JP2016514898A - リチウム二次電池用負極活物質、この製造方法、及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
SiO素材で酸素(O)により発生する初期非可逆反応の初期効率低下をSiOx(x<1.0)の製造を介して改善し、シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)を適用することにより、シリコン(Si)の短所である充放電の際の体積膨脹に対する短所を補完した非炭素系リチウム二次電池用負極活物質を提供することにその目的がある。
シリコン(Si)を含むコアと、前記コアの表面に形成されたシリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)とを含む非炭素系リチウム二次電池用負極活物質を提供する。
リチウム二次電池の初期充電の際に発生する非可逆を減少させて初期効率が改善され、ナノサイズ(nano size)のシリコン(Si)を使用して、充放電時に体積膨脹率が大きくなることを予防することができるという長所がある。また、前記Siを含むコアとシリコンナノ粒子上に炭素コーティング(carbon coating)をする場合、コアとシリコンナノ粒子との間の結着力及び導電性を確保して、充放電サイクル特性の改善が可能である。
負極活物質の製造
[合成例1]
シリコン酸化物(SiO、D50:5um)100重量部にSiNP(D50<50nm)25重量部で混合した後、水溶液に溶解された低分子CMC1重量部と分散剤5重量部を入れた後、1時間の間ミリングした。ミリング後、乾燥して水分を除去し、シリコン複合体負極活物質を製造した。
前記合成例1において、シリコン酸化物100重量部にSiNP66重量部で混合することを除いては、同じ方法でシリコン複合体負極活物質を製造した。
前記合成例1において、シリコン酸化物100重量部にSiNP150重量部で混合することを除いては、同じ方法でシリコン複合体負極活物質を製造した。
合成例1で製造されたシリコン複合体負極活物質をエチレンとアルゴンの混合ガス雰囲気でThermal CVDを使用してカーボンコーティングをし、黒色粉末のシリコン複合体を回収した。前記シリコン複合体の炭素蒸着量は、シリコン複合体総重量に対して10重量%であった。
前記合成例1において、SiNPの粒径サイズ(D50)が150nmであることを除いては、同じ方法でシリコン複合体負極活物質を製造した。
[実施例1]
前記合成例1で製造された負極活物質をSBR(Styrene−Butadiene Rubber)及びCMC(Carboxy Methyl Celluose)と混合して、負極活物質:SBR:CMC=97.0:1.5:1.5の重量比となるようにしてスラリーを製造した後、前記製造された負極活物質スラリーを50μm厚さの銅フォイルにコーティングし、150℃で20分乾燥した後、ロールプレスして負極を製造した。
前記合成例2で製造された負極活物質を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法でコインタイプの半セル(2016 R−type half cell)を製造した。
前記合成例3で製造された負極活物質を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法でコインタイプの半セル(2016 R−type half cell)を製造した。
前記合成例4で製造された負極活物質を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法でコインタイプの半セル(2016 R−type half cell)を製造した。
前記合成例5で製造された負極活物質を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法でコインタイプの半セル(2016 R−type half cell)を製造した。
市販されるSiOパウダー(シグマアルドリッチ)を購入して、これをリチウム二次電池用負極活物質として用いたことを除いては、前記実施例1と同じ方法でコインタイプの半セル(2016 R−type half cell)を製造した。
前記実施例1〜5及び比較例1で製造した半セルを0V〜1.5Vにおいて、0.2C(900mA/g)で1回充放電を実施して、初期放電容量、初期充電容量、クーロン効率、及び体積膨張率を測定して下記の表1に表した。
Claims (19)
- シリコン(Si)を含むコアと、
前記コアの表面に形成されたシリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)と、
を含む非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。 - 前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)は、前記シリコンを含むコア100重量部に対して20〜200重量部で含まれることを特徴とする請求項1に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)は、前記シリコンを含むコア100重量部に対して50〜100重量部で含まれることを特徴とする請求項1に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)は、5〜100nmの粒径を有することを特徴とする請求項1に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)は、20〜80nmの粒径を有することを特徴とする請求項4に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコン(Si)を含むコアは、1〜30μmの粒径を有することを特徴とする請求項1に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコン(Si)を含むコアは、3〜10μmの粒径を有することを特徴とする請求項6に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質は、前記コアの表面に存在し、炭素を含むコーティング層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記炭素を含むコーティング層は、前記非炭素系リチウム二次電池用負極活物質に対して5〜70重量%で含まれることを特徴とする請求項8に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコン(Si)を含むコアがSiOx(0<x≦1)から形成されることを特徴とする請求項1に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記シリコン(Si)を含むコアは、SiOから形成されることを特徴とする請求項10に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- 前記SiOx(0<x≦1)は、無定形(Amorphous)であることを特徴とする請求項10に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質。
- シリコン(Si)を含むコアを製造するステップと、
シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)と前記コアとを混合して、前記コアの表面に前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)を付着させるステップと、
を含む非炭素系リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)と前記コアとは、
ボールミリング(ball milling)または遊星型ボールミル(Planetary ball mill)によって混合されることを特徴とする請求項13に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)と前記コアとは、
前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)を分散剤によって分散させた後、前記シリコン(Si)を含むコアとともに溶媒内で攪拌させて混合されることを特徴とする請求項13に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)が付着されたコアの表面に炭素を含むコーティング層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記分散剤は、前記シリコンナノ粒子(Silicon Nano Particle)と前記コアとの混合溶液に対して2〜10重量%で含まれることを特徴とする請求項15に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記炭素を含むコーティング層は、CVD(chemical vapor deposition)またはピッチコートによってコーティングされることを特徴とする請求項16に記載の非炭素系リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 請求項1〜12のいずれか1項による非炭素系リチウム二次電池用負極活物質を含む負極と、
正極活物質を含む正極と、
電解質と、
を備えるリチウム二次電池。
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