JP2002324550A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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JP2002324550A JP2001130043A JP2001130043A JP2002324550A JP 2002324550 A JP2002324550 A JP 2002324550A JP 2001130043 A JP2001130043 A JP 2001130043A JP 2001130043 A JP2001130043 A JP 2001130043A JP 2002324550 A JP2002324550 A JP 2002324550A
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Minoru Tejima
手嶋  稔
Toru Tabuchi
田渕  徹
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Abstract

(57)【要約】 【課題】放電容量の大きい、ホウ素を含む黒鉛を負極活
物質に使用する非水電解質二次電池を得る。 【解決手段】非水電解質二次電池において、X線光電子
分光法(XPS)によって測定された188〜192e
Vに頂点をもつピークの面積S1と185〜187eV
に頂点をもつピークの面積S2の比S1/S2が1.0
以下であるホウ素を含む黒鉛を負極活物質として使用す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオンを
吸蔵・放出する物質からなる負極活物質を使用した非水
電解質二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、盛んに研究されているリチウムイ
オン二次電池は、小型で軽量の電池が要求される分野を
中心に実用化された。これまで、リチウム二次電池の有
効性は古くから予測されていたものの、実用化に至るま
でに解決すべき多くの問題があった。特に二次電池の正
極材料にコバルト酸リチウム(LiCoO)が有効で
あることが発見されてからは、負極活物質材料の開発が
大きな課題となった。
【0003】負極活物質にリチウム金属を用いた場合、
充放電を繰り返すうちに局所的にリチウムが樹枝状に成
長し、容量が低下するとともに、セパレータを突き破っ
て内部短絡を起こすという問題があった。そこでリチウ
ム金属に変わりリチウム合金の利用が考えられたが、サ
イクル特性やエネルギー密度に難点があった。
【0004】現在では負極活物質として炭素材料を用
い、炭素中にリチウムイオンが挿入脱離する反応を負極
反応として用いる二次電池が実用化されている。リチウ
ムイオンの挿入・脱離が可能な炭素材料の中でも、ホウ
素を含む黒鉛は、その結晶性が非常に高いため、高容量
化が可能となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ホウ素を含む
黒鉛を負極活物質に用いた非水電解質二次電池では、そ
の負極活物質中のホウ素の存在状態が重要な因子とな
る。すなわち、ホウ素を含む黒鉛において、そのホウ素
の含有量が多いと、黒鉛化の段階で、黒鉛内にホウ素が
固溶できずに、Bなどのホウ素化合物が活物質表
面に付着して、電子伝導性を低下させる。また、ホウ素
を含む黒鉛においてホウ素の含有量が多いと、黒鉛化の
段階で電子伝導性の極めて低いホウ素化合物の被膜が生
成することにより、負極合材中における活物質間および
活物質と集電体との電子伝導性が低下し、その結果、電
池の放電容量を低下させる。
【0006】本発明の目的は、ホウ素を含む黒鉛を負極
活物質に使用する非水電解質二次電池における上記問題
点を解決し、放電容量の大きい非水電解質二次電池を得
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、非水
電解質二次電池において、X線光電子分光法(XPS)
によって測定された188〜192eVに頂点をもつピ
ークの面積S1と185〜187eVに頂点をもつピー
クの面積S2の比S1/S2が1.0以下であるホウ素
を含む黒鉛を負極活物質として使用することを特徴とす
る。
【0008】請求項1の発明によれば、負極活物質に使
用する黒鉛の表面に存在する電子伝導性の極めて低いホ
ウ素化合物の被膜を減少させることにより、放電容量の
大きい非水電解質二次電池を得ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明は、非水電解質二次電池の
負極活物質として、X線光電子分光法(XPS)によっ
て測定された188〜192eVに頂点をもつピークの
面積S1と185〜187eVに頂点をもつピークの面
積S2の比S1/S2が1.0以下であるホウ素を含む
黒鉛を使用するものである。
【0010】ホウ素を含む黒鉛は、黒鉛化の段階のホウ
素の触媒作用により、結晶性が高いため、このような黒
鉛を負極活物質に使用した非水電解質二次電池の放電容
量は大きくなる。
【0011】特に、黒鉛中のホウ素含有率が0.01重
量%以上、3重量%以下である場合には、黒鉛中へホウ
素が完全に固溶し、放電容量の大きい非水電解質二次電
池が得られる。黒鉛中のホウ素含有率が3重量%以上で
あると、固溶できないホウ素が存在してしまい、非水電
解質二次電池の放電容量を低下させてしまう。 したが
って、本発明においては、黒鉛中のホウ素含有率が0.
01重量%以上、3重量%以下とすることが好ましい。
【0012】X線光電子分光法(XPS)を用いた定量
方法については、日本表面科学会編「表面分析技術叢書
X線光電子分光法」(丸善、1996年7月発行)の
118〜121ページに詳しく述べられている。これに
よれば、XPSで定量する場合、実用的には相対感度係
数RSF法が使われ、感度係数の基準試料を用いる場合
と基準試料の測定を行なわない場合があり、後者の場合
には、未知試料中に存在するすべての元素のピーク強度
を測定すれば、規格化した濃度Xは次式で表わされ
る。
【0013】 X=(I/S)/(Σ(I/S)) この式で、Iは元素iの標準試料の光電子ピーク強
度、Siは元素iのRSFであり、S=I pure
/Ikeyで定義され、keyは感度係数の基準元素を
表わす。また、Σ(I/S)はj=1からnの合計
を表わす。例えば、j=1は炭素、j=2はホウ素等を
表わす。
【0014】本発明は、上記理論に基づいて、同一元素
については結合状態が異なると複数のピークが現われ、
そのピーク面積が結合状態の異なる同一元素の濃度比を
表わすことを利用したものである。
【0015】本発明においては、標準試料の光電子ピー
ク強度Iの代わりにピーク面積を使用する。そこで本
発明におけるピーク面積の計算方法について述べる。ホ
ウ素を含む黒鉛のX線光電子分光法(XPS)測定を、
島津/KRATOS製AXIS−HSを使用し、X線源
にはMgKα線を用い、X線の出力は15kV、15m
Aの測定条件で行なった。なお、帯電補正はグラファイ
ト(284.5eV)のC1sスペクトルを用いて行な
った。
【0016】図1に、得られたホウ素を含む黒鉛のX線
光電子分光法(XPS)のチャートの例を示す。図1は
横軸には結合エネルギー、縦軸には強度、すなわち検出
された光電子の数を表わしたもので、図1において、A
は188〜192eVに頂点をもつピーク、Bは185
〜187eVに頂点をもつピーク、BLはベースライン
を示す。図1からわかるように、XPSチャートのピー
クには多くの細かいピークが現われており、図1のチャ
ートからピーク面積を求めるのは困難である。
【0017】そこで各ピークをGaussian型波形
関数を用いて分離し、AとBのピークのみを取り出し、
図2に示す。図2において、記号A、BおよびBLは図
1と同じものを示し、S1は188〜192eVに頂点
をもつピークAの面積、S2は185〜187eVに頂
点をもつピークBの面積である。本発明においては、図
2のハッチングで示したピークBの面積に対するピーク
Aの面積の比S1/S2を1.0以下とするものであ
る。
【0018】本発明においては、負極活物質としては、
X線光電子分光法(XPS)によって測定した場合、1
88〜192eVに頂点をもつピークの面積S1と18
5〜187eVに頂点をもつピークの面積S2に注目
し、その比S1/S2が1.0以下であるホウ素を含む
黒鉛を使用する。ここで、185〜187eVに頂点を
もつピークは全ホウ素化合物のピークを示し、188〜
192eVに頂点をもつピークは電子伝導性がきわめて
低いホウ素化合物のピークを示している。
【0019】したがって、S1/S2比が1.0以下の
場合には、ホウ素を含む黒鉛の表面において、全ホウ素
化合物に対する電子伝導性がきわめて低いホウ素化合物
の割合が低い、すなわち、電子伝導性がきわめて低いホ
ウ素化合物が少ないことを示している。一方、S1/S
2比が1.0より大きいと、ホウ素を含む黒鉛の表面に
おいて、電子伝導性がきわめて低いホウ素化合物の存在
割合が大きくなってしまい、これを負極活物質に使用し
た非水電解質二次電池の放電容量を低下させてしまう。
【0020】本発明になる非水電解質二次電池の正極活
物質としては、リチウムまたはリチウムイオンを吸蔵・
放出する化合物ならいかなる種類の化合物も使用可能で
あるが、特にLiMO(ただし、Mは一種以上の遷
移金属をあらわす)およびLiMnを含む化合
物を単独で、または2種以上混合して使用することが好
ましい。さらに、放電電圧の高さからは、これらの化合
物において、遷移金属MとしてはCo、NiおよびMn
よりなる群から選ばれる遷移金属を使用することがより
好ましい。
【0021】非水電解質の溶媒としては、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、トリフルオロプロピレンカーボネート、γ-ブチ
ロラクトン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタン、
1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−
メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−ジオ
キソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチ
ル、プロピオン酸エチル、ジメチルカーボネート、ジエ
チルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロ
ピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート等の非
水溶媒を、単独でまたはこれらの混合溶媒を使用するこ
とができる。
【0022】非水電解質は、これらの非水溶媒に支持塩
を溶解して使用する。支持塩としては、LiClO
LiAsF、LiPF、LiBF、LiAs
、LiCFCO、LiCFSO、LiCF
CFSO、LiCFCF CFSO、Li
N(CFSO、LiN(CFCFSO
、LiN(CFCO)およびLiN(CFCF
CO)などの塩もしくはこれらの混合物を使用する
ことができる。
【0023】また、このような液状の電解質のかわりに
固体のイオン導電性ポリマー電解質を用いることもでき
る。ポリマー電解質膜が、ポリエチレンオキシド、ポリ
アクリロニトリル、ポリエチレングリコールおよびこれ
らの変性体などの場合には、軽量で柔軟性があり、巻回
極板に使用する場合に有利である。さらに、イオン導電
性ポリマー電解質膜と有機電解液を組み合わせて使用す
ることができる。また、電解質としては、ポリマー電解
質以外にも、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解
質と無機固体電解質の混合材料、もしくは有機バインダ
ーによって結着された無機固体粉末など、いずれも公知
のものの使用が可能である。
【0024】また、本発明になる非水電解質二次電池
は、普通その構成として正極、負極およびセパレータと
非水電解液との組み合わせからなっているが、セパレー
タとしては、多孔性ポリエチレン膜などの多孔性ポリマ
ー膜やリチウムイオンまたはイオン導電性ポリマー電解
質膜を、単独または組み合わせて使用することができ
る。さらに、電池の形状としては、円筒形、角型、コイ
ン型、ボタン型、ペーパー型などの種々の形状にするこ
とができる。
【0025】
【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する
が、本発明の趣旨から外れない限り、以下の実施例に限
定されるものではない。
【0026】正極活物質にコバルト酸リチウム、負極活
物質に炭素材料を使用した、角型非水電解質二次電池を
作製した。図3は角型非水電解質二次電池の断面構造を
示した図である。図3において、1は角型非水電解質二
次電池、2は巻回型電極群、3は正極、4は負極、5は
セパレータ、6は電池ケース、7は電池蓋、8は安全
弁、9は正極端子、10は正極リードである。
【0027】巻回型電極群2は電池ケース6に収納して
あり、電池ケース6には安全弁を設け、電池蓋7と電池
ケース6はレーザー溶接で密閉されている。正極端子9
は正極リード10を介して正極3と接続され、負極4は
電池ケース6の内壁と接触により接続されている。
【0028】まず、正極シートを作製した。活物質とし
てLiCoOを90重量%、導電剤としてアセチレン
ブラックを5重量%の割合でそれぞれ混合し、さらに結
着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を5重量
%の割合で加え、溶媒としてN−メチル−2−ピロドリ
ン(NMP)を添加し、混練して、スラリー状の正極合
材塗布液を作製した。次いで、この正極合材塗布液を厚
さ20μmのアルミニウム箔の表裏両面に、厚み180
μmとなるよう、片面ずつ塗布した。
【0029】つぎに負極シートを作製した。負極活物質
としてホウ素を含む黒鉛を90重量%、結着剤としてP
VdFを10重量%の割合で加え、溶媒としてNMPを
添加し、混練して、スラリー状の負極合材塗布液を作製
した。次いで、厚さ20μmの銅箔の表裏両面に、厚み
180μmとなるよう、片面ずつ塗布した。
【0030】さらに、これら正極シートおよび負極シー
トを、それぞれの電極合剤の電極密度が所定の値となる
ように、ロールプレスにより圧縮加工した。セパレータ
としては、厚さ25μm程度の微多孔性ポリエチレンフ
ィルムを用いた。また、電解質には、エチレンカーボネ
ート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の1:
1混合溶媒(体積比)にLiPFを1.0M溶解した
非水電解液を用いた。
【0031】以上のようにして、負極活物質に使用した
ホウ素を含む黒鉛の、ホウ素含有率(重量%)およびX
線光電子分光法(XPS)測定におけるピーク比(S1
/S2)を変えて、実施例1〜5および比較例1〜4
の、合計9種類の角形非水電解質二次電池を、それぞれ
10セルづつ作製した。各電池の負極活物質中のホウ素
含有率(重量%)およびS1/S2比を表1に示した。
【0032】なお、表1に示したピーク比とは、X線光
電子分光法(XPS)により測定されたスペクトルにお
ける188〜192eVに頂点をもつピークの面積S1
と185〜187eVに頂点をもつピークの面積S2の
比S1/S2のことである。
【0033】
【表1】
【0034】これらの非水電解質二次電池を、25℃に
おいて1Cの電流で4.2Vまで定電流定電圧充電を3
時間おこなって満充電状態とした。続いて1Cの電流で
2.75Vまで放電させ、このときの放電容量(これを
初期放電容量、mAhとする)を求め、その結果を表2
に示した。なお、表2において、各電池の初期放電容量
の値は、10セルの平均値である。
【0035】
【表2】
【0036】表2から、つぎのようなことが明らかとな
った。ホウ素含有率が3重量%で、ピーク比が0.1で
ある実施例1の非水電解質電池の負極活物質に使用した
ホウ素を含む黒鉛においては、電子伝導性がきわめて低
いホウ素化合物の被膜の生成がほとんどおこることな
く、負極合材中における活物質間および活物質と集電体
との電子伝導性が良好となり、放電容量が大きい値を示
した。
【0037】ホウ素含有率が3重量%で、ピーク比が
0.5、および1.0である実施例2および3の電池に
おいては、実施例1の電池ほど放電容量の増加は認めら
れなかったが、それでも、同じ理由により、ホウ素を含
まない黒鉛を用いた比較例3の電池に比べて、放電容量
が大きい値を示した。
【0038】ホウ素含有率が1.5、および0.01重
量%で、ピーク比が0.5である実施例4および5の電
池においては、電子伝導性がきわめて低いホウ素化合物
の被膜の生成がそれほどおこらないため、実施例1、2
および3の電池に比べて、放電容量は若干小さいが、ホ
ウ素を含まない黒鉛を用いた比較例3の電池に比べて、
高い放電容量を示した。
【0039】ホウ素含有率が3.0重量%および1.5
重量%で、ピーク比が1.5である比較例1および2の
電池においては、放電容量は小さかった。これは、電子
伝導性がきわめて低いホウ素化合物の被膜が多く存在し
ており、負極合材中における活物質同士および活物質と
集電体との電子伝導性が悪化するためである。
【0040】ホウ素を含有していない比較例3の電池に
おいては、電子伝導性がきわめて低いホウ素化合物の被
膜は存在しないが、ホウ素の触媒効果がないために、ホ
ウ素を含む黒鉛と比べて結晶性が低いことから、大きい
放電容量を示さなかった。
【0041】ホウ素含有率が4.0重量%で、ピーク比
が0.5である比較例4の電池においては、B
どのホウ素化合物が活物質表面に吸着しており、充電初
期の不可逆容量の増大を招くため、放電容量は低い値を
示した。
【0042】なお、上記に示した実施例は、負極合材中
に含まれるホウ素を含む黒鉛が、全負極活物質のすべて
に用いられる場合について述べたが、一部に用いられる
場合でも、以上の効果は得られる。負極合材中に含まれ
るホウ素を含有した黒鉛は、全負極活物質の30重量%
以上であることが望ましい。
【0043】
【発明の効果】本発明になる電池においては、ホウ素含
有黒鉛粒子において、X線光電子分光法(XPS)によ
って測定された188〜192eVに頂点をもつピーク
の面積S1と185〜187eVに頂点をもつピークの
面積S2の比S1/S2が1.0以下であるため、電子
伝導性がきわめて低いホウ素化合物の被膜の存在量がき
わめて少なく、これを負極活物質に使用することによ
り、放電容量の大きい非水電解質二次電池が得られるも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ホウ素を含む黒鉛のX線光電子分光法(XP
S)のチャートの例を示す図。
【図2】Gaussian型波形関数を用いて分離した
AとBのピークを示す図。
【図3】角型非水電解質二次電池の断面構造を示す図。
【符号の説明】
1 角型非水電解質二次電池 2 巻回型電極群 3 正極 4 負極 5 セパレータ 6 電池ケース 7 電池蓋 8 安全弁 9 正極端子 10 正極リード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田渕 徹 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 1番地 日本電池株式会社内 Fターム(参考) 5H029 AJ03 AK03 AL07 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ02 BJ14 5H050 AA08 BA17 CA09 CB08 DA03 FA19 HA13

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 X線光電子分光法(XPS)によって測
    定された188〜192eVに頂点をもつピークの面積
    S1と185〜187eVに頂点をもつピークの面積S
    2の比S1/S2が1.0以下であるホウ素を含む黒鉛
    を負極活物質として使用することを特徴とする非水電解
    質二次電池。
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