JP2021531619A - リチウム二次電池用負極活物質及びそれを含む二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(炭素系物質の準備)
天然黒鉛と、膨張特性が低い低膨張人造黒鉛である人造黒鉛A、一般的に使用される人造黒鉛Bをそれぞれ準備した。
膨張特性を比較するために、上記天然黒鉛、人造黒鉛A、人造黒鉛Bをそれぞれ独立的に負極活物質として使用するハーフセルのコイン電池を1個ずつ製造した。
具体的なハーフセルのコイン電池の製造方法は下記の通りである。
負極活物質94wt%、導電材として平均直径20nm、平均長さ2μmである多層カーボンナノチューブ2wt%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)4wt%を混合し、N‐メチル‐2‐ピロリドンを利用してスラリー化した後、それを厚さ20μmの銅箔が約100μmの厚さになるように塗布し、120℃で真空乾燥及びプレスをした後、直径13nmの円形にパンチングし、負極を製造した。パンチングした負極と、厚さ0.3mmの金属リチウムを反対極として利用し、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを3:7の比率で混合し、1モルのLiPF6が溶解されている電解液を利用してコインセルを製造した。
上記コインセルのそれぞれに対し、4.25Vまで充電した後、2.5Vまで放電する充放電サイクルを繰り返しており、各サイクルごとに負極活物質の厚さを測定してそれぞれの負極活物質に対する膨張比率を導出し、その結果を図1に示した。
(実施例1)
人造黒鉛A、天然黒鉛及び酸化ケイ素を重量比が75:20:5となるように混合し、負極活物質として使用した。その他には、上記した炭素系物質の膨張特性の測定時と同様の方法でコインセルを製造し、4.25Vまで充電後、2.5Vまで放電する充放電サイクルを200回繰り返した。
天然黒鉛及び二酸化ケイ素の重量比が95:5となるように混合して、負極活物質として使用したことを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。
人造黒鉛B、天然黒鉛及び酸化ケイ素の重量比が75:20:5となるように混合して、負極活物質として使用したことを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。
上記の各実施例及び比較例によるサイクル特性を図2に図示した。負極活物質の総重量に対し、膨張特性が22%である人造黒鉛Aを75重量%含む実施例1の場合は、優れたサイクル特性が現れた。その反面、天然黒鉛及び膨張特性が25%である人造黒鉛Bを適用した比較例1、2の場合は、わずか50サイクルだけで容量が低下する傾向が著しく、200サイクルだけで電池容量に大きく差が生じた。
(比較例3)
人造黒鉛B、天然黒鉛及び酸化ケイ素が75:10:15となるように混合して、負極活物質として使用することを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。
上記比較例3と実施例1のサイクル特性を共に図3に図示した。図2と図3を共に比較してみると、負極活物質の総重量に対して二酸化ケイ素の含量が10重量%を超過する比較例3の場合は、比較例2よりもサイクル特性が更に低下されることと示された。これらから、二酸化ケイ素の含量が10重量%を超過して含まれる場合は、却ってサイクル特性が低下することが分かる。
(比較例4)
人造黒鉛A、天然黒鉛及び酸化ケイ素を30:65:5となるように混合して負極活物質として使用することを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。
人造黒鉛A、天然黒鉛及び酸化ケイ素を50:45:5となるように混合して負極活物質として使用したことを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。
人造黒鉛A、天然黒鉛及び酸化ケイ素を85:10:5となるように混合して負極活物質として使用することを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。
上記実施例及び比較例による実験結果を実施例1と共に図4及び図5に示した。まず、人造黒鉛の含量が負極活物質の総重量に対して30重量%、50重量%である比較例4、5の場合は、初期の容量特性が低下するという傾向が現れた。また、85重量%である実施例2の場合は、実施例1と比べて200回サイクル後の容量特性が僅かに優れていることと現れた。従って、低膨張人造黒鉛は、少なくとも65重量%以上含む場合にサイクル特性の改善が現れ、高含量であるほど効果が更に改善される。しかし、75%以上からは改善効果が大きくなかった。このような傾向から見ると、経済性を考慮すれば、低膨張人造黒鉛の含量範囲は95重量%以下であることが好ましく、更に具体的には75重量%〜85重量%であるときが最も好ましい。
Claims (11)
- 炭素系物質及びケイ素系物質を含むリチウム二次電池用負極活物質であって、
前記炭素系物質は低膨張人造黒鉛を含み、
前記低膨張人造黒鉛は、電池充放電時の体積が25%未満で膨張する、リチウム二次電池用負極活物質。 - 前記低膨張人造黒鉛は、負極活物質の総重量に対して65〜95重量%含まれる、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記低膨張人造黒鉛は、負極活物質の総重量に対して75〜85重量%含まれる、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記炭素系物質は、天然黒鉛及び前記低膨張人造黒鉛からなる、請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記ケイ素系物質は、負極活物質の総重量に対して1〜10重量%含まれる、請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記ケイ素系物質は、負極活物質の総重量に対して3〜7重量%含まれる、請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記ケイ素系物質は、二酸化ケイ素(SiO2)である、請求項1から6のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記低膨張人造黒鉛は、電池充放電時の体積が23%未満で膨張する、請求項1から7のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 集電体、及び
前記集電体の少なくとも一面に形成され、負極活物質を含む負極活物質層を備えたリチウム二次電池用負極であって、
前記負極活物質が請求項1から8のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用負極活物質である、リチウム二次電池用負極。 - 正極、負極及び前記正極と前記負極との間に介在された分離膜を含むリチウム二次電池にであって、
前記負極が請求項9に記載のリチウム二次電池用負極である、リチウム二次電池。 - 前記リチウム二次電池は円筒形二次電池である、請求項10に記載のリチウム二次電池。
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