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公開番号2024161153
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-15
出願番号2024146456,2021502034
出願日2024-08-28,2020-02-18
発明の名称二次電池材料の製造方法
出願人日産化学株式会社
代理人弁理士法人英明国際特許事務所
主分類H01M 4/139 20100101AFI20241108BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】リチウムイオン二次電池等の電池を形成する材料として好適に使用でき、電池のレート特性を向上し得る二次電池材料の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】カーボンナノ構造体、活物質、導電性炭素およびバインダーを配合してなる二次電池材料の製造方法であって、多価カルボン酸または糖類と、アミン類(ただし、システインを除く。)と、溶媒とを混合して加熱することによりカーボンナノ構造体を合成する工程を含み、上記カーボンナノ構造体が、非導電性であり、かつ窒素を含むカーボン量子ドットであり、当該窒素が、アミン類(ただし、システインを除く。)からなる窒素源を原料とするものであり、300～800nmのいずれかの波長で励起した際に発光するものであることを特徴とする二次電池材料の製造方法。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
カーボンナノ構造体、活物質、導電性炭素およびバインダーを配合してなる二次電池材料の製造方法であって、
多価カルボン酸または糖類と、アミン類（ただし、システインを除く。）と、溶媒とを混合して加熱することによりカーボンナノ構造体を合成する工程を含み、
上記カーボンナノ構造体が、非導電性であり、かつ窒素を含むカーボン量子ドットであり、当該窒素が、アミン類（ただし、システインを除く。）からなる窒素源を原料とするものであり、３００～８００ｎｍのいずれかの波長で励起した際に発光するものであることを特徴とする二次電池材料の製造方法。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
上記カーボンナノ構造体の絶対量子収率が、１０％以上である請求項１記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項３】
上記カーボンナノ構造体の絶対量子収率が、３０％以上である請求項２記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項４】
上記窒素が、脂肪族アミンからなる窒素源を原料とするものである請求項１～３のいずれか１項記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項５】
上記カーボンナノ構造体に含まれる炭素が、多価カルボン酸または糖類からなる炭素源を原料とするものである請求項１～４のいずれか１項記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項６】
上記活物質が、金属、半金属、金属合金、金属酸化物、半金属酸化物、金属リン酸化物、金属硫化物および金属窒化物から選ばれる請求項１～５のいずれか１項記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項７】
上記活物質が、ＦｅＳ
2
、ＴｉＳ
2
、ＭｏＳ
2
、ＬｉＦｅＰＯ
4
、Ｖ
2
Ｏ
6
、Ｖ
6
Ｏ
13
、ＭｎＯ
2
、ＬｉＣｏＯ
2
、ＬｉＭｎＯ
2
、ＬｉＭｎ
2
Ｏ
4
、ＬｉＭｏ
2
Ｏ
4
、ＬｉＶ
3
Ｏ
8
、ＬｉＮｉＯ
2
、Ｌｉ
z
Ｎｉ
y
Ｍ
1-y
Ｏ
2
（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｂ、およびＺｎから選ばれる少なくとも１種以上の金属元素を表し、０．０５≦ｚ≦１．１０、０．５≦ｙ≦１．０）、Ｌｉ（Ｎｉ
a
Ｃｏ
b
Ｍｎ
c
）Ｏ
2
（ただし、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｌｉ
4
Ｔｉ
5
Ｏ
12
、Ｓｉ、ＳｉＯ
x
、ＡｌＯ
x
、ＳｎＯ
x
、ＳｂＯ
x
、ＢｉＯ
x
、ＧｅＯ
x
、ＡｓＯ
x
、ＰｂＯ
x
、ＺｎＯ
x
、ＣｄＯ
x
、ＩｎＯ
x
、ＴｉＯ
x
およびＧａＯ
x
（ただし、０＜ｘ≦２）から選ばれる少なくとも１種である請求項６記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項８】
上記二次電池材料が、電極形成用である請求項１～７のいずれか１項記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項９】
上記カーボンナノ構造体の配合量が、固形分中０．０１～１．０質量％である請求項１～８のいずれか１項記載の二次電池材料の製造方法。
【請求項１０】
上記合成をソルボサーマル合成により行う請求項１～９のいずれか１項記載の二次電池材料の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノ構造体を含む二次電池材料の製造方法に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化および軽量化が進められ、その電源となる電池も小型化および軽量化が求められている。小型で軽量、かつ高容量の充放電可能な電池として、リチウムイオン電池等の非水電解質系の二次電池が実用化されており、小型ビデオカメラ、携帯電話、ノートパンコン等のポータブル電子機器や通信機器などに用いられている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度を有し、他の電池に比べ容量や作動電圧が高い等の優れた長所を有している。しかし、そのエネルギー密度の高さから、使用状況によっては過熱する危険性や、発火などの事故につながるおそれがあり、高い安全性が求められている。特に、最近脚光を浴びているハイブリッド自動車では、より高いエネルギー密度と出力特性が求められるので、更に高い安全性が必要となる。
【０００４】
一般的にリチウムイオン二次電池は、正極、負極および電解質で構成され、充電時には、正極活物質からリチウムイオンが電解質中に抜け出し、カーボン粒子等の負極活物質内に挿入される。放電時には、負極活物質からリチウムイオンが電解質中に抜け出し、正極活物質内に挿入されることで、外部回路に電流を取り出すことができる。このように、リチウムイオン二次電池の内部で、リチウムイオンが電解質を介して正極～負極間を行き来することで充放電が行われる。
【０００５】
一方、ポータブル電子機器等の性能向上に伴い、より高容量の電池が求められており、負極活物質として、既存の炭素より単位重さ当たりの容量が遥かに高いＳｎやＳｉ等が活発に研究されている。しかし、ＳｉやＳｉ合金を負極活物質として用いた場合、体積膨脹が大きくなり、サイクル特性が悪くなる問題がある。これを解決するために、黒鉛を混合するが、混合の際に黒鉛が不均一に分布した場合、サイクル特性（寿命）が低下することがある。
【０００６】
また、近年、プラグインハイブリッド自動車やハイブリッド自動車、電動工具等の高出力電源等のリチウムイオン二次電池の多用途化に伴い、更なるレート特性の向上が求められている。これらの高出力電源として用いられる電池には、充放電を高速で行えるようにすることが求められる。
【０００７】
現在実用化されている正極活物質においては、負極活物質の理論容量と比較して正極活物質の理論容量が遥かに低い。そのため、リチウムイオン電池の高容量化、高出力化を実現するためには、正極に高い導電性およびイオン伝導性を持たせることが必要である。そこで、正極中の電子伝導性を向上するために、導電助剤として、炭素材料を電極に添加する方法が用いられている。このような炭素材料としては、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、近年では、カーボンナノチューブやグラフェンを用いる例が報告されている。しかしながら、このような導電助剤の量を増やすと電極中の活物質量が減少し、電池の容量が低下してしまう。
【０００８】
また、電極材料の電子伝導性を高めるために、電極活物質の粒子表面を炭素源である有機化合物で覆った後、有機化合物を炭化させて電極活物質の表面に炭素質被膜を形成し、この炭素質被膜の炭素を電子伝導性物質として介在させた電極材料も提案されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、上記炭化工程は、不活性ガス雰囲気下、５００℃以上の高温で長時間の熱処理を必要とし、この熱処理によって電極の容量が低下してしまう。また、炭化処理時には５００～８００℃の高温で、還元性雰囲気または不活性雰囲気で加熱していることから、正極活物質自身も還元されてしまう可能性があるため、使用可能な正極活物質が、リン酸鉄リチウム、リン酸ニッケルリチウム、リン酸コバルトリチウム、リン酸マンガンリチウム等に限定されていた。それ以外の正極活物質の場合の炭素源は導電性を有する高分子材料に限定されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２００１－１５１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、リチウムイオン二次電池等の電池を形成する材料として好適に使用でき、電池のレート特性を向上し得る二次電池材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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