(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末あるいは成形体の炭素材料を酸またはアルカリで洗浄する工程と、該洗浄された炭素材料とリチウムを含む水溶液とを混合する工程と、該混合物を２００℃までの温度で加熱乾燥させることにより炭素材料表面に被膜を形成する工程と、を含み、該被膜がリチウム化合物であることを特徴とするリチウムイオン２次電池用負極の製造方法。
【請求項２】
金属アルコキシドを溶解または分散させた溶液と酸またはアルカリ性溶液と粉末あるいは成形体の炭素材料とを混合する工程と、該混合物を熱処理することにより炭素材料表面に３次元的にマトリックスを組む被膜を形成する工程と、を含み、該金属アルコキシドがテトラエトキシシランであることを特徴とするリチウムイオン２次電池用負極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン２次電池、特にリチウムイオン２次電池用負極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン２次電池においては、充放電動作中に負極活物質である炭素材料の周囲にＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が付着する。このＳＥＩは、主にリチウム化合物であるので、炭素材料の周囲にＳＥＩが付着することによりリチウムイオンが消費され、サイクル特性が低下するという問題があった。
【０００３】
このため、従来から、あらかじめ負極活物質である炭素材料の表面に水酸化リチウム等を被覆する技術が提案されている。例えば、リチウムを含む負極材を水分と接触させ、負極材料表面に水酸化リチウムを生成させる方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法においては、負極活物質である炭素材料の表面に存在する−ＯＨ、−ＣＯＯＨ等の官能基は除去できないので、水酸化リチウムは炭素材料の表面に物理的に吸着しているだけとなる。このため密着性が弱く、また完全に炭素材料の表面を覆うことは困難である。従って、リチウムイオン２次電池の充放電サイクル中に炭素材料が膨張、収縮し、その歪みにより表面に付着させた水酸化リチウムが脱落してしまう。このため、サイクル特性を向上させることができないという問題があった。
【０００５】
また、炭素材料の表面に水酸化リチウムを被覆させる方法としては、炭素材料の表面に１％水酸化リチウム粉末を添加する方法や、炭素材料の表面に水酸化リチウムのシートを配置する方法なども考えられる。しかし、これらによっても炭素材料の表面を完全に覆うことは困難であり、また密着性の点でも上記問題を解決することはできなかった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、炭素材料の表面に被覆材料の強固な被膜を形成することができるリチウムイオン２次電池用負極の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、リチウムイオン２次電池用負極の製造方法であって、粉末あるいは成形体の炭素材料を酸またはアルカリで洗浄する工程と、該洗浄された炭素材料とリチウムを含む水溶液とを混合する工程と、該混合物を２００℃までの温度で加熱乾燥させることにより炭素材料表面に被膜を形成する工程と、を含み、該被膜がリチウム化合物であること、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、金属アルコキシドを溶解または分散させた溶液と酸またはアルカリ性溶液と粉末あるいは成形体の炭素材料とを混合する工程と、該混合物を熱処理することにより炭素材料表面に３次元的にマトリックスを組む被膜を形成する工程と、を含み、該金属アルコキシドがテトラエトキシシランであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１２】
黒鉛その他の炭素材料の表面は、一般に図１（ａ）に示されるように、積層された炭素平面の基底面とエッジ面とが露出している。このエッジ面には、官能基として−ＯＨ、−ＣＯＯＨなどが存在する。一方、基底面にはこのような官能基は存在しない。従って、カーボン材の表面に被膜を形成する場合、基底面では被覆材が物理吸着するだけなので強固な膜を形成することができない。他方エッジ面においては、上述したような官能基が存在するので、この官能基と化学結合をさせれば強固な被膜を形成することが可能となる。以上より、本発明者らは、炭素材料の表面に均質に強固な被膜を形成するために検討を重ね、本発明に係るリチウムイオン２次電池用負極の製造方法を完成した。以下にその製造方法の工程を説明する。
【００１３】
まず黒鉛その他の炭素材料を酸又はアルカリで洗浄した後、この洗浄された炭素材料と被覆される材料が溶解している溶液とを混合し、エッジ面に存在する官能基と被覆材料とを反応させ化学結合させる。酸又はアルカリで洗浄することにより、官能基−ＯＨ、−ＣＯＯＨからＨが脱離し−Ｏ-、−ＣＯＯ-となるので、従来例と異なり、被覆材料と官能基とを化学結合させることができる。これにより、物理吸着に比べ、より均一で強固な被膜を形成することができる。
【００１４】
これらの工程は、酸性もしくはアルカリ性溶液中に炭素材料を混合し、さらに被覆材料を混合することにより行う。または、酸性もしくはアルカリ性溶液中に被覆材料を溶解もしくは分散させ、これに炭素材料を混合する方法によっても可能である。
【００１５】
上述した酸性もしくはアルカリ性溶液は、水、アルコール類等に、Ｈｃｌ、Ｈ2ＳＯ4等の酸性物質あるいはＬｉＯＨやアンモニア等のアルカリ性物質を混合したものである。また、被覆材料としてはＬｉＯＨ、Ｌｉ2Ｏ、Ｌｉ2ＣＯ3等が使用できる。更に、ＴｉＯ2、ＳｎＯ、ＳｉＯ2、ＷＯ2等の金属酸化物やＬｉXＴｉ2Ｏ4等の複合金属酸化物を使用することもでき、この場合にはアルコキシド等の溶液中に溶解、分散できるものが望ましい。
【００１６】
次に、上記混合物を熱処理することにより、炭素材料の表面に被覆材料の被膜を生成する。この工程では、加熱乾燥により溶媒を除去して被膜を生成させる。
【００１８】
以上のようにして得られた表面が被覆された炭素材料に、ＰＶＤＦ等の結着剤と溶媒とを加えペースト化し、銅等の集電箔上に塗布、乾燥し、リチウムイオン２次電池用負極を得ることができる。なお、以上のような方法の他、まず電極を作成した後、その成形体を被膜材料を含む酸性もしくはアルカリ性溶液中に浸漬することによっても炭素材料の表面に被膜を形成することができる。
【００１９】
本実施形態にかかる製造方法により生成した炭素材料表面の被膜は、上述したようにエッジ面の官能基と化学結合しているので、均一で強固な被膜となっている。このため、従来のような物理吸着によって被膜を形成する場合に比べ、リチウムイオン２次電池の充放電に伴う炭素材料の膨張、収縮による剥離がない。従って、剥離部分に新たにＳＥＩが生成することによってリチウムイオンが消費されることがなく、リチウムイオン２次電池のサイクル特性を向上させることができる。このような本発明に係るリチウムイオン２次電池用負極の製造方法には、図１（ｂ）に示されるようなラメラ構造のカーボン（ＭＣＭＢ）や図１（ｃ）に示されるような放射状にエッジ面が存在する炭素材料が好ましい。これは、これらの炭素材料の表面にエッジ面が露出しているため、表面全面に官能基が存在し、被膜をより強固に生成させることができるからである。
【００２０】
以上に述べた本発明に係るリチウムイオン２次電池用負極の製造方法の具体例を実施例として以下に説明する。
【００２１】
実施例１．
１００ｃｃのビーカーに、大阪ガス社製人造黒鉛（ＭＣＭＢ）１０ｇを黒鉛の１ｍｏｌ％量のリチウムを含む水溶液（ＬｉＯＨ水溶液等）５０ｇ中に入れ、ホットスターラーにて１００℃の温度で攪拌しながら２時間混合した。上述したように、ＭＣＭＢは天然黒鉛に比べて表面のエッジ面が多く、官能基が多いため本発明に適する材料である。
【００２２】
次に、上記攪拌混合物を１ｌの容器に移し、最高２００℃までの温度で５時間加熱し、水を除去し、表面官能基とＬｉＯＨとの化学結合により生じた−ＯＬｉ等からなる被膜を形成させた。この場合、ＬｉＯＨ等のリチウムを含む被覆材料は、当量に比べ過剰に混合されているので、上記化学結合したリチウムの他にＬｉ2Ｏ、ＬｉＯＨ、Ｌｉ2ＣＯ3等が物理吸着している。これら物理吸着した被覆材料は、リチウムイオン２次電池の充放電によるカーボンの膨張、収縮により脱離する可能性があるが、化学結合した部分は脱離しないので、本実施例により生成した被膜が消失することはない。このように余剰の被覆材料を入れるのは、黒鉛に対し水溶液中のリチウムイオンが１ｐｐｍ以上過剰に必要だからである。
【００２３】
実施例２．
１００ｃｃのビーカーに実施例１と同様のＭＣＭＢ黒鉛１０ｇとエチルアルコール５０ｃｃを入れ、ホットスターラーにて５０℃の温度で３時間攪拌混合し、室温にした後アルコキシドとしてテトラエトキシシラン０．３ｇを入れ１時間攪拌した。次に、０．１Ｎ−塩酸を０．１ｇ入れ、更に２４時間攪拌した。次に、１ｌビーカーにこの混合物を移し、最高２００℃までの温度で５時間加熱し溶媒を除去することにより、黒鉛の表面官能基に以下に示す構造を有する物質を化学結合させ、被膜を形成した。
【００２４】
【化１】
0003924862.tif 000002
上記化学式で示される物質は、Ｓｉの配位数が通常４配位であるので、酸素２配位を介して３次元的にマトリックスを組む。従って、完全に黒鉛表面を密着性よくＳｉＯ2で被うことができる。これにより、より均一かつ強固な被膜を形成することができる。
【００２５】
実施例３．
２００ｃｃのビーカーに上記ＭＣＭＢ黒鉛１０ｇとエチルアルコール１００ｃｃを入れ、ホットスターラーにて５０℃の温度で３時間攪拌しながら混合し、室温に戻した後テトラエトキシシラン３ｇを入れ更に１時間攪拌した。次に、リチウム金属０．０５ｇを水１．５ｇ中に溶解したものを加え、２４時間混合した。次に、この混合物を１ｌビーカーに移し、最高２００℃までの温度で加熱し、溶媒を除去することにより、黒鉛の表面官能基に以下に示す構造を有する物質を化学結合させ、被膜を形成した。
【００２６】
【化２】
0003924862.tif 000003
これにより黒鉛表面をＬｉＳｉ2Ｏ5で被うことができる。
【００２７】
なお、以上に述べた実施例２、実施例３で使用されるアルコキシドとしては、ＳｉＯ2系では、テトラエトキシシランの他、テトラメトキシシラン、テトラプロポキシシラン等を用いることができる。
【００２８】
以上に述べた各実施例で得られた表面が被覆済みの各種炭素材料と、比較例として黒鉛（ＭＣＭＢ）のみ及び黒鉛に１％ＬｉＯＨ粉末を添加したものとを使用し、これら各種炭素材料をＮＭＰに溶解させ、ＰＶＤＦを黒鉛に対し１０％となるように混合してペーストを調整した。このペーストを銅箔上に塗布、乾燥し、膜厚約１００μｍ、面積２０ｃｍ2の電極を得た。これらの電極と対極としてのリチウム金属とをセパレータを介し対向させ、１ｍｏｌ／ｌ−ＬｉＣｌＯ4を含むＥＣ：ＤＥＣ＝１：１の電解液を含浸させた。このようにして作製したリチウムイオン２次電池に対して、
Ａ：１００ｍＡ／ｇの定電流放電を行った際の初回不可逆電流量（１回目の充電量−放電量）
Ｂ：Ａの条件で１０ｍＶ−１．５Ｖの間でサイクル試験を行い、１０％充電容量が低下したときのサイクル数
をそれぞれ測定した。この結果が表１に示される。
【００２９】
【表１】
0003924862.tif 000004
表１からわかるように、各実施例によって得た電極はいずれも２つの比較例より初回不可逆容量が低下し、サイクル特性が向上していることがわかる。これは、通常炭素材料の表面には−ＯＨや−ＣＯＯＨ等の酸性官能基や、構造が不明な塩基性官能基が存在するが、各実施例では炭素材料表面を酸又はアルカリによって洗浄した後上記表面官能基に化学結合させる形で被膜を形成している。このため強固で安定な被膜となるのでサイクル特性が向上したと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、炭素材料表面に表面官能基と化学結合した強固な被膜を形成することができ、リチウムイオン２次電池の充放電による炭素材料の膨張収縮によっても被膜が脱離せず、ＳＥＩの再形成によるリチウムイオンの消費を低減できるのでサイクル特性を向上できる。
【００３１】
また、被覆材料として金属アルコキシドを用いることにより生成される被膜が３次元的にマトリックスを組み炭素材料表面を密着性よく被うことができる。
【００３２】
また、熱処理を二酸化炭素を含む雰囲気中で行うことにより、導電性、安定性の高いＬｉ2ＣＯ3からの被膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  各種炭素材料の構造の説明図である。
【図１】
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