JP2016076487A - 複合負極活物質及びその製造方法、該複合負極活物質を含む負極、並びに該負極を含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電素材を含む複合負極活物質、該複合負極活物質を含む負極、及び該負極を含むリチウム二次電池である。
【選択図】図1
Description
本発明が解決しようとする課題はまた、圧電素材を含む第1相、及び負極活物質を含む第2相を含む複合負極活物質を提供することである。
本発明が解決しようとする課題はまた、圧電素材及び負極活物質を接触させて複合負極活物質を形成する段階を含む複合負極活物質の製造方法を提供することである。一具現例において、前記負極活物質は、非炭素系負極活物質であり、前記接触時、導電剤を含める段階をさらに含む。
さらなる側面は、部分的には、以下の説明で説明され、部分的には、前述のところから明らかであろう。
「または」は、「及び/または」を意味する。明細書全体にわたって類似した参照符号は、類似した要素を示す。
一要素が他の要素の「上(on)」に位置すると記載されている場合、前記要素は、前記他の要素の真上に位置したり、あるいは媒介要素がそれらの間に存在したりすると理解される。それとは反対に、一要素が他要素の「真上(directly on)」に位置すると記載されている場合、それらの間には、媒介要素が存在しない。
用語「第1」、「第2」、「第3」などが、多様な要素、成分、領域、層及び/または区画について説明するために、本明細書で使用されるが、そのような要素、成分、領域、層及び/または区画が、そのような用語によって制限されるものではないということが理解されるであろう。そのような用語は、ただ、1つの要素、成分、領域、層または区画を、他の要素、成分、領域、層または区画と区別するために使用される。従って、以下で論議される「第1要素」、「成分」、「領域」、「層」または「区画」は、本明細書の教示を外れずに、第2要素、成分、領域、層または区画と呼ばれる。
本明細書で使われた用語は、ただ、特別な具現例について説明するためのものであり、制限することを意図するものではない。本明細書で使用されている単数形「1(a)」、「一つ(an)」及び「前記(the)」は、明白に異なって表示されない限り、「少なくとも一つ」を含む複数形を含むものであると意図される。また、本明細書で使用される場合、用語「含む」及び/または「含むところの」は、言及された特徴、領域、整数、段階、作動、要素及び/または成分の存在を明示するが、一つ以上の他の特徴、領域、整数、段階、作動、要素、成分、及び/またはそれらのグループの存在または付加を排除するものではないということが理解されるであろう。
また、「下部」及び「上部」のような相対語(relative term)は、図面に図示されているように、一要素と他の要素の関係について説明するために本明細書で使用される。相対語は、図面に図示された配向(orientation)だけではなく、装置の多様な配向を包括するものであると意図される。例えば、図面中の一つにおいて、装置が逆さまになる場合、他の要素の「下部」側面に位置すると説明された要素は、その後には、前記他の要素の「上部」側面上に配向される。従って、例示的な用語「下部」は、図面の特別な配向によって、「下部」及び「上部」の配向いずれも包括する。同様に、図面中の一つにおいて、装置が逆さまになる場合、他の要素の「下」または「下部」と説明された要素は、その後には、前記他の要素の「上」に配向される。従って、例示的な用語「下」または「下部」は、「上」及び「下」の配向いずれも包括するものである。
本明細書で使用された、用語「約」または「大体」は、論議されている測定、及び特別な量の測定と係わる誤差(すなわち、測定システムの限界)を考慮し、当業者によって決定された特別な値に対する許容可能な偏差の範囲内に属する言及された値及び中間値を含む。例えば、「約」は、前記言及された値の1以上の標準偏差以内、あるいは前記言及された値の±30%,±20%,±10%,±5%以内を意味する。
取り立てて定義されない限り、本明細書で使用された全ての用語(技術的用語及び科学的用語を含む)は、当業者によって一般的に理解されるところと同一の意味を有する。また、一般的に使用される辞書で定義されたような用語は、関連技術及び本開示の範疇での意味と一致する意味を有するものであると解釈され、本明細書で明確に定義されない限り、最適化された意味、または過度に形式的な意味に解釈されるものではないと理解されるものである。
例示的な具現例は、最適化された具現例の概略的な例示である断面図を参照し、本明細書で記述される。そのように、例えば、製造技術及び/または許容誤差の結果として、図面の形状から変化が予想されるであろう。従って、本明細書に記述された具現例は、本明細書に例示された領域の特別な形状に制限されるものであると解釈されず、例えば、製造過程に起因する形状の偏差を含むものである。例えば、平坦であると図示されたり説明されたりする領域は、典型的に、粗く、かつ及び/または非線形な特徴を有することができる。また、例示された鋭いアングルは、丸いこともある。従って、図面に例示された領域は、事実上、概略的なものであり、それらの形状は、領域の正確な形状を例示するものであると意図されず、本特許請求の範囲を制限するものであると意図されるものではない。
以下、本発明の一具現例による複合負極活物質、負極、及びリチウム二次電池について詳細に説明する。
前記負極活物質は、非炭素系負極活物質及び/または炭素系負極活物質のうち少なくとも一つを含む。
(数式1)
最大体積膨脹率(%)=Vf/Vi×100
複合負極活物質において、圧電素材、非炭素系負極活物質(存在する場合)、及び炭素系負極活物質(存在する場合)それぞれは、別個の相(phase)とすることができる。別個の結晶学的相の存在は、X線回折(XRD)によって測定される。従って、複合負極活物質は、圧電素材を含む第1相、及び負極活物質を含む第2相を含む。複合負極活物質は、第2相と異なり、非炭素系負極活物質または炭素系負極活物質とすることができる第3相をさらに含む。
シリコンナノ粒子(SiNP)(silicon nanopowder;Kojundo社製)、多重壁炭素ナノチューブ(multi-walled carbon nanotube;CNT社製)及びチタン酸バリウム(BaTiO3 nanoparticle;Aldrich社製)を、重量基準で、49:21:30の比率で混合した後、Spex社の高エネルギーボールミルで1時間ミリングを行い、複合負極活物質を製造した。
シリコンナノ粒子(SiNP)(silicon nanopowder;Kojundo社製)及び多重壁炭素ナノチューブ(multi-walled carbon nanotube;CNT社製)を、重量基準で7:3の比率で混合した後、Spex社の高エネルギーボールミルで1時間ミリングを行い、複合負極活物質を製造した。
製造された複合負極活物質及びバインダ溶液(PAA:Polyacrylic acid; Aldrich社製)を水に溶解させてPAA水溶液を得た後、前記PAA水溶液にLiOHを添加して製造した4体積%Li−PAA溶液)を、重量基準で9:1の比率で混合し、負極活物質層形成用スラリーを製造した。その後、負極活物質層形成用スラリーを、負極集電体である15μm厚を有する銅薄膜にバーコーティング方法で、45μm厚にコーティングし、80℃で一次乾燥させた後で圧延し、120℃の真空雰囲気下で二次乾燥させた後、パンチングして負極を製造した。
〔評価例1:複合負極活物質のSTEMイメージ分析〕
実施例1で製造された複合負極活物質の走査透過電子顕微鏡(STEM)イメージを、SEM(scanning electron microscope)−FIB(focused ion beam)装置(Helios 450F1;FEI社製)で撮影し、図4に示した。図4(a1)は、実施例1で製造された複合負極活物質表面のSTEMイメージであり、図4(a2)は、図4(a1)の拡大イメージであり、図4(b1)は、実施例1で製造された複合負極活物質断面のSTEMイメージであり、図4(b2)は、図4(b1)の拡大イメージである。
実施例1で製造された複合負極活物質のEDS(energy dispersive X-ray spectrometer)マッピングイメージ及びSEMイメージを、EDS Mapping、SEM、エネルギー分散X線分光器(D8 Advance;Bruker社製)及びRaman分光装置(micro−Raman_K;inVia社製)でそれぞれ撮影し、図5に示した。
実施例1で製造された複合負極活物質のXRD(X‐ray diffraction)パターンを,X線回折分析器(Cu Kα radiation(1.540598Å)を利用するRigaku RINT2200HF+回折計(diffractometer))を使用して分析した後、その結果を図6に示した。
実施例1で製造された複合負極活物質のラマンスペクトルを、ラマン分光光度計(NANOFINDER 30;TOKYO INSTRUMENT INC)を使用して測定し、その結果を図7に示した。
実施例2及び比較例2において、それぞれ製造されたコインハーフセルの充放電特性を、充放電器(TOYO−3100;TOYO社製)で評価した。具体的には、各コインハーフセルに対して、最初のサイクル(n=1)において、常温(25℃)で0.2C(単位:mA/g)の速度(C−rate)で、電圧が0.01Vになるまで充電させた後、0.2Cの速度で、電圧が1.5Vになるまで放電させた。その後、10分間休止(rest)させた。次に、2回目及びその後のサイクル(n≧2)において、各コインハーフセルに対して、常温(25℃)で0.5Cの速度で、電圧が0.01Vになるまで充電させた後、0.5Cの速度で、電圧が1.5Vになるまで放電させた。かような充電サイクル及び放電サイクルを全20回(すなわち、n=20)実施した。前記「C」は、セルの放電速度であり、セルの全容量を総放電時間で割って得られた値を意味する。
実施例2及び比較例2において、それぞれ製造されたコインハーフセルのサイクル数による電圧プロファイルを、図8及び図9にそれぞれ示した。図8は、実施例2で製造されたコインハーフセルのサイクル数による電圧プロファイルを示したグラフであり、図9は、比較例2で製造されたコインハーフセルのサイクル数による電圧プロファイルを示したグラフである。
実施例2及び比較例2において、それぞれ製造されたコインハーフセルの微分容量プロット(differential capacity plot)を図10A〜図10Eに示した。図10Aは、最初のサイクル(n=1)の微分容量プロットであり、図10Bは、図10Aの拡大図であり、図10Cは、2回目サイクル(n=2)の微分容量プロットであり、図10Dは、5回目サイクル(n=5)の微分容量プロットであり、図10Eは、10回目サイクル(n=10)の微分容量プロットである。
実施例2及び比較例2において、それぞれ製造されたコインハーフセルのサイクル寿命を図11に示した。
(数式2)
クーロン効率(%)=n回目サイクルの放電容量/n回目サイクルの充電容量×100(ここで、nは、1以上の自然数である)
実施例2及び比較例2において、それぞれ製造されたコインハーフセルを、定電流(0.1C)及び定電圧(1.0V,0.01C cut-off電流)の条件で充電させた後、10分間休止させ、定電流(0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5Cまたは10C)の条件下で、2.5Vになるまで放電させた。すなわち、充放電サイクル回数が増加するとき、周期的に放電速度を、それぞれ0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C及び10Cに変化させることにより、各コインハーフセルの高率放電特性(rate capability)(律速性能とも称する)を評価した。ただし、1〜3回の充放電時には、セルを0.1Cの速度で放電させた。このときの高率放電特性を図12にそれぞれ示した。ここで、高率放電特性は、下記数式3で表示される。
(数式3)
高率放電特性(%)=(セルを特定定電流の速度で放電させるときの放電容量)/(セルを0.1Cの速度で放電させるときの放電容量)×100
評価例5の高率放電特性試験を経た実施例2のコインハーフセルから負極を分離した。負極に含まれた複合負極活物質を、実施例3の複合負極活物質と称する。
11,11’ 炭素系負極活物質
12,12’ 非炭素系負極活物質
13,13’ 圧電素材
20 リチウム二次電池
21 負極
22 分離膜
23 正極
24 電池ケース
25 キャップアセンブリ
Claims (13)
- 圧電素材を含む複合負極活物質。
- 前記圧電素材は、BaTiO3、PbTiO3、Pb[ZrxTi1−x](0≦x≦1)、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、Na2WO3及びZnOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の複合負極活物質。
- 前記圧電素材の含量は、前記複合負極活物質の総重量を基準に、1〜90重量%であることを特徴とする請求項1に記載の複合負極活物質。
- 前記複合負極活物質は、電気化学反応時、10%以上の最大体積膨脹率を有する非炭素系負極活物質をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の複合負極活物質。
- 前記非炭素系負極活物質は、電気化学反応時、50%以上の最大体積膨脹率を有することを特徴とする請求項4に記載の複合負極活物質。
- 前記非炭素系負極活物質は、電気化学反応時、300%以上の最大体積膨脹率を有することを特徴とする請求項5に記載の複合負極活物質。
- 前記非炭素系負極活物質は、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、スズ、チタン酸化物及びリチウムチタン酸化物からなる群から選択された少なくとも1種の物質を含むことを特徴とする請求項4に記載の複合負極活物質。
- 前記非炭素系負極活物質の含量は、前記複合負極活物質の総重量を基準に、1〜90重量%であることを特徴とする請求項4に記載の複合負極活物質。
- 前記複合負極活物質は、炭素系負極活物質をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の複合負極活物質。
- 前記炭素系負極活物質は、炭素ナノチューブ、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック及び高分子炭化体からなる群から選択された少なくとも1種の物質を含むことを特徴とする請求項9に記載の複合負極活物質。
- 前記炭素系負極活物質の含量は、前記複合負極活物質の総重量を基準に、1〜95重量%であることを特徴とする請求項9に記載の複合負極活物質。
- 請求項1〜11のうちいずれか1項に記載の複合負極活物質を含む負極。
- 請求項12に記載の負極を含むリチウム二次電池。
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