載のケイ素系粉末又は請求項10~13のいずれか一項に記載の活物質粉末を含む電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粉末に関し、より特定的には、電池の電極において、更なる加工後又は加工前に使用するためのものであり、また、このような粉末を含む電極及び電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン(Liイオン)電池は、現在、最も高性能の電池であり、既に携帯型電子デバイスの標準となっている。加えて、これらの電池は、既に自動車及び蓄電などの他の産業において浸透しかつ急激に普及している。かかる電池の実現可能な利点は、良好な電力性能と組み合わされた高エネルギー密度である。
【0003】
Liイオン電池は、典型的には、いくつかのいわゆるLiイオンセルを含み、そのセルは、カソードとも称される正極と、アノードとも称される負極と、セパレータとを含み、それらは電解質に浸漬されている。携帯用途に最も頻繁に使用されるLiイオンセルは、カソードにリチウムコバルト酸化物又はリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物のような材料を使用し、アノードに天然又は人造黒鉛を使用して、開発されている。
【0004】
電池の性能、特に、電池のエネルギー密度に影響を与える重要な制限要因の1つは、アノード中の電気化学反応に関与する材料であることが知られている。したがって、エネルギー密度を高めるために、例えば、スズ、アルミニウム及びケイ素に由来する新規の材料がここ数十年の間に検討され、開発されてきており、このような開発は、大部分が、使用中のLi組み込み中に当該材料とLiとを合金化するという原理に基づく。
【0005】
最良の候補物質はケイ素であると思われる。理由としては、ケイ素は理論容量3579mAh/g(重量測定)を得ることができるが、これらの容量は、黒鉛(372mAh/g)だけではなく、他の候補物質よりもかなり大きいからである。
【0006】
しかし、アノードにケイ素系材料を用いる1つの欠点は、充電中のその大きな体積膨張であり、例えば、合金化又は挿入によってリチウムイオンが、この材料に完全に組み込まれたとき(リチウム化と呼ばれることが多いプロセス)、体積膨張は300%と高い。Li組み込み中のケイ素系材料の大きな体積膨張によって、ケイ素中に応力を誘発することがあり、それによりケイ素材料の機械的な劣化が生じる場合がある。
【0007】
Liイオン電池の充電及び放電中に周期的に繰り返されることで、ケイ素系材料の繰り返される機械的な劣化により、電池の寿命は、許容できないレベルにまで低下し得る。
【0008】
ケイ素の体積変化の悪影響を軽減しようとする試みにおいて、多くの調査研究では、ケイ素材料のサイズをサブミクロン又はナノサイズのケイ素粒子に縮小し、これらを電気化学反応の負極材料として用いることによって、実行可能な解決策が実証され得ることが示された。
【0009】
体積変化を適合させるために、多相粒子が通常使用される。これらの多相粒子において、ケイ素粒子は、マトリックス材料、通常、炭素系材料又はケイ素系合金と混合される。
【0010】
更に、ケイ素の悪影響は、厚いSEI(Solid-Electrolyte Interface、固体電解質界面)が、アノード上に形成され得ることである。SEIは、電解質とリチウムの複合反応生成物であり、したがって、電気化学反応のためのリチウムの利用可能性が失われるため、サイクル性能が悪化し、充電-放電サイクルあたりの容量が失われる。更に、厚いSEIは、電池の電気抵抗を大きくしてしまうことがあり、それによって、達成可能な充電及び放電の速度が制限されることがある。
【0011】
原則として、SEI形成は、「不動態化層」がケイ素表面上に形成されるとすぐに停止する自己終結プロセスである。しかしながら、ケイ素の体積膨張のため、充電(リチウム化)及び放電(脱リチウム化)の間にケイ素とSEIの両方が損傷を受ける場合があり、それによって、新しいケイ素表面があらわになり、新たなSEI形成が始まる場合がある。
【0012】
当該技術分野において、上記リチウム化/脱リチウム化機構は、一般的にいわゆるクーロン効率によって定量化され、またクーロン効率は、充電中に使用されたエネルギーに対する、放電中に電池から除去されたエネルギーの比率(充電-放電サイクルに対する%)として定義される。したがって、ケイ素系アノード材料に関する研究のほとんどは、当該クーロン効率の改善に重点が置かれている。
【0013】
多くのサイクルにわたる100%クーロン効率からの偏差の累積により、電池の有効寿命が求められる。したがって、簡単に言えば、99.9%のクーロン効率を有するアノードは、99.8%のクーロン効率を有するアノードの2倍良好である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、電池の負極に使用するためのケイ素系粉末に関し、ケイ素系粉末はケイ素系粒子を含み、好ましくはケイ素系粒子からなり、ケイ素系粒子は、d50を有する個数基準の(number-based)粒径分布を有し、粒子の粒径は、当該粒子の最大直線寸法であると見なされ、ケイ素系粒子の総数の8.0%未満は、d50の2倍より大きい粒径を有する。
【0015】
本発明の利点は、より高いクーロン効率を有するアノードの調製を可能にする点にある。
【0016】
理論に束縛されるものではないが、本発明者らは、これは、使用中の繰り返される膨張及び収縮中の機械的応力に起因して、より大きな粒子は、より破損しやすく、それによって、連続的なSEI形成に不均衡に寄与するという事実と関連があり得ると推測している。したがって、平均サイズの2倍より大きいとして定義される大きな粒子がほぼ存在しないことは、有益である。
【0017】
これまでは比較的狭い粒径分布が使用されてきた。例えば、韓国公開特許第2015/0109056号では、狭い粒径分布が開示されており、特に、非常に微細な粒子は存在しないが、比較的粗い粒子のかなりの画分を依然として有することに焦点を当てている。また、欧州特許第2966710号では、154nmのd50を有する微細なケイ素粉末を開示している。この粉末では、約10%の粒子がd50値の3倍より大きいため、この粉末もかなりの粗い画分を有する。また、欧州特許第3133690号では、比較的狭い粒径分布を有するが、粗い画分に特に焦点を当てていないケイ素粉末を開示している。
【0018】
更に、より大きな粒子へのリチウムの組み込み、特にこれらの中心への組み込みは、これが拡散制限プロセスであるため、比較的遅い。結果として、より大きな粒子は、達成され得る充放電速度の制限に関連すると疑われるため、それらがほぼ存在しないことは、高い充放電速度での容量を改善するのにも有用である。
【0019】
上述の利点をより高い程度で得るために、好ましくは、ケイ素系粒子の総数の6.0%未満が、d50の2倍より大きい粒径を有し、より好ましくは、ケイ素系粒子の総数の5.0%未満が、d50の2倍より大きい粒径を有し、なおより好ましくは、ケイ素系粒子の総数の4%未満が、d50の2倍より大きい粒径を有し、更により好ましくは、ケイ素系粒子の総数の3.0%未満が、d50の2倍より大きい粒径を有する。
【0020】
好ましい実施形態では、ケイ素系粒子の総数の2%未満が、d50の2倍より大きい粒径を有する。
【0021】
あるいは、同じ発明は、電池の負極に使用するためのケイ素系粉末として定義されてもよく、ケイ素系粉末はケイ素系粒子を含み、好ましくはケイ素系粒子からなり、ケイ素系粒子はd50を有する個数基準の粒径分布を有し、粒子の粒径は当該粒子の最大直線寸法であると見なされ、粒子の数の8.0%未満がd50の2倍より大きい粒径を有し、好ましくは、粒子の数の6.0%未満がd50の2倍より大きい粒径を有し、より好ましくは、粒子の数の5.0%未満がd50の2倍より大きい粒径を有し、更により好ましくは、粒子の数の4.0%未満がd50の2倍より大きい粒径を有し、更により好ましくは、粒子の数の3.0%未満がd50の2倍より大きい粒径を有し、最も好ましくは、粒子の数の2.0%未満がd50の2倍より大きい粒径を有する。
【0022】
あるいは、同じ発明は、電池の負極に使用するためのケイ素系粉末として別の方法で定義されてもよく、ケイ素系粉末はケイ素系粒子を含み、好ましくはケイ素系粒子からなり、ケイ素系粒子はd50を有する個数基準の粒径分布を有し、粒子の粒径は当該粒子の最大直線寸法であると見なされ、ケイ素系粒子の総数で割った、d50の2倍より大きい粒径を有するケイ素系粒子の数は、0.080未満、好ましくは0.060未満、より好ましくは0.050未満、更により好ましくは0.040未満、更により好ましくは0.030未満、最も好ましくは0.020未満である。
【0023】
粒径分布は、好ましくは、500個以上の粒子の総数で求められる。
【0024】
ケイ素系粒子は、顕微鏡技術、特にSEM及び場合によってはTEMによって観察することができ、それらの最大直線寸法、換言すれば、本明細書で使用されるそれらのサイズは、自動画像分析によって求めることができる。粒子の最大直線寸法は、粒子の周囲における2点間の最大の測定可能な直線距離である。
【0025】
明確にするために、言及した百分率は、これらの粒子が表す重量ではなく、d50値の2倍より大きい粒子の個数に関係があることに注目されたい。これは、個数基準のサイズ分布の使用と一致し、dxは、粒子の総数のx%がd以下のサイズを有することを表す。
【0026】
ケイ素系粒子は、任意の形状、例えば、実質的に球状であるが、不規則な形状、棒状、板状なども有し得る。
【0027】
好ましい実施形態では、粒径分布はd10を有し、(d50-d10)/d50≦0.60であり、好ましくは(d50-d10)/d50≦0.50である。
【0028】
これにより、粉末の調製中及び/又は使用中に極めて容易に高度に酸化され、それによって粉末の酸素含有量が増加する、非常に微細な粒子の量が制限される。酸素含有量は、2倍の悪影響を及ぼす。第1に、粉末の重量は、酸化によって増加し、結果として電池の重量も増加し、第2に、酸化されたケイ素は、リチウムの不可逆的消費、したがって高い初期不可逆容量をもたらす。
【0029】
好ましい実施形態では、ケイ素系粒子の当該粒径分布はd99を有し、(d99-d50)/d50≦2である。
【0030】
好ましい実施形態では、ケイ素系粉末は、1.5重量%以上、多くとも20重量%、好ましくは多くとも15重量%の酸素含有量を有する。
【0031】
上で説明したように、酸素含有量が高すぎると、電池に悪影響を及ぼす。
【0032】
また、酸素含有量が低すぎても、悪影響が出てくる。
【0033】
x<2のSiOxの層は、ケイ素系粒子の周囲に自然に形成されることが周知である。本発明者らは、この層が、ケイ素系粉末を炭素含有マトリックス材料に埋め込み、高温で処理して、実用的な活物質粉末を作るとき、更なる加工中に、過剰な炭化ケイ素、SiCの形成から保護することを発見した。このようなSiC形成により、ケイ素の一部が電池内で電気化学的に作用するのが防がれ、リチウムのための拡散バリアを更に形成される可能性があり、それにより、SiCに変換されないケイ素の電気化学的性能が低下する。
【0034】
その保護効果を得るために、SiOxの形態で十分な酸素が存在する必要がある。
【0035】
好ましい実施形態では、ケイ素系粉末は、2.5重量%以上の酸素含有量を有し、更に好ましい実施形態では、3.5重量%以上の酸素含有量を有する。
【0036】
好ましくは、粒径分布は、d10を有し、d10>10nm、好ましくは、d10>20nmである。
【0037】
明確にするために、ケイ素系粒子は、通常はナノサイズであり、150nm未満である個数基準の平均直径d50を有することに注目されたい。
【0038】
好ましい実施形態では、ケイ素系粒子は、ケイ素含有量、酸素含有量及び炭素含有量の合計が少なくとも95重量%である化学組成を有する。
【0039】
好ましい実施形態では、ケイ素系粉末は、少なくとも90重量%、好ましくは少なくとも95重量%の当該ケイ素系粒子を含む。
【0040】
好ましい実施形態では、ケイ素系粒子は、少なくとも70重量%のケイ素、好ましくは少なくとも80重量%のケイ素を有する化学組成を有する。
【0041】
疑義を避けるために、以下の備考が作成される。
粒子の粒径は、当該粒子の最大直線寸法として定義される。粒子の全体的なサイズを考慮すると、この最大直線寸法は、電子顕微鏡法によって理想的に求められ、これは粒子が樹脂中に埋め込まれている必要があることは当業者には明らかであろう。したがって、粒子の最大直線寸法は、埋め込まれた粒子が電子顕微鏡法によって観察されるように、樹脂中に埋め込まれたときの粒子の周囲における2点間の最大直線距離として測定されることは、当業者には明らかであろう。
ケイ素系粉末が酸素含有量を有し、酸素含有量が、正しく実行された場合に同じ結果をもたらす、あらゆる様々な方法によって決定され得ることは、当業者には明らかであろう。当業者であれば承知しているように、広く使用されている通常の実験室分析は、ケイ素系粉末を黒鉛で還元し、この還元の結果として生成されるCO及びCO2の量を測定することによって、酸素含有量を求めることである。
全ての粉末、また本発明による粉末は、粒径分布を有することが、当業者には明らかであろう。当業者には同様に明白であることは、そのような粒径分布は、個数基準の粒径分布若しくは重量基準の粒径分布又は多くの他の種類の粒径分布として表されてもよいこと、及び試料サイズは十分に代表的なものである必要があり、例えば、数値ベースの粒径分布の場合、少なくとも500個の粒子である。
粒子技術の技術分野では、通常、粒径分布の重要なサイズをdx、例えばd10、d50及びd99と呼び、個数基準の粒径分布の場合、dxは、粒子の総数のx%がdx以下のサイズを有する粒径を表すことは、当業者にとって明らかであろう。
【0042】
本発明は更に、電池の負極に使用するための活物質粉末に関し、活物質粉末は活物質の粒子を含み、活物質の粒子はマトリックス材料及びケイ素系粒子を含み、ケイ素系粒子はマトリックス材料中に埋め込まれ、ケイ素系粒子はd50を有する個数基準の粒径分布を有し、ケイ素系粒子の粒径は、当該ケイ素系粒子の最大直線寸法であると見なされ、ケイ素系粒子の8.0%未満はd50の2倍より大きい粒径を有し、好ましくは、ケイ素系粒子の6.0%未満はd50の2倍より大きい粒径を有する。
【0043】
活物質粉末の好ましい実施形態では、ケイ素系粒子の4.0%未満がd50の2倍より大きいサイズを有し、好ましくは、ケイ素系粒子の3.0%未満がd50の2倍より大きいサイズを有し、より好ましくは、2.0%未満のケイ素系粒子がd50の2倍より大きいサイズを有する。
【0044】
活物質粉末の好ましい実施形態では、ケイ素系粒子の当該粒径分布は、d10を有し、(d50-d10)/d50≦0.6であり、好ましくは(d50-d10)/d50≦0.5である。
【0045】
活物質粉末の好ましい実施形態では、当該マトリックス材料は、炭素系マトリックス材料であり、より好ましくはピッチ又は熱分解ピッチである。
【0046】
活物質粉末の好ましい実施形態では、活物質粉末は、少なくとも90重量%、好ましくは少なくとも95重量%の当該活物質粒子を含む。
【0047】
粉末の好ましい実施形態では、活物質粉末の酸素含有量は、多くとも10重量%、好ましくは多くとも5重量%、より好ましくは多くとも4重量%である。
【0048】
活物質粉末の好ましい実施形態では、ケイ素系粒子のd50は、150nm未満、好ましくは120nm未満である。
【0049】
活物質粉末の好ましい実施形態では、ケイ素系粒子の当該粒径分布は、d10を有し、このd10は>10nmであり、好ましくはこのd10は>20nmである。
【0050】
活物質粉末の好ましい実施形態では、活物質粉末は、少なくとも20重量%の当該ケイ素系粉末、及び多くとも75重量%の当該ケイ素系粉末を含む。
【0051】
活物質粉末の更に好ましい実施形態では、活物質粉末は、少なくとも30重量%の当該ケイ素系粉末を含む。
【0052】
本発明によるケイ素系粉末の非常に狭い粒径分布は、この点で重要であり、理由としては、従来のケイ素系粉末よりもマトリックス材料中のケイ素系粉末のより良好な分散を可能にするためである。その結果、本発明によるケイ素系粉末により、活物質の粒子の内部に不適切に埋め込まれているケイ素系粒子の濃縮されたクラスターを有することなく、より高い濃度を使用することが可能になる。ケイ素系粒子の大きなクラスターを含有する活物質の粒子はまた、リチウム化中に、狭い粒径分布を有する十分に分散したケイ素系粒子を含有する活物質の粒子よりも膨潤する。
【0053】
この理由は、広い粒径分布を有する粉末とは対照的に、非常に狭い粒径分布を有する粉末は、マトリックス材料と混合する前に、高密度で強力な凝集体を形成する可能性が低いため、マトリックス材料との混合中におけるケイ素系粒子の凝集体の破壊が、はるかに容易であるからであると考えられる。
【0054】
炭素系マトリックス材料中に埋め込まれたケイ素系粒子でできた活物質粉末中に存在する実質的に全ての酸素が、ケイ素系粒子の表面で酸化層中に存在することは、熱力学により広く認められている。これにより、活物質粉末の全酸素含有量に基づいて、活物質粉末内におけるケイ素系粒子の酸素含有量の再計算が可能になる。
【0055】
この酸化層は通常、SiOx層と呼ばれ、xの平均値は0<x<2であるが、水素、窒素、炭素などの他の原子も含まれる場合がある。したがって、SiOxは、Siが0よりも高く、平均で4+より小さい酸化状態を有するSiリッチ及びOリッチ層として適切に理解する必要がある。
【0056】
本発明は更に、電池用負極に関し、負極は、上記に定義したケイ素系粉末又は上記に定義した活物質粉末を含む。
【0057】
本発明は更に、上記に定義したケイ素系粉末又は上記に定義した活物質粉末を含む電池に関し、好ましくは、電池は負極を有し、ケイ素系粉末又は活物質粉末が負極中に存在する。
【発明を実施するための形態】
【0058】
本発明は、以下の比較例(counterexample)及び実施例によって更に説明される。
【0059】
使用した分析方法:
酸素含有量の決定
実施例及び比較例中の粉末の酸素含有量を、Leco TC600酸素-窒素分析装置を用い、以下の方法によって測定した。粉末の試料を閉じたスズ製カプセルの中に入れ、これをニッケル製バスケットの中に置いた。そのバスケットを黒鉛製るつぼに入れ、キャリアガスとしてのヘリウム下で、2000℃超まで加熱した。これにより試料は溶融し、るつぼにより酸素が黒鉛と反応して、COガス又はCO2ガスになる。これらのガスを赤外測定セルの中に導く。観察されたシグナルを再計算し酸素含有量を得る。
【0060】
電気化学的性能の決定
活物質粉末を、45μmの篩を使用して篩い分し、水中でカーボンブラック、カーボン繊維及びカルボキシメチルセルロースナトリウムバインダー(2.5重量%)と混合した。使用した比率は、活物質粉末93重量部/カーボンブラック1重量部/炭素繊維2重量部及びカルボキシメチルセルロース(CMC)4重量部であった。
【0061】
これらの成分を、250rpmで30分間、Pulverisette7遊星ボールミル中で混合した。
【0062】
エタノールで洗浄した銅箔を集電体として使用した。その混合成分の厚さ200μmの層を、銅箔上にコーティングした。そのコーティングを、70℃の真空下で45分間乾燥させた。コーティングされ、乾燥させた銅箔から1.27cm2の円板を打ち抜き、対電極としてリチウム金属を使用しているコインセルにおいて、電極として使用した。電解液は、EC/DEC 1/1+2%VC+10% FEC溶媒に溶解した1MのLiPF6であった。全ての試料を、高精度のコインセルテスター(Maccor 4000シリーズ)で試験した。
【0063】
繰り返し充放電サイクルのクーロン効率を0.5℃で求めた。5サイクル目と50サイクル目との間のサイクルの平均クーロン効率を報告する。
【0064】
当業者であれば、電池が持続すると期待される数百又は数千サイクルの充電-放電サイクルにわたって生じるサイクルあたりのクーロン効率の小さな差は、顕著に累積的な効果を有することを認識するであろう。
【0065】
粒径の測定
ケイ素粒子の最大サイズは、粒子の周囲における2点間の測定可能な最大距離を測定することによるSEM画像作成法によって決定された。
【0066】
これを測定することができるように、断面が取られた樹脂に粉末を埋め込んだ。
【0067】
計測及びサイズ測定をしやすくするために、画像分析ソフトウェアを使用した。信頼性の高いデータを取得するために、試料ごとに少なくとも500個の粒子を測定した。
【0068】
続いて、試料中の全ての測定された粒子から個数基準の粒径分布を求めた。
【0069】
本発明によらない比較例1
プラズマガスとしてアルゴンを使用して60kW無線周波数(RF)誘導結合プラズマ(ICP)を適用することによって、ケイ素ナノ粉末を得て、それに対して、マイクロメートルサイズのケイ素粉末前駆体を約100g/時の速度で注入し、2000Kを超える優勢な(すなわち、反応ゾーンにおける)温度を得た。この第1のプロセス工程において、前駆体は、完全に気化した。第2のプロセス工程において、ガスの温度を1600K未満まで下げるために、10Nm3/時のアルゴン流を、反応ゾーンのすぐ下流で急冷ガスとして使用し、核生成させて金属性でサブミクロンのケイ素粉末とした。最後に、1モル%の酸素を含有するN2/O2混合物を100L/時で添加することによって、100℃の温度で5分間、不動態化工程を行った。プラズマのガス流速を調節し、平均粒子径d50が106nm、d90が262nmのサブミクロンのケイ素粉末を得た。本事例では、プラズマガスに2.5Nm3/時のArを使用した。
【0070】
酸素含有量を測定したところ、約8.0重量%であった。
【0071】
活物質粉末を生成するために、16gの上述のケイ素ナノ粉末と32gの石油系ピッチ粉末とのブレンドを作製した。
【0072】
これをN2下、450℃まで加熱し、その結果、ピッチが溶融し、60分間の待ち時間の後、高剪断下で、1000rpmで動作するCowles溶解機型混合機で30分間混合した。
【0073】
このようにして得られたピッチ中のケイ素ナノ粉末の混合物を、N2下で室温まで冷却し、固化したら、粉砕し、400メッシュの篩で篩分けした。
【0074】
合成電池グレードの黒鉛を、乾式混合により、乾燥したままのケイ素ナノ粉末/ピッチブレンドに追加して、それぞれ重量比1.0:2.0:7.6でケイ素ナノ粉末/ピッチ/黒鉛混合物を得た。
【0075】
得られた混合物10gを、アルゴンを連続的に流し、加熱速度3℃/分で1000℃まで加熱した管状炉の中、石英ボート中で燃焼させた。混合物を1000℃で2時間維持した。加熱を止め、混合物をアルゴン雰囲気下で室温まで放冷した。生成物を石英容器から取り出し、コーヒーミルで15分間粉砕し、400メッシュの篩で篩分けした。
【0076】
生成された活物質粉末は、10重量%のケイ素含有量を有した。
【0077】
本発明による実施例1
ミクロンサイズのケイ素粉末前駆体を50g/時の速度で注入し、急冷ガスの流速を20Nm3/時としたことを除いて、比較例1と同じ作製方法を用いた。
【0078】
得られたケイ素ナノ粉末の酸素含有量を試験したところ、9.3重量%であった。
【0079】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、比較例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。
【0080】
本発明による実施例2~7
急冷ガスの流速を15Nm3/時~20Nm3/時の間で変化させ、ミクロンサイズのケイ素粉末前駆体を、表1に示すように50g/時~75g/時の速度で注入したことを除いて、実施例1と同じ作製方法を用いた。
【0081】
【0082】
実施例2~7における全ての生成物の酸素含有量を測定したところ、8.0重量%~9.8重量%の範囲であった。
【0083】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、実施例1及び比較例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。
【0084】
分析
それぞれの活物質粉末に組み込まれる直前の、比較例及び実施例のケイ素ナノ粉末の粒径分布を測定した。結果を以下の表2に示す。それぞれの活物質粉末の電気化学的性能を測定した。結果を以下の表3に示す。
【0085】
【0086】
【0087】
d50の2倍より大きい粒子の割合と電気化学的性能との間の明確な相関関係が観察され、d50の2倍より大きい粒子の割合が低いケイ素粉末は、優れた性能を有する活物質粉末をもたらす。
【0088】
本発明による実施例8~13
0.1~1モル%の酸素を含有するN2/O2混合物を100L/時で添加することにより、0.5~15分間100℃の温度で不動態化工程を実施したことを除いて、実施例1と同じ作製方法を用いた。この結果として、粉末の酸素含有量は、以下の表4に示すようにばらつきがある。
【0089】
全ての試料は、実施例1と同等のd10、d50、d90、d95及びd99値を有する粒径分布を示した。
【0090】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、実施例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。
【0091】
表4に示すように、ケイ素粉末の酸素含有量は、活物質粉末に組み込まれる前に、実施例8の14.1重量%から、実施例13の1.6重量%まで低下した。SiC含有量をXRD分光法により測定した。ソフトウェア(Palytical HighScore Plus)のフィッティング関数である「Default Profile Fit」を使用して、XRDパターンを最初に当てはめた。ケイ素に起因する主ピーク(約28,4°2θCuで111)及びSiCに起因する主ピーク(約35,7°2θCuで111)の面積を、ソフトウェアによって自動的に計算し、両方のピーク面積(ピーク面積SiC/ピーク面積Si)の比を計算した。全ての試料1~8については、1%~10%の値を得た。
【0092】
電気化学的性能は、実施例1と同様の方法で測定され、高い第1のクーロン効率値をもたらし、また高い平均クーロン効率値を維持し、後者は表に示されるように良好なサイクル寿命を示す。
【0093】
比較例2
1モル%の酸素を含有するN2/O2混合物を100L/時で添加することによって、200℃の温度で15分間、不動態化工程を行ったことを除いて、実施例1と同じ作製方法を用いた。これにより、23重量%の酸素含有量が得られた。
【0094】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、実施例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。最終的な活物質粉末中のSiC含有量を測定したところ、0.5%の検出限界を下回った。
【0095】
電気化学的試験では、82.0%という低い第1のクーロン効率値を示しており、これは、第1サイクル中のリチウムの損失が多いことを示す。
【0096】
比較例3
0.1モル%の酸素を含有するN2/O2混合物を100L/時で添加することにより、12秒間100℃の温度で不動態化工程を実施したことを除いて、実施例1と同じ作製方法を用いた。これにより、1.0重量%の酸素含有量を得た。
【0097】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、実施例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。20%のSiと比較してSiCの非常に高いXRDピーク比を測定した。
【0098】
88.0の良好な第1のクーロン効率値が測定され、99.80%の適度な平均クーロン効率が見られたが、約2300mAh/gSiの非常に低いケイ素容量が測定され、これは3579mAh/gSiの理論値より著しく小さく、実施例では2900~3200mAh/gSiのケイ素容量を示した。
【0099】
【0100】
本発明による実施例14~17
実施例1のように、ケイ素及び活物質粉末の同じ作製方法を用いた。活物質粉末中のケイ素含有量は、表5に示すように、20重量%、30重量%、40重量%、及び50重量%まで増加した。
【0101】
全ての試料は、実施例1と同等の酸素含有量及びd10、d50、d90、d95及びd99値を有するケイ素粒径分布を示した。
【0102】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、実施例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。しかしながら、ケイ素含有量は、それぞれ20重量%(実施例14)、30重量%(実施例15)、40重量%(実施例16)、及び50重量%(実施例16)まで増加した。
【0103】
電気化学的性能を、実施例1及び比較例1と同様にコインセルで測定した。しかしながら、結果を比較するために、活物質粉末を黒鉛で希釈して、コインセル中の総ケイ素含有量を10重量%にした。表5に示すように、これにより、85%以上の優れた第1のクーロン効率値が得られ、良好な電気化学平均クーロン効率値を維持した。
【0104】
本発明によらない比較例4~5
実施例2と同様に、ケイ素及び活物質粉末の同じ作製方法を用いた。試料は、比較例2と同等の酸素含有量及びd10、d50、d90、d95及びd99値を有するケイ素粒径分布を示した。
【0105】
得られたケイ素ナノ粉末を更に使用して、実施例1と同様の方法で活物質粉末を形成した。しかしながら、ケイ素含有量は、以下の表5に示すように、それぞれ40重量%(比較例4)及び50重量%(比較例5)まで増加した。
【0106】
電気化学的性能を、実施例1及び比較例1と同様にコインセルで測定した。しかしながら、結果を比較するために、活物質粉末を黒鉛で希釈して、コインセル中の総ケイ素含有量を10重量%にした。
【0107】
表5に示すように、これにより、81.1%及び80.2%の非常に低い第1のクーロン効率値が得られた。
【0108】
【0109】
本発明による実施例18~19
実施例1のように、ケイ素及び活物質粉末の同じ作製方法を用いた。どちらの試料も、実施例1と同等の酸素含有量及びd10、d50、d90、d95及びd99値を有するケイ素粒径分布を示した。
【0110】
得られたケイ素ナノ粉末を更に用いて、以下の方法で活物質粉末を形成した。ケイ素粉末を、ミクロンサイズのFeSi2鉄ケイ素合金と共に4リットルのアトライタに充填した。それぞれ25重量%のケイ素ナノ粉末及び75% FeSi2(実施例18)及び40重量%のケイ素ナノ粉末及び60重量%FeSi2(実施例19)を使用して、2つの異なる実験を行った。
【0111】
FeSi2中のケイ素が鉄と合金化されているため、著しい電気化学的活性はないことに留意されたい。代わりに、ナノサイズのケイ素粉末のマトリックス材料としてのみ使用される。
【0112】
両方の材料を、85%の充填率でPCAとしてのヘプタンと共に、84rpmで24日間、不活性アルゴン雰囲気中で粉砕した。24日間の粉砕後、生成物を室温まで冷却した。最後に、1モル%の酸素を含有するN2/O2混合物を100L/時で添加することによって、100℃の温度で5分間、不動態化工程を行った。
【0113】
電気化学的性能を、実施例14~17と同様にコインセルで測定した。表6に示すように、これにより、85%以上の優れた第1のクーロン効率値が得られ、良好な電気化学的平均クーロン効率値を維持した。
【0114】
【外国語明細書】