非水系锂型蓄电元件的制作方法_2

文档序号:8501197阅读:来源:国知局
内的负极活性物质量,可W使负极活性物质层变薄,蓄电元件可W表现出高能量密度;若充电量为2000mAh/gW下,则 负极活性物质的细孔量不会变得过多,可W提高负极活性物质层的堆积密度。综上,优选充 电量为1200mAh/gW上1700mAh/gW下、进一步优选充电量为1300mAh/gW上1600mAh/g W下。
[0096] 关于2),在负极电位在0V~0. 5V之间时,若放电量为lOOmAh/gW上,则在制成蓄 电元件后的充放电过程中,能够W低电位使负极电位工作,可W表现出高耐久性。综上,优 选负极电位在0V~0. 5V间的放电量为120mAh/gW上、进一步优选为140mAh/gW上。
[0097] 本发明中的负极活性物质优选含有复合多孔性材料,所述复合多孔性材料在活性 炭的表面附着有渐青煤。
[009引本发明的含有复合多孔性材料的负极活性物质的特征在于,同时满足W下的i) 和ii)。
[0099] i)该渐青煤相对于该活性炭的重量比例为10%W上60%W下,且作为该渐青煤 的原料的渐青的软化点为100°cW下;和
[0100] U)该负极活性物质的邸T比表面积为350mVg~1500mVg,且每单位重量渗杂有 llOOmAh/g~2000mAh/g的裡离子。
[0101] 下面对i)进行说明。
[010引若该渐青煤相对于该活性炭的重量比例为10%W上,则可W利用该渐青煤适度填 埋该活性炭所具有的微孔,裡离子的充放电效率提高,从而不会损害耐久性。另外,若碳质 材料的重量比例为60%W下,则可W适度保持复合多孔性材料的细孔,从而可W增大比表 面积,可W提高裡离子的预渗杂量,其结果,即便不将负极薄膜化也可W维持高输出密度和 高耐久性。综上,该重量比例优选为15%W上55%W下、更优选为18%W上50%W下、特 别优选为20 %W上47 %W下。
[010引此外,若作为该渐青煤的原料的渐青的软化点为l00°CW下,则不被理论拘束,可W利用该渐青煤适度填埋该活性炭所具有的微孔,初次裡充放电特性的充放电效率提高, 从而在负极电位在0V~0. 5V之间时可W增大放电量,可W提高耐久性。综上,渐青的软化 点优选为90°CW下、进一步优选为50°CW下。另外,渐青的软化点优选为约35°CW上。 [0104]下面对ii)进行说明。
[01化]该负极活性物质的邸T法的比表面积若为350mVgW上,则可W适度保持负极活 性物质的细孔,可W提高裡离子的渗杂量,其结果能够将负极薄膜化。另一方面,该比表面 积若为1500mVgW下,则可W适度填埋活性炭的微孔,初次裡充放电特性的充放电效率提 高,从而在负极电位在0V~0. 5V之间时可W增大放电量,可W提高耐久性。综上,该比表 面积优选为350m2/g~1100m2/g、进一步优选为370m2/g~600m2/g。
[0106] 此外,向该负极活性物质中渗杂裡离子(也称为预渗杂)。该预渗杂量相对于 该复合多孔性材料的每单位重量为llOOmAh/gW上2000mAh/gW下。该预渗杂量优选为 1200mAh/gW上 17〇〇mAh/gW下、进一步优选为 1300mAh/gW上 1600mAh/gW下。通过预渗 杂裡离子,负极电位降低,与正极组合时电池单元电压升高,同时正极的利用容量增大,因 此容量升高,可得到高能量密度。
[0107] 本发明的非水系裡型蓄电元件用负极中,若该预渗杂量为llOOmAh/g W上,则即 便是在一旦将裡离子插入负极材料中后就无法脱离的不可逆位点,也可W充分地预渗杂裡 离子,可W进一步降低相对于所期望的裡量的负极活性物质量,因此可W使负极膜厚变薄, 可W得到高的耐久性、输出特性W及高能量密度。另外,该预渗杂量越高,则负极电位越降 低、耐久性和能量密度越提高,若为2000mAh/g W下,则发生裡金属析出等副作用的可能性 小。
[0108] 上述负极活性物质可W仅使用一种,或者也可W混合使用两种W上。
[0109] 复合多孔性材料例如可W通过在活性炭和渐青共存的状态下对它们进行热处理 而得到。
[0110] 上述复合多孔性材料的原料中使用的活性炭只要可使所得到的复合多孔性材料 发挥出所期望的特性即可,对形成活性炭前的原材料没有特别限制,可W使用由石油系、煤 炭系、植物系、高分子系等各种原材料得到的市售品。优选使用平均粒径为1ymW上15ym W下的活性炭粉末。更优选平均粒径为2ymW上10ymW下。
[0111] 本发明中的平均粒径是指,在使用粒度分布测定装置测定粒度分布时,在设总体 积为100%来求出累积曲线时,将该累积曲线为50%的点的粒径设为50%径,该平均粒径 指的是该50%径(中位直径)。该平均粒径可W利用市售的激光衍射式粒度分布测定装置 进行测定。
[0112] 另一方面,上述复合多孔性材料的原料中使用的渐青大致可分为石油系渐青和煤 炭系渐青。作为石油系渐青,可例示出原油的蒸馈残渣、流动性接触分解残渣(澄清油等)、 来源于热裂化的残油、石脑油裂化的时所得到的己締焦油等。
[0113] 复合多孔性材料通过使渐青的挥发成分或热分解成分在活性炭的表面发生热反 应使渐青煤附着于该活性炭而得到。该种情况下,在200°C~500°C左右的温度,渐青的挥 发成分或热分解成分向活性炭细孔内进行附着,在400°CW上,进行该附着成分变成渐青煤 的反应。热处理时的峰温度根据所得到的复合多孔性材料的特性、热反应模式、热反应气氛 等来适宜确定,优选为400°CW上、更优选为450°C~1000°C、进一步优选为500°C~800°C 左右。此外,热处理时的峰温度维持时间为30分钟~10小时即可,优选为1小时~7小时、 更优选为2小时~5小时。在500°C~800°C左右的峰温度进行2小时~5小时热处理的 情况下,认为附着在活性炭表面的渐青煤形成多环芳香族系姪。
[0114] 上述复合多孔性材料的制造方法例如可W举出在含有由渐青挥发的姪气体的惰 性气氛中对活性炭进行热处理,在气相条件下使渐青煤附着于活性炭的方法。另外,还可W 利用将活性炭与渐青预先混合而进行热处理的方法;或者将溶解于溶剂中的渐青涂布至活 性炭并使其干燥后进行热处理的方法。
[0115] 复合多孔性材料中,渐青煤附着于活性炭的表面,但渐青附着于活性炭的细孔内 部之后的细孔分布是很重要的,其可通过中孔量和微孔量来规定。目P,对复合多孔性材 料来说,在将通过BJH法计算出的来源于直径为20AW上500AW下的细孔的中孔量设为 Vml(cc/g)、将通过MP法计算出的来源于直径小于20A的细孔的微孔量设为Vm2 (cc/g)时, 优选满足下述I)~III)中的至少一者:
[0116] 1)0. 010《Vml《0. 300 且 0. 010《Vm2《0. 200;
[0117] 11)0. 010《Vml《0. 200 且 0. 200《Vm2《0. 400;和
[0118] 111)0. 010《Vml《0. 100 且 0. 400《Vm2《0. 650。
[0119] 中孔量Vml为上限值W下(Vml《0. 300)时,可W增大复合多孔性材料的比表面 积,可W提高裡离子的预渗杂量,除此W外可W提高负极的堆积密度,因而,其结果可W将 负极薄膜化。另外,微孔量Vm2为上限值W下(Vml《 0.650)时,可W维持对于裡离子的高 充放电效率。另一方面,中孔量Vml和微孔量Vm2为下限值W上(0. 010《Vml、0. 010《Vm2) 时,可得到高输出特性。
[0120] 复合多孔性材料优选在上述I)~III)中满足上述I)或II)。另外,在上述I) 中,中孔量Vml优选为0.050《Vml《 0.300。
[0121] 本发明中,微孔量和中孔量是通过W下的方法求出的值。目P,将试样在50(TC进 行一昼夜的真空干燥,W氮为被吸附物进行吸附脱附等温线的测定。使用此时的脱附侧的 等温线,通过MP法计算出微孔量,通过BJH法计算出中孔量。所谓MP法是利用"T-plot 法"化C.Li卵ens,J.H.deBoer,J.化talysis, 4319(1965))求出微孔容积、微孔面积W及 微孔分布的方法。MP法为由M.Mildiail,Rrunauer,Bodor设计出的方法化S.Mildiail,S. E5runaue;r,E.E.Bodo;r,J.ColloidInterfaceSci., 26, 45(1968))。此外,BJH法是通常 用于中孔解析的计算方法,是由Barrett,Joyner,Halenda等人提出的巧.P.Barrett,L. G.JoynerandP.Halenda,J.Amer.Chem.Soc. , 73, 373 (1951))。
[0122] 本发明中,如上所述,渐青附着于活性炭的表面之后的中孔量和微孔量是很重要 的,但为了得到本发明中规定的细孔分布范围的复合多孔性材料,原料中使用的活性炭的 细孔分布是很重要的。
[0123] 对于上述活性炭来说,在将通过BJH法计算出的来源于直径为20AW上500AW 下的细孔的中孔量设为VI(cc/g)、将通过MP法计算出的来源于直径小于20A的细孔的微 孔量设为V2 (cc/g)时,优选0. 050《VI《0. 500、0. 005《V2《1. 000、并且0. 2《VI/ V2《20. 0。
[0124]关于中孔量,更优选0. 050《VI《0. 350、进一步优选0. 100《VI《0. 300。关 于微孔量,更优选0. 005《V2《0. 850、进一步优选0. 100《V2《0. 800。关于中孔量/ 微孔量的比例,更优选0. 22《V1/V2《10. 0、进一步优选0. 25《V1/V2《10. 0。在超过 上限的情况下,即活性炭的中孔量VI多于0. 5的情况和微孔量V2多于1. 0的情况下,为了 得到上述本发明的复合多孔性材料的细孔结构而需要附着大量的渐青煤,难W控制细孔结 构。
[01巧]另外,制造上述复合多孔性材料的工序与一般的表面涂覆不同,在使渐青煤附着 于活性炭的表面之后也很少发生凝集,具有附着前后的平均粒径几乎没有变化的特征。由 该种制造上述复合多孔性材料的工序的特征、W及后述实施例表明的附着后微孔量和中孔 量减少的情况可W推测,本发明中,渐青的挥发成分或者热分解成分的大部分附着于活性 炭的细孔内,进行了该附着成分成为渐青煤的反应。
[0126] 如上所述,本发明中的复合多孔性材料的平均粒径与附着前的活性炭几乎没有变 化,优选为1ymW上10ymW下。关于下限,更优选为2ymW上、进一步优选为2. 5ymW 上。关于上限,更优选为下、进一步优选为下。平均粒径为上lOym W下时,可确保充分的耐久性。此处所说的复合多孔性材料的平均粒径的测定方法是与上 述原料中使用的活性炭相同的方法。
[0127] 上述复合多孔性材料中,从为高输出特性的方面考虑,平均细孔径优选为28AW 上、更优选为30AW上。另一方面,从为高能量密度的方面考虑,优选为65,4W下、更优选为 60AW下。本说明书中,平均细孔径是指每单位重量的细孔总容积除WBET比表面积而求 得的值,该每单位重量的细孔总容积是在液氮温度下在各相对压力下对氮气的各平衡吸附 量进行测定而得到的。
[0128] 上述复合多孔性材料中,氨原子/碳原子的原子数比(W下也称为H/C)优选为 0. 05W上0. 35W下、更优选为0. 05W上0. 15W下。在H/C超过上限值的情况下,附着于 活性炭表面的碳质材料多环芳香族系共辆结构无法充分发展,因而容量(能量密度)和充 放电效率降低。另一方面,H/C低于下限值的情况下,碳化过度进行,有时无法得到充分的 能量密度。需要说明的是,H/C利用元素分析装置进行测定。
[0129] 另外,上述复合多孔性材料具有来源于原料的活性炭的无定形结构、同时还具有 主要来源于所附着的碳质材料的结晶结构。根据广角X射线衍射法,该复合多孔性材料的 (00。面的面间隔cU为3.60AW上4.00AW下、由该峰的半峰宽得到的C轴向的微晶尺寸 Lc为8.0AW上20.0AW下,更优选cU为3.60AW上3.75AW下、由该峰的半峰宽得到的C 轴向的微晶尺寸Lc为ll.OAW上16.0AW下。
[0130] <1.2.负极活性物质层的其他成分〉
[0131] 在负极活性物质层中,除了负极活性物质外,可W根据需要添加导电性填料、接合 剂。作为导电性填料的种类,没有特别限制,可例示出己诀黑、科琴黑、气相生长碳纤维。导 电性填料的添加量例如相对于负极活性物质优选为0质量%~30质量%。另外,作为接合 剂,没有特别限制,可W使用PVDF(聚偏二氣己締)、PTFE(聚四氣己締)、苯己締-了二締 共聚物等。接合剂的添加量例如相对于负极活性物质为3质量%~20质量%的范围。
[0132] <1.3.负极的成型〉
[0133] 非水系裡型蓄电元件用负极可W通过已知的裡离子电池、双电层电容器等的电极 成型手法进行制造,例如,使负极活性物质、导电性填料、接合剂分散于溶剂中制成浆料状, 将活性物质层涂布至集电体上并干燥,根据需要进行压制,由此可得到负极。另外,也可W 不使用溶剂而W干式混合,将活性物质压制成型后,利用导电性接合剂等粘贴至集电体上。
[0134] 非水系裡型蓄电元件用负极可W使负极活性物质层仅形成于集电体的单面,也可 W形成于双面。关于该负极活性物质层的厚度,每一单面为15ymW上45ymW下、优选为 20ymW上40ymW下。该厚度为15ymW上时,可W表现出充分的充放电容量。另一方 面,该厚度为45ymW下时,可W通过缩小电池单元体积来提高能量密度。
[01巧]需要说明的是,在集电体中有孔时,负极活性物质层的厚度是指集电体的不具有 孔的部分的每一单面的厚度的平均值。该情况下,作为孔,例如可W举出穿孔金属板的贯通 孔部分、金属板网的开孔部分等。
[0136] 另外,负极活性物质层的堆积密度优选为0.60g/cm3W上1.2g/cm3W下、进一步优 选为0. 70g/cm3W上1. 〇g/cm3W下。堆积密度为0. 60g/cm3W上时,可W保持充分的强度, 同时可W表现出活性物质间的充分的导电性。另外,为1. 2g/cm3W下时,可W确保在活性 物质层内离子能够充分扩散的空隙。
[0137]负极集电体的材料只要是在形成蓄电元件时不发生溶出、反应等劣化的材料就没 有特别限制,例如可W举出铜、铁、不诱钢等。本发明的非水系裡型蓄电元件用负极中,优选 将铜作为负极集电体。关于负极集电体的形状,可W使用能够在金属巧或金属的间隙形成 电极的结构体,金属巧可W为不具有贯通孔的通常的金属巧,也可W为金属板网、穿孔金属 板、蚀刻巧等具有贯通孔的金属巧。另外,关于负极集电体的厚度,只要可充分保持负极的 形状或强度就没有特别限制,例如优选为1ym~100ym。
[013引 <1.4.负极活性物质中的裡离子的预渗杂〉
[0139] 对于在非水系裡型蓄电元件用负极中预渗杂裡离子的方法,可W使用已知的方 法。例如可W举出下述方法:将负极活性物质成型为电极后,将该负极电极用于工作电极、 将金属裡用于反电极,组合非水系电解液而制作出电化学电池,W电化学方式预渗杂裡离 子。另外,也可W将金属裡巧压接于该负极电极,置于非水系电解液中,从而在负极中预渗 杂裡离子。
[0140] <1.5.能量密度、输出特性和耐久性的兼顾〉
[0141] 从提供能量密度、输出特性和耐久性均优异的负极的方面考虑,在活性炭的表面 附着有渐青煤的负极活性物质中包含复合多孔性材料,该负极活性物质优选满足下述i) 和ii);
[0142]i)该渐青煤相对于该活性炭的重量比例为10%W上60%W下,且作为该渐青煤 的原料的渐青的软化点为100°cW下;和
[01创 U)该负极活性物质的邸T比表面积为350mVg~1500mVg,且每单位重量渗杂有 llOOmAh/g~2000mAh/g的裡离子。
[0144] 更详细来说,为了提高能量密度[蓄电元件的容量(mAh)/负极的体积(cm3)],优 选将负极活性物质层的厚度调整为15ymW上45ymW下,同时将渐青煤/活性炭(重量 比)与渐青的软化点调整为不损害负极的耐久性且可提高裡离子的预渗杂量的范围。
[0145] <2.正极〉
[0146] 本发明中的非水系裡型蓄电元件用正极在正极集电体上设置有正极活性物质层。
[0147] <2. 1.正极活性物质〉
[0148] 正极活性物质层含有正极活性物质和接合剂,根据需要含有导电性填料。作为正 极活性物质,优选使用W下的活性炭1或活性炭2。
[0149](活性炭1)
[0150] 对活性炭1的种类及其原料没有特别限制,为了兼顾高容量(即高能量密度)和 高输出特性(即高输出密度),优选控制活性炭的细孔为最佳。具体来说,在将通过BJH法 计算出的来源于直径为20AW上500AW下的细孔的中孔量设为VI(cc/g)、将通过MP法计 算出的来源于直径小于20A的细孔的微孔量设为V2(cc/g)时,优选满足0. 3<V1《0. 8W及 0. 5《V2《1. 0、且通过BET法测定的比表面积为1500mVgW上3000mVgW下的活性炭。
[0151] 从增
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