JP2000138060A - リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池

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JP2000138060A
JP2000138060A JP10311191A JP31119198A JP2000138060A JP 2000138060 A JP2000138060 A JP 2000138060A JP 10311191 A JP10311191 A JP 10311191A JP 31119198 A JP31119198 A JP 31119198A JP 2000138060 A JP2000138060 A JP 2000138060A
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lithium
negative electrode
secondary battery
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electrode active
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JP10311191A
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English (en)
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Akihiro Mabuchi
昭弘 馬淵
Hiroyuki Fujimoto
宏之 藤本
Katsuhisa Tokumitsu
勝久 徳満
Masaru Fujiwara
賢 藤原
Takanori Kakazu
隆敬 嘉数
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Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】リチウムを吸蔵しても体積変化が小さく、放電
容量がLiC6の理論容量を超えるリチウム二次電池用
負極活物質を提供すること。 【解決手段】リチウムが挿入された後の7LiのNMR
測定(25℃)において160〜260ppm(塩化リ
チウム基準)の範囲に少なくとも1本のシグナルを示
し、且つ30〜150ppm(塩化リチウム基準)の範
囲にシグナルを示すリチウム二次電池用負極活物質。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、優れた放電容量、
サイクル特性を有するリチウム二次電池用負極活物質、
リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池に関す
る。
【0002】
【従来の技術】今日のように種々の黒鉛系材料がリチウ
ム二次電池の負極に使用される以前には、リチウム金属
やリチウム合金の研究が精力的に行われていた。しかし
ながら、リチウム金属については、充放電時にデンドラ
イトが生成するという問題があり、現状のままでは使用
することができない。一方、リチウム合金については、
充放電に伴うリチウムの出入りにより結晶構造が大きく
変化することから、サイクル特性に問題があった。
【0003】また、黒鉛系材料をリチウムの担持体とし
て使用したリチウム二次電池用負極は、高い初期効率、
高い電位平坦性、高密度といった長所を有している。こ
のため、現在市販されているリチウム二次電池用負極の
大部分に、黒鉛系材料が使用されている。リチウム二次
電池の負極に黒鉛系材料を用いた特許出願については、
登録番号1769661号をはじめとし数多くの出願が
行われている。
【0004】黒鉛系材料を使用する場合には、LiC6
の組成に相当する理論容量(372Ah/kg)が存在
するため、従来の黒鉛系材料では、例えば放電容量が4
00Ah/kgを上回る負極を製造することは困難であ
った。
【0005】しかしながら、電子産業の発達に伴って二
次電池に対するニーズも厳しくなり、年々、性能を飛躍
的に向上させなければならない状況にあって、リチウム
二次電池用負極の性能向上に対する要求も高くなってい
る。
【0006】これらのことから、負極容量面で372A
h/kgを上回るような放電容量を有するリチウム二次
電池用負極活物質が求められている。
【0007】一方で、リチウムと合金可能な金属を単独
で負極に使用する報告が数多くなされているが、リチウ
ムを吸蔵するときに体積膨張をおこし、大きいものでは
約3倍にまで体積膨張する場合がある。このような体積
膨張はバインダーによる結着能力では吸収しきれず、そ
の結果、電気的に孤立した部分が出てくると、サイクル
特性が悪化する。
【0008】そこで、こうした体積変化を抑える負極活
物質が求められている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、リ
チウムを吸蔵しても体積変化が小さく、放電容量がLi
6の理論容量を超えるリチウム二次電池用負極活物質
を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な従来技術の現状に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、リチ
ウムが挿入された後の7LiのNMR測定(25℃)に
おいて160〜260ppm(塩化リチウム基準)の範
囲に少なくとも1本のシグナルを示し、且つ30〜15
0ppm(塩化リチウム基準)の範囲にシグナルを示す
リチウム二次電池用負極活物質が理論容量を超えた放電
容量を可能にすることを見出した。
【0011】即ち、本発明は、下記のリチウム二次電池
用負極活物質、負極及び二次電池を提供するものであ
る。
【0012】項1.リチウムが挿入された後の7Liの
NMR測定(25℃)において、160〜260ppm
(塩化リチウム基準)の範囲に少なくとも1本のシグナ
ルを示し、且つ30〜150ppm(塩化リチウム基
準)の範囲にシグナルを示すことを特徴とするリチウム
二次電池用負極活物質。
【0013】項2.リチウムが挿入された後の7Liの
NMR測定(25℃)において、40〜45ppm(塩
化リチウム基準)の範囲にシグナルを示すことを特徴と
する項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
【0014】項3.放電容量が390Ah/kg以上で
あることを特徴とする項1に記載のリチウム二次電池用
負極活物質。
【0015】項4.項1に記載の負極活物質を用いたリ
チウム二次電池用負極。
【0016】項5.項4に記載の負極を構成要素とする
リチウム二次電池。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明のリチウム二次電池用負極
活物質は、(1)リチウムと合金可能な金属又はその金
属とリチウムとの化合物(以下、リチウム吸蔵物質と称
する)と(2)黒鉛又はハードカーボン(以下、炭素系
物質と称する)との複合体をいう。
【0018】リチウム吸蔵物質としては、リチウムを吸
蔵することが可能な物質であれば良く、従来からリチウ
ム二次電池用負極活物質として有効であることが知られ
ている各種の物質を用いることができる。
【0019】リチウム吸蔵物質の放電容量は、LiC6
の理論容量(372Ah/kg)より大きければ良い。
好ましくは、500Ah/kg以上、さらに好ましくは
600Ah/kg以上である。
【0020】リチウム吸蔵物質の具体例としては、A
g、AgLix(1<x≦2.5)、Si、Sn、Sn
Oy(0<y≦2)(SnO、SnO2等)等を例示で
きる。これらは1種単独又は2種以上混合して用いるこ
とができる。好ましいのは、Ag、AgLix(1<x
≦2.5)である。
【0021】リチウム吸蔵物質の粒径については特に限
定されないが、平均粒径が1〜2μm程度であることが
好ましい。
【0022】炭素系物質としては、リチウム吸蔵物質の
体積膨張を吸収可能な物質であれば特に制限されない
が、黒鉛、ハードカーボン等を例示できる。これらは1
種単独又は2種以上混合して用いることができる。好ま
しいのは黒鉛である。
【0023】黒鉛としては、特に限定はなく、天然黒鉛
及び人造黒鉛をいずれも使用できる。
【0024】炭素系物質の粒径については特に限定され
ないが、平均粒径が15〜25μm程度であることが好
ましい。
【0025】本発明の負極活物質に対するリチウム吸蔵
物質の比率は重要である。その比率が45重量部を超え
るとリチウム吸蔵物質の体積変化を吸収することが困難
になるので、サイクル特性に悪影響を及ぼす。従って、
その比率は、45重量部以下、好ましくは30重量部以
下、よりに好ましくは20重量部以下である。
【0026】また、リチウム吸蔵物質の比率の下限値
は、リチウム吸蔵物質の放電容量により決定され、特に
制限されないが、一般に、10重量部である。
【0027】従って、サイクル特性および放電容量の観
点を考慮すると、本発明の負極活物質に対するリチウム
吸蔵物質の比率は、10〜45重量部にすることが好ま
しく、20〜30重量部にすることがさらに好ましい。
【0028】リチウム吸蔵物質と炭素系物質との複合体
は、両者を混合して均一に分散させることによって得る
ことができる。両者を均一に分散させるために単純に混
合して分散させるだけでも良いし、混合物を粉砕しても
良い。必要に応じてボールミル、自動乳鉢、粉砕機、混
合機を用いることが可能である。
【0029】本発明の負極活物質の放電容量は、372
Ah/kg以上であり、好ましくは390Ah/kg以
上、さらに好ましくは400Ah/kg以上である。
【0030】本発明の負極は、本発明の負極活物質を用
いて常法により作製される。一般に、集電体としての銅
箔上に負極活物質をバインダーとしての有機ポリマーで
固着させて作製される。
【0031】本発明のリチウム二次電池用負極は、公知
の正極、溶媒、電解質などど組み合わせて、常法によ
り、二次電池を構成することができる。
【0032】正極物質としては、特に限定されず、金属
酸化物(LiCoO2、LiNiO2、LiMn24
ど)、金属カルコゲン化物、導電性を有する共役系高分
子物質などを用いることができる。
【0033】溶媒としては、プロピレンカーボネート、
エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブ
チロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラ
ヒドロフラン、ジオキソラン、4−メチルジオキサラ
ン、スルホラン、アセトニトリルなどを用いることがで
きる。
【0034】電解質としてはLiPF6、LiClO4
LiBF4、LiAsF6、LiSbF6などの、溶媒和
しにくいアニオンを生成する塩が用いられる。
【0035】本発明のリチウム二次電池は、正極、溶
媒、電解質、通常使用される多孔質ポリプロピレン製不
織布などのポリオレフィン系の多孔質膜のセパレータ、
集電体、ガスケット、封口板、ケースなどの公知の電池
構成要素と前記の本発明の負極を使用し、常法に従っ
て、円筒型、角型或いはボタン型などの任意の形態に組
み立てることができる。
【0036】常法に従い制作された本発明のリチウム二
次電池をリチウムを完全に挿入させた状態(電池のフル
充電状態)にし、負極活物質だけを取り出して7Liの
NMR測定(25℃)を行うと、塩化リチウム基準に対
して160〜260ppmの範囲にリチウム吸蔵物質に
由来する少なくとも1本のシグナルが観測される。ま
た、黒鉛由来のシグナルは、30〜60ppm、好まし
くは40〜45ppmの範囲に観測され、ハードカーボ
ン由来のシグナルは30〜150ppm、好ましくは1
00〜150ppmに観測される。リチウム金属に由来
するシグナルは、270ppmに観測されるため、前述
した160〜260ppmの範囲に観測されるシグナル
はリチウム金属に由来するものではない。
【0037】
【発明の効果】本発明の負極活物質を用いると、リチウ
ム吸蔵物質及び炭素系物質を、各々それぞれを単独に使
用した場合と比べて、放電容量が高くかつサイクル特性
に優れた負極が得られるため、リチウム二次電池負極の
性能を著しく向上させることができるという効果があ
る。
【0038】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく
説明する。
【0039】実施例1 [負極活物質の調製](株)レアメタリック製の銀粉末
(1〜2μm)4gをロンザ社製の人造黒鉛(SFG−
44)16gと混合した後、遊星式のボールミルにより
充分に撹拌、粉砕し均一な負極活物質を得た(銀の比
率:20重量部)。
【0040】[作用極の作成]得られた負極活物質92
重量部、ポリフッ化ビニリデン8重量部を混合し、45
重量部のN−メチルピロリドンに溶解させ撹拌した後、
スラリー状とした。このスラリー状の混合物を電解銅箔
上にドクターブレードを用いて、約100μmの厚さに
なるよう塗布した。これを60℃で30分間乾燥させ、
ロールプレス機によりプレスした。この電極から、1c
2の塗布部だけを残した電極を切り出し、作用極とし
た。こうして得られた電極をさらに200℃で6時間の
真空乾燥を行った。
【0041】[試験セルの組立]作用極に対して充分な
量のリチウム金属を対極として使用した。また、電解液
としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの
混合溶媒(体積比1:1)に1モル/lの濃度となるよ
うにLiClO4を溶解させた溶液を用い、セパレータ
としてポリプロピレン不織布を用いてリチウム二次電池
を作成した。
【0042】[電極特性の測定]得られた試験セルに対
して、リチウム二次電池の充放電特性を測定した。
【0043】測定は、充電がリチウム極に対して1mV
まで1mA/cm2の定電流充電した後、1mVで定電
位充電をトータルで12時間かけて行った。放電は1m
A/cm2の定電流放電でリチウム極に対して0.5V
まで行った。充放電サイクルを10回繰り返し、1サイ
クル目の充電容量、効率及び10サイクル目の放電容量
を測定した。また、7Li−NMR(25℃、塩化リチ
ウム基準)を測定した。測定結果を下記表1に示す。
【0044】実施例2〜6 [負極材の調製]のところで、次に示すように銀と黒鉛
との比率を変えたこと以外は、全て実施例1と同様に評
価を行った。銀の比率10重量部(実施例2)、30重
量部(実施例3)、35重量部(実施例4)、40重量
部(実施例5)、45重量部(実施例6)として調製し
たものをそれぞれ実施例2〜6とした。測定結果を下記
表1に示す。
【0045】比較例1 負極活物質としてロンザ社製の人造黒鉛(SFG−4
4)20gを用いたこと以外は、全て実施例1と同様に
評価を行った。測定結果を下記表1に示す。
【0046】比較例2 負極活物質として(株)レアメタリック製の銀粉末(1
〜2μm)20gで正しいですか?}を用いたこと以外
は、全て実施例1と同様に評価を行った。測定結果を下
記表1に示す。
【0047】
【表1】
【0048】表1から明らかなように、本発明の負極活
物は、1サイクル目及び10サイクル目の放電容量にお
いて理論容量を超えており、優れた放電容量、サイクル
特性を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳満 勝久 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 藤原 賢 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 嘉数 隆敬 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内 Fターム(参考) 5H029 AJ03 AJ05 AK03 AK05 AK16 AL11 AL12 AM02 AM07 DJ16 HJ00

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リチウムが挿入された後の7LiのNM
    R測定(25℃)において、160〜260ppm(塩
    化リチウム基準)の範囲に少なくとも1本のシグナルを
    示し、且つ30〜150ppm(塩化リチウム基準)の
    範囲にシグナルを示すことを特徴とするリチウム二次電
    池用負極活物質。
  2. 【請求項2】 リチウムが挿入された後の7LiのNM
    R測定(25℃)において、40〜45ppm(塩化リ
    チウム基準)の範囲にシグナルを示すことを特徴とする
    請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
  3. 【請求項3】 放電容量が390Ah/kg以上である
    ことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用
    負極活物質。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の負極活物質を用いたリ
    チウム二次電池用負極。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の負極を構成要素とする
    リチウム二次電池。
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