JP2008181881A - 複合体陰極活物質、その製造方法及びそれを採用した陰極とリチウム電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムと合金可能な金属と、リチウムと合金可能でなく、リチウムと合金可能な金属から構造的に分離された相として存在する金属間化合物と、炭素系材料と、を含む複合体陰極活物質である。これにより、陰極活物質は、リチウム及びリチウムと合金を形成する金属の何れとも合金相を形成せず、これらから構造的に分離された相のみで存在する金属間化合物を含むことによって初期充放電効率を向上させうる。また、このような陰極活物質を含む陰極電極及びリチウム電池は、充放電特性が優秀である。
【選択図】図1
Description
MxM’y
実施例1
平均粒径50μmのシリコン粉末(Noah Technology,USA)1.0g、NiAl3 1.8g、人造黒鉛0.2gを8個のスチールボール(21g)と共に強化スチール材質の密閉容器に込め、内部をアルゴンで充填した後、SPEX Certiprep社(USA)のモデル8000M Mixer/Millを使用して60分間ミリングしてSi/NiAl3/黒鉛の複合体陰極活物質を製造した。
平均粒径50μmのシリコン粉末(Noah Technology,USA)1.0g、NiAl3 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径100nmのシリコン粉末(Nanostructured and Amorphous Materials,USA)1.0g、NiAl3 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
実施例2で使用したシリコン粉末を粉砕して粒径0.5ないし5μmの範囲を有するように選別したシリコン粉末1.0g、NiAl3 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径100nmのシリコン粉末(Nanostructured and Amorphous Materials,USA)1.0g、NiAl 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径100nmのシリコン粉末(Nanostructured and Amorphous Materials,USA)1.0g、Ti3Al 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径100nmのシリコン粉末(Nanostructured and Amorphous Materials,USA)1.0g、TiAl 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径100nmのシリコン粉末(Nanostructured and Amorphous Materials,USA)1.0g、TiAl3 1.6g、人造黒鉛0.4gを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径50μmのシリコン粉末(Noah Technology,USA)1.0g及びNiAl 32gを8個のスチールボール(21g)と共に強化スチール材質の密閉容器に込め、内部をアルゴンで充填した後、SPEX Certiprep社(USA)のモデル8000M Mixer/Millを使用して60分間粉砕してSi/NiAl3の複合体陰極活物質を製造した。
NiAl3 1.0g、人造黒鉛2.0gを8個のスチールボール(21g)と共に強化スチール材質の密閉容器に込め、内部をアルゴンで充填した後、SPEX Certiprep社(USA)のモデル8000M Mixer/Millを使用して60分間粉砕してNiAl3/黒鉛複合体陰極活物質を製造した。
平均粒径100nmのシリコン粉末(Noah Technology,USA)1.0g及びNiAl 2gを8個のスチールボール(21g)と共に強化スチール材質の密閉容器に込め、内部をアルゴンで充填した後、SPEX Certiprep社(USA)のモデル8000M Mixer/Millを使用して60分間粉砕してSi/NiAlの複合体陰極活物質を製造した。
NiAl 1.0g、人造黒鉛2.0gを8個のスチールボール(21g)と共に強化スチール材質の密閉容器に込め、内部をアルゴンで充填した後、SPEX Certiprep社(USA)のモデル8000M Mixer/Millを使用して60分間粉砕してNiAl/黒鉛の複合体陰極活物質を製造した。
平均粒径50μmのシリコン粉末(Noah Technology,USA)1.0g、人造黒鉛2.0gを使用してNiAl3を使用しないことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
平均粒径50μmのシリコン粉末(Noah Technology,USA)1.0g、NiAl3 2.0gを使用して人造黒鉛を使用しないことを除いては、実施例1と同じ方法で製造した。
実施例9
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質粉末0.175g、平均直径2μmの黒鉛粉末0.050g、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)0.050gを1mLのN−メチルピロリドン(NMP)と共にメノウ乳鉢で混合してスラリを製造した。このスラリをドクターブレードを使用して銅集電体上に約50μmの厚さに塗布し、常温で乾燥させた後に真空、110℃の条件で再び乾燥して陰極板を製造した。前記陰極板を使用して、リチウム金属を相対電極とし、PTFE隔離膜(セパレータ)と1M LiPF6がEC(炭酸エチレン)+DEC(炭酸ジエチレン)+FEC(フルオロエチレンカーボネート)(2:6:2体積比)に溶けている溶液を電解質として使用して2015規格のコインセルを製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例2で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例3で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例4で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例5で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例6で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例7で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記実施例8で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記参考例2で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに前記参考例4で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記比較例1で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1で製造された複合体陰極活物質の代りに、前記比較例2で製造された複合体陰極活物質を使用したことを除いては、前記実施例9と同じ方法で製造した。
前記実施例1、参考例1及び参考例3で製造された陰極活物質粉末のそれぞれに対してX線回折実験を行い、その結果を図1及び図2にそれぞれ示した。
前記参考例5及び6で製造された前記コインセルを複合体陰極活物質1g当たり100mAの電流で電圧が0.001V(vs.Li)に達するまで充電し、再び同じ電流で電圧が1.5V(vs.Li)に達するまで放電して測定した充放電電圧プロファイルを図3及び図4にそれぞれ示した。
前記実施例9ないし16及び比較例3ないし4で製造された前記コインセルを複合体陰極活物質1g当たり100mAの電流で電圧が0.001V(vs.Li)に達するまで充電し、再び同じ電流で電圧が1.5V(vs.Li)に達するまで放電した。放電容量を活物質重量で割って重量当たりの容量密度(単位:mAh/g)を求め、放電容量を銅集電体を除外した陰極の占める体積で割って体積当たりの容量密度(単位:mAh/cc)を求めた。そして、放電容量を充電容量で割って初期効率(%)を計算した。その結果を下記表1に表した。
2 陰極
3 陽極
4 セパレータ
5 電池ケース
6 キャップ
Claims (17)
- リチウムと合金可能な金属と、
リチウムと合金可能でなく、リチウムと合金可能な金属から構造的に分離された相として存在する金属間化合物と、
炭素系材料と、を含む複合体陰極活物質。 - 前記リチウムと合金可能な金属は、Si、Ge、Sn、Al、Ag、Au、Pt、Mg、Sb、Pb、Bi、Zn、In及びこれらの合金からなる群から選択された一つ以上の金属であることを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記金属間化合物は、一つまたは二つ以上の中間相を含み、前記中間相のそれぞれが3族ないし14族からなる群から選択される2以上の元素を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記中間相は、中間相に含まれた元素のそれぞれの単一相と異なる結晶構造を有することを特徴とする請求項3に記載の複合体陰極活物質。
- 前記中間相は、MxM’y(0<x<1、0<y<1、x+y=1、M及びM’は、相互独立的にそれぞれ3族ないし14族元素のうちから選択された元素)で表示される組成範囲の化合物を含むことを特徴とする請求項3に記載の複合体陰極活物質。
- 前記Mは、Ni、Ti、Co、VまたはMoであり、M’は、Alであることを特徴とする請求項5に記載の複合体陰極活物質。
- 前記中間相は、NiAl3、TiAl3、Co2Al9、CoAl3、Co4Al13、VAl3、V5Al8及びMoAl5からなる群から選択される一つ以上の化合物を含むことを特徴とする請求項3に記載の複合体陰極活物質。
- 前記金属間化合物は、400℃でNixAly(0.37<x<0.41;x+y=1)範囲の組成を有する化合物を含む中間相、NixAly(0.45<x<0.59;x+y=1)範囲の組成を有する化合物を含む中間相、NixAly(0.64<x<0.68;x+y=1)範囲の組成を有する化合物を含む中間相及びNixAly(0.73<x<0.75;x+y=1)範囲の組成を有する化合物を含む中間相からなる群から選択される一つ以上の中間相を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記金属間化合物は、500℃でTixAly(0.45<x<0.51;x+y=1)範囲の組成を有する化合物を含む中間相、TixAly(0.65<x<0.78;x+y=1)範囲の組成を有する化合物を含む中間相からなる群から選択される一つ以上の中間相を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記金属間化合物は、一つの中間相で同じ結晶構造を有することを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記炭素系材料は、黒鉛、カーボンブラック、非晶質炭素、及び繊維相炭素からなる群から選択される一つ以上の材料であることを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記金属間化合物の含量は、複合体総量に対して50ないし90重量%であることを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記炭素系材料の含量は、複合体総量に対して5ないし50重量%であることを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 前記金属間化合物は、X線回折測定時にリチウム及び前記リチウムと合金可能な金属から構造的に分離された相のみで現れることを特徴とする請求項1に記載の複合体陰極活物質。
- 複合体陰極活物質の製造方法であって、
リチウムと合金可能な金属と、金属間化合物と、炭素系材料と、を不活性雰囲気で機械的にミリングする工程を含むことを特徴とする複合体陰極活物質の製造方法。 - リチウムと合金可能な金属と、
リチウムと合金可能でなく、リチウムと合金可能な金属から構造的に分離された相として存在する金属間化合物と、
炭素系材料と、
バインダと、を含む陰極。 - 陰極、陽極、及び電解質を含むリチウム電池であって、前記陰極は、
リチウムと合金可能な金属と、
リチウムと合金可能でなく、リチウムと合金可能な金属から構造的に分離された相として存在する金属間化合物と、
炭素系材料と、を含むことを特徴とするリチウム電池。
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