JP2012209129A - リチウムイオン二次電池用負極活物質及び該負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池並びに該負極活物質の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質は、スズ(Sn)と第1金属,第2金属の合計量に対する第1金属,第2金属の割合が5〜40原子%である複合粒子からなる。この複合粒子は切断面において複合粒子の表面に連通する複数のポアを有する。また第1金属,第2金属が複合粒子の外面及びポアの内面に偏在する。
【選択図】なし
Description
先ず、イオン交換水に分散剤、塩化スズ(II)及び塩化鉄(II)を、合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が20原子%となるような割合で加え、撹拌溶解し、塩酸を更に加えてpHを0.7に調整した。これをスズイオン及び第1金属イオン(鉄イオン)の双方を含む水溶液とした。分散剤にはポリアクリル酸を用いた。
先ず、イオン交換水に分散剤及び塩化スズ(II)を加え撹拌溶解し、塩酸を加えてpHを0.7に調整した。これをスズイオンを含む水溶液とした。分散剤にはポリアクリル酸を用いた。
第2金属が金となるように塩化金酸(HAuCl4)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属が銀となるように塩化銀(AgCl)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属が白金となるように塩化白金酸(H2[PtCl6])を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属がパラジウムとなるように塩化パラジウム(II)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属がロジウムとなるように塩化ロジウム(III)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属がイリジウムとなるように塩化イリジウム(III)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属がルテニウムとなるように塩化ルテニウム(III)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
第2金属がオスミウムとなるように塩化オスミウム(III)を用いて第2金属水溶液を調製した以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
アトマイズ法により得られ、スズと鉄の合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−鉄粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズとマンガンの合計に対するマンガン割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−マンガン粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズと金の合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−金粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズと銀の合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−銀粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズと白金の合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−白金粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズとパラジウムの合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−パラジウム粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズとロジウムの合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−ロジウム粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズとイリジウムの合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−イリジウム粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズとルテニウムの合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−ルテニウム粉を負極活物質とした。
アトマイズ法により得られ、スズとオスミウムの合計に対する鉄割合が20原子%であり、中心部と外周部での組成の偏りがなく、かつ内部に空隙がなく、粒子が略均一組成物となっているスズ−オスミウム粉を負極活物質とした。
実施例1〜10及び比較例1〜10の負極活物質について、ICP定量分析を行い、複合粒子中のスズ、第1金属,第2金属、クロム、亜鉛の各含有量を求めた。得られた結果を次の表1に示す。なお、表1中のクロム濃度欄の「<0.001」及び亜鉛濃度欄の「<2」は、ICPの検出限界以下の測定値であったことを示す。また、表1の「負極活物質の構造」において、「ポア有」は負極活物質の複合粒子が複数のポアを有することを示し、「偏在」は第1金属,第2金属が複合粒子の外面及びポアの内面に偏在することを示し、「ほぼ均一」は中心部と外周部での組成の偏りがなく粒子が略均一組成となっていることを示す。上記複数のポアの存在や第1金属,第2金属の偏在は、負極活物質の電子顕微鏡写真や、この負極活物質をFIB(Focused Ion Beam:集束イオンビーム)加工した粒子断面を電子顕微鏡写真で観察することにより確認した。
合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が5原子%となるような割合とした以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が10原子%となるような割合とした以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が30原子%となるような割合とした以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が40原子%となるような割合とした以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が3原子%となるような割合とした以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズと鉄の合計に対する鉄割合が45原子%となるような割合とした以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
実施例11〜14及び比較例11,12の負極活物質について、上記比較試験1と同様に、ICP定量分析を行い、複合粒子中のスズ、鉄、クロム、亜鉛の各含有量を求めた。得られた結果を次の表2に示す。なお、表2中のクロム濃度欄の「<0.001」及び亜鉛濃度欄の「<2」は、ICPの検出限界以下の測定値であったことを示す。また、表2の「負極活物質の構造」において、「ポア有」は負極活物質の複合粒子が複数のポアを有することを示し、「偏在」は鉄が複合粒子の外面及びポアの内面に偏在することを示す。上記複数のポアの存在や鉄の偏在は、負極活物質の電子顕微鏡写真や、この負極活物質をFIB加工した粒子断面を電子顕微鏡写真で観察することにより確認した。
合成して得られる複合粒子のスズとマンガンの合計に対するマンガン割合が5原子%となるような割合とした以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズとマンガンの合計に対するマンガン割合が10原子%となるような割合とした以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズとマンガンの合計に対するマンガン割合が30原子%となるような割合とした以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズとマンガンの合計に対するマンガン割合が40原子%となるような割合とした以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズとマンガンの合計に対するマンガン割合が3原子%となるような割合とした以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子のスズとマンガンの合計に対するマンガン割合が45原子%となるような割合とした以外は実施例2と同様にして負極活物質を得た。
実施例15〜18及び比較例13,14の負極活物質について、上記比較試験1と同様に、ICP定量分析を行い、複合粒子中のスズ、マンガン、クロム、亜鉛の各含有量を求めた。得られた結果を次の表3に示す。なお、表3中のクロム濃度欄の「<0.001」及び亜鉛濃度欄の「<2」は、ICPの検出限界以下の測定値であったことを示す。また、表3の「負極活物質の構造」において、「ポア有」は負極活物質の複合粒子が複数のポアを有することを示し、「偏在」はマンガンが複合粒子の外面及びポアの内面に偏在することを示す。上記複数のポアの存在やマンガンの偏在は、負極活物質の電子顕微鏡写真や、この負極活物質をFIB加工した粒子断面を電子顕微鏡写真で観察することにより確認した。
合成して得られる複合粒子に質量比で0.005%のクロムが更に含まれるように、スズイオン及び鉄イオンを含む水溶液と第1還元剤水溶液との混合割合を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で0.05%のクロムが更に含まれるように、スズイオン及び鉄イオンを含む水溶液と第1還元剤水溶液との混合割合を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で0.5%のクロムが更に含まれるように、スズイオン及び鉄イオンを含む水溶液と第1還元剤水溶液との混合割合を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で1%のクロムが更に含まれるように、スズイオン及び鉄イオンを含む水溶液と第1還元剤水溶液との混合割合を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で1.5%のクロムが更に含まれるように、スズイオン及び鉄イオンを含む水溶液と第1還元剤水溶液との混合割合を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で5ppmの亜鉛が更に含まれるように、第1還元剤水溶液を調製する際の金属亜鉛投入量を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で25ppmの亜鉛が更に含まれるように、第1還元剤水溶液を調製する際の金属亜鉛投入量を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で50ppmの亜鉛が更に含まれるように、第1還元剤水溶液を調製する際の金属亜鉛投入量を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で75ppmの亜鉛が更に含まれるように、第1還元剤水溶液を調製する際の金属亜鉛投入量を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
合成して得られる複合粒子に質量比で0.5%のクロムが更に含まれるように、スズイオン及び鉄イオンを含む水溶液と第1還元剤水溶液との混合割合を調節し、また、合成して得られる複合粒子に質量比で25ppmの亜鉛が更に含まれるように、第1還元剤水溶液を調製する際の金属亜鉛投入量を調節した以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
分散剤としてポリアクリル酸の代わりに水溶性セルロースを用いた以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
分散剤としてポリアクリル酸の代わりにポリビニルピロリドンを用いた以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
分散剤を添加しなかった以外は実施例1と同様にして負極活物質を得た。
実施例19〜31の負極活物質について、上記比較試験1と同様に、ICP定量分析を行い、複合粒子中のスズ、鉄、クロム、亜鉛の各含有量を求めた。得られた結果を次の表4に示す。なお、表4中のクロム濃度欄の「<0.001」及び亜鉛濃度欄の「<2」は、ICPの検出限界以下の測定値であったことを示す。また、表4の「負極活物質の構造」において、「ポア有」は負極活物質の複合粒子が複数のポアを有することを示し、「偏在」は鉄が複合粒子の外面及びポアの内面に偏在することを示す。上記複数のポアの存在や鉄の偏在は、負極活物質の電子顕微鏡写真や、この負極活物質をFIB加工した粒子断面を電子顕微鏡写真で観察することにより確認した。
Claims (15)
- スズ(Sn)と、鉄(Fe)からなる第1金属から構成された複合粒子であって、
前記スズ(Sn)と前記第1金属の合計量に対する第1金属の割合が5〜40原子%である複合粒子からなり、前記複合粒子が切断面において前記複合粒子の表面に連通する複数のポアを有し、前記第1金属が前記複合粒子の外面及び前記ポアの内面に偏在す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。 - スズ(Sn)と、マンガン(Mn)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びオスミウム(Os)からなる群より選ばれた少なくとも1種の第2金属から構成された複合粒子であって、
前記スズ(Sn)と前記第2金属の合計量に対する第2金属の割合が5〜40原子%である複合粒子からなり、前記複合粒子が切断面において前記複合粒子の表面に連通する複数のポアを有し、前記第2金属が前記複合粒子の外面及び前記ポアの内面に偏在す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。 - 前記複合粒子の平均粒径が0.1〜20μmである請求項1又は2記載の負極活物質。
- 構成元素として、クロム(Cr)及び亜鉛(Zn)のうち少なくとも1種を更に含む請求項1ないし3いずれか1項に記載の負極活物質。
- 前記クロム(Cr)の含有量が質量比で0.005〜1%であり、前記亜鉛(Zn)の含有量が質量比で5〜50ppmである請求項4記載の負極活物質。
- ポリアクリル酸、水溶性セルロース及びポリビニルピロリドンからなる群より選ばれた少なくとも1種を更に含む請求項1ないし5いずれか1項に記載の負極活物質。
- 負極活物質を有する負極と、正極活物質を有する正極と、非水電解質とを備えたリチウムイオン二次電池において、
前記負極活物質が、スズ(Sn)と、鉄(Fe)からなる第1金属から構成された複合粒子であって、
前記スズ(Sn)と前記第1金属の合計量に対する第1金属の割合が5〜40原子%である複合粒子からなり、前記複合粒子が切断面において前記複合粒子の表面に連通する複数のポアを有し、前記第1金属が前記複合粒子の外面及び前記ポアの内面に偏在することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 負極活物質を有する負極と、正極活物質を有する正極と、非水電解質とを備えたリチウムイオン二次電池において、
前記負極活物質が、スズ(Sn)と、マンガン(Mn)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びオスミウム(Os)からなる群より選ばれた少なくとも1種の第2金属から構成された複合粒子であって、
前記スズ(Sn)と前記第2金属の合計量に対する第2金属の割合が5〜40原子%である複合粒子からなり、前記複合粒子が切断面において前記複合粒子の表面に連通する複数のポアを有し、前記第2金属が前記複合粒子の外面及び前記ポアの内面に偏在することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 前記複合粒子の平均粒径が0.1〜20μmである請求項7又は8記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極活物質の構成元素として、クロム(Cr)及び亜鉛(Zn)のうち少なくとも1種を更に含む請求項7ないし9いずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記クロム(Cr)の含有量が質量比で0.005〜1%であり、前記亜鉛(Zn)の含有量が質量比で5〜50ppmである請求項10記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極活物質にポリアクリル酸、水溶性セルロース及びポリビニルピロリドンからなる群より選ばれた少なくとも1種を更に含む請求項7ないし11いずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
- スズイオンを含む水溶液、鉄イオンからなる第1金属イオンを含む水溶液及び2価クロムイオンを含む第1還元剤水溶液とを混合し、前記混合液中で前記スズイオンを還元させ、更に水素化ホウ素ナトリウムを含む第2還元剤水溶液を混合し、この混合液の温度、pH、処理時間又は撹拌速度の少なくとも1つの条件を調整することにより、前記第1金属イオンを還元反応させて複合粒子を合成するとともに、前記複合粒子内部のスズ(Sn)を溶出させて、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を製造する方法。
- スズイオンを含む水溶液と2価クロムイオンを含む第1還元剤水溶液とを混合し、前記混合液中で前記スズイオンを還元させ、更にマンガンイオン、金イオン、銀イオン、白金イオン、パラジウムイオン、ロジウムイオン、イリジウムイオン、ルテニウムイオン及びオスミウムイオンからなる群より選ばれた少なくとも1種の第2金属イオンが含まれる水溶液を混合し、この混合液の温度、pH、処理時間又は撹拌速度の少なくとも1つの条件を調整することにより、前記混合液中で前記第2金属イオンを還元させて複合粒子を合成するとともに、前記複合粒子内部のスズ(Sn)を溶出させて、請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質を製造する方法。
- 前記混合液中にポリアクリル酸、水溶性セルロース及びポリビニルピロリドンからなる群より選ばれた少なくとも1種の分散剤を更に含む請求項13又は14記載の負極活物質の製造方法。
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