JP2011108635A - リチウムイオン二次電池用負極活物質 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い初期効率および充放電容量を有するリチウムイオン二次電池用負極活物質を提供する。
【解決手段】200℃で真空排気処理した後でフーリエ変換赤外分光装置によって測定したスペクトルにおいて、3400〜3800cm-1付近にあるシラノール基に由来するピークA1の強度と1000〜1200cm-1付近にあるシロキサン結合に由来するピークA2の強度の比の値A1/A2が0.1以下であるSiOxからなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質。前記SiOxのxがx<1であること、レーザーラマン分光装置によって測定した前記SiOxのスペクトルにおいて、2100cm-1付近にあるSi-H結合由来のピークA3が存在しないこと、および前記SiOx全体のOとSiのモル比の値をX、前記SiOxの表面近傍のOとSiのモル比の値をYとした場合、Y/Xが0.98以下であることが好ましい。
【選択図】図2

Description

本発明は、優れた初期効率および充放電容量を有するリチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質に関する。
近年、携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展にともない、経済性と機器の小型化および軽量化の観点から、高エネルギー密度の二次電池の開発が強く要望されている。現在、高エネルギー密度の二次電池として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池およびポリマー電池などがある。このうち、リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比べて格段に高寿命かつ高容量であることから、その需要は電源市場において高い伸びを示している。
図1は、コイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を示す図である。リチウムイオン二次電池は、図1に示すように、正極1、負極2、電解液を含浸させたセパレータ3、および正極1と負極2の電気的絶縁性を保つとともに電池内容物を封止するガスケット4から構成されている。充放電を行うと、リチウムイオンがセパレータ3の電解液を介して正極1と負極2の間を往復する。
正極1は、対極ケース1aと対極集電体1bと対極1cとで構成され、対極1cにはコバルト酸リチウム(LiCoO3)やマンガンスピネル(LiMn24)が主に使用される。負極2は、作用極ケース2aと作用極集電体2bと作用極2cとで構成され、作用極2cに用いる負極材は、一般に、リチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質(負極活物質)と導電助剤およびバインダーとで構成される。
従来、リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、リチウムとホウ素の複合酸化物、リチウムと遷移金属(V、Fe、Cr、Mo、Niなど)との複合酸化物、Si、GeまたはSnと窒素(N)および酸素(O)を含む化合物、化学蒸着により表面を炭素層で被覆したSi粒子などが提案されている。
しかし、これらの負極活物質はいずれも、充放電容量を向上させ、エネルギー密度を高めることができるものの、充放電の繰り返しにともなって電極上にデンドライトや不働体化合物が生成するため劣化が顕著であり、またはリチウムイオンの吸蔵・放出時の膨張や収縮が大きくなる。そのため、これらの負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電の繰り返しによる放電容量の維持性(以下、「サイクル特性」という)が不十分である。また、製造後最初の放電容量と最初の充電容量の比の値(放電容量/充電容量;以下、「初期効率」という)も十分ではない。初期効率が低いということは、製造後最初の充電で負極に注入されたリチウムイオンが放電時に十分に放出されないことを意味する。サイクル特性および初期効率は、いずれも重要な電池設計因子である。
これに対し、負極活物質としてSiOなど、SiOx(0<x≦2)を用いることが、従来から試みられている。SiOxは、リチウムに対する電極電位が低く(卑であり)、充放電時のリチウムイオンの吸蔵・放出による結晶構造の崩壊や不可逆物質の生成等の劣化がなく、かつ可逆的にリチウムイオンを吸蔵・放出できることから、有効な充電容量および放電容量(以下、総称して「充放電容量」ともいう)がより大きな負極活物質となり得る。そのため、SiOxを負極活物質として用いることにより、高電圧、高エネルギー密度で、かつ充放電特性およびサイクル特性に優れた二次電池を得ることが期待できる。
SiOxの粒子は、リチウムイオンの吸蔵・放出によって膨張、収縮する。この体積変化が繰り返されるとSiOxの粒子が破壊されるため、SiOxを二次電池の負極活物質として利用した場合、充放電を多数回繰り返すと充放電容量が低下する。すなわち、リチウムイオン二次電池のサイクル特性は、負極活物質としてのSiOxの体積変化に対する安定性に依存する。
この問題を踏まえ、特許文献1では、SiO2等のSi化合物にSiの微結晶を分散させることにより、リチウムイオンの吸蔵・放出にともなう体積変化に対して安定な構造とすることが提案されている。また、特許文献2では、SiOx(0.05<x<1.95)等のSi化合物の一部をHで置換し、Si−HまたはH−Si−Hで表される結合を有するものとすることが提案されている。
特許第4081676号公報 特開2007−213825号公報
しかし、特許文献1で提案されたSi化合物では、リチウムイオンを吸蔵・放出するサイトであるSiの周辺、特にそのSi化合物の表面では、リチウムイオンと反応するシロキサン結合(≡Si−O−Si≡)が存在する。また、特許文献2で提案されたSi化合物では、Hの置換によるSi−H結合またはH−Si−H結合の生成にともなって、リチウムイオンと反応するシラノール基(Si−OH)が生成する。
また、一般に、粉末状態のSiOx(0<x≦2)粒子中にはシラノール基が生成する。その仕組みは明確ではないが、SiOx粉末の粒子を大気中に曝すと、吸着した大気中の水蒸気(水分子)が内部まで進入し、Siと水分子が反応して、SiOx粉末の表面および内部にシラノール基が生成すると考えられる。
これらのSi化合物やSiOx粉末を利用したリチウムイオン二次電池では、Si化合物が吸蔵したリチウムイオンの一部が、シロキサン結合やシラノール基に固定され、放出されなくなるため、初期効率が低い。
さらに、特許文献2で提案されたSi化合物では、リチウムイオンを吸蔵・放出するサイトであるSiにHが結合しており、その分だけ吸蔵・放出可能なリチウムイオンの量が少ない。そのため、このSi化合物を利用したリチウムイオン二次電池は充放電容量が小さい。
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、優れた初期効率および充放電容量を有するリチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するために、本発明者らは、SiOxを負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の初期効率を向上させる方法について検討した。その結果、SiOxにおいて、リチウムイオンを吸蔵・放出するサイトであるSiと比較して、リチウムイオンを固定するシロキサン結合およびシラノール基を低減すれば初期効率が向上し、特にSiOxの表面においてこれらを低減することによって、より初期効率が向上することが明らかとなった。
さらに、リチウムイオンを吸蔵・放出するサイトであるSiに結合しているHが少ないほど、すなわちSi−H結合およびH−Si−H結合が少ないほど、リチウムイオンの吸蔵・放出量が多く、このSiOxを負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の充放電容量が大きくなることが明らかとなった。
また、SiOxの表面近傍においてOが少ないほど、このSiOxを負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の初期効率および充放電容量が向上することが明らかとなった。特に、SiOx全体のOとSiのモル比の値O/SiをX、SiOxの表面近傍のOとSiのモル比の値O/SiをYとした場合において、YとXの比の値Y/Xが0.98以下であると、初期効率および充放電容量を良好な値とすることができる。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記(1)〜(4)のリチウムイオン二次電池用負極活物質にある。
(1)200℃で真空排気処理した後でフーリエ変換赤外分光装置によって測定したスペクトルにおいて、3400〜3800cm-1にあるシラノール基に由来するピークA1の強度と1000〜1200cm-1にあるシロキサン結合に由来するピークA2の強度の比の値A1/A2が0.1以下であるSiOxからなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質(以下「第1の活物質」という。)。
(2)前記SiOxのxがx<1であることを特徴とする前記(1)に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質(以下「第2の活物質」という。)。
(3)レーザーラマン分光装置によって測定した前記SiOxのスペクトルにおいて、2100cm-1付近にあるSi−H結合由来のピークA3が存在しないことを特徴とする前記(1)または(2)に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質(以下「第3の活物質」という。)。
(4)前記SiOx全体のOとSiのモル比の値O/SiをX、前記SiOxの表面近傍のOとSiのモル比の値O/SiをYとした場合において、YとXの比の値Y/Xが0.98以下であることを特徴とする前記(1)〜(3)いずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質(以下「第4の活物質」という。)。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質により、優れた初期効率および充放電容量を有するリチウムイオン二次電池を得ることができる。
コイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を示す図である。 200℃で真空排気処理した後で測定したSiOxのFT−IRスペクトルである。 SiOxのラマンスペクトルであり、Si−H由来のピークA3が存在するスペクトルおよびピークA3が存在しないスペクトルを示す。 SiOxの製造装置の構成例を示す図である。
1.本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質
本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、「200℃で真空排気処理した後でフーリエ変換赤外分光装置によって測定したスペクトルにおいて、3400〜3800cm-1にあるシラノール基に由来するピークA1の強度と1000〜1200cm-1にあるシロキサン結合に由来するピークA2の強度の比の値A1/A2が0.1以下であるSiOxからなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質」である。本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は例えば前記図1に示すリチウムイオン二次電池において、負極材を構成する負極活物質として使用することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質に適用できるSiOxのxの範囲は、SiOxの表面および内部を含めた全体について0<x<2である。また、このSiOxのxの範囲はx<1であることが好ましい。これは、SiOxにおいてリチウムイオンを固定するサイトとなるシロキサン結合(≡Si−O−Si≡)を十分に低減するためである。
図2は、200℃で真空排気処理した後で測定したSiOxのFT−IRスペクトルである。本発明のSiOxにおいては、200℃で真空排気処理した後で、フーリエ変換赤外分光装置を用いて測定したFT−IRスペクトルにおいて、3400〜3800cm-1付近にあるシラノール基(Si−OH)に由来するピークA1の強度と1000〜1200cm-1付近にあるシロキサン結合に由来するピークA2の強度の比の値A1/A2を、0.1以下と規定する。図2において、ピークA1およびピークA2の強度は、それぞれバックグラウンドを除去したピークの高さとする。
1/A2を0.1以下と規定するのは、SiOx中のシラノール基とシロキサン結合の量比を一定値以下とし、上述のシロキサン結合とともに、SiOx中のシラノール基を十分に低減させるためである。また、FT−IRスペクトルの測定の前に、200℃で真空排気処理するのは、SiOxの表面およびその周囲の大気中に存在する水分の影響を低減するためである。
図3は、SiOxのラマンスペクトルであり、Si−H由来のピークA3が存在するスペクトルおよびピークA3が存在しないスペクトルを示す。本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、レーザーラマン分光法によって得られたスペクトルにおいて、2100cm-1付近にあるSi−H由来のピークA3が存在しないことが好ましい。リチウムイオンを吸蔵・放出するサイトであるSiにHが結合することにより、吸蔵・放出可能なリチウムイオンの量が減少するため、Si−H結合はできる限り低減することが好ましいからである。
また、本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、SiOx全体のOとSiのモル比の値O/SiをX、SiOxの表面近傍のOとSiのモル比の値O/SiをYとした場合において、YとXの比の値Y/Xが、0.98以下であることが好ましい。その理由を以下に説明する。
上述のように、本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトとなるSiを増加させるため、リチウムイオンと反応し、固定させるシロキサン結合とシラノール基を低減させる。しかし、SiOx全体のOとSiのモル比の値Xが小さくても、その表面のOとSiのモル比の値YがXよりも大きい場合、すなわち内部よりも表面の方が、Oの量が多い場合には、表面においてリチウムイオンがOと反応し、リチウム酸化物が析出しやすい。そのため、SiOxの内部までリチウムイオンが進入しにくく、SiOxのリチウムイオン二次電池用負極活物質としての性能を十分に発揮できないおそれがある。そこで、Y/Xを0.98以下とし、SiOx表面のOの量を内部よりも少なくすることによって、リチウムイオン二次電池の初期効率および充放電容量を良好な値とすることができる。
SiOx全体のOの定量は、例えば不活性気流下溶融法を適用したセラミックス中酸素分析装置を用いて行うことができ、Siの定量は、例えばICP発光分光分析装置を用いて行うことができる。また、SiOxの表面近傍のOおよびSiの定量は、例えばX線電子分光分析装置を用いて行うことができる。
2.本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法
図4は、SiOxの製造装置の構成例を示す図である。この装置は、真空室5と、真空室5内に配置された原料室6と、原料室6の上部に配置された析出室7とから構成される。
原料室6は円筒体で構成され、その中心部には、円筒状の原料容器8と、原料容器8を囲繞する加熱源9が配置される。加熱源9としては、例えば電熱ヒータを用いることができる。
析出室7は、原料容器8と軸が一致するように配置された円筒体で構成される。析出室7の内周面には、原料室6で昇華して発生した気体状のSiOを蒸着させるためのステンレス鋼からなる析出基体11が設けられる。
原料室6と析出室7とを収容する真空室5には、雰囲気ガスを排出するための真空装置(図示せず)が接続されており、矢印A方向にガスが排出される。
図3に示す製造装置を用いてSiOxを製造する場合、原料としてSi粉末とSiO2粉末とを配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料9を用いる。この混合造粒原料9を原料容器8に充填し、不活性ガス雰囲気または真空中で加熱してSiOを生成(昇華)させる。昇華により発生した気体状のSiOは、原料室6から上昇して析出室7に入り、周囲の析出基体11上に蒸着し、SiOx12として析出する。その後、析出基体11から析出したSiOx12を取り外すことにより、塊状のSiOxが得られる。
このようにして得られた塊状のSiOxを、粉砕し、H2雰囲気下で加熱した後、減圧雰囲気下で保持することにより、本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質を得ることができる。SiOx粉末をH2雰囲気下で加熱すると、下記(1)式に示すように、シロキサン結合が分解し、Si−H結合と、シラノール基が生成する。そして、減圧雰囲気下で保持することにより、下記(2)式に示すように、Si−H結合と、シラノール基が分解し、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトとなるSi−Si結合が生成する。本発明者らは、このSi−Si結合が生成したSiOx粉末は、大気中に曝して水蒸気を吸着しても、シラノール基が生成しにくいことを知見した。
(≡Si−O−Si≡)+H2→(≡Si−H HO−Si≡) …(1)
(≡Si−H HO−Si≡)→(≡Si−Si≡)+H2O …(2)
本発明の効果を確認するため、以下の試験を行い、その結果を評価した。
1.試験条件
Si粉末とSiO2粉末とを配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料を原料とし、前記図4に示す装置を用いて析出基板上にSiOx(0<x<2)を析出させた。析出したSiOxは、アルミナ製ボールミルを使用して24時間粉砕し、粉末とした。そして、SiOxの粉末について、各種ガス雰囲気下で加熱保持し、一部の試料については減圧処理を施した。減圧処理は、いずれの実施例も保持時間を4時間とした。SiOxの粉末の処理条件を表1に示す。
Figure 2011108635
加熱処理後のSiOx粉末について、全体のOとSiのモル比の値X、表面のOとSiのモル比の値Y、FT−IRスペクトルにおけるA1ピークの強度とA2ピークの強度の比の値A1/A2、ラマンスペクトルにおけるA3ピークの有無について調査した。その結果を物性として、処理条件と併せて表1に示した。
SiOx粉末全体のOとSiのモル比の値Xは、不活性気流下溶融法を適用したセラミックス中酸素分析装置を用いて定量したOの値と、SiOx粉末を溶液化し、ICP発光分光分析装置を用いて定量したSiの値に基づいて算出した。
SiOx粉末表面のOとSiのモル比の値Yは、X線光電子分光分析法を用いて、粉末の表面から20〜80nmの表面近傍におけるOおよびSiを定量し、これらの値に基づいて算出した。
FT−IRスペクトルは、フーリエ変換赤外分光装置を用いて、分解能4cm-1、積算回数500回の測定条件で得た。ラマンスペクトルは、レーザーラマン分光装置を用いて得た。
試験番号1〜4は本発明例であり、SiOxのxの値(SiOx粉末の全体のOとSiのモル比の値Xの値)およびFT−IRスペクトルにおけるA1ピークとA2ピークの強度比が強度の比の値A1/A2が0.1以下であり、本発明の第1の活物質および第2の活物質の規定を満足した。本発明例のうち試験番号1〜3は、ラマンスペクトルにおいてA3ピークが現れず、本発明の第3の活物質の規定も満足した。試験番号1〜4は、モル比Yとモル比Xの比の値であるY/Xが0.98以下であり本発明の第4の活物質の規定を満足した。
試験番号5および6は比較例であり、いずれもFT−IRスペクトルにおけるA1ピークとA2ピークの強度比が本発明の第1の活物質の規定を満足しなかった。
このSiOx粉末を負極活物質として使用し、これに導電助剤であるカーボンブラックと、バインダーを配合し、負極材を作製した。負極材原料の配合比は、SiOx:カーボンブラック:バインダー=7:2:1とした。この負極材と、正極材としてLi金属を用いて、前記図1に示すコイン状のリチウムイオン二次電池を作製し、初期効率および放電容量を調査した。
2.試験結果
上記条件で作製した負極材を用いたリチウムイオン二次電池を各試験5個ずつ作製し、初期効率および放電容量の平均を測定した。これらの結果を、処理条件等と併せて表1に示した。同表には、総合評価も併せて示した。
初期効率は、リチウムイオン二次電池の製造後最初の放電容量と最初の充電容量の比の値(放電容量/充電容量)とした。放電容量は、製造後最初の放電容量とした。
総合評価における各記号の意味は以下の通りである。×は不可であり、初期効率の平均が75%未満または放電容量の平均が1500mAh/g未満であったことを意味する。○は可であり、初期効率の平均が75%以上かつ放電容量の平均が1500mAh/g以上であったことを意味する。◎は可であり、初期効率の平均が79%以上かつ放電容量の平均が1690mAh/g以上であったことを意味する。
本発明例は、いずれも総合評価が○または◎であり、初期効率および放電容量はともに良好であった。このうち、ラマンスペクトルにおいてA3ピークが現れなかった試験番号1〜3は総合評価が◎であり、A3ピークが現れた試験番号4は○であった。
一方、比較例である試験番号5および6は、初期効率および放電容量ともに低く、いずれも総合評価が×であった。試験番号7では、SiOx粉末をAr雰囲気下で加熱したため、下記(4)式で示すようにSiOがSiとSiO2に分解する不均化反応が生じ、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトとなるSiが生成するとともに、SiO2が生成しシロキサン結合(≡Si−O−Si≡)が増加した。このSiO2の生成の影響がSiの生成の影響よりも大きいため、試験番号7は初期効率が低い値となった。
2SiO→Si+SiO2 …(4)
本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質を用いることにより、優れた初期効率および充放電容量を有するリチウムイオン二次電池を得ることができる。したがって、本発明は、二次電池の分野において有用な技術である。
1:正極、 1a:対極ケース、 1b:対極集電体、 1c:対極、 2:負極、
2a:作用極ケース、 2b:作用極集電体、 2c:作用極、 3:セパレータ、
4:ガスケット、 5:真空室、 6:原料室、 7:析出室、 8:原料容器、
9:混合造粒原料、 10:加熱源、 11:析出基体、 12:SiOx

Claims (4)

  1. 200℃で真空排気処理した後でフーリエ変換赤外分光装置によって測定したスペクトルにおいて、3400〜3800cm-1にあるシラノール基に由来するピークA1の強度と1000〜1200cm-1にあるシロキサン結合に由来するピークA2の強度の比の値A1/A2が0.1以下であるSiOxからなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質。
  2. 前記SiOxのxがx<1であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
  3. レーザーラマン分光装置によって測定した前記SiOxのスペクトルにおいて、2100cm-1付近にあるSi−H結合由来のピークA3が存在しないことを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
  4. 前記SiOx全体のOとSiのモル比の値O/SiをX、前記SiOxの表面近傍のOとSiのモル比の値O/SiをYとした場合において、YとXの比の値Y/Xが0.98以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
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