(57)【要約】【課題】カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料及びこの電極材料を含有する電極を提供する。【解決手段】化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物にずり応力と遠心力を加えて生成した金属酸化物ナノ粒子と、旋回する反応器内でずり応力と遠心力を加えて分散した比表面積が６００〜２６００ｍ2／ｇであるカーボンナノチューブとからなり、前記金属酸化物ナノ粒子を前記カーボンナノチューブに高分散担持させる。前記金属酸化物としては、チタン酸リチウムが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応抑制剤を含む反応物にずり応力と遠心力を加えて生成した金属酸化物ナノ粒子と、旋回する反応器内でずり応力と遠心力を加えて分散した比表面積が６００〜２６００ｍ2／ｇであるカーボンナノチューブとからなり、前記金属酸化物ナノ粒子を前記カーボンナノチューブに高分散担持させたことを特徴とする電極材料。
【請求項２】
前記旋回する反応器内で、反応抑制剤を含む反応物を含む薄膜を生成し、この薄膜にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進、制御させたことを特徴とする請求項１に記載の電極材料。
【請求項３】
前記反応器が、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔を備えるとともに、外筒の開口部にせき板を配置してなり、内筒の旋回による遠心力によって、内筒内の反応抑制剤を含む反応物を内筒の貫通孔を通じて外筒の内壁面に移動させ、外筒の内壁面に反応抑制剤を含む反応物を含む薄膜を生成させると共に、この薄膜にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進、制御させたことを特徴とする請求項２に記載の電極材料。
【請求項４】
前記薄膜が、その厚さが５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電極材料。
【請求項５】
前記反応器の内筒内の反応物に加えられる遠心力が、１５００Ｎ（ｋｇｍｓ-2）以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電極材料。
【請求項６】
前記化学反応が、金属塩の加水分解反応および／または縮合反応であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電極材料。
【請求項７】
前記金属酸化物が、チタン酸リチウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電極材料。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電極材料を含有することを特徴とする電極。
【請求項９】
前記金属酸化物が、チタン酸リチウムであることを特徴とする請求項８に記載の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極材料及びこの電極材料を含有する電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、リチウム電池の電極としてリチウムを貯蔵、放出するカーボン材料等が用いられているが、酸化還元電位が電解液の還元電位より低いため、電解液が分解する可能性がある。そこで、酸化還元電位が電解液の還元電位より高いチタン酸リチウムが検討されているが、チタン酸リチウムは出力特性が低いという問題点がある。そこで、本出願人等は、チタン酸リチウムをナノ粒子化して、出力特性を向上する技術について出願した（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７０７９５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Science Vol.306,p.1362-1364(2004)
【非特許文献２】Chemical Physics Letters 403,p.320-323(2005)
【非特許文献３】Journal of Physical Chemistry B2004,108,p.18395-18397
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたチタン酸リチウムナノ粒子とケッチェンブラック（ＫＢ）からなるカーボン材料では、カーボンの含有率は３０〜５０ｗｔ％が最適範囲であるため、カーボンの含有率を下げて、容量特性を向上させることができなかった。
【０００６】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料及びこの電極材料を含有する電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本出願人等が先に特許出願した明細書に記載されたメカノケミカル反応を用いると共に、カーボン材料として比表面積が６００〜２６００ｍ2／ｇのカーボンナノチューブ（以下、ＳＧＣＮＴという）を用いることにより、カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料が得られることが判明したものである。
【０００８】
（カーボン材料）
本発明に係る電極材料を構成するカーボン材料としては、ＳＧＣＮＴを用いることが好ましい。なお、本発明において、上記ＳＧＣＮＴに着目したのは、以下の理由による。すなわち、比表面積が５００ｍ2／ｇ以下のカーボンナノチューブは、強固なファンデルワールス力によりバンドル（束）を形成し、ミクロ凝集しているため、高分散化が困難であったが、比表面積が６００〜２６００ｍ2／ｇと大きいカーボンナノチューブ（ＳＧＣＮＴ）は、ファンデルワールス力によるバンドル（束）形成、ミクロ凝集がほとんどないため、高分散化が期待できるからである。
【０００９】
本発明に係る電極材料に用いられるＳＧＣＮＴのように大きな比表面積を有するものは、電気化学キャパシタの静電容量をより高いものとし、且つエネルギー密度をより高いものとするために望ましい。カーボンナノチューブは、単層でも、二層でも、三層以上の多層であってもよく、それらが混合していてもよい。
【００１０】
従来、電気化学キャパシタの電極に使用されていたカーボンナノチューブの比表面積は高々５００ｍ2／ｇ程度であったが、本発明に係る電極材料としては、所期の目的を達成するため、比表面積が６００ｍ2／ｇ以上の非常に大きなカーボンナノチューブを用いる。カーボンナノチューブのこのような大きな比表面積は、カーボンナノチューブ間にバンドルが形成されていないものを使用するか、あるいは形成されていても極めて少ないものを選択的に使用することにより達成することができる。
【００１１】
この場合、バンドルのない、あるいはバンドルが極めて少ないカーボンナノチューブは、例えば、上記の非特許文献１や非特許文献２等に記載されている方法を用いることにより得ることができる。また、比表面積が数百ｍ2／ｇ程度の市販されているＨｉＰｃｏ（Carbon Nanotechnologies社製）に対し、例えば、非特許文献３に記載されているような、バンドル構造を解放するような手段を施す方法を用いて得ることもできる。なお、本発明に用いるＳＧＣＮＴは、単層の場合、直径が２〜４ｎｍ、長さが０．１〜１０ｍｍ、純度が８０〜９９．９８％のものが好ましい。二層以上の場合、直径が４〜１０ｎｍ、長さが０．１〜１０ｍｍ、純度が８０〜９９．９８％のものが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る電極材料に用いられるＳＧＣＮＴとしては、上記のような大きな比表面積を備えることに加え、半導体性を有するものを用いることが好ましい。その理由は、ＳＧＣＮＴを両極に用いたキャパシタを作成した際、そのキャパシタに高い電圧を印加したときに、高い容量が得られるためである。
【００１３】
また、本発明に係る電極材料に用いられるＳＧＣＮＴとしては、密度が０．２〜１．５ｇ／ｃｍ3のものが好ましい。密度がこの範囲より低すぎると、機械的にもろくなって十分な機械的強度が得られないことや、体積あたりの容量密度が低くなってしまうからである。また、この範囲より高すぎると、電解液が入り込む空間がなくなるため、結果的に容量密度が減少してしまうからである。
【００１４】
（金属塩）
本発明に係る電極材料を構成する金属塩としては、金属アルコキシドが好ましく、その他に、塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩等を挙げることができる。また、前記金属アルコキシドとしては、チタンアルコキシドが好ましく、その他、金属アルコキシドの加水分解反応の反応速度定数が１０-5ｍｏｌ-1ｓｅｃ-1以上のものが好ましい。このような金属としては、スズ、ジルコニア、セシウム等を挙げることができる。
【００１５】
（反応抑制剤）
上記特許文献１に記載されたメカノケミカル反応を適用する所定の金属アルコキシドに、反応抑制剤として該金属アルコキシドと錯体を形成する所定の化合物を添加することにより、化学反応が促進しすぎるのを抑制することができる。
【００１６】
そこで、本発明においては、金属アルコキシドに、これと錯体を形成する酢酸等の所定の化合物を該金属アルコキシド１モルに対して、１〜３モル添加して錯体を形成することにより、反応を抑制、制御する。なお、この反応によって生成されるのは、金属と酸化物の複合体のナノ粒子、例えば、チタン酸リチウムの前駆体である、リチウムと酸化チタンの複合体のナノ粒子であり、これを焼成することにより、チタン酸リチウムの結晶が得られる。
【００１７】
なお、金属アルコキシドと錯体を形成することができる物質としては、酢酸の他、クエン酸、蓚酸、ギ酸、乳酸、酒石酸、フマル酸、コハク酸、プロピオン酸、レプリン酸等のカルボン酸、ＥＤＴＡ等のアミノポリカルボン酸、トリエタノールアミン等のアミノアルコールに代表される錯化剤が挙げられる。
【００１８】
（メカノケミカル反応）
なお、本発明で用いる反応方法は、本出願人等が先に特許出願した上記特許文献１に示した方法と同様のメカノケミカル反応であって、化学反応の過程で、旋回する反応器内で反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させるものである。
【００１９】
この反応方法においては、反応物にずり応力と遠心力の双方の機械的エネルギーが同時に加えられることによって、このエネルギーが化学エネルギーに転化することによるものと思われるが、従来にない速度で化学反応を促進させることができる。
【００２０】
そして、このような化学反応を促進させるには、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔を備えるとともに、外筒の開口部にせき板を配置してなる反応器において、内筒の旋回による遠心力によって内筒内の反応物を内筒の貫通孔を通じて外筒の内壁面に移動させ、外筒の内壁面に反応物を含む薄膜を生成すると共に、この薄膜にずり応力と遠心力を加えることによって実現することができる。なお、前記薄膜の厚さは５ｍｍ以下であることが好ましく、前記反応器の内筒内の反応物に加えられる遠心力は、１５００Ｎ（ｋｇｍｓ-2）以上であることが好ましい。
【００２１】
すなわち、上記金属アルコキシド、上記反応抑制剤及びＳＧＣＮＴを反応器の内筒の内部に投入して、内筒を旋回してこれらを混合、分散する。さらに内筒を旋回させながら水を投入して加水分解、縮合反応を進行させ、金属酸化物を生成すると共に、この金属酸化物とＳＧＣＮＴを分散状態で、混合する。反応終了と共に、金属酸化物ナノ粒子を高分散担持させたＳＧＣＮＴを得ることができる。
【００２２】
なお、本発明においては、上記分散と加水分解、縮合反応を同時に進行させることもできる。また、焼成工程において、３分以内に室温から９００℃まで急熱することによって、金属酸化物の凝集を防止することができるので、粒径の小さな結晶性のナノ粒子を形成することができる。
【００２３】
（電極への応用）
本発明により得られた金属酸化物ナノ粒子を高分散担持させたカーボンは、バインダーと混合、成型し、電気化学素子の電極、すなわち電気エネルギー貯蔵用電極とすることができ、この電極は高出力特性、高容量特性を示す。
【００２４】
ここで、この電極を用いることができる電気化学素子は、リチウムイオンを含有する電解液を用いる電気化学キャパシタ、電池である。すなわち、本発明の電極は、リチウムイオンの吸蔵、脱着を行うことができ、負極として作動する。したがって、リチウムイオンを含有する電解液を用い、対極として活性炭、リチウムが吸蔵、脱着する酸化物やカーボン等を用いることによって、電気化学キャパシタ、電池を構成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、カーボン材料の含有率を下げて容量特性を向上させることができる電極材料及びこの電極材料を含有する電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１の複合体のＴＥＭ像を示す図面代用写真。
【図２】本発明に係る電極を用いた充放電試験の結果を示す図。
【図３】本発明に係る電極のレート特性試験の結果を示す図。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
チタンアルコキシド１モルに対して、酢酸１．８モル、酢酸リチウム１モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、ＳＧＣＮＴを旋回反応器内に投入し、６６，０００Ｎ（ｋｇｍｓ-2）の遠心力で５分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したＳＧＣＮＴを得た。
【００２８】
得られたチタン酸リチウムの前駆体を高分散担持させたＳＧＣＮＴを、真空中において８０℃で１７時間乾燥することにより、チタン酸リチウムの前駆体がＳＧＣＮＴに高分散担持された複合体粉末を得た。
【００２９】
得られたチタン酸リチウムの前駆体がＳＧＣＮＴに高分散担持された複合体粉末を、真空中で３分以内に室温→９００℃と急熱することによってチタン酸リチウムの前駆体の結晶化を進行させ、チタン酸リチウムのナノ粒子がＳＧＣＮＴに高分散担持された複合体粉末を得た。なお、本実施例においては、旋回反応器内に投入するチタンアルコキシドとＳＧＣＮＴの量を、チタン酸リチウムとＳＧＣＮＴの重量比が約８０：２０となるよう換算して調製した。
【００３０】
このようにして得られた複合体のＴＥＭ像を図１に示した。図１においては５ｎｍ〜２０ｎｍのチタン酸リチウムのナノ粒子がＳＧＣＮＴに高分散担持していることが分かる。
【００３１】
（比較例１）
チタンアルコキシド１モルに対して、酢酸１．８モル、酢酸リチウム１モルとなる量の酢酸と酢酸リチウムをイソプロパノールと水の混合物に溶解して混合溶媒を作製した。この混合溶媒とチタンアルコキシド、イソプロピルアルコール、ケッチェンブラック（ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、商品名：ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ、空隙率７８Ｖｏｌ．％、一次粒子径４０ｎｍ、平均二次粒径３３７．８ｎｍ）を旋回反応器内に投入し、６６，０００Ｎ（ｋｇｍｓ-2）の遠心力で５分間、内筒を旋回して外筒の内壁に反応物の薄膜を形成すると共に、反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を促進させ、チタン酸リチウムの前駆体を高分散担持したケッチェンブラックを得た。
【００３２】
得られたチタン酸リチウムの前駆体を高分散担持させたケッチェンブラックを、真空中において８０℃で１７時間乾燥することにより、チタン酸リチウムの前駆体がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。
【００３３】
得られたチタン酸リチウムの前駆体がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を、真空中で３分以内に室温→９００℃と急熱することによってチタン酸リチウムの前駆体の結晶化を進行させ、チタン酸リチウムのナノ粒子がケッチェンブラックに高分散担持された複合体粉末を得た。なお、比較例１においても、実施例１と同様に、旋回反応器内に投入するチタンアルコキシドとケッチェンブラックの量を、チタン酸リチウムとケッチェンブラックの重量比が約８０：２０となるよう換算して調製した。
【００３４】
（比較例２）
旋回反応器内に投入するチタンアルコキシド１ｍｏｌに対するケッチェンブラックの重量を比較例１の４／３倍に増加させて、チタン酸リチウムがケッチェンブラックに坦持された複合体を作製した。その他の条件は上記比較例１と同様である。なお、比較例２におけるチタン酸リチウムとケッチェンブラックの重量比は約６０：４０であった。
【００３５】
（試験結果）
（１）充放電挙動
実施例１で得られた複合体粉末８重量部と、２重量部のＰＶｄＦ（ポリビニリデンフルオライド）をＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）溶液中で混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーを銅箔上に塗布し、真空中、１００℃で４時間乾燥することによって電極を作製した。得られた電極に、対極としてリチウム箔をセパレータを介して対向させ、電解液として１Ｍ  ＬｉＢＦ4／ＥＣ：ＤＭＣ（ｖｏｌ．１：１）を注入することによって、コインタイプのセルを作製した。また、比較例１及び比較例２で得られた複合体についても、同様にしてセルを作製した。
【００３６】
作製したセルについて、電圧範囲１．０〜３．０Ｖ、Ｃレート１Ｃで充放電測定を行ったところ、図２に示すような結果が得られた。図から明らかなように、実施例１の１Ｃでの充放電曲線は１．５５Ｖにプラトーを有し、そのチタン酸リチウム当たりの容量は１４３ｍＡｈ／ｇであり、理論容量１７５ｍＡ／ｇの８２％の容量が得られていることが分かった。これは、ＳＧＣＮＴ上に高分散坦持された酸化物が結晶性のチタン酸リチウムであることを示している。さらに、ＸＲＤ分析によっても、結晶性のチタン酸リチウムであることが確認されている。
【００３７】
（２）レート特性
実施例１、比較例１及び比較例２で得られた複合体粉末８重量部と、２重量部のＰＶｄＦ（ポリビニリデンフルオライド）をＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）溶液中で混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーを銅箔上に塗布し、真空中、１００℃で４時間乾燥することによって電極を作製した。得られた電極に、対極としてリチウム箔をセパレータを介して対向させ、電解液として１Ｍ  ＬｉＢＦ4／ＥＣ：ＤＭＣ（ｖｏｌ．１：１）を注入することによって、コインタイプのセルを作製した。作製したセルについて、電圧範囲１．０〜３．０Ｖ、Ｃレート範囲１〜１００Ｃでの充放電測定を行ったところ、図３に示すような結果が得られた。なお、図３は、１Ｃでの容量を１００とした場合の容量維持率を示したものである。
【００３８】
図３から明らかなように、実施例１においては、１００Ｃでの出力（容量）は１Ｃでの容量の８９％と優れたレート特性を示している。これに対して、比較例１においては、１００Ｃでの出力（容量）は１Ｃでの容量の数％に過ぎなかった。一方、比較例２においては、１００Ｃでの出力（容量）は１Ｃでの容量の８０％とレート特性は良好であったが、表１に示したように、比較例２ではチタン酸リチウムの比率が６０％と小さいため、実施例１に比べて複合体当たりの容量は小さくなることが分かった。
【表１】
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【００３９】
一般に、カーボン比率が低くなるとチタン酸リチウム粒子が近接して凝集が起こり、これにより粒子径が増大して出力特性が低下することが知られている。比較例１のように、ケッチェンブラックの含有量が２０％の場合には、チタン酸リチウム粒子の凝集が起こって粒子径が大きくなって出力特性が低下することが確認されている。一方、実施例１においては、ＳＧＣＮＴの含有量が２０％であっても、優れた出力特性が得られることが分かった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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