WO2023063362A1 - 負極材料、電池、負極材料の製造方法、及び電池の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the positive electrode 16 includes a current collecting layer and a positive electrode material layer.
- the current collecting layer of the positive electrode 16 is a layer made of a conductive member, and examples of the conductive member here include aluminum.
- the positive electrode material layer is a layer of positive electrode material and is provided on the surface of the current collecting layer of the positive electrode 16 .
- the thickness of the collector layer of the positive electrode may be, for example, about 10 ⁇ m to 30 ⁇ m, and the thickness of the positive electrode material layer may be, for example, about 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
- the content of the surfactant in the first solution is 0.1% or more and 10% or less in terms of mass ratio with respect to the added amount of the amorphous carbon raw material added in the later step S12. is preferably 0.5% or more and 7% or less, and even more preferably 1% or more and 5% or less. By setting it as this numerical range, the affinity of amorphous carbon and NaxWOy can be improved appropriately .
- the second heating step is a step of generating Na x WO y after the first heating step.
- the second heating temperature is higher than the first heating temperature, for example, 700 ° C., but is not limited thereto, preferably 680 ° C. or higher and 750 ° C. or lower, and 685 ° C. or higher and 740 ° C. or lower. It is preferably 690° C. or higher and 730° C. or lower.
- the second heating rate may be any rate, but is preferably higher than the first heating rate. /hour or less is more preferable, and 175°C/hour or more and 185°C/hour or less is even more preferable. By setting the second heating temperature and the second heating rate within this range, it is possible to appropriately generate Na x WO y while shortening the time required for the process.
- the negative electrode intermediate heated to the second heating temperature is preferably held at the second heating temperature for a predetermined time.
- the holding time is preferably 1.25 hours or more and 2.75 hours or less, more preferably 1.5 hours or more and 2.5 hours or less, and 1.75 hours or more and 2.25 hours or less. is more preferable.
- the method using a ball mill is a method of producing a negative electrode material by adding amorphous carbon and Na x WO y into a ball mill and rotating the ball mill at a predetermined rotational speed for a predetermined time.
- the spray drying method is a method of producing a negative electrode material by adding amorphous carbon to a tungsten solution containing Na, and spraying a solution for dissolving the amorphous carbon and drying it.
- the CVD method is a method in which a tungsten solution containing Na is dried, placed in a CVD furnace together with amorphous carbon, and subjected to chemical vapor deposition at a predetermined temperature to produce a negative electrode material.
- the method for producing the positive electrode material is not limited to the solution method, and any method such as a method using a ball mill, a spray drying method, or a CVD method may be used.
- the heating step includes heating the negative electrode intermediate to a first temperature of 150° C. or higher and 625° C. or lower at a first heating rate, and heating the negative electrode intermediate heated to the first temperature to a temperature higher than the first heating rate. Heating at a second heating rate to a second temperature between 680° C. and 750° C. and holding the negative electrode intermediate at the second temperature is preferably included.
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Abstract
Description
図1は、本実施形態に係る電池の模式的な一部断面図である。本実施形態に係る電池1は、リチウムイオン二次電池である。電池1は、ケージング10と、電極群12と、図示しない電解液と、を備える。ケージング10は、内部に電極群12及び電解液を収納するケースである。ケージング10内には、電極群12以外にも、電極群12に接続される配線や端子などを備えていてよい。
図2は、本実施形態に係る負極の模式的な断面図である。図2に示すように、負極14は、集電層20と、負極材料層22と、を備える。集電層20は、導電性部材で構成される層である。集電層20の導電性部材としては、例えば銅が挙げられる。負極材料層22は、本実施形態に係る負極材料を含む層である。負極材料層22は、集電層20の表面に設けられる。集電層20の厚みは、例えば、15μm以上40μm以下程度であってよく、負極材料層22の厚みは、例えば20μm以上200μm以下程度であってよい。
なお、タングステン酸ナトリウムは、結晶構造上、NaxWOyの形態だけでなく、Na2WO4やNa5W14O44のような形態をとる場合もある。なお、Na2WO4は、Naの価数が2、Wの価数が1、Oの価数が4のため、NaxWOyという化学式で表されるといえる。また、Na5W14O44は、Wの価数を1に換算すると、Na5/14WO44/14という化学式で表されるため(すなわちNaの価数が5/14、Wの価数が1、Oの価数が44/14となるため)、NaxWOyという化学式で表されるといえる。すなわち、NaxWOyという化学式で表されるタングステン酸ナトリウムとは、Naの価数とWの価数とOの価数との比率が、X:1:Yとなるタングステン酸ナトリウムを指すと言える。
より具体的には、負極材料層22の負極材料は、アモルファスカーボンの粒子であるアモルファスカーボン粒子30と、タングステン酸ナトリウムの粒子であるNaxWOy(タングステン酸ナトリウム)粒子32と、を含む。なお、ここでの粒子とは、形状が球状などに限定されるものではなく、線状やシート形状など、任意の形状であってよい。また、本実施形態の負極材料は、残部に不可避的不純物を含んでもよい。
また、アモルファスカーボンは、表面にタングステン酸ナトリウムを配置する処理の際に、表面に官能基(例、ヒドロキシ基、カルボキシル基)を含むことができる。そのため、この官能基によって、アモルファスカーボンの表面にタングステン酸ナトリウムを適切にトラップすることが可能となり、表面にタングステン酸ナトリウムを適切に配置できる。また、この官能基によってタングステン酸ナトリウムがアモルファスカーボンの表面に定着されるために、アモルファスカーボンの表面へのタングステン酸ナトリウムの密着性を高くすることができ、タングステン酸ナトリウムがカーボンの表面から切り離されることを抑制できる。特に、ハードカーボン原料は、例えば黒鉛に比べて低温で製造されるため、官能基が除去されずに残りやすく、表面にタングステン酸ナトリウムを適切に配置できる。
負極材料層22の負極材料は、NaxWOy粒子32として、Na0.3WO3、及びNa0.1WO3の少なくとも一方を含むことが好ましい。すなわち、NaxWOy粒子32としてNa0.3WO3のみを含んでいてもよいし、NaxWOy粒子32としてNa0.1WO3のみを含んでもよいし、NaxWOy粒子32としてNa0.3WO3及びNa0.1WO3の両方を含んでいてもよい。さらに、Na2WO4あるいは、Na5W14O44でも良い。このように、本実施形態における負極材料層22の負極材料は、タングステン酸ナトリウムとして、Na0.3WO3、Na0.1WO3、Na2WO4、及びNa5W14O44の少なくとも1つを含むことが好ましい。
・測定装置:(株) リガク社製 Ultima IV
・使用管球:Cu
・管電圧:40kV
・管電流:40mA
・走査範囲:5°~80°
・走査速度:2°/min
化合物を同定するためのデータベースとしては、粉末回折・結晶構造データベースの、ICDD(PDF2.DAT)、すなわち、ICDD(International Center for Diffraction Data)のPDF2.DATを使用してよい。そして、XRDで検出された結晶ピークに対して、統合粉末X線回折ソフトウェアであるPDXL2を用いて、測定サンプル(ここでは負極材料)に含まれる化合物を特定してよい。具体的には、同ソフトウェアを用いてFOM(性能指数)が閾値以下となる化合物を抽出し、FOMが閾値以下となる化合物を、その測定サンプル(ここでは負極材料)に含まれる化合物として特定してよい。FOMは、0~100の値をとり、値が小さいほど一致度が高い。FOMの閾値は、10としてよい。すなわち例えば、負極材料の回折ピークの、ICDDでのNa0.3WO3の回折ピークに対するFOMが閾値(例えば10)以下である場合、負極材料にNa0.3WO3が含まれると判断する。また例えば、分析対象物のX線回折分析結果におけるピーク波形が、カーボンのピーク波形を示すが、既知のグラファイト構造における(002)ピーク波形がブロードになる場合に、アモルファスカーボンであると判断できる。
なお、NaxWOy粒子32の結晶構造も、負極材料に含まれる化合物の同定と同様の方法で同定できる。すなわち例えば、負極材料の回折ピークの、ICDDでの立方晶のNa0.3WO3の回折ピークとのFOMが閾値(例えば10)以下である場合に、負極材料に立方晶のNa0.3WO3が含まれると判断する。
負極材料は、蛍光X線分析で測定した場合における、Naの含有量が、質量比率で0.01%以上0.5%以下であり、Wの含有量が、質量比率で0.5%以上10%以下であり、Oの含有量が、質量比率で0.1%以上5%以下であることが好ましい。また、負極材料は、蛍光X線分析で測定した場合における、Naの含有量が、質量比率で0.02%以上0.1%以下であり、Wの含有量が、質量比率で1%以上8%以下であり、Oの含有量が、質量比率で0.3%以上3%以下であることがより好ましい。また、負極材料は、蛍光X線分析で測定した場合における、Naの含有量が、質量比率で0.025%以上0.07%以下であり、Wの含有量が、質量比率で1%以上7%以下であり、Oの含有量が、質量比率で0.5%以上1.5%以下であることが更に好ましい。Na、W、Oの含有量がこれらの範囲となることで、タングステン酸ナトリウムが適量含有され、炭素の表面に適切にタングステン化合物を配置できる。
・測定装置:(株) リガク社製 ZSX PrimusIV
・管電圧:30kV
・管電流:100mA
測定方法としては、スタンダードレス・ファンダメンタル・パラメータ法を用い、解析にはリガク社のSQX散乱線FP法を用いてよい。
正極16は、集電層と正極材料層とを備える。正極16の集電層は、導電性部材で構成される層であり、ここでの導電性部材としては、例えばアルミニウムが挙げられる。正極材料層は、正極材料の層であり、正極16の集電層の表面に設けられる。正極の集電層の厚みは、例えば、10μm以上30μm以下程度であってよく、正極材料層の厚みは、例えば10μm以上100μm以下程度であってよい。
セパレータ18は、絶縁性の部材である。本実施形態では、セパレータ18は、例えば、樹脂製の多孔質膜であり、樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などが挙げられる。また、セパレータ18は、異なる材料の膜が積層された構造であってもよい。また、セパレータ18は、耐熱層を有していてもよい。耐熱層は、高融点の物質を含有する層である。耐熱層は、たとえば、アルミナ等の無機材料の粒子を含有してもよい。
電池1に設けられる電解液は、非水電解液である。電解液は、電極群12内の空隙に含浸されている。電解液は、例えば、リチウム塩および非プロトン性溶媒を含む。リチウム塩は、非プロトン性溶媒に分散、溶解している。リチウム塩としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、Li[N(FSO2)2]、Li[N(CF3SO2)2]、Li[B(C2O4)2]、LiPO2F2などが挙げられる。非プロトン性溶媒は、例えば、環状炭酸エステルおよび鎖状炭酸エステルの混合物であってよい。環状炭酸エステルとしては、たとえば、EC、PC、ブチレンカーボネート等が挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。
次に、本実施形態に係る電池1の製造方法を説明する。図3は、本実施形態の電池の製造方法を説明するフローチャートである。図3に示すように、本製造方法においては、ステップS10からステップS20の工程で、負極14を形成する。
なお、界面活性剤は、Naを含有するものであることには限られない。この場合、例えばNaを含有しない界面活性剤と、Naを含有する化合物とを、溶媒に溶解させて、第1溶液を生成してもよい。Naを含有しない界面活性剤としては、例えば、ポリ(オキシエチレン)アルキルエーテルや、ポリオキシエチレンノニルフェニールエーテルなどを用いてよい。ポリ(オキシエチレン)アルキルエーテルとしては、アルキル基の炭素数が12以上15以下の物を用いることが好ましく、例えば、C12H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)ドデシルエーテル)、C13H27O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)トリデシルエーテル)、C13H27O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)イソトリデシルエーテル)、C14H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)テトラデシルエーテル)、C155H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)ペンタデシルエーテル)などを用いてよい。ここでnは1以上の整数である。ポリオキシエチレンノニルフェニールエーテルとしては、例えば、C9H19C6(CH2CH2O)8H、C9H19C6(CH2CH2O)10H、C9H19C6(CH2CH2O)12Hなどを用いてよい。Naを含有する化合物としては、例えば、硫酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、ヒアルロン酸ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウムなどを用いてよい。
次に、実施例について説明する。
実施例1においては、実施形態で説明した溶液法で、負極材料を製造した。具体的には、第1溶液として、水を溶媒として界面活性剤としてSDSが溶解した溶液を準備した。第1溶液におけるSDSの濃度は、4.8%とした。そして、添加するアモルファスカーボン原料に対する第1溶液中のSDSの質量比率が3%となるように、第1溶液に、アモルファスカーボン原料を添加して撹拌し、第2溶液とした。そして、第1溶液中のアモルファスカーボン原料に対するタングステン酸アンモニウム(タングステン溶液)に含まれるWの量が質量比で5%となるように、第2溶液にタングステン酸アンモニウム(タングステン溶液)を添加して、第3溶液とした。そして、第3溶液を撹拌した後、加熱により水分を蒸発させて乾燥させて、負極中間物を生成した。そして、この負極中間物を、管状炉(焼成炉)内に導入し、窒素雰囲気下で、第1加熱速度60℃/時にて第1加熱温度550℃迄昇温させ、第1加熱温度に達した後に第2加熱速度180℃/時にて第2加熱温度700℃に昇温し、2時間保持した。2時間保持した後、加熱を停止し50℃になるまで自然降温させて負極材料を生成した。
実施例2においては、第1溶液中のアモルファスカーボン原料に対するタングステン酸アンモニウム(タングステン溶液)に含まれるWの量が質量比で5.0%とした点以外は、実施例1と同様の方法で、負極材料を生成した。
実施例3においては、第1溶液における界面活性剤の濃度が5%となるように、界面活性剤C12H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)ドデシルエーテル)を添加し、第1溶液中のアモルファスカーボン原料に対するNaの量が0.025wt%なるようにステアリン酸ナトリウムを添加した以外は、実施例1と同様な条件で作製した。
比較例1においては、アモルファスカーボンのみを用いて負極材料とした。
図4は、各例の負極材料の同定結果を示す表である。各例で製造した負極材料に対して、蛍光X線分析を実行して、負極材料に含まれる元素の含有量と、Na/W、W/Cとを測定した。元素の含有量の測定結果を図4に示す。なお、蛍光X線分析の測定条件は、上述の実施形態で説明した条件を用いた。
実施例1ないし3の負極材料は、アモルファスカーボン由来のC、タングステン酸ナトリウム由来のNa、W、C以外の元素(ここではSi、S)も含んでいるが、これらは不純物である。また、比較例1に含まれているC以外の元素(ここではO、Si、S)も含んでいるが、これらは不純物である。また、図4に挙げられている元素以外にも不可避的不純物を含んでもよい。
XRDの測定により、実施例1の負極材料は、立方晶のNa0.3WO3を含むことが分かり、実施例2の負極材料は、立方晶のNa0.3WO3と正方晶のNa0.1WO3とを含むことが分かった。
各例の負極材料の評価として、負極材料を用いた負極の容量を測定した。具体的には、Cレートを0.2とした場合の1g当たりの電流値(mAh/g)と、Cレートを3.2とした場合の1g当たりの電流値(mAh/g)とを測定した。例えばCレートを0.2とした場合の1g当たりの負極の電流値とは、5時間で定格容量を消費する電流値を指す。
図4に評価結果を示す。図4に示すように、タングステン酸ナトリウムがアモルファスカーボンの表面に設けられた実施例1ないし3においては、タングステン酸ナトリウムを含まない比較例1に対して、0.2Cでの電池特性が向上していることがわかる。さらに、実施例1ないし3の3.2Cの電池特性も、115,106,108となり、十分な値を保っていることが分かる。
14 負極
22 負極材料層
30 アモルファスカーボン粒子
32 NaxWOy粒子
Claims (12)
- 電池の負極材料であって、
アモルファスカーボンと、前記アモルファスカーボンの表面に設けられるタングステン酸ナトリウムと、を含む、負極材料。 - 立方晶と正方晶との少なくともいずれか一方の結晶構造の前記タングステン酸ナトリウムを含む、請求項1に記載の負極材料。
- 前記タングステン酸ナトリウムは、NaxWOyという化学式で表され、xが0より大きく1以下であり、yが2以上4以下である、請求項1又は請求項2に記載の負極材料。
- 蛍光X線分析で測定した場合における、ナトリウムの含有量が、質量比率で、0.01%以上0.5%以下であり、かつ、タングステンの含有量が、質量比率で、0.5%以上10%以下であり、酸素の含有量が、質量比率で、0.1%以上5%以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の負極材料。
- 蛍光X線分析で測定した場合における、タングステンに対するナトリウムの含有比率であるNa/Wが、0.001以上0.15以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の負極材料。
- タングステン酸ナトリウムとして、Na0.3WO3、Na0.1WO3、Na2WO4、及びNa5W14O44の少なくとも1つを含む、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の負極材料。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の負極材料と、正極材料とを含む、電池。
- 電池の負極材料の製造方法であって、
界面活性剤が溶解してナトリウムを含む第1溶液にアモルファスカーボンを添加して、前記第1溶液に前記アモルファスカーボンが分散した第2溶液を生成するステップと、
前記第2溶液と、タングステンが含まれるタングステン溶液とを混合して、第3溶液を生成するステップと、
前記第3溶液の液体成分を除去することで、負極材料を生成するステップと、
を含む、負極材料の製造方法。 - 前記アモルファスカーボンの添加量に対する、前記タングステンの添加量の比率を、質量比で、0.1%以上10%以下とする、請求項8に記載の負極材料の製造方法。
- 前記負極材料を生成するステップは、
前記第3溶液を乾燥させて負極中間物を生成する乾燥ステップと、
前記負極中間物を加熱する加熱ステップと、を含む、請求項8又は請求項9に記載の負極材料の製造方法。 - 前記加熱ステップは、
前記負極中間物を、第1加熱速度で、150℃以上625℃以下の第1温度まで加熱するステップと、
前記第1温度まで加熱した前記負極中間物を、前記第1加熱速度より高い第2加熱速度で、680℃以上750℃以下の第2温度まで加熱するステップと、
前記負極中間物を前記第2温度で保持するステップと、を含む、請求項10に記載の負極材料の製造方法。 - 請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の負極材料の製造方法と、正極材料を製造するステップと、を含む、電池の製造方法。
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