碳包覆活性物质复合体及锂离子电池制造技术

本发明专利技术提供碳包覆活性物质复合体和电极以及锂离子电池，其将在表面形成有碳质被膜的电极活性物质用作电极材料时，不仅能够改善电子传导性，还能够改善锂离子传导性。这种碳包覆活性物质复合体为一种在碳质被膜与电极活性物质的界面发生锂离子的电荷迁移的碳包覆活性物质复合体，其特征在于，在所述碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能在45kJ/mol以上且85kJ/mol以下的范围，并且碳负载量相对于所述电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，所述活化能为使用将碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯以1:1混合而得到的电解质溶液测定的值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳包覆活性物质复合体及锂离子电池
本专利技术涉及碳包覆活性物质复合体和电极以及锂离子电池，尤其是涉及作为电池用正极材料的碳包覆活性物质复合体、更适合在锂离子电池用正极材料中使用的碳包覆活性物质复合体、及具备含有该碳包覆活性物质复合体的正极的锂离子电池。本申请主张基于2013年5月16日在日本提出的日本特愿2013-104393号的优先权，并将其内容援引于本说明书中。
技术介绍
近年来，作为期待小型化、轻量化、高容量化的电池，提出了锂离子电池等非水电解液系的二次电池并供于实际使用。该锂离子电池由具有能够可逆地嵌入和脱嵌锂离子的性质的正极和负极以及非水系电解质构成。作为锂离子电池的负极材料，通常使用碳类材料或钛酸锂(Li4Ti5O12)等具有能够可逆地嵌入和脱嵌锂离子的性质的含锂金属氧化物作为负极活性物质。另一方面，作为锂离子电池的正极材料，使用磷酸铁锂(LiFePO4)等具有能够可逆地嵌入和脱嵌锂离子的性质的含锂金属氧化物、包含粘合剂等的电极材料合剂作为正极活性物质。并且，通过将该电极材料合剂涂布到被称为集流体的金属箔的表面上而形成锂离子电池的正极。这种锂离子电池与现有的铅电池、镍镉电池、镍氢电池等二次电池相比，轻量且小型，并且具有高能量，因此不仅用作移动电话、笔记本式个人电脑等便携式电子设备的小型电源，还用作固定式的紧急用大型电源。另外，近年来，锂离子电池还作为电动汽车、混合动力汽车、电动工具等的高输出电源而进行了研究。对于这些作为高输出电源使用的电池，要求高速的充放电特性。然而，电极活性物质、例如包含具有能够可逆地嵌入和脱嵌锂离子的性质的磷酸锂盐化合物的电极材料存在电子传导性低的问题。因此，为了提高电极材料的电子传导性，提出了如下电极材料：将电极活性物质的粒子表面用作为碳源的有机化合物覆盖，之后对有机化合物进行碳化，由此，在电极活性物质的表面形成碳质被膜，使该碳质被膜的碳作为电子传导性物质而夹在(例如，参考专利文献1)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2001-15111号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的问题为了将包含磷酸锂盐化合物的电极活性物质用作在高输出电源中使用的锂离子电池的电池材料，要求在电极活性物质的表面形成碳质被膜来提高电子传导性。然而存在如下问题：由于该碳质被膜的存在，在磷酸锂盐化合物的表面，在与碳质被膜的界面发生锂离子的嵌入和脱嵌，但该嵌入和脱嵌反应的速度较慢。如此，为了改善电子传导性，将磷酸锂盐化合物表面用碳质被膜覆盖的面积增加时，锂离子的嵌入和脱嵌速度会变慢，因此，即使在电子传导性得到提高的情况下，电池内部电阻的总和也会上升，尤其在进行高速充放电时，电压显著下降。因此，为了在磷酸锂盐化合物的表面加快锂离子的嵌入和脱嵌速度，减少将磷酸锂盐化合物的表面用碳质被膜覆盖的面积时，磷酸锂盐化合物表面的电子传导性变得不充分，因此，即使在锂离子的嵌入和脱嵌速度得到提高的情况下，电池内部电阻的总和也会上升，尤其在进行高速充放电时，电压显著下降。另外，为了改善电子传导性，大量添加用于形成碳质被膜的碳源即有机化合物时，碳质被膜的膜厚会增大。锂离子在碳质被膜中的移动速度慢，因此，即使在电子传导性得到提高的情况下，电池内部电阻的总和也会上升，尤其在进行高速充放电时，电压显著下降。另外，迄今为止，对锂离子电池的高输出化进行了各种研究，例如提出了通过减小电极活性物质粒子的一次粒径来减小电极活性物质内的锂离子的迁移距离的电极材料，但这种材料中，比表面积增加，电极中的碳质被膜的质量增加，因此电极容量减少。本专利技术是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供碳包覆活性物质复合体及锂离子电池，其将在表面形成有碳质被膜的电极活性物质用作电极材料时，不仅能够改善电子传导性，还能够改善锂离子传导性。用于解决问题的方法本专利技术人发现，通过使在碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能在45kJ/mol以上且85kJ/mol以下的范围并且使碳负载量相对于电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，能够实现具有满足高速充放电特性的电子传导性及锂离子传导性的、被碳质被膜包覆的电极活性物质，从而完成了本专利技术。即，本专利技术的碳包覆活性物质复合体为：[1]一种碳包覆活性物质复合体，其在碳质被膜与电极活性物质的界面发生锂离子的电荷迁移，其特征在于，在所述碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能在45kJ/mol以上且85kJ/mol以下的范围，并且碳负载量相对于所述电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，所述活化能为使用将碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯以1:1混合而得到的电解质溶液测定的值。在碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能在45kJ/mol以上且85kJ/mol以下的范围例如可以通过使用如下电极活性物质来实现，所述电极活性物质中，碳负载量相对于所述电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，碳质被膜的密度为0.1g/cm3以上且1.5g/cm3以下，碳质被膜的膜厚为0.1nm以上且10nm以下，电极活性物质粒子的表面被网眼状碳质被膜包覆70％以上。另外，本专利技术人发现，通过使在碳质被膜与电极活性物质的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能与碳包覆前的在电极活性物质与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能相比，在5kJ/mol以上且40kJ/mol以下的范围内增加，并且碳负载量相对于电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，由此能够实现具有满足高速充放电特性的电子传导性及锂离子传导性的被碳质被膜包覆的电极活性物质，从而完成了本专利技术。即，本专利技术的碳包覆活性物质复合体为：[2]一种碳包覆活性物质复合体，其在碳质被膜与电极活性物质的界面发生锂离子的电荷迁移，其特征在于，在所述碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能与碳包覆前的在所述电极活性物质与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能相比，在5kJ/mol以上且40kJ/mol以下的范围内增加，并且碳负载量相对于所述电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，所述活化能为使用将碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯以1:1混合而得到的电解质溶液测定的值。在碳质被膜与电极活性物质的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能与碳包覆前的在电极活性物质与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能相比，在5kJ/mol以上且40kJ/mol以下的范围内增加，这可以通过使用如下电极活性物质来实现，所述电极活性物质，碳负载量相对于电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，碳质被膜的密度为0.1g/cm3以上且1.5g/cm3以下，碳质被膜的膜厚为0.1nm以上且10nm以下，电极活性物质粒子的表面被网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳包覆活性物质复合体，其在碳质被膜与电极活性物质的界面发生锂离子的电荷迁移，其特征在于，在所述碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能在45kJ/mol以上且85kJ/mol以下的范围，并且碳负载量相对于所述电极活性物质粒子的比表面积([碳负载量]/[电极活性物质粒子的比表面积])的值为0.01以上且0.5以下，所述活化能为使用将碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯以1:1混合而得到的电解质溶液测定的值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.16 JP 2013-1043931.一种碳包覆活性物质复合体，其在碳质被膜与电极活性物质的界面发生锂离子的电荷迁移，其特征在于，在所述碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能在45kJ/mol以上且85kJ/mol以下的范围，并且碳负载量相对于所述电极活性物质粒子的比表面积的值为0.01g2/m2以上且0.5g2/m2以下，其中所述碳负载量的单位为g，所述比表面积的单位为m2/g，所述活化能为使用将碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯以质量比1:1混合而得到的电解质溶液测定的值。2.一种碳包覆活性物质复合体，其在碳质被膜与电极活性物质的界面发生锂离子的电荷迁移，其特征在于，在所述碳包覆活性物质复合体与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能与碳包覆前的在所述电极活性物质与电解液的界面发生的锂离子的嵌入和脱嵌反应的活化能相...

【专利技术属性】
技术研发人员：峰裕之，北川高郎，
申请(专利权)人：住友大阪水泥股份有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP