JP2004349016A - 非水電解質二次電池の充放電方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上記の非水電解質二次電池を、組成式LiXMにおけるX値が0≦X≦2.33となる範囲内で充放電させて使用する。非水電解質二次電池は、好ましくは、上記のLiXM相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を含む負極活物質、および環状カーボネートを含む非水電解液を備える。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた充放電サイクル特性が得られる非水電解質二次電池の充放電方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、AV機器、ノート型パソコン、および携帯型通信機器などの駆動用電源として、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池が主に用いられている。近年、電子機器のポータブル化やコードレス化が進展して定着するに伴って、これら電子機器の電源となる二次電池の高エネルギー密度化や小型軽量化の要望がますます強くなっている。このような要望に応えるため、小型・軽量で急速充電が可能な高エネルギー密度二次電池の研究開発が活発に行われている。その主流の電池として、リチウムイオン二次電池に代表される各種の非水電解質二次電池が研究開発されている。
【0003】
これらの非水電解質二次電池の正極および負極に用いられる活物質材料として数多くの材料が研究され、提案されている。負極活物質材料としては、特に可逆性に優れ、信頼性も高いことから、主として黒鉛などの炭素材料が実用化されている。しかし、これら炭素材料は既に理論容量(372mAh/g)に近い容量で実用化されているため、この材料を用いる限りは、現状を大幅に上回る高エネルギー密度化は期待できない。
【0004】
そこで、従来の材料よりも大幅な高容量化が期待できる負極活物質材料として、例えばSiあるいはSnをはじめとするリチウムの吸蔵・放出が可能な元素の単体やこれらの合金などが提案されている。(例えば、特許文献1参照)
しかしながら、例えば、負極活物質材料としてSnなどの粉末を用いた非水電解質二次電池においては、充放電サイクルにともなう容量劣化が大きい。これは、充放電時のリチウムの吸蔵・放出にともなう負極活物質の膨張・収縮によって、非常に大きな負極の体積変化が繰り返されることに起因する。
【0005】
初期充電時には、非水電解質の分解によって負極活物質の表面に保護被膜が形成される。ところが、その後の充放電による活物質の膨張・収縮によって、活物質粒子の割れや保護被膜の亀裂・遊離などが生じる。これにより、新たな活物質表面が非水電解質に接し、その表面で新たに被膜が生成する。この被膜は充放電時の分極を増大させ、充放電効率を低下させて容量劣化を引き起こす。さらには、Snなどを含む被膜が活物質本体から遊離することにより、Liの吸蔵・放出が可能な活物質成分が充放電サイクルに伴って徐々に減少し、電池容量が低下する。この現象は、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネートを主体とする溶剤を非水電解質の溶媒として使用した場合に特に顕著に見られる。
【0006】
【特許文献1】
特開平07−29602号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は負極活物質として、リチウムを吸蔵・放出できる元素の単体あるいはこれらの合金の相を含む材料を用いる非水電解質二次電池における上記の問題点を解決し、高エネルギー密度で優れたサイクル特性が得られる非水電解質二次電池の充放電方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明による非水電解質二次電池の充放電方法は、正極、非水電解質、および可逆的なリチウムの吸蔵・放出が可能で、式LiXM(MはSnおよびSiの少なくとも一方の元素)で表される相を有する活物質を含む負極を備えた非水電解質二次電池の充放電方法であって、前記式LiXMにおけるX値が0≦X≦2.33となる範囲内で前記相が リチウムを吸蔵・放出するように、前記非水電解質二次電池を充放電することを特徴とするものである。
【0009】
本発明による非水電解質二次電池の充放電方法において、非水電解質は、環状カーボネートを含むことが好ましい。非水電解質に含まれる環状カーボネートは、ビニレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートの少なくとも一方であることが特に好ましい。
さらに、負極の活物質は、リチウムの吸蔵・放出が不可能な相を含むことが好ましい。リチウムの吸蔵・放出が不可能な相は、SiとTi、あるいはSnとTiを含む合金相であることが好ましい。SiとTiを含む合金相は、TiSi2相であることが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
非水電解質二次電池の負極活物質としては、リチウムとの合金化が可能で、可逆的にリチウムを吸蔵・放出できる種々の材料、例えばSi、Sn、Al、Znなどの単体、ならびにそれらを含む合金などが検討されている。それらの中でも、特にSnおよびSiの少なくとも一方を含む材料は高容量が期待される負極活物質である。しかし、これらの材料を負極活物質に用いた非水電解質二次電池においては、充放電サイクルに伴い、電池電圧および電池容量が低下するという問題がある。その原因は、前記のように、充放電による負極活物質の膨張・収縮に起因して、負極の分極が増大し、さらに有効活物質が減少することにある。
【0011】
本発明は、上記の問題を解決し、SnおよびSiの少なくとも一方を含み、可逆的にリチウムを吸蔵・放出できる相を含む負極活物質を備えた非水電解質二次電池の充放電サイクル寿命を最大限に向上させるために有効な充放電方法を提供するものである。
本発明の充放電方法は、負極活物質に含まれる一般式LiXM(MはSnおよびSiの少なくとも一方の元素)で表される相が、0≦X≦2.33の範囲内で規制されて可逆的にリチウムを吸蔵・放出するように、上記非水電解質二次電池を充放電することを特徴とするものである。この充放電方法により、充放電による負極活物質の膨張・収縮を効果的に抑制し、充放電サイクルに伴う電池性能の劣化を効果的に抑制して、充放電サイクル寿命を向上させることができる。
【0012】
一般式LiXM(MはSnおよびSiの少なくとも一方の元素)で表される負極活物質の相(以下、LiXM相で表す)は、理論的には0≦X≦4.4の範囲でリチウムを電気化学的に吸蔵・放出することが可能である。LiXM相のうちのLiXSi相には、組成比に応じて、立方晶(X=0;Si)、斜方晶(X=1.71;Li12Si7)、菱面体(X=2.33;Li14Si6)、斜方晶(X=3.25;Li13Si4)、および立方晶(X=4.4;Li22Si5)という5種類の結晶形態の相が存在する。充放電時のリチウムの吸蔵量(X値)の変化に伴い、上記のようにLiXSiの相変化が起こる。
【0013】
また、LiXM相のうちのLiXSn相には、正方晶(X=0;Sn)、単斜晶(X=1.00;LiSn)、単斜晶(X=2.33;Li7Sn3)、菱面体(X=2.50;Li5Sn2)、六方晶(X=2.60;Li13Sn5)、斜方晶(X=3.50;Li7Sn2)、および立方晶(X=4.40;Li22Sn5)という7種類の相が存在する。充放電時のX値の変化に伴い、上記のようにLiXSnの相変化が起こる(例えば、J.Eletrochem.Soc.,128,725(1981)参照)
【0014】
これらの相変化にともないLiXM相の格子体積が変化し、X値が大きくなるにつれて体積は増加する。LiXSiを0≦X≦4.4の組成範囲で充放電させた場合、理論的な最大体積膨張率は約4.2倍である。それに対し、0≦X≦2.33の組成範囲内で動作させた場合は、最大体積膨張率はX=4.4の場合の体積膨張率に対して約40%低減する。
また、LiXSnを0≦X≦4.4の組成範囲で充放電させた場合、理論的な最大体積膨張率は約3.5倍である。それに対し、0≦X≦2.33の組成範囲内で充放電させた場合は、最大体積膨張率はX=4.4の場合の体積膨張率に対して約37%低減する。
【0015】
以上のように、本発明により、LiXM相を0≦X≦2.33の範囲内で充放電することにより、Xが最大値(4.4)になるまで充電した場合よりも、体積膨張率を理論的に約40%減少させることができる。本発明者らは、X≦2.33のX値規制による充電により、負極の体積膨張が大幅に抑制されることを実験的に検証するとともに、この体積膨張の抑制効果に伴い、充放電サイクル特性が効果的に向上することを実験的に見出した。
【0016】
本発明による充放電方法を適用する非水電解質二次電池の負極活物質について、以下に詳しく説明する。まず、LiXM相には、SiまたはSnの単体の相、およびこれらの元素からなる合金相がある。この合金相には、金属間化合物相および固溶体相などが包含される。これらのLiXM相を含む負極活物質としては、単にLiXM相を含むもの以外に、LiXM相およびLiの電気化学的な吸蔵・放出が不可能な相を含むものを用いることができる。
【0017】
Liの電気化学的な吸蔵・放出が可能な相と不可能な相を含む活物質は、Liの吸蔵・放出が不可能な相の三次元骨格的な組織構造による膨張抑制効果を有するため、この活物質を用いることにより、Liの吸蔵による負極の体積膨張をより小さくすることができる。特に、0≦X≦2.33の組成範囲でその効果は大きい。2.33<Xの範囲では、LiXM相の膨張の応力がLiの吸蔵・放出が不可能な相による膨張抑制力を上回るため、充放電による活物質の膨張率を充分に抑制することができない。
【0018】
電気化学的なLiの吸蔵・放出が不可能な相としては、Fe、Co、Ni、Cu、Ti、およびZrなどの遷移金属元素の相、およびそれらの元素を含む合金相、ならびにTiN、TiC、TiB2、SnO2、およびIn2O3などの導電性セラミックス相などがある。上記の合金相には、金属間化合物および固溶体などが含まれる。これらのうち、Ti、Fe、Co、Ni、およびCuの単体の相、それらの元素を含む合金相が好ましい。これらの中でも、Tiを含む合金相、具体的には、TiSi2、TiSi、Ti2Sn、Ti6Sn5およびTi5Sn3などからなる合金相が、より一層好ましい。TiSi2は電子伝導性が優れているので、この合金相を負極活物質に含有させることが特に好ましい。
【0019】
上記のLiの電気化学的な吸蔵・放出が可能な相と不可能な相を含む活物質は、例えばメカニカルアロイング法により合成することができる。その場合には、後述の実施例のように、SnやSiと、Liを吸蔵・放出しないTiなど金属の単体の混合物を出発材料とし、Sn相やSi相、およびLiを吸蔵・放出しない金属を含む合金相が共存する活物質を合成することができる。その他に、原料となるSnやSiの単体と、Liを吸蔵・放出しない金属を原料として所定の配合比により溶解法により合金化し、粉砕した粉末をそのまま活物質として用いることもできる。さらに、このように予め合金化された材料を出発材料として、メカニカルアロイング法と同じ操作により加工することにより、Sn相やSi相と、Liを吸蔵・放出しない合金相とが均一に共存し、微細に組織化された活物質が得られる。
【0020】
Liの吸蔵・放出による負極活物質の膨張・収縮の度合いは、一般的にLiXM相が非晶質状態である場合に比較的少ない。非晶質状態のLiXM相は、微小な領域では結晶構造を保っているので、結晶状態のLiXM相と同様にX値の変化に応じた体積変化が起こる。しかし、多数の微細な結晶が乱れた構造で活物質全体を構成しているために、LiXM相内で膨張の内部応力が分散・緩和されて、活物質の膨張・収縮が抑制されるものと考えられる。従って、LiXM相は非晶質状態であることが好ましい
【0021】
負極活物質が非晶質状態のLiXM相と、電気化学的にLiを吸蔵・放出しない合金相を含む負極活物質の場合には、電気化学的にLiを吸蔵・放出しない相による膨張抑制力がさらに作用する。前記の二つの相はナノサイズレベルの微細な相であることがさらに好ましい。これらの微細な相が分散した組織構造を有する負極活物質の場合には、活物質粒子の内部で応力が分散されるので、膨張抑制力が一層効果的に抑制される。特に、ナノサイズレベルで分散した微小な組織構造から成るLiXSiとTiSi2の2相を含む負極活物質の場合に特に膨張抑制力が大きい。
【0022】
また、本発明の充放電方法における非水電解質二次電池の負極としては、粉末状の負極活物質、導電剤および結着剤などを溶媒とともに混合したペーストを集電体に塗布し乾燥して得られるシート状電極を用いることができる。さらに、粉末状の負極活物質、導電剤および結着剤などを混合し、これを成形して得られるシート状またはペレット状の電極、ならびに、スパッタ、蒸着、CVDおよびめっきなどの方法で集電体上に負極活物質膜を形成することにより得られる薄膜状電極など、様々な形態の負極を用いることができる。これらのいずれの負極を用いた場合にも本発明による同等の効果が得られる。
【0023】
本発明の充放電方法を適用する非水電解質二次電池に用いる非水電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液を用いることができる。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、およびブチレンカーボネートなどの飽和炭化水素基を有する環状カーボネート、ビニレンカーボネート、およびビニルエチレンカーボネートなどの不飽和炭化水素基を有する環状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、フラノンなどの環状カルボン酸エステル、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタンなどの鎖状エーテル、テトラヒドロフラン、および2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル、ならびに、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸エステル誘導体、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、ジメチルスルホキシド、およびN−メチルピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒を、一種または二種以上混合して用いることができる。
【0024】
上記の非水溶媒のうち、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飽和炭化水素基を有する環状カーボネート、およびビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートなどの不飽和炭化水素基を有する環状カーボネートのうち、少なくとも一種を含むものが好ましい。それらのなかでも、ビニレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートの少なくとも一方を含む非水溶媒が特に好ましい。
【0025】
環状カーボネートは、一般的に耐還元性および耐酸化性が優れているので、これを非水電解液の溶媒として含ませることにより、負極上および正極上での電解液の分解反応が低減される。これにより、負極上での被膜の堆積による分極の増大およびLiを吸蔵・放出できる相の消費が抑制され、充放電効率の低下が抑制される。特に、ビニレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートの少なくとも一方を非水電解液の溶媒として含ませることにより、顕著な効果が得られる。これは、初期充電時に負極上に生成する被膜がリチウムイオン透過性に富み、比較的柔軟で弾性も高いため、充放電時の活物質の膨張、収縮に対して被膜の亀裂、遊離が生じにくいためと推測される。その結果、充放電サイクルにおける継続的な電解液の分解反応が抑制されるものと考えられる。
【0026】
ビニレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートの含有量の合計は、非水電解質全体の重量に対し、0.01〜20%であることが好ましく、0.1〜10%であることがより好ましい。上記の含有量が0.1%より少ない場合には、充放電サイクルを向上させる効果が十分に得られない場合があり、10%より多い場合には、非水電解質の電導度が低下し、レート特性、低温特性が低下する場合がある。
【0027】
また、レート特性、低温特性を向上させる目的で、エチレンカーボネートおよびプロピレンカーボネートと共にジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートなどの鎖状カーボネートを非水溶媒に含ませてもよい。鎖状カーボネートは環状カーボネートよりも分解されやすいため、鎖状カーボネートの含有量は50%以下とすることが好ましい。これらの混合溶媒に、さらにビニレンカーボネートやビニルエチレンカーボネートを含ませたものを非水電解質の溶媒として用いるのがより好ましい。
【0028】
本発明における非水電解質に含まれる電解質塩としては、特には限定されないが、例えば、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)などのリチウムパーフルオロアルキルスルホン酸イミド、LiC(CF3SO2)2などのリチウムパーフルオロアルキルスルホン酸メチド、LiPF6、LiBF4、およびLiAsF6などを、一種または二種以上混合して用いることができる。
【0029】
本発明の充放電方法を適用する非水電解質二次電池に用いる非水電解質としては、前記のような非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液の他に、これらの非水電解液をポリマー中にゲル化して保持させたポリマー電解質などを用いることができる。
【0030】
本発明の充放電方法を適用する非水電解質二次電池の負極の導電剤としては、負極の充放電電位において化学的に安定な種々の電子伝導性材料を用いることができる。例えば、鱗片状黒鉛などの天然黒鉛、人造黒鉛および膨張黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどのカ−ボンブラック類、炭素繊維および金属繊維などの導電性繊維類、銅およびニッケルなどの金属粉末類、ならびにポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などがあり、これらの一種または二種以上を負極に添加して導電剤として使用することができる。これらの導電剤のうち、カーボンブラック類は、微粒子で導電性が高いので特に好ましい。
【0031】
本発明における正極および負極の合剤中に添加される結着剤は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンおよびスチレンブタジエンゴムをはじめとする各種の樹脂材料の一種または二種以上を合剤中に混合して結着剤として用いることができる。
【0032】
本発明における負極の集電体の材料としては、負極の充放電電位において化学的に安定な種々の電子伝導体を用いることができる。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、銅合金、チタン、炭素および導電性樹脂などの他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケルあるいはチタンを被覆したものなどを用いることができる。これらのうち、コスト、加工性および安定性の観点から、銅あるいは銅合金が特に好ましい。これらの材料の表面を酸化したり、表面に凹凸を形成したものを用いることもできる。負極集電体としては、フォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、および繊維の成形体など、種々の形態のものを用いることができる。通常、負極集電体は厚み1〜500μmのものが用いられる。
【0033】
本発明における正極の活物質としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるような、リチウムの吸蔵・放出が可能な種々の化合物を用いることができる。その代表的なものとして、一般式LiXCoO2(0.6≦X≦1.0)、LiXNiO2(0.2≦X≦1.0)、およびLiXMn2O4(0≦X≦1.0)などで表される種々の化合物がある。
【0034】
本発明における正極の導電剤としては、正極の充放電電位において化学的に安定な種々の電子伝導性材料を用いることができる。例えば、黒鉛類、カーボンブラック類および炭素繊維などの炭素材料、ならびに、金属粉末および金属繊維などを用いることができる。
【0035】
本発明における正極の集電体の材料としては、正極の充放電電位において化学的に安定な種々の電子伝導体を用いることができる。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、炭素および導電性樹脂などの他に、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボンあるいはチタンを被覆したものを用いることができる。特に、コスト、加工性および安定性の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。これらの材料の表面を酸化したり、表面に凹凸を形成したものを用いることもできる。正極集電体としては、フォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、不織布および繊維の成形体など、種々の形態のものを用いることができる。通常、負極集電体は厚み1〜500μmのものが用いられる。
【0036】
本発明の充放電方法は、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型および角型などのあらゆる形状の非水電解質二次電池に適用することができる。また、この非水電解質二次電池の用途は特に限定されることはなく、例えば携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、ハイブリッド電気自動車および電気自動車など、様々な機器や装置などの電源として用いられる。
【0037】
【実施例】
次に、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。図1は、各実施例において作製した円筒型の非水電解質二次電池の縦断面図である。まず、正極11にアルミニウム製の正極リード14を、負極12に銅製の負極リード15を、それぞれ超音波溶接により取り付けた。これらの正極11および負極12を、これらより幅が広い帯状の多孔性ポリエチレン製セパレータ13を介して重ね合わせ、これを渦巻き状に捲回することにより電極群を構成した。
【0038】
電極群の下部から突出している負極リード15を折り曲げて電槽18の内底面に接触させるとともに、電極群の上部および下部にそれぞれポリプロピレン製の絶縁板16および17を配して電極群を電槽18に挿入した。そして、電槽18の上部に段部を形成した後、所定の非水電解液を注入した。次いで、封口板19に取り付けられた正極端子20の底部に正極リード14を超音波溶接により取り付けた後、段部に封口板19を装着し、電槽18の上部を折り曲げることにより密閉して円筒型電池を作製した。
【0039】
正極は、正極合剤ペーストを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体上にドクターブレード法で塗布し、十分に乾燥することにより作製した。正極合剤ペーストは、正極活物質としてのLiCoO2粉末90重量部、導電剤としてのアセチレンブラック5重量部、および結着剤としてのポリフッ化ビニリデン粉末5重量部を混合し、これにN−メチルピロリドンを加えて混練することにより調製した。
【0040】
非水電解液として下記の5種類を調製し、各実施例において使い分けた。
電解液A:エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解することにより調製した。
電解液B;ECとEMCを体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解した液100重量部に対し、ビニルエチレンカーボネート(VEC)を2重量部混合することにより調製した。
電解液C;ECとプロピレンカーボネート(PC)を体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解することにより調製した。
電解液D:ECとPCを体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解した電解液100重量部に対し、ビニレンカーボネート(VC)を2重量部混合することにより調製した。
電解液E:ECとPCを体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解した液100重量部に対し、VC2重量部およびVEC2重量部を混合することにより調製した。
【0041】
各実施例において作製したそれぞれの円筒型電池について、以下に示す方法により充放電サイクル試験を行った。まず、温度20℃、充電電流0.2C(5時間率の電流)の条件下で、負極活物質中のLiXM相のX値が所定の値になるように所定時間の充電を行い、充電容量を規制した。このように充電容量が所定値に規制された円筒型電池を、放電電流0.2Cで電池電圧が2.5Vになるまで放電した。この充放電サイクルを繰り返し、1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の百分率を求め、これを容量維持率(%)とした。容量維持率が100%に近いほどサイクル寿命が良好であることを示す。
【0042】
各実施例において作製したそれぞれの円筒型電池については、さらに、充電による負極厚み増加度合いを以下に示す方法により測定した。まず、円筒型電池を温度20℃、充電電流0.2Cの条件下で、負極活物質中のLiXM相のX値が所定の値になるように充電容量が規制された初期充電を行った。次いで、初期充電された円筒型電池を分解し、負極を取り出してその厚みを測定した。円筒型電池に組み込む前の負極厚み測定値に対する初期充電状態の負極厚み測定値の比率を求め、これを負極の厚み増加(倍)とした。なお、初期充電後の各円筒型電池の負極について、透過型電子顕微鏡装置を用いた電子回折法により結晶形態を調べ、LiXM相が所定のX値で規制されていることを確認した。
【0043】
《実施例1》
Si粉末およびSi薄膜をそれぞれ負極活物質とする各負極を用い、非水電解液として電解液Aを使用して、2種類の円筒型電池を作製した。
Si粉末を用いた負極は、負極合剤ペーストを厚さ14μmの銅箔製の集電体上にドクターブレード法で塗布し、十分に乾燥させることにより作製した。負極合剤ペーストは、負極活物質としてのSi粉末80重量部、導電剤としてのアセチレンブラック15重量部、および結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)5重量部の混合物に水を加えて混練することにより調製した。この負極を用いた円筒型電池をA1とした。
Si薄膜を用いた負極は、厚さ14μmのCu基板上に、スパッタリング法によって厚さ5μmのSi層を形成することにより作製した。この負極を用いた円筒型電池をB1とした。
【0044】
作製した円筒型電池A1およびB1について、負極活物質中のLiXSi相のX値が1.71、2.00、2.33、2.80、3.25、3.80、および4.40となるようにそれぞれ7段階に充電容量を規制した電池を用意し、これらの電池の充放電サイクル試験を行った。さらに、A1およびB1の別の各7個について、上記と同様にそれぞれ初期充電容量を規制し、負極の厚み増加量を測定した。
【0045】
図2にX値と100サイクル目の容量維持率の関係を示し、図3にX値と初期充電による負極の厚み増加の関係を示す。
図2から、A1およびB1のいずれにおいても、X値が増大するほど容量維持率が低下し、その度合いは、2.33<Xの範囲に充電容量が規制された電池では非常に大きく、X≦2.33の範囲で容量規制された場合には比較的小さいことが分かる。このことから、LiXSi相からなる負極活物質を用いた電池を、0≦X≦2.33の範囲内になるような充放電条件で使用することにより、優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。
【0046】
図3から、A1およびB1のいずれにおいても、X≦2.33の範囲では、充電による負極の厚み増加は比較的少なく、2.33<Xの範囲では厚み増加が著しく多いことが分かる。この結果から、LiXSi相からなる負極活物質を用いた電池を、X≦2.33の範囲内の充電条件で使用することにより、負極活物質の膨張が低減することが確認された。このような負極活物質膨張の低減は、図2における0≦X≦2.33の範囲内での優れた充放電サイクル特性を裏付けるものである。
【0047】
《実施例2》
実施例1と同様の2種類の負極、および電解液A〜Eの5種類の電解液を用いて、表1に示すような10種類の円筒型電池A1〜A5、およびB1〜B5を作製した。これらの電池について、X=2.33に充電容量を規制し、充放電サイクル試験を行った。
【0048】
【表1】
【0049】
表1から分かるように、Si粉末あるいはSi薄膜の負極活物質を用い、電解液A〜Eを用いたいずれの電池においても、比較的高い容量維持率を示している。このことから、負極活物質の充電容量が0≦X≦2.33となるように規制して充放電することによって優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。中でも、ECおよびPCを含む電解液C、ならびに、ECあるいはPCに加えてVCあるいはVECを含む電解液B、DおよびEを用いた電池において、より優れたサイクル特性が得られた。
なお、負極活物質の充電容量がX=1.71および2.00になるようにそれぞれ容量規制した場合についても上記のX=2.33の場合と同様の実験を行い、同様の結果が得られた。
【0050】
《実施例3》
Sn粉末およびSn薄膜をそれぞれ負極活物質とする各負極を用い、非水電解液として電解液Aを使用して、2種類の円筒型電池を作製した。
Sn粉末を用いた負極は、負極合剤ペーストを厚さ14μmの銅箔製の集電体上にドクターブレード法で塗布し、十分に乾燥させることにより作製した。負極合剤ペーストは、負極活物質としてのSn粉末80重量部、導電剤としてのアセチレンブラック15重量部、および結着剤としてのSBR樹脂5重量部の混合物に水を加えて混練することにより調製した。この負極を用いた円筒型電池をC1とした。
Sn薄膜を用いた負極は、厚さ14μmのCu基板上に、スパッタリング法によって厚さ5μmのSn層を形成することにより作製した。この負極を用いた円筒型電池をD1とした。
【0051】
作製した円筒型電池C1およびD1について、負極活物質中のLiXSn相のX値が1.00、1.50、2.33、2.50、2.60、3.50、および4.40となるようにそれぞれ7段階に充電容量を規制した電池を用意し、これらの電池の充放電サイクル試験を行った。さらに、C1およびD1の別の各7個について、上記と同様にそれぞれ初期充電容量を規制し、負極の厚み増加量を測定した。
【0052】
図4にX値と100サイクル目の容量維持率の関係を示し、図5にX値と初期充電による負極の厚み増加の関係を示す。
図4から、C1およびD1のいずれにおいても、X値が増大するほど容量維持率が低下し、その度合いは、2.33<Xの範囲に充電容量が規制された電池では非常に大きく、X≦2.33の範囲で容量規制された場合には比較的小さいことが分かる。このことから、LiXSn相からなる負極活物質を用いた電池を、0≦X≦2.33の範囲内になるような充放電条件で使用することにより、優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。
【0053】
図5から、C1およびD1のいずれにおいても、X≦2.33の範囲では、充電による負極の厚み増加は比較的少なく、2.33<Xの範囲では厚み増加が著しく多いことが分かる。この結果から、LiXSn相からなる負極活物質を用いた電池を、X≦2.33の範囲内の充電条件で使用することにより、負極活物質の膨張が低減することが確認された。このような負極活物質膨張の低減は、図4における0≦X≦2.33の範囲内での優れた充放電サイクル特性を裏付けるものである。
【0054】
《実施例4》
実施例3と同様の2種類の負極、および電解液A〜Eの5種類の電解液を用いて、表2に示すような10種類の円筒型電池C1〜C5、およびD1〜D5を作製した。これらの電池について、X=2.33に充電容量を規制し、充放電サイクル試験を行った。
【0055】
【表2】
【0056】
表2から分かるように、Sn粉末あるいはSn薄膜の負極活物質を用い、電解液A〜Eを用いたいずれの電池においても、比較的高い容量維持率を示している。このことから、負極活物質の充電容量が0≦X≦2.33となるように規制して充放電することによって優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。中でも、ECおよびPCを含む電解液C、ならびに、ECあるいはPCに加えてVCあるいはVECを含む電解液B、DおよびEを用いた電池において、より優れたサイクル特性が得られた。
なお、負極活物質の充電容量がX=1.00および1.50になるようにそれぞれ容量規制した場合についても上記のX=2.33の場合と同様の実験を行い、同様の結果が得られた。
【0057】
《実施例5》
Liの吸蔵・放出が可能な相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を有するTi−Si系、Co−Si系、およびNi−Si系の負極活物質を作製した。それぞれの負極活物質を用いた3種類の負極を用い、非水電解液として電解液Aを使用して、3種類の円筒型電池を作製した。
【0058】
Ti−Si系負極活物質は、Ti粉末37重量部およびSi粉末63重量部の混合物を、Co−Si系負極活物質は、Co粉末41重量部およびSi粉末59重量部の混合物を、Ni−Si系負極活物質は、Ni粉末41重量部−Si粉末59重量部の混合物を、それぞれの出発物質としてメカニカルアロイング法により、以下に示す条件下で合成した。まず、出発物質2.5kgと1インチ径のステンレス鋼製ボール300kgとを、内容積95リットルのステンレス鋼製振動ボールミル(中央化工機(株)製;FV−30)の容器内に入れて蓋をした。この容器内を減圧した後、容器内圧力が1気圧になるまでArガスを導入した。次いで、ボールミルの振幅8mm、駆動モータの回転数1200rpmに設定し、振動ボールミルを72時間運転することにより、それぞれの負極活物質を合成した。合成された各負極活物質を透過型電子顕微鏡装置を用いた電子線回折法によって解析した結果、Ti−Si系負極活物質には、Si相とTiSi2相が20:80の重量比で含まれ、Co−Si系負極活物質には、Si相とCoSi2相が20:80の重量比で含まれ、Ni−Si系負極活物質には、Si相とNiSi2相が20:80の重量比で含まれていることが確認された。
【0059】
これら3種類の負極活物質をそれぞれ用いた3種類の負極を下記のようにして作製した。まず、負極活物質80重量部、導電剤としてのアセチレンブラック15重量部、および結着剤としてのSBR樹脂5重量部を混合し、これに水を加えて混練することによりし負極合剤ペーストを調製した。この負極合剤ペーストを厚さ14μmの銅箔製の集電体上にドクターブレード法で塗布し、十分に乾燥させて負極を作製した。
【0060】
Ti−Si系負極活物質を用いて作製した円筒型電池をE1とし、Co−Si系負極活物質を用いた円筒型電池をF1とし、Ni−Si系負極活物質を用いた円筒型電池をG1とした。E1、F1およびG1の各円筒型電池について、実施例1と同様の条件で充放電サイクル特性および負極合剤厚みの増加量を測定した。
【0061】
図6にX値と100サイクル目の容量維持率の関係を示し、図7にX値と初期充電による負極の厚み増加の関係を示す。図6から、E1、F1およびG1のいずれにおいても、2.33<Xの範囲に充電容量が規制された電池では容量維持率の低下が非常に大きく、X≦2.33の範囲で容量規制された場合には比較的小さいことが分かる。このことから、LiXSi相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を含む負極活物質を用いた電池を、0≦X≦2.33の範囲内になるような充放電条件で使用することにより、優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。
【0062】
図7から、E1、F1およびG1のいずれにおいても、X≦2.33の範囲では、充電による負極の厚み増加は比較的少なく、2.33<Xの範囲では厚み増加が著しく多くなることが分かる。この結果から、LiXSi相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を含む負極活物質を用いた電池を、X≦2.33の範囲内の充電条件で使用することにより、負極活物質の膨張が低減することが確認された。これは、図6における0≦X≦2.33の範囲内での優れた充放電サイクル特性を裏付けるものである。
【0063】
《実施例6》
実施例5と同様の3種類の負極、および電解液A〜Eの5種類の電解液を用いて、表3に示すような15種類の円筒型電池E1〜E5、F1〜F5、およびG1〜G5を作製した。これらの電池について、X=2.33に充電容量を規制し、充放電サイクル試験を行った。
【0064】
【表3】
【0065】
表3から分かるように、Ti−Si系、Co−Si系あるいはNi−Si系の負極活物質を用い、電解液A〜Eを用いたいずれの電池においても、比較的高い容量維持率を示している。このことから、負極活物質の充電容量が0≦X≦2.33となるように規制して充放電することによって優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。中でも、ECおよびPCを含む電解液C、ならびに、ECあるいはPCに加えてVCあるいはVECを含む電解液B、DおよびEを用いた電池において、より優れたサイクル特性が得られた。
なお、負極活物質の充電容量がX=1.71および2.00になるようにそれぞれ容量規制した場合についても上記のX=2.33の場合と同様の実験を行い、同様の結果が得られた。
【0066】
《実施例7》
Liの吸蔵・放出が可能な相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を有するTi−Sn系、Fe−Sn系、およびNi−Sn系の負極活物質を作製した。それぞれの負極活物質を用いた3種類の負極を用い、非水電解液として電解液Aを使用して、3種類の円筒型電池を作製した。
【0067】
各負極活物質は、実施例5と同様のメカニカルアロイング法によって合成した。各負極活物質の出発材料は、Ti−Sn系の場合にはTi粉末26重量部およびSn粉末74重量部の混合物、Fe−Sn系の場合にはFe粉末15重量部およびSn粉末85重量部の混合物、およびNi−Sn系の場合にはNi粉末15重量部およびSn粉末85重量部の混合物をそれぞれ用いた。合成された各負極活物質を実施例1と同じ方法によって解析した結果、Ti−Sn系にはSn相とTi6Sn5相が20:80の重量比で含まれ、Fe−Sn系にはSn相とFeSn2相が20:80の重量比で含まれ、Ni−Sn系にはSn相とNiSn2相が20:80の重量比で含まれていることが確認された。
【0068】
これら3種類の負極活物質をそれぞれ用いた3種類の負極を実施例5の負極と同様の方法により作製した。Ti−Sn系負極活物質を用いて作製した円筒型電池をH1とし、Fe−Sn系負極活物質を用いた円筒型電池をI1とし、Ni−Sn系負極活物質を用いた円筒型電池をJ1とした。H1、I1およびJ1の各円筒型電池について、実施例3と同様の条件で充放電サイクル特性および負極合剤厚みの増加量を測定した。
【0069】
図8にX値と100サイクル目の容量維持率の関係を示し、図9にX値と初期充電による負極の厚み増加の関係を示す。図8から、H1、I1およびJ1のいずれにおいても、2.33<Xの範囲に充電容量が規制された電池では容量維持率の低下が非常に大きく、X≦2.33の範囲で容量規制された場合には比較的小さいことが分かる。このことから、LiXSn相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を含む負極活物質を用いた電池を、0≦X≦2.33の範囲内になるような充放電条件で使用することにより、優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。
【0070】
図9から、H1、I1およびJ1のいずれにおいても、X≦2.33の範囲では、充電による負極の厚み増加は比較的少なく、2.33<Xの範囲では厚み増加が著しく多くなることが分かる。この結果から、LiXSn相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を含む負極活物質を用いた電池を、X≦2.33の範囲内の充電条件で使用することにより、負極活物質の膨張が低減することが確認された。これは、図8における0≦X≦2.33の範囲内での優れた充放電サイクル特性を裏付けるものである。
【0071】
《実施例8》
実施例7と同様の3種類の負極、および電解液A〜Eの5種類の電解液を用いて、表4に示すような15種類の円筒型電池H1〜H5、I1〜I5、およびJ1〜J5を作製した。これらの電池について、X=2.33に充電容量を規制し、充放電サイクル試験を行った。
【0072】
【表4】
【0073】
表4から分かるように、Ti−Sn系、Fe−Sn系あるいはNi−Sn系の負極活物質を用い、電解液A〜Eを用いたいずれの電池においても、比較的高い容量維持率を示している。このことから、負極活物質の充電容量が0≦X≦2.33となるように規制して充放電することによって優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。中でも、ECおよびPCを含む電解液C、ならびに、ECあるいはPCに加えてVCあるいはVECを含む電解液B、DおよびEを用いた電池において、より優れたサイクル特性が得られた。
なお、負極活物質の充電容量がX=1.00および1.50になるようにそれぞれ規制した場合についても上記のX=2.33の場合と同様の実験を行い、同様の結果が得られた。
【0074】
《実施例9》
組成比が異なる3種類のTi−Si系負極活物質を用い、非水電解液として電解液Aを使用して、3種類の円筒型電池を作製した。
【0075】
各負極活物質は、実施例5と同様のメカニカルアロイング法によって合成した。各負極活物質K,L,およびMの出発材料には、Ti粉末とSi粉末を重量比で41:59、32:68、および9:91の割合で混合した粉末をそれぞれ用いた。合成された各負極活物質を実施例5と同じ方法によって解析した結果、Si相とTiSi2相が、Kの場合には10:90、Lの場合には30:70、Mの場合には80:20の重量比でそれぞれ含まれていることが確認された。
【0076】
これら3種類の負極活物質をそれぞれ用いた3種類の負極を実施例5の負極と同様の方法により作製した。負極活物質Kを用いて作製した円筒型電池をK1とし、Lを用いた円筒型電池をL1とし、Mを用いた円筒型電池をM1とした。これらの各円筒型電池について、実施例1と同様の条件で充放電サイクル特性および負極合剤厚みの増加量を測定した。
【0077】
図10にX値と100サイクル目の容量維持率の関係を示し、図11にX値と初期充電による負極の厚み増加の関係を示す。図10から、K1、L1、およびM1のいずれにおいても、2.33<Xの範囲に充電容量が規制された電池では容量維持率の低下が非常に大きく、X≦2.33の範囲で容量規制された場合には比較的小さいことが分かる。
【0078】
図11から、K1、L1、およびM1のいずれにおいても、X≦2.33の範囲では、充電による負極の厚み増加は比較的少なく、2.33<Xの範囲では厚み増加が著しく多くなることが分かる。これら図10および図11の結果から、負極活物質中のSi相とTiSi2相の比率を変化させた場合にも、本発明の効果が大差なく得られることが確認された。
【0079】
《実施例10》
実施例9と同様の3種類の負極、および電解液A〜Eの5種類の電解液を用いて、表5に示すような15種類の円筒型電池K1〜K5、L1〜L5、およびM1〜M5を作製した。これらの電池について、X=2.33に充電容量を規制し、充放電サイクル試験を行った。
【0080】
【表5】
【0081】
表5から分かるように、いずれの電池においても、比較的高い容量維持率を示しており、組成比が異なるTi−Si系の負極活物質を用いた場合でも、負極活物質の充電容量が0≦X≦2.33となるように規制して充放電することによって優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。中でも、ECおよびPCを含む電解液C、ならびに、ECあるいはPCに加えてVCあるいはVECを含む電解液B、DおよびEを用いた電池において、より優れたサイクル特性が得られた。
なお、負極活物質の充電容量がX=1.71および2.00になるようにそれぞれ容量規制した場合についても上記のX=2.33の場合と同様の実験を行い、同様の結果が得られた。
【0082】
《実施例11》
Liの吸蔵・放出が可能な相およびLiの吸蔵・放出が不可能な相を有するTi−Si−Sn系、Cu−Si−Sn系、およびCo−Si−Sn系の負極活物質を作製した。それぞれの負極活物質を用いた3種類の負極を用い、非水電解液として電解液Aを使用して、3種類の円筒型電池を作製した。
【0083】
各負極活物質は、実施例5と同様のメカニカルアロイング法によって合成した。各負極活物質の出発材料には、Ti−Si−Sn系の場合にはTi粉末5重量部、Si粉末65重量部およびSn粉末30重量部の混合物、Cu−Si−Sn系の場合にはCu粉末5重量部、Si粉末65重量部およびSn粉末30重量部の混合物、およびCo−Si−Sn系の場合にはCo粉末5重量部、Si粉末65重量部およびSn粉末30重量部の混合物をそれぞれ用いた。
【0084】
合成された各負極活物質を実施例1と同じ方法によって解析した結果、Ti−Si−Sn系の場合にはSi相とSn相とTiSi2相が59:30:11の重量比で含まれ、Cu−Si−Sn系の場合にはSi相とSn相とCu6Sn5相が61:27:12の重量比で含まれ、Co−Si−Sn系の場合にはSi相とSn相とCoSi2相が60:30:10の重量比で含まれていることが確認された。
【0085】
これら3種類の負極活物質をそれぞれ用いた3種類の負極を実施例5の負極と同様の方法により作製した。Ti−Si−Sn系負極活物質を用いて作製した円筒型電池をN1とし、Cu−Si−Sn系負極活物質を用いた円筒型電池をO1とし、Co−Si−Sn系負極活物質を用いた円筒型電池をP1とした。これらの各円筒型電池について、実施例1と同様の条件で充放電サイクル特性および負極合剤厚みの増加量を測定した。
【0086】
図12にX値と100サイクル目の容量維持率の関係を示し、図13にX値と初期充電による負極の厚み増加の関係を示す。図12から、N1、O1およびP1のいずれにおいても、2.33<Xの範囲に充電容量が規制された電池では容量維持率の低下が非常に大きく、X≦2.33の範囲で容量規制された場合には比較的小さいことが分かる。図13から、N1、O1およびP1のいずれにおいても、X≦2.33の範囲では、充電による負極の厚み増加は比較的少なく、2.33<Xの範囲では厚み増加が著しく多くなることが分かる。これらの結果から、Sn相およびLiの吸蔵・放出が不可能な3元系合金相を含む負極活物質を用いた電池においても、本発明による効果が得られることが確認された。
【0087】
《実施例12》
実施例11と同様の3種類の負極、および電解液A〜Eの5種類の電解液を用いて、表6に示すような15種類の円筒型電池N1〜N5、O1〜O5、およびP1〜P5を作製した。これらの電池について、X=2.33に充電容量を規制し、充放電サイクル試験を行った。
【0088】
【表6】
【0089】
表6から分かるように、いずれの電池においても、比較的高い容量維持率を示しており、Liの吸蔵・放出が不可能な相として3元系合金相を有する負極活物質を用いた場合でも、負極活物質の充電容量が0≦X≦2.33となるように規制して充放電することによって優れた充放電サイクル特性が得られることが確認された。中でも、ECおよびPCを含む電解液C、ならびに、ECあるいはPCに加えてVCあるいはVECを含む電解液B、DおよびEを用いた電池において、より優れたサイクル特性が得られた。
なお、負極活物質の充電容量がX=1.71および2.00になるようにそれぞれ容量規制した場合についても上記のX=2.33の場合と同様の実験を行い、同様の結果が得られた。
【0090】
【発明の効果】
本発明によれば、リチウムの吸蔵・放出が可能な、組成式LiXM(MはSnおよびSiのうちの少なくとも一方の元素)で表される相を含む負極活物質を用いた非水電解質二次電池を、より優れた充放電サイクル特性が得られるように使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例において作製した円筒型電池の縦断面図である。
【図2】本発明の実施例1における負極活物質中のLiXM相のX値と容量維持率の関係を示す図である。
【図3】本発明の実施例1における負極活物質中のLiXM相のX値と負極の厚み増加の関係を示す図である
【図4】本発明の実施例3における負極活物質中のLiXM相のX値と容量維持率の関係を示す図である。
【図5】本発明の実施例3における負極活物質中のLiXM相のX値と負極の厚み増加の関係を示す図である。
【図6】本発明の実施例5における負極活物質中のLiXM相のX値と容量維持率の関係を示す図である。
【図7】本発明の実施例5における負極活物質中のLiXM相のX値と負極の厚み増加の関係を示す図である。
【図8】本発明の実施例7における負極活物質中のLiXM相のX値と容量維持率の関係を示す図である。
【図9】本発明の実施例7における負極活物質中のLiXM相のX値と負極の厚み増加の関係を示す図である。
【図10】本発明の実施例9における負極活物質中のLiXM相のX値と容量維持率の関係を示す図である。
【図11】本発明の実施例9における負極活物質中のLiXM相のX値と負極の厚み増加の関係を示す図である。
【図12】本発明の実施例11における負極活物質中のLiXM相のX値と容量維持率の関係を示す図である。
【図13】本発明の実施例11における負極活物質中のLiXM相のX値と負極の厚み増加の関係を示す図である。
【符号の説明】
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 正極リード
15 負極リード
16、17 絶縁板
18 電槽
19 封口板
20 正極端子
Claims (6)
- 正極、非水電解質、および可逆的なリチウムの吸蔵・放出が可能で、式LiXM(MはSnおよびSiの少なくとも一方の元素)で表される相を有する活物質を含む負極を備えた非水電解質二次電池の充放電方法であって、前記式LiXMにおけるX値が0≦X≦2.33となる範囲内で前記相がリチウムを吸蔵・放出するように、前記非水電解質二次電池を充放電することを特徴とする非水電解質二次電池の充放電方法。
- 前記非水電解質が、環状カーボネートを含む請求項1に記載の非水電解質二次電池の充放電方法。
- 前記環状カーボネートが、ビニレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートの少なくとも一方である請求項2に記載の非水電解質二次電池の充放電方法。
- 前記活物質が、リチウムの吸蔵・放出が不可能な相を含む請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池の充放電方法。
- 前記リチウムの吸蔵・放出が不可能な相が、SiとTi、あるいはSnとTiを含む合金相である請求項4に記載の非水電解質二次電池の充放電方法。
- 前記SiとTiを含む合金相が、TiSi2相である請求項5に記載の非水電解質二次電池の充放電方法。
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