JP2002042783A - リチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
としてLiと合金化する金属を用いたリチウム二次電池
において、サイクル特性に優れたリチウム二次電池とす
る。 【解決手段】 正極1及び負極2の少なくとも一方の金
属活物質2aの上に、Liイオンと反応せず、Liイオ
ンが通過し、かつLiイオン導電性を有しない薄膜2b
を設けることを特徴としている。
Description
に関するものであり、詳細には正極及び負極の少なくと
も一方の活物質としてLiと合金化する金属を用いたリ
チウム二次電池に関するものである。
ム二次電池は、そのエネルギー密度の大きさから次世代
の二次電池として注目されている。リチウム金属を負極
活物質として用いると、大きな充放電容量を得ることが
できるが、充放電に伴ってリチウムの溶解及び析出が生
じ、負極においてデンドライトの生成や電極の変形が生
じるため、サイクル性能が悪く、実用に耐え得るものは
できていない。
極活物質として、Liと合金化する金属を用いたLi合
金負極や炭素材料を用いた炭素負極が提案されている。
炭素負極は実用化されているが、その理論容量が372
mAh/gと低いため、金属リチウム負極に比べ、大幅
にエネルギー密度が低下するという欠点がある。また、
Li合金負極においては、充放電サイクルが進むにつれ
てLi合金が微粉化するため、サイクル性能が悪いとい
う欠点がある。
平10−312804号公報では、ロール急冷法などで
金属粉を作製し、これを熱処理して得られる均一な単相
合金を用いることが提案されている。
は、粒径が大きく均一な単相合金であるため、Liと合
金化する際に金属粉間に大きな応力がかかり、活物質が
集電体から剥離するという問題があった。また、金属粉
が樹枝化することにより活物質が不活性化するという問
題があった。これらのことから、このような方法によっ
ても、十分なサイクル特性が得られていない。
も一方の活物質としてLiと合金化する金属を用いたリ
チウム二次電池において、サイクル特性に優れたリチウ
ム二次電池を提供することにある。
池は、正極と、負極と、非水電解質とを備えるリチウム
二次電池であり、正極及び負極の少なくとも一方の活物
質としてLiと合金化する金属を用い、該金属活物質の
上に、Liイオンと反応せず、Liイオンが通過し、か
つLiイオン導電性を有しない薄膜が設けられているこ
とを特徴としている。
活物質上に設けることにより、金属活物質が充放電によ
り樹枝化したり微粉化したりするのを抑制することがで
き、金属活物質が集電体から剥離するのを抑制すること
ができる。
薄膜は、上述のように、Liイオンと反応せず、Liイ
オンが通過し、かつLiイオン導電性を有しない薄膜で
ある。Liイオンと反応しないので、薄膜自身が合金化
等することがなく、従って膨張や収縮等を生じることが
ない。また、Liイオンが通過するので、金属活物質に
おける電池反応を妨げることがない。また、固体電解質
薄膜のようなLiイオン導電性を有していないので、薄
膜自体が充放電の際に変形することがない。
積抵抗率が1010Ω・cm以下であることが好ましい。
このような良好な電子伝導性を有することにより、集電
体としての役目も兼ねさせることができる。
VD法、スパッタリング法、蒸着法等により形成するこ
とができる。本発明における上記薄膜としては、例え
ば、ダイヤモンド状炭素薄膜のような硬質炭素薄膜が挙
げられる。このような硬質炭素薄膜は、Liイオンと反
応せず、Liイオンが通過し、かつLiイオン導電性を
有しない薄膜である。硬質炭素薄膜としては、ラマン散
乱スペクトルにおける1400cm-1付近のピーク強度
Idと1550cm-1付近のピーク強度Igとの比(I
d/Ig)が0.5〜3.0であるものが好ましい。
Ω・cm以下であることが好ましい。このような良好な
導電性を有する硬質炭素薄膜としては、CO2 分子を含
む硬質炭素薄膜が挙げられる。CO2 分子を含む硬質炭
素薄膜は、原料ガスとして、CO2 と炭化水素の混合ガ
スを用いたCVD法により形成することができる。ま
た、硬質炭素薄膜の表面に導電性を付与する場合には、
硬質炭素薄膜を形成した後、CO2 を含むガスで表面処
理することにより、硬質炭素薄膜の表面に導電性を付与
することができる。
定されるものではないが、50〜1000nm程度であ
ることが好ましく、さらに好ましくは、100〜500
nm程度である。薄膜の厚みが薄くなり過ぎると、金属
活物質の集電体からの剥離や金属活物質の樹枝化を抑制
するという効果が不十分になる場合があると考えられ
る。また、薄膜の厚みが厚くなり過ぎると、充放電の際
Liイオンが通過しにくくなり、金属活物質とLiイオ
ンとの反応が不十分になる場合があると考えられる。
に、Liと合金化する金属である。Liと合金化する金
属としては、Si、Ge、Sn、Al、In、及びMg
から選ばれる少なくとも1種の金属が挙げられる。金属
活物質は、一般的なリチウム二次電池の電極のように、
金属粉体として用い、結着剤と混合した合剤を集電体上
に塗布して電極を形成してもよいが、好ましくは膜状の
金属活物質として用いられる。膜状の金属活物質は、C
VD法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などによ
り薄膜として形成したものであってもよい。この場合、
基板として銅箔などの集電体を用いることにより、その
まま電極として用いることができる。また、膜状の金属
活物質として金属箔を用いてもよい。この場合、膜状の
金属活物質の両面上に上記薄膜を設けてもよい。膜状の
金属活物質として金属箔を用いる場合には、金属箔を集
電体として機能させてもよい。
との間に、中間層を形成してもよい。このような中間層
を形成する目的としては、薄膜と金属活物質との密着性
の向上が挙げられる。このような中間層としては、S
i、Ti、Zr、Ge、Ru、Mo、及びW並びにこれ
らの酸化物、窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくと
も1種が挙げられる。中間層の厚みとしては、10〜5
00nm程度が好ましい。中間層は、例えば、CVD
法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより形
成することができる。
及び負極活物質のいずれに用いられてもよいが、Liに
対する電位からは一般に負極活物質として用いられるこ
とが多いと考えられる。
されるものではないが、従来からリチウム二次電池の正
極活物質として用いられるものを用いることができる。
このような正極活物質としては、マンガン、コバルト、
ニッケル、バナジウム、及びニオブから選ばれる少なく
とも1種を含む金属酸化物等を用いることができる。具
体的には、LiCoO2 、LiNiO2 、LiMn2O
4 、LiMnO2 、LiCo0.5Ni0.5O2 、LiNi
0.7Co0.2Mn0.1O2 などのリチウム含有遷移金属酸
化物や、MnO2 などのリチウムを含有していない金属
酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電
気化学的に挿入・脱離する物質であれば、制限なく用い
ることができる。
の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカ
ーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボ
ネートなどの環状カーボネートと、ジメチルカーボネー
ト、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート
などの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。ま
た、前記環状カーボネートと1,2−ジメトキシエタ
ン、1,2−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒と
の混合溶媒も例示される。また、電解質の溶質として
は、LiPF6 、LiBF4 、LiCF3SO3 、Li
N(CF3SO2)2 、LiN(C2F5SO2)2 、LiN
(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3S
O2)3 、LiC(C2F5SO2)3 など及びそれらの混合
物が例示される。さらに電解質として、ポリエチレンオ
キシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に
電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、LiI、L
i3 Nなどの無機固体電解質が例示される。本発明のリ
チウム二次電池の電解質は、イオン導電性を発現させる
溶媒としてのLi化合物とこれを溶解・保持する溶媒が
電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しな
い限り、制約なく用いることができる。
に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定される
ものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜
変更して実施することが可能なものである。
5重量%と、導電剤としての炭素粉末10重量%と、結
着剤としてのポリフッ化ビニリデン粉末5重量%とを混
合し、得られた混合物にN−メチルピロリドンを加えて
混練してスラリーを作製し、このスラリーを厚さ20μ
mのAl製集電体の両面にドクターブレード法により塗
布し、これを乾燥して正極とした。
8μmのSn箔の両面上に、中間層としてのSi薄膜
(厚さ20nm)を、RFスパッタリング法により、タ
ーゲットRF電力200W、基板バイアス電圧−100
Vの条件で形成した。この中間層は、Sn箔の上に直接
硬質炭素薄膜を形成すると密着性が良好でないため、密
着性を改良する目的で形成するものである。
り、硬質炭素薄膜(ダイヤモンド状炭素薄膜)を形成し
た。硬質炭素薄膜の膜厚は、50、100、200、5
00、800、及び1000nmとなるようにそれぞれ
形成した。薄膜形成条件は、CH4 ガス流量40scc
m、CO2 ガス流量10sccm、ECRプラズマ源マ
イクロ波電力330W、イオンビーム加速電圧200V
の条件とし、イオンビームCVD法により硬質炭素薄膜
を形成した。
ずれの膜厚についても約109Ω・cmであった。ま
た、得られた硬質炭素薄膜のそれぞれについてラマン散
乱スペクトルを測定したところ、1400cm-1付近ピ
ーク強度Idと1550cm-1付近のピーク強度Igと
の比(Id/Ig)は約1.1であった。
ジエチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒に、
LiPF6 を1モル/リットル溶解させた溶液を調製
し、電解液とした。
負極、及び電解液を用いて、リチウム二次電池を作製し
た。図1は、作製したリチウム二次電池を示す模式的断
面図である。リチウム二次電池は、正極1、負極2、セ
パレータ3、正極缶4、負極缶5、及びポリプロピレン
製絶縁パッキング6から構成されている。セパレータ3
としては、ポリエチレン製微多孔膜が用いられている。
負極2は、Sn箔2aの両面上にSi薄膜を介して硬質
炭素薄膜2bを形成することにより構成されている。
て対向している。これらは正極缶4及び負極缶5が形成
する電池ケース内に収納されている。正極1は正極缶4
に接続され、負極2は負極缶5に接続され、二次電池と
しての充電及び放電が可能な状態となっている。
薄膜を形成した各負極を用いて、本発明電池A1〜A6
を作製した。また、比較として、硬質炭素薄膜及び中間
層としてのSi薄膜を形成していないSn箔をそのまま
負極として用いた比較電池B1を作製した。
について、25℃において20mAで4.1Vまで充電
した後、20mAで2.75Vまで放電する充放電を1
サイクルとして、これを10サイクル繰り返した。サイ
クル特性として、下式で定義されるサイクル効率(%)
を求めた。各電池のサイクル特性を表1に示す。なお、
各電池の平均放電電圧はいずれも約3.4Vであった。
放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
質であるSn箔の上に中間層であるSi薄膜を介して硬
質炭素薄膜を形成した負極を用いた本発明電池A1〜A
6は、硬質炭素薄膜を設けていないSn箔を負極として
用いた比較電池B1に比べ、良好なサイクル特性を示し
ている。
ろ、本発明電池A1〜A6においては、負極活物質であ
るSn箔が若干微粉化されていたものの、充放電前の形
状が保持されていた。これに対し、比較電池B1におい
ては、Sn箔が完全に微粉化していることが確認され
た。このことから、本発明に従うことにより、負極活物
質の微粉化が抑制されていることが確認され、これによ
ってサイクル特性が向上することが確認された。
とも一方に活物質としてLiと合金化する金属を用いた
リチウム二次電池において、サイクル特性に優れたリチ
ウム二次電池とすることができる。
池を示す模式的断面図。
Claims (10)
- 【請求項1】 正極と、負極と、非水電解質とを備える
リチウム二次電池において、正極及び負極の少なくとも
一方の活物質としてLiと合金化する金属を用い、該金
属活物質の上に、Liイオンと反応せず、Liイオンが
通過し、かつLiイオン導電性を有しない薄膜が設けら
れていることを特徴とするリチウム二次電池。 - 【請求項2】 前記薄膜が硬質炭素薄膜であることを特
徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項3】 前記硬質炭素薄膜のラマン散乱スペクト
ルにおける1400cm-1付近のピーク強度Idと15
50cm-1付近のピーク強度Igとの比(Id/Ig)
が0.5〜3.0であることを特徴とする請求項2に記
載のリチウム二次電池。 - 【請求項4】 前記薄膜の厚みが50〜1000nmで
あることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記
載のリチウム二次電池。 - 【請求項5】 前記薄膜の体積抵抗率が1010Ω・cm
以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1
項に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項6】 前記薄膜と前記金属活物質との間に中間
層が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のい
ずれか1項に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項7】 前記中間層が、Si、Ti、Zr、G
e、Ru、Mo、及びW並びにこれらの酸化物、窒化物
及び炭化物から選ばれる少なくとも1種から形成されて
いることを特徴とする請求項6に記載のリチウム二次電
池。 - 【請求項8】 前記金属活物質が膜状であることを特徴
とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム二
次電池。 - 【請求項9】 前記膜状の金属活物質の両面上に前記薄
膜が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の
リチウム二次電池。 - 【請求項10】 前記金属活物質が、Si、Ge、S
n、Al、In、及びMgから選ばれる少なくとも1種
であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に
記載のリチウム二次電池。
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