JP2002075332A - リチウム二次電池用負極及びその製造方法 - Google Patents
リチウム二次電池用負極及びその製造方法Info
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Abstract
サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極及びその
製造方法を得る。 【解決手段】 導電性金属箔11を集電体とし、ケイ素
及び/またはケイ素合金を含む活物質材料12と、導電
性金属粉末13の混合物を、集電体11の表面上で還元
性雰囲気下に焼結して得られることを特徴としている。
Description
用負極及びその製造方法並びにリチウム二次電池に関す
るものである。
を用いると、高い充放電容量を得ることができるが、充
電の際にリチウム金属が負極上にデンドライト状に析出
するため、内部短絡等を発生しやすいという問題を有し
ている。
容量を期待することができるものとして、Si、Sn、
Alなどのリチウムと合金化する金属を負極活物質とし
て用いることが考えられる。しかしながら、このような
合金化する金属を活物質として用いると、高容量を期待
することはできるが、充放電の繰り返しにより、その体
積が大きく変化するため、活物質が微粉化し、集電体か
ら剥離するという問題がある。
物質としてケイ素粉末を含有するスラリーを集電体上に
塗布した後、非酸化性雰囲気下でこれを焼成することに
より、集電体と活物質の間の接触抵抗を低減することが
提案されている。
うな方法によっても、十分に良好な充放電サイクル特性
を得ることができず、実用的なリチウム二次電池用負極
とすることができないという問題があった。
とができ、かつ充放電特性に優れたリチウム二次電池用
負極及びその製造方法並びにこれを用いたリチウム二次
電池に関するものである。
池用負極は、導電性金属箔を集電体とし、ケイ素及び/
またはケイ素合金を含む活物質材料と導電性金属粉末の
混合物を集電体の表面上で還元性雰囲気下に焼結して得
られることを特徴としている。
法は、導電性金属箔の表面上に、ケイ素及び/またはケ
イ素合金を含む活物質材料と導電性金属粉末の混合物を
配置する工程と、該混合物を上記導電性金属箔の表面上
に配置した状態で還元性雰囲気下に焼結させる工程とを
備えることを特徴としている。
は、活物質材料、導電性金属粉末、及びバインダーを含
むスラリーを導電性金属箔の表面上に塗布することによ
り、活物質材料と導電性金属粉末を導電性金属箔の表面
上に配置する。
属粉末の混合物を導電性金属箔の表面上で還元性雰囲気
下に焼結している。還元性雰囲気下で熱処理を行い焼結
することにより、導電性金属箔及び導電性金属粉末の表
面の酸化物層が還元され、活物質材料、導電性金属箔、
及び導電性金属粉末のそれぞれの間での焼結が効果的に
生じる。このため、活物質材料及び導電性金属粉末の、
導電性金属箔すなわち集電体に対する密着性が大きく向
上する。従って、充放電反応においてリチウムを吸蔵・
放出する際に生じる活物質材料の大きな体積膨張及び収
縮が抑制され、また微粉化による活物質材料の集電体か
らの剥離も抑制される。
末が存在しているので、活物質材料の周囲に強固な導電
性ネットワークが形成される。従って、集電性が高めら
れ、活物質材料と集電体との間の接触抵抗が増加するの
を抑制することができる。
μm以上である導電性金属箔を集電体として用いている
ことが好ましい。この表面粗さRaの値は、焼結する前
の値である。このような表面粗さRaを有する導電性金
属箔を集電体として用いることにより、活物質材料及び
導電性金属粉末の混合物と金属箔表面との接触面積が大
きくなるため、還元性雰囲気下での焼結がさらに効果的
に起こり、活物質材料及び導電性金属粉末の集電体に対
する密着性がさらに向上する。このため、充放電反応に
おいてリチウムを吸蔵・放出する際に生じる活物質の大
きな体積膨張及び収縮と、微粉化による活物質の集電体
からの剥離がさらに抑制される。
に限定されるものではないが、後述するように、導電性
金属箔の厚みが10〜100μmの範囲にあることが好
ましいので、実質的には表面粗さRaの上限は10μm
以下である。
Sは、100Ra≧Sの関係を有することが好ましい。
表面粗さRa及び局部山頂の平均間隔Sは、日本工業規
格(JIS B 0601−1994)に定められてお
り、例えば、表面粗さ計により測定することができる。
金属箔としては、例えば銅、ニッケル、鉄、チタン、コ
バルト等の金属またはこれらの組み合わせからなる合金
のものを挙げることができる。特に、活物質材料中に拡
散し易い金属元素を含有するものが好ましい。このよう
な観点からは、銅箔であることが好ましい。銅元素は、
熱処理により活物質材料中に拡散し易く、焼結における
活物質材料との結合性の向上を期待することができる。
表面粗さRaが0.2μm以上である銅箔としては、例
えば、電解銅箔が挙げられる。電解銅箔は、銅箔の表面
に電解法により、銅を析出させたものである。また、表
面に電解法による銅を形成したその他の金属箔であって
もよい。このようなものとして、ニッケル箔の表面に電
解法により銅を析出させたものを挙げることができる。
する導電性金属粉末としては、上記導電性金属箔と同様
の材質のものを好ましく用いることができる。具体的に
は、銅、ニッケル、鉄、チタン、コバルト等の金属また
はこれらの組み合わせからなる合金である。特に、導電
性金属粉末としては銅粉末が好ましく用いられる。活物
質材料と導電性金属粉末の混合物を集電体の表面上で還
元性雰囲気下に焼結することにより、導電性金属箔及び
/または導電性金属粉末の表面の酸化物が還元され、こ
の結果生じる金属成分が活物質材料中に拡散し、活物質
材料の周辺にこの金属成分が偏在した状態になると考え
られる。金属成分として、銅などのような、リチウムと
合金化しない金属成分を用いることにより、この金属成
分が偏在した箇所において充放電反応時の体積の膨張収
縮が抑制されるため、集電体からの活物質の剥離及び集
電体材料の微粉化が抑制され、充放電サイクル特性に優
れたものとすることができる。
イ素及び/またはケイ素合金が含まれる。ケイ素合金と
しては、ケイ素と他の1種以上の元素との固溶体、ケイ
素と他の1種以上の元素との金属間化合物、ケイ素と他
の1種以上の元素との共晶合金などが挙げられる。合金
の作製方法としては、アーク溶解法、液体急冷法、メカ
ニカルアロイング法、スパッタリング法、化学気相成長
法、焼成法などが挙げられる。特に、液体急冷法として
は、単ロール急冷法、双ロール急冷法、及びガスアトマ
イズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法などの
各種アトマイズ法が挙げられる。
しては、ケイ素及び/またはケイ素合金の粒子表面を金
属等で被覆したものを用いてもよい。被覆方法として
は、無電解めっき法、電解めっき法、化学還元法、蒸着
法、スパッタリング法、化学気相成長法などが挙げられ
る。粒子表面を被覆する金属としては、導電性金属箔や
導電性金属粉末と同じ金属であることが好ましい。導電
性金属箔及び導電性金属粉末と同じ金属を、被覆するこ
とにより、焼結の際の集電体及び導電性金属粉末との結
合性が大きく向上し、さらに優れた充放電サイクル特性
を得ることができる。
径は、特に限定されないが、効果的な焼結を生じるため
には、100μm以下であることが好ましく、さらに好
ましくは50μm以下である。また、本発明において用
いる導電性金属粉末の平均粒径も、特に限定されるもの
ではないが、100μm以下であることが好ましく、さ
らに好ましくは50μm以下である。
は、重量比で活物質材料1に対して、0.05〜50の
範囲内であることが好ましい。導電性金属粉末の混合割
合が少な過ぎると、良好な充放電サイクル特性が得られ
ない場合があり、多過ぎると、活物質材料の混合割合が
相対的に少なくなるので、充放電容量が小さくなる。
に限定されるものではないが、10μm〜100μmの
範囲であることが好ましい。また、導電性金属箔上の活
物質材料と導電性金属粉末の混合物からなる焼結体の厚
みは、特に限定されるものではないが、1000μm以
下が好ましく、さらに好ましくは10μm〜100μm
である。
は、例えば、水素や一酸化炭素等の還元力を有する気体
の雰囲気中で行なう。焼結する際の熱処理の温度は、導
電性金属箔、導電性金属粉末及び活物質材料の融点以下
の温度であることが好ましい。例えば、導電性金属箔及
び導電性金属粉末として銅を用いた場合には、融点10
83℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは4
00〜800℃である。焼結する方法として、放電プラ
ズマ焼結法やホットプレス法を用いてもよい。
の負極または上記本発明の製造方法により製造された負
極と、正極活物質を含む正極と、非水電解質とからなる
ことを特徴としている。
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
i3N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
溶媒としてのリチウム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。
しては、LiCoO2 、LiNiO 2 、LiMn
2O4 、LiMnO2 、LiCo0.5Ni0.5O2 、Li
Ni0.7Co 0.2Mn0.1O2 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。
の一例を示す模式的断面図である。導電性金属箔11の
上には、活物質材料12と導電性金属粉末13が設けら
れており、これらは還元性雰囲気下に焼結されている。
活物質材料12には、導電性金属箔11からの金属成分
が拡散した領域12a及び導電性金属粉末13からの金
属成分が拡散した領域12bが形成されている。導電性
金属箔11から拡散する金属成分、及び導電性金属粉末
13から拡散する金属成分が、リチウムと合金化しない
金属成分である場合、これらの拡散領域12a及び12
bにおいては、活物質材料12がリチウムを吸蔵する際
に生じる体積の膨張が小さくなる。従って、活物質材料
12の導電性金属箔11からの剥離や、導電性金属粉末
13からの剥離が抑制され、さらに活物質材料12自身
の微粉化も抑制されるので、充放電サイクル特性を向上
させることができると考えられる。
さらに詳細に説明するが、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。
mのフレーク状銅粉末と、活物質材料としての平均粒径
50μmのケイ素粉末とを、重量比で4:1(=1:
0.25)となるように秤量し、乳鉢で乾式混合した。
この混合物90重量部を、結着剤としてのポリフッ化ビ
ニリデン10重量部を含む8重量%のN−メチルピロリ
ドン溶液に混合し、負極合剤スラリーとした。
面粗さRaが0.5μmである電解銅箔(厚み15μ
m)の片面に塗布し、乾燥した後これを圧延した。得ら
れたものを、直径20mmの円板状に切り抜き、これを
水素雰囲気下で600℃10時間熱処理し、焼結して負
極とした。焼結体の厚み(集電体は含まない)は50μ
mであった。
O3 及びCoCO3 を用いて、Li:Coの原子比が
1:1となるように秤量して乳鉢で混合し、これを直径
17mmの金型でプレスし、加圧成形した後、空気中に
おいて、800℃24時間焼成し、LiCoO 2 の焼成
体を得た。これを乳鉢で粉砕し、平均粒径20μmに調
製した。
導電剤として人口黒鉛粉末5重量部を、結着剤としての
ポリフッ化ビニリデン5重量部を含む5重量%のN−メ
チルピロリドン溶液に混合し、正極合剤スラリーとし
た。この正極合剤スラリーを、集電体であるアルミニウ
ム箔の上に塗布し、乾燥した後圧延した。得られたもの
を直径20mmの円板状に切り抜き、正極とした。
カーボネートとジエチレンカーボネートとの等体積混合
溶媒に、LiPF6 を1モル/リットル溶解したものを
作製した。
解液を用いて、扁平型のリチウム二次電池A1を作製し
た。図1は、作製したリチウム二次電池の断面模式図で
あり、正極1、負極2、セパレーター3、正極缶4、負
極缶5、正極集電体6、負極集電体7及びポリプロピレ
ン製の絶縁パッキング8などからなる。
して対向している。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
集電体6を介して正極缶4に接続され、負極2は負極集
電体7を介して負極缶5に接続され、二次電池としての
充電及び放電が可能な構造となっている。
原子比で9:1となるように混合し、単ロール急冷法に
より、Si9Ni合金及びSi9Cu合金を作製した。こ
れらの合金を乳鉢で平均粒径50μmとなるように粉砕
した。実験1において、ケイ素粉末の代わりに、これら
の合金粉末を用いる以外は、実験1と同様にして電池A
2及びA3を作製した。電池A2はSi9Ni合金を用
いたものであり、電池A3はSi9Cu合金を用いたも
のである。
の表面を、無電解めっき法によりニッケルで被覆した。
得られたものについて原子吸光法(ICP)で確認した
ところ、ニッケルによるケイ素粉末の被覆量は、全体に
対して0.5重量%であった。実験1において、ケイ素
粉末の代わりに、このニッケルを被覆したケイ素粉末を
用いる以外は、実験1と同様にして電池A4を作製し
た。
表面に電解法により、銅を析出させ、銅被覆ニッケル箔
(厚み15μm)及び銅被覆ステンレス箔(厚み15μ
m)を作製した。これらの表面粗さRaは、いずれも
0.5μmであった。
れらの銅被覆ニッケル箔及び銅被覆ステンレス箔を用い
る以外は、実験1と同様にして、電池A5及びA6を作
製した。電池A5は銅被覆ニッケル箔を用いたものであ
り、電池A6は銅被覆ステンレス箔を用いたものであ
る。また、表面粗さRaが0.5μmである電解ニッケ
ル箔を、実験1において電解銅箔の代わりに用いる以外
は、実験1と同様して電池A7を作製した。
粉末の代わりに、平均粒径10μmのフレーク状ニッケ
ル粉末または平均粒径10μmのフレーク状鉄粉末を用
いる以外は、実験1と同様にして電池A8及びA9を作
製した。電池A8はフレーク状ニッケル粉末を用いたも
のであり、電池A9はフレーク状鉄粉末を用いたもので
ある。
と、平均粒径10μmのフレーク状ニッケル粉末を等重
量で混合したものを作製し、これを実験1においてフレ
ーク状銅粉末の代わりに用いる以外は、実験1と同様に
して電池A10を作製した。
熱処理条件をアルゴン雰囲気下、600℃10時間とし
たこと以外は、実験1と同様にして負極を作製し、電池
B1を作製した。また、実験1において、負極合剤スラ
リーを電解銅箔に塗布し、乾燥して圧延した後、熱処理
を行なわなかった負極を作製し、これを用いて実験1と
同様にして電池B2を作製した。
A1〜A10及びB1〜B2について、充放電サイクル
特性を評価した。各電池を、25℃において、電流値1
mAで4.2Vまで充電した後、電流値1mAで2.7
Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サ
イクル目の放電容量の80%に達するまでのサイクル数
を測定し、サイクル寿命とした。結果を表1に示す。な
お、各電池のサイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命
を100とした指数である。
熱処理した電池A1は、アルゴン雰囲気下で熱処理した
電池B1、及び熱処理を行なわなかった電池B2に比べ
て、優れたサイクル特性を示している。これは、水素雰
囲気下で熱処理を行なうことにより、銅箔と活物質材料
及び銅粉末との間の密着性がさらに向上し、集電性が向
上したためと考えられる。
aとサイクル特性との関係について検討した。実験1に
おいて、表面粗さRaが0.5μmである電解銅箔の代
わりに、表面粗さRaが0.2μmである電解銅箔、及
び表面粗さRaが0.1μmである圧延銅箔を用いたこ
と以外は、実験1と同様にして電池A11及び電池A1
2を作製した。これらの電池について、上記と同様にサ
イクル特性を評価した。なお、サイクル寿命は電池A1
のサイクル寿命を100とした指数である。表2には、
電池A1のサイクル寿命も併せて示す。
0.2μm以上である銅箔を用いた電池A1及びA11
では、表面粗さRaが小さい銅箔を用いた電池A12に
比較して、サイクル寿命が長くなっていることがわか
る。これらのことから表面粗さRaが大きい金属箔を集
電体として用いることにより、金属箔と活物質材料及び
銅粉末との間の焼結が効果的に生じ、密着性が向上する
ものと考えられる。
合量とサイクル特性との関係を検討した。実験1におい
て、フレーク状銅粉末の混合量を、重量比で、ケイ素粉
末1に対して、1(銅粉末量50重量%)、0.5(銅
粉末量33.3重量%)、及び0.125(銅粉末量1
1.1重量%)となるように変化させた以外は、実験1
と同様にして、電池A13、電池A14、及び電池A1
5を作製した。また、比較として、フレーク状銅粉末を
混合せずに、ケイ素粉末のみを用いる以外は、実験1と
同様にして電池B3を作製した。
クル特性を評価した。結果を表3に示す。なお、各電池
のサイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命を100と
した指数である。
末を混合した電池A1及びA13〜A15は、フレーク
状銅粉末を混合していない電池B3に比べ、遥かに良好
なサイクル寿命を示していることがわかる。これは、銅
粉末を混合することにより、活物質材料であるケイ素粉
末の密着性が向上し、さらにはケイ素粉末の周りに銅粉
末による強固な導電性のネットワークが形成されるた
め、集電性が向上したものと考えられる。
優れたリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池と
することができる。
二次電池を示す模式的断面図。
示す模式的断面図。
Claims (11)
- 【請求項1】 導電性金属箔を集電体とし、ケイ素及び
/またはケイ素合金を含む活物質材料と導電性金属粉末
の混合物を前記集電体の表面上で還元性雰囲気下に焼結
して得られることを特徴とするリチウム二次電池用負
極。 - 【請求項2】 前記導電性金属箔及び/または前記導電
性金属粉末中の金属成分が、前記活物質材料中に拡散し
てい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。 - 【請求項3】 前記導電性金属箔の表面粗さRaが0.
2μm以上であることを特徴とする請求項1または2に
記載のリチウム二次電池用負極。 - 【請求項4】 前記還元性雰囲気が水素を含む雰囲気で
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用負極。 - 【請求項5】 前記導電性金属箔が、電解銅箔または表
面に電解銅を設けた金属箔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用負
極。 - 【請求項6】 導電性金属箔の表面上に、ケイ素及び/
またはケイ素合金を含む活物質材料と導電性金属粉末の
混合物を配置する工程と、 前記混合物を前記導電性金属箔の表面上に配置した状態
で還元性雰囲気下に焼結する工程とを備えることを特徴
とするリチウム二次電池用負極の製造方法。 - 【請求項7】 前記活物質材料、前記導電性金属粉末、
及びバインダーを含むスラリーを前記導電性金属箔の表
面上に塗布することにより、前記活物質材料及び前記導
電性金属粉末を前記導電性金属箔の表面上に配置するこ
とを特徴とする請求項6に記載のリチウム二次電池用負
極の製造方法。 - 【請求項8】 前記導電性金属箔の表面粗さRaが0.
2μm以上であることを特徴とする請求項6または7に
記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。 - 【請求項9】 前記還元性雰囲気が水素を含む雰囲気で
あることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記
載のリチウム二次電池用負極の製造方法。 - 【請求項10】 前記導電性金属箔が、電解銅箔または
表面に電解銅を設けた金属箔であることを特徴とする請
求項6〜9いずれか1項に記載のリチウム二次電池用負
極の製造方法。 - 【請求項11】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の
負極または請求項6〜10のいずれか1項に記載の方法
により製造された負極と、正極活物質を含む正極と、非
水電解質とからなることを特徴とするリチウム二次電
池。
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