JP4110562B2 - battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合金を電極材料に用いた電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
電池には、ルクランシェ型乾電池、アルカリ乾電池、リチウム一次電池等の一次電池と、鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムイオン電池等の二次電池とがある。亜鉛やリチウム等の金属イオンが電極反応に関与する二次電池の場合、電極上に金属が樹脂状に析出(デンドライト析出)し、サイクル性能を低下させることがあった。また、このデンドライト析出はセパレータを貫通し内部短絡を引き起こしたり、発火の原因となる虞もあった。例えば、リチウム二次電池においては、金属リチウムを負極活物質として用いる検討が行われてきたが、充電時に生成するリチウムの前記デンドライトの生成が問題となっていた。
【0003】
リチウム二次電池においては、前記デンドライト析出を防止する目的でリチウム合金を用いる検討も行われてきたが、深い充放電や、充放電の繰り返しによって、前記リチウム合金が微細粉化や脱落を起こし、電池性能が低下するといった問題点があった。上記した金属や合金に代え、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素質材料を負極に用いることで、長寿命化や安全性の向上を図った電池が一部実用化されている。しかしながら、これらの炭素質材料の多くは、炭素質材料へのリチウムのドープ電位が金属リチウムの電位に対して0Vに近いため、高率充電を行うと、前記ドープ電位が0V以下になり、電極上にリチウムが析出する場合があった。そのため、セルの内部短絡を引き起こしたり、放電効率が低下する原因となる場合があった。また、このような炭素質材料は、サイクル性能の点でかなりの改善がなされているが、電極材料としての炭素質材料のエネルギー密度が比較的小さいため、体積当たりの容量が低くなってしまうことになる。つまり、前記炭素質材料は、高エネルギー密度という点からは未だ不十分である。その上、炭素上に被膜を形成する必要があるものについては初期充放電効率が低下し、この被膜形成に使われる電気量は不可逆であるため、その電気量分の容量低下につながる。
【0004】
一方、金属リチウムやリチウム合金又は炭素質材料以外の負極材料として、ケイ素とリチウムとを含有する複合酸化物LixSi1-yyz(特開平7−230800号公報)や、非晶質カルコゲン化合物M12 p4 q(特開平7−288123号公報)を用いることが提案されており、高容量、高エネルギー密度の点である程度の改善が図られている。
【0005】
しかしながら、上記のような複合酸化物は、材料自身の電子伝導度が低いため、高率充電及び高率放電性能に問題があった。この問題を解決する目的で導電剤の添加が試みられているが、密度の低い炭素材料を導電剤として用いると、体積当たりの容量が低下することになる。さらに、導電剤を添加することにより、高率充電を行うと部分的に電流集中が起こり、導電剤からリチウムの析出が観測されることがあった。そのため、セルの内部短絡を引き起こしたり、充放電効率を低下させることがあった。
【0006】
また、前記複合酸化物等は材料自身が酸化物であるため、リチウムとの反応と併行して前記複合酸化物の還元反応が進行すると考えられるため、特に初期での不可逆的な還元が起こり、初期充放電効率が低くなることがあった。
【0007】
一方、上述のケイ素単体や複合酸化物とは異なり、遷移金属からなる非鉄金属のケイ化物等の負極材料は、サイクル寿命の改善された負極材料として特開平7−240201号公報に提案されている。しかしながら、金属リチウム負極に比較して充放電サイクル性能は改善されているものの、天然黒鉛と比較すると電池容量は12%程度の増加にとどまっている。このように、前記遷移金属からなる非鉄金属のケイ化物等は必ずしもリチウムイオンを効率的に吸蔵・放出できる電気化学的活性に優れたものではないため、電池容量を大きく向上させることができなかった。例えば、前記遷移金属からなる非鉄金属のケイ化物としてCeSi2を例にとると、電子伝導性は有しているものの、充放電電位範囲において電気化学的に不活性であることが分かった。即ち、前記公報に提案されているケイ化物の全てがリチウムを吸蔵・放出可能であるものではなく、このように電気化学的に不活性なケイ化物を使用しても放電容量を改善させることができなかった。
【0008】
さらに特開2000−30703号公報には、非水電解質二次電池用の負極材料として、固相Aの周囲を別の固相Bが包み込んだ複合粒子であり、固相Aはリチウム金属、もしくはリチウムと合金を形成することができる一種類の元素、もしくはリチウムと合金を形成することができる元素を少なくとも一種類以上含む固溶体又は金属間化合物からなり、固相Bは固相Aを形成するリチウム又はリチウムと合金化することが可能な少なくとも一種の元素を含む固溶体又は金属間化合物によって形成されており、かつリチウムイオンと電子の混合導伝体であるものが、特開2000−285919号公報には固相Aからなる核粒子の周囲の全面又は一部を、固相Bによって被覆し、前記固相Aは構成元素としてケイ素を含み、前固相Bは周期表の2族元素、遷移元素、12族、13族元素、並びに炭素とケイ素を除く14族元素からなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、ケイ素との固溶体、又は金属間化合物である負極材料が提案されている。しかしながら、これらの電子伝導性の被覆は表面のみであるため、リチウムを吸蔵した際に生じる粒子の亀裂に伴う負極材料の電子的な孤立化には対応できないので、サイクル劣化が大きいといった問題点があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上、リチウム二次電池用負極材料についてまとめると、リチウム金属やリチウム合金を用いる場合は、高電圧、高容量、高エネルギー密度の面で有利であるが、サイクル性能や安全性の面で問題があり、炭素質材料を用いる場合は、高電圧や、安全性の面で有利であるが、高容量、高エネルギー密度の面で不十分である。さらに、酸化物負極を用いる場合は、高容量、高エネルギー密度の面では改善されているようであるが、高電圧、充放電効率、サイクル性能や安全性の面では満足がいかないものである。
【0010】
このため、高電圧、高エネルギー密度で、優れた充放電サイクル特性を示し、安全性の高い電池を得るには、充放電の際に結晶系の変化や体積変化が少なく、かつ可逆的に充放電可能な電子伝導性の高い電池用活物質の開発が望まれていた。
【0011】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、充放電時に結晶系の変化や体積変化が少なく、かつ可逆的に充放電可能であり、さらに電子伝導性の高い電池用電極材料を提供することを目的としたものである。さらに、前記電池用電極材料を電池に応用することにより、高電圧、高エネルギー密度で、優れた充放電サイクル性能を示し、安全性に優れた電池を提供することを目的としたものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明者らは鋭意検討の結果、特定の組成を有する合金を電池用電極として用いることにより、驚くべきことに、優れた電池特性を有する電池が得られることを見出し、本発明に至った。即ち、本発明の技術的構成及びその作用効果は以下の通りである。但し、作用機構については推定を含んでおり、その作用機構の正否は、本発明を制限するものではない。
【0013】
本発明は、特許請求の範囲に記載したように、正極、負極及び電解質を備えた電池において、前記正極又は負極のうち少なくともいずれか一方の電極は合金を含み、前記合金はA相とB相との合金からなり、前記A相及びB相は、少なくとも一種以上の共通する元素を含み、前記A相は、前記電池内で可逆的に充放電反応可能な金属、金属間化合物又は固溶体からなり、前記B相は、電子伝導性を有し、前記電池の充放電電位範囲において前記電池内で電気化学的に不活性な金属、金属間化合物又は固溶体からなることを特徴とする電池である。
【0014】
ここで「電池の充放電電位範囲」とは、電池の販売等がされる際にカタログ等に記載の推奨される環境下における推奨される電池の使用がなされている限りにおける充電、放電又は放置のことを言い、アブユース(過充電,過放電,規定以上の高率充放電,充放電サイクル寿命経過後の電池に対する充放電,異常な高温下での充放電,内部短絡等の異常又は不良が発生した電池の使用又はその他のアブユース)及び前記アブユース後の放置等は除外される。即ち、「電池の充放電電位範囲において前記電池内で電気化学的に不活性な」金属について一例を挙げて説明すれば、例えばリチウム電池の負極集電体に銅が用いられている場合、前記銅は通常の使用中に電解液中に溶出することはないが、過充電等のアブユースや長期の繰り返し充放電サイクル後等によっては、前記銅がわずかに溶出する場合がある。このような場合、前記銅はここでいう「不活性な」金属に相当する。また、前記銅は極微量のリチウムと合金化する性質があるが、該合金化は進行性のものでもなければ、該合金中のリチウムは少なくとも通常の充放電によっては電気化学的に放出されうるものでもない。従って、この意味においても前記銅はここでいう「不活性な」金属に相当する。逆に、「不活性」でないものとは、当該電池の電極反応に関与する程度に活性なものをいう。例えば、リチウム電池において、鉛は、リチウムを大量に且つ可逆的に吸蔵・放出する性質があり、負極材料として用いることができるので、前記鉛はここでいう「不活性な」金属にはあたらない。
【0015】
このような構成によれば、前記B相は、電子伝導性に優れるが充放電反応にはほとんど関与しない。また、前記A相及びB相は、少なくとも一種以上の共通する元素を含んでいるため、前記A相及びB相は比較的広い任意の組成範囲で均質な合金を形成することが可能である。このような二つの相を持つ合金を電極として充放電させると、充放電反応は前記A相に対して可逆的に進むものの、前記B相は電子伝導性を有したまま維持される。即ち、前記合金中には、前記B相による電子伝導性を有する大きなマトリクスが形成されており、前記マトリクス中にあるA相に対して充放電反応が進行するので、結晶の崩壊、微粉末化又は脱落といった現象が抑制され、充放電反応に伴う過電圧が小さく、高容量で可逆性に優れた電極材料となる。
【0016】
また、本発明は、請求項に記載したように、前記充放電反応は、リチウムイオンが電極反応に関与する反応であり、前記A相は、電気化学的にリチウムを吸蔵・放出可能であることを特徴としている。
【0017】
このような構成によれば、前記B相は、電子伝導性に優れるがリチウムとはほとんど合金化しない。また、前記A相及びB相は、少なくとも一種以上の共通する元素を含んでいるため、前記A相及びB層は比較的広い任意の組成範囲で均質な合金を形成することが可能である。このような二つの相を持つ合金に対してリチウムを吸蔵させると、前記A相に対してはリチウムの合金化が進行するものの、前記B相はリチウムを吸蔵・放出できず、電子伝導性を有したまま維持される。即ち、前記合金中には、前記B相による電子伝導性を有する大きなマトリクスが形成されており、前記マトリクス中にあるA相が、リチウムと合金化することで、リチウムの吸蔵・放出が行われるので、結晶の崩壊、微粉末化又は脱落といった現象が抑制され、充放電反応に伴う過電圧が小さく、高容量で可逆性に優れた電極材料となる。
【0018】
また、本発明は、請求項に記載したように、前記充放電反応は、水酸化物イオンが電極反応に関与する反応であり、前記A相は、電気化学的に水素を吸蔵・放出可能であることを特徴としている。
【0019】
このような構成によれば、前記B相は、電子伝導性に優れるがほとんど水素化物を形成しない。また、前記A相及びB相は、少なくとも一種以上の共通する元素を含んでいるため、前記A相及びBは比較的広い任意の組成範囲で均質な合金を形成することが可能である。このような二つの相を持つ合金に水素を吸蔵させると、前記A相の水素化は進むものの、B相は水素を吸蔵・放出できず、電子伝導性を有したまま維持される。即ち、前記合金中には前記B相による電子伝導性を有する大きなマトリクスが形成されており、前記マトリクス中にあるA相が、水素化することで、水素の吸蔵・放出が行われるので、結晶の崩壊、微粉末化又は脱落といった現象が抑制され、充放電反応に伴う過電圧が小さく、高容量で可逆性に優れた電極材料となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの記載により限定されるものではない。
【0021】
本発明電池に用いる合金は、平均粒子サイズが0.1〜100μmの粉体とすることが好ましい。このような粉体を得る手段として、粉砕機や分級機等を用いることができる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミル、篩等を用いてもよい。前記粉砕は、乾式粉砕方式を用いてもよく、水、ヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕方式を用いてもよい。分級方法としては、特に限定はなく、篩や風力分級機などを乾式、湿式ともに必要に応じて用いてもよい。
【0022】
本発明電池に用いる合金を粉末として用いる場合、電極合剤中に、導電剤、結着剤、フィラー等を添加してもよい。
【0023】
導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば何でも良い。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー、炭素繊維や金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金等)粉、金属繊維、金属の蒸着物、導電性セラミックス材料等の導電性材料を1種またはそれらの混合物として含ませることができる。これらの中で、黒鉛、アセチレンブラック及びケッチェンブラックを混合して用いることが好ましい。その添加量は1〜50重量%が好ましく、特に2〜30重量%が好ましい。
【0024】
結着剤としては、通常、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース(MC)、ポリビニルアルコール(PVA)等の熱可塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリマー、多糖類等を1種または2種以上の混合物として用いることができる。また、多糖類のようにリチウムと反応する官能基を有する結着剤は、例えばメチル化する等の処理を行って、その官能基を失活させておくことが好ましい。その添加量としては、1〜50重量%が好ましく、特に2〜30重量%が好ましい。
【0025】
フィラーとしては、電池性能に悪影響を及ぼさない材料であれば何でも良い。通常、ポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、不定形シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス、炭素等が用いられる。フィラーの添加量は0〜30重量%が好ましい。
【0026】
活物質の集電体としては、構成された電池において悪影響を及ぼさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、正極集電体の材料としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス等の他に、接着性、導電性、耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅等の表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀等で処理した物を用いることができる。負極集電体の材料としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al−Cd合金等の他に、接着性、導電性、耐酸化性向上の目的で、銅等の表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀等で処理した物を用いることができる。これらの材料については表面を酸化処理することも可能である。これらの形状については、フォイル状の他、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされた形状、ラス体、多孔質体、発砲体、繊維群の形成体等が用いられる。厚さは特に限定はないが、1〜500μm程度のものが用いられる。
【0027】
セパレータとしては、イオンの透過度が優れ、機械的強度のある絶縁性薄膜を用いることができる。耐有機溶剤性と疎水性からポリプロピレンやポリエチレンといったオレフィン系のポリマー、ガラス繊維、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等からつくられたシート、微孔膜、不織布が用いられる。セパレータの孔径は、一般に電池に用いられる範囲のものであり、例えば0.01〜10μmである。また、その厚さについても同様で、一般に電池に用いられる範囲のものであり、例えば5〜300μmである。
【0028】
電解質としては、例えば有機電解液、高分子固体電解質、無機固体電解質、溶融塩、水系アルカリ電解液等を用いることができる。
【0029】
請求項に記載したように、リチウムイオンが電極反応に関与する反応である場合、電気化学的にリチウムを吸蔵・放出可能なA相としては、例えば、リチウム、スズ、ケイ素又はこれらの元素を含む合金等が好ましい。これらの元素を含む合金の充放電反応は、金属リチウムの電位に対して約0.1Vという極めて金属リチウムの電位に近い電位で進行する。一方、電子伝導性を有し、充放電電位範囲において電気化学的に不活性なB相としては、A相と少なくとも一種以上の共通する元素が含まれる金属、金属間化合物又は固溶体であれば特に限定されるものではないが、特に、A相に含まれるリチウム、スズ、ケイ素又はそれらの合金に含まれる元素のいずれかと、周期律表の2族〜16族の金属元素又は半金属元素のうち少なくとも1種との合金であり、かつ、電気化学的にリチウムを吸蔵・放出できないものが好適に使用できる。
【0030】
例えば、ケイ素と3族元素との固溶体と、ケイ素単体と、の合金が挙げられる。前記ケイ素と3族元素との固溶体は、電子伝導性に優れる一方、リチウムとは殆ど合金化しない。さらに前記固溶体はケイ素を含むため、ケイ素単体と任意の組成で合金を形成することが可能である。このようなケイ素と3族元素との固溶体と、ケイ素単体と、の合金にリチウムを吸蔵させると、ケイ素単体に対してはリチウムとの合金化が進むものの、ケイ素と3族元素との固溶体は電子伝導性を有したまま維持される。即ち、前記合金中にケイ素と3族元素との固溶体からなる電子伝導性を有する大きなマトリクスが形成され、前記マトリクス中にある単体のケイ素がリチウムを吸蔵・放出することにより充放電反応が進行するので、結晶の崩壊、微粉末化又は脱落といった現象が抑制され、リチウムの吸蔵・放出に伴う過電圧が小さくなるものと考えられる。さらに、この場合の充放電反応は金属リチウムの電位に対して約0.1Vという極めて金属リチウムの電位に近い電位で進行することから、リチウム電池用負極として高容量が得られ、可逆性に優れる電極材料となる。
【0031】
ここでいう周期律表3族元素の元素とは、Sc,Y,ランタノイド元素(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu),アクチノイド元素(Ac,Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm,Md,No,Lr)である。このうち、Sc:スカンジウム、Y:イットリウム、La:ランタン、Ce:セリウム、Pr:プラセオジム、Nd:ネオジムについては、特に優れた電池特性が得られるので好ましいが、これらに限定されるものではない。
【0032】
このような合金を負極材料として用いる場合、正極活物質としては、MnO2,MoO3,V25,LixCoO2,Lix NiO2,LixMn24等の金属酸化物や、TiS2,MoS2,NbSe3等の金属カルコゲン化物、ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリピロール、ポリアニリン等のグラファイト層間化合物、及び導電性高分子等のアルカリ金属イオンや、アニオンを吸放出可能な各種の物質を利用することができる。
【0033】
特に、高エネルギー密度という観点からV25,MnO2,LixCoO2,LixNiO2,LixMn24等の3〜4Vの電極電位を有するものが好ましい。特にLixCoO2,LixNiO2,LixMn24等のリチウム含有遷移金属酸化物が好ましい。
【0034】
一方、このような合金を正極活物質として用いる場合、負極材料としては、リチウム金属、リチウム合金、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵・放出できる炭素質材料やカルコゲン化合物、メチルリチウム等のリチウムを含有する有機化合物等が使用できる。また、前記合金と、リチウム金属又はリチウム合金若しくはリチウムを含有する有機化合物とを併用することによって、前記A相の部分にリチウムを電池内部で挿入する事も可能である。
【0035】
また、電解質には有機電解液を用いることが好ましい。前記有機電解液の有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等のエステル類や、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の置換テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチル、N−メチルピロリドン、ジメチルフォルムアミド等が挙げられ、これらを単独又は混合溶媒として用いることができる。また支持電解質塩としては、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22、LiN(CF3SO2)(C49SO2)等が挙げられ、これらを単独又は混合塩として用いることができる。一方、高分子固体電解質としては、上記のような支持電解質塩をポリエチレンオキシドやその架橋体、ポリフォスファゼンやその架橋体等といったポリマーの中に溶かし込んだ物を用いることができる。さらに、Li3N,LiI等の無機固体電解質も使用可能である。つまり、リチウムイオン伝導性の非水電解質であればよい。
【0036】
請求項に記載したように、水酸化物イオンが電極反応に関与する反応である場合、電気化学的に水素を吸蔵・放出可能なA相としては、例えば、LaNi及びMmNi(但し、Mmは、Laの一部をCe、Pr、Ndその他の希土類元素で置換したミッシュメタル)や、これらのNiをAl、Co、Mn等の金属元素で置換したAB5型合金、及びTi−Mn合金、Ti−V合金等のAB2型合金、Mg−Ni合金等のA2B型合金や、これら合金の構成元素の一部を他の金属元素で置換した合金等が好ましい。これらの合金の充放電反応は標準水素電極電位に対し約0.1Vという極めて水素電位に近い電位で進行する。一方、電子伝導性を有し、充放電電位範囲において電気化学的に不活性なB相としては、A相と少なくとも一種以上の共通する元素が含まれる金属、金属間化合物又は固溶体であれば特に限定されるものではないが、特に、前記A相に含まれるいずれかの元素の単体、又は、前記A相に含まれる元素のいずれかと、周期律表の2族〜16族の金属元素又は半金属元素のうち少なくとも1種との合金であり、かつ、電気化学的に水素を吸蔵・放出できないものが好適に使用できる。
【0037】
例えば、Mm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3で表される組成を持つAB5型合金とニッケル単体との固溶体が挙げられる。ニッケル単体は電子伝導性に優れる一方、殆ど水素化しない。さらにMm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3はニッケルを含むため、ニッケル単体と任意の組成で合金を形成することが可能である。このようなMm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3で表される組成を持つAB5型合金と、ニッケル単体との合金に水素を吸蔵させると、AB5型合金部分の水素化は進むものの、ニッケル単体部分は電子伝導性を有したまま維持される。即ち、前記合金中にニッケル単体からなる電子伝導性を有する大きなマトリクスが形成され、前記マトリクス中にあるAB5型合金が水素を吸蔵・放出することにより充放電反応が進行するので、結晶の崩壊、微粉末化又は脱落といった現象が抑制され、水素の吸蔵・放出に伴う過電圧が小さくなるものと考えられる。
【0038】
このような合金を負極材料として用いる場合、正極活物質としては、Ni(OH)2を好適に用いることができる。
【0039】
また、電解質としては、水系アルカリ電解液を好適に用いることができる。前記水系アルカリ電解液に用いる溶質としては、KOH、NaOH、LiOH等が挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができるが、特にKOHを少なくとも用いることが好ましい。
【0040】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【0041】
(実施例1)
セリウム及びケイ素を重量比57:43(元素比13:87)の割合で混合し、誘導炉を用いてアルゴン雰囲気中1620℃まで加熱した。冷却後、得られた物質を乳鉢で粉砕し、粉末状とした。この粉末のエックス線回折図を図1に示す。図1で、(a)はケイ素粉末のエックス線回折図、(b)は試薬のCeSi2のエックス線回折図であり、(c)は本実施例で得られた物質のエックス線回折図である。図1から明らかなように、上記で得られた物質はケイ素とケイ化セリウムとの合金となっていることがわかった。
【0042】
該合金へのリチウム吸蔵の可能性を調べるため、該合金100mgを縦10mm×横10mmのニッケルメッシュ2枚で挟み込み、リード線を取り付け、3端子セル用の作用極とした。以下の操作は乾燥空気中で行い、材料はすべてあらかじめ十分に乾燥を行った後に用いた。対極及び参照極は、いずれも適当な大きさの金属リチウムをニッケル板上に圧着して用いた。LiClO4を1mol/リットルの濃度に溶解したプロピレンカーボネート溶液を電解液とし、3端子セル(A)を作製した。
【0043】
比較のために、該合金に代え、粒状ケイ素100mgを用いたことを除いては上記実施例1と同様にして3端子セル(B)を作製した。
【0044】
前記3端子セル(A)及び3端子セル(B)のそれぞれの作用極に対し、対極との間に1mAの電流を流すことにより、作用極の電位を0.00〜2.00Vの範囲で繰り返し変化さるサイクリック・ボルタモグラム(CV)測定を行った。
【0045】
その結果、3端子セル(A)ではリチウムの吸蔵・放出が確認され、その可逆容量は800mAh/gであった。一方、3端子セル(B)ではほとんどリチウムの吸蔵放出ができず、作用極上にリチウムの析出が観察された。この結果から明らかなように、本発明であるケイ素とケイ素−3族元素合金との合金を負極材料として用いると、充放電サイクル性に優れ、高容量の電池が提供できることが期待される。
【0046】
該合金を乳鉢でさらに細かく粉砕し、次のようにして図3に示すコイン型リチウム二次電池を作製した。粉砕した該合金、アセチレンブラック及びポリテトラフルオロエチレン粉末を重量比85:10:5の割合で混合し、トルエンを加えて十分混練し、粘土状のペーストとした。前記ペーストをローラープレスにより厚さ0.3mmのシート状に成形した。前記シートを直径16mmの円形に打ち抜き、減圧下200℃で15時間熱処理して負極2を得た。負極2は負極集電体7の付いた負極缶5に圧着して用いた。
【0047】
正極は、LiCoO2、アセチレンブラック及びポリテトラフルオロエチレン粉末を重量比85:10:5の割合で混合し、トルエンを加えて十分混練し、粘土状のペーストとした。これをローラープレスにより厚さ0.8mmのシート状に成形した。前記シートを直径16mmの円形に打ち抜き、減圧下200℃で15時間熱処理して正極1を得た。正極1は正極集電体6の付いた正極缶4に圧着して用いた。
【0048】
電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶剤にLiPF6を1mol/リットルの濃度に溶解したものを用いた。セパレータ3は、ポリプロピレン製微多孔膜を用いた。上記正極1、負極2、電解液及びセパレータ3を用いて直径20mm、厚さ1.6mmのコイン型リチウム電池を作製した。8は絶縁パッキングである。
【0049】
前記コイン型リチウム電池を多数用いて充放電サイクル試験を行った。試験条件は、充電電流3mA、充電終止電圧4.2V、放電電流3mA、放電終止電圧3.0Vとした。その結果、200サイクル経過後でも初期容量に対して80%以上の容量を維持することがわかった。上記の結果より、ケイ素とケイ素−3族元素合金との合金を負極材料として用いると、高容量で、サイクル特性に優れたリチウム二次電池が提供できることがわかった。
【0050】
実施例2)Mm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3の組成を持つ水素吸蔵合金及びニッケルを重量比80:20の割合で混合し、誘導炉を用いてアルゴン雰囲気中1050℃まで加熱した。冷却後、得られた物質を平均粒径40μmとなるように乳鉢で粉砕し、粉末状とした。この粉末のエックス線回折図を図2に示す。図2で、(a)はニッケル粉末のエックス線回折図、(b)は前記Mm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3の組成を持つ水素吸蔵合金のエックス線回折図であり、(c)は本実施例で得られた物質のエックス線回折図である。図2から明らかなように、本実施例で得られた物質は前記水素吸蔵合金とニッケルとの合金となっていることがわかった。
【0051】
該合金を用い、次のようにしてニッケル水素電池を試作した。該合金粉末及びメチルセルロース2%水溶液を、重量比75:25で混合して十分混練し、ペーストとした。前記ペーストを発泡ニッケル多孔体に均一に充填し、80℃にて乾燥した後、ローラープレスにより加圧成形して負極2を得た。
【0052】
正極1は、公知の方法により作製された焼結式Ni(OH)2電極を用いた。水にKOHを6mol/リットルの濃度に溶解した電解液を用い、セパレータ3にはポリプロピレン製不織布を用いた。上記正極、負極、電解液及びセパレータ渦巻き状に捲回してAAサイズの円筒型ニッケル水素電池を作製した。
【0053】
このようにして作製した電池を用いて充放電サイクル試験を行った。試験条件は、充電電流1300mA、充電時間1.15時間、放電電流1300mA、放電終止電圧1.0Vとした。これら作製した電池の充放電試験の結果、800サイクル後でも80%以上の容量を維持することが分かった。
【0054】
実施例1においては、リチウム電池を例にあげ、特に負極活物質としての性能を示した。実施例2においては、ニッケル水素電池を例にあげ、特に負極活物質としての性能を示した。なお、本発明は上記実施例に記載された活物質の出発原料、製造方法、正極、負極、電解質、セパレータ及び電池形状等に限定されるものではない。
【0055】
【発明の効果】
本発明は上述の如く構成されているので、充放電時に結晶系の変化や体積変化が少なく、かつ可逆的に充放電可能であり、さらに電子伝導性の高い電極材料を提供できるので、高電圧、高容量、高エネルギー密度で、優れた充放電サイクル性能を示し、安全性に優れた電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明電池に用いた合金のエックス線回折図である。
【図2】本発明電池に用いた合金のエックス線回折図である。
【図3】本発明電池の断面図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 正極缶
5 負極缶
6 正極集電体
7 負極集電体
8 絶縁パッキング
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery using an alloy as an electrode material.
[0002]
[Prior art]
The battery includes a primary battery such as a Luclanche dry battery, an alkaline dry battery and a lithium primary battery, and a secondary battery such as a lead battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery and a lithium ion battery. In the case of a secondary battery in which metal ions such as zinc and lithium are involved in the electrode reaction, the metal may be deposited in the form of a resin (dendritic deposition) on the electrode, thereby reducing the cycle performance. In addition, this dendrite deposition may penetrate the separator and cause an internal short circuit or cause ignition. For example, in lithium secondary batteries, studies have been made to use metallic lithium as a negative electrode active material, but the generation of the dendrites of lithium generated during charging has been a problem.
[0003]
In lithium secondary batteries, the use of lithium alloys has also been studied for the purpose of preventing the dendrite precipitation, but deep charging / discharging, and the repeated charging / discharging causes the lithium alloy to become fine powder or drop off, There was a problem that the battery performance deteriorated. In place of the metals and alloys described above, some batteries have been put into practical use in which a carbonaceous material capable of occluding and releasing lithium ions is used for the negative electrode, thereby extending the life and improving safety. However, in many of these carbonaceous materials, the doping potential of lithium to the carbonaceous material is close to 0V with respect to the potential of metallic lithium. Therefore, when high-rate charging is performed, the doping potential becomes 0V or less. Lithium may be deposited on the top. As a result, internal short-circuiting of the cell may occur or discharge efficiency may be reduced. In addition, such a carbonaceous material has been considerably improved in terms of cycle performance. However, since the energy density of the carbonaceous material as an electrode material is relatively small, the capacity per volume is lowered. become. That is, the carbonaceous material is still insufficient from the viewpoint of high energy density. In addition, the initial charge / discharge efficiency is reduced for those that need to form a film on carbon, and the amount of electricity used to form this film is irreversible, leading to a decrease in capacity for that amount of electricity.
[0004]
On the other hand, as a negative electrode material other than metallic lithium, lithium alloy or carbonaceous material, composite oxide Li containing silicon and lithiumxSi1-yMyOz(Japanese Patent Laid-Open No. 7-230800) and amorphous chalcogen compound M1M2 pMFour q(Japanese Patent Laid-Open No. 7-288123) has been proposed, and some improvement is achieved in terms of high capacity and high energy density.
[0005]
However, the composite oxide as described above has a problem in high rate charge and high rate discharge performance because the electronic conductivity of the material itself is low. In order to solve this problem, addition of a conductive agent has been attempted. However, when a carbon material having a low density is used as the conductive agent, the capacity per volume is reduced. Further, when a high rate charge is performed by adding a conductive agent, current concentration partially occurs and lithium deposition may be observed from the conductive agent. Therefore, the internal short circuit of the cell may be caused or charge / discharge efficiency may be reduced.
[0006]
In addition, since the composite oxide or the like is an oxide itself, it is considered that the reduction reaction of the composite oxide proceeds in parallel with the reaction with lithium. The initial charge / discharge efficiency may be lowered.
[0007]
On the other hand, unlike the above-mentioned silicon simple substance and complex oxide, a negative electrode material such as a non-ferrous metal silicide made of a transition metal is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-240201 as a negative electrode material with improved cycle life. . However, although the charge / discharge cycle performance is improved as compared with the metal lithium negative electrode, the battery capacity is only increased by about 12% as compared with natural graphite. As described above, the nonferrous metal silicide made of the transition metal is not necessarily excellent in electrochemical activity capable of efficiently occluding and releasing lithium ions, and therefore the battery capacity cannot be greatly improved. . For example, CeSi is used as a non-ferrous metal silicide made of the transition metal.2As an example, it has been found that although it has electronic conductivity, it is electrochemically inactive in the charge / discharge potential range. That is, not all of the silicides proposed in the above publication are capable of occluding and releasing lithium, and thus the discharge capacity can be improved even when an electrochemically inert silicide is used. could not.
[0008]
Further, JP 2000-30703 A discloses a composite particle in which another solid phase B is wrapped around a solid phase A as a negative electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, and the solid phase A is lithium metal, or One type of element capable of forming an alloy with lithium, or a solid solution or an intermetallic compound containing at least one type of element capable of forming an alloy with lithium, and solid phase B is lithium that forms solid phase A Or a mixed conductor of lithium ions and electrons, which is formed of a solid solution or an intermetallic compound containing at least one element that can be alloyed with lithium, is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-285919. Covers the whole or part of the periphery of the core particle composed of the solid phase A with the solid phase B, the solid phase A containing silicon as a constituent element,RecordSolid phase B is a solid solution of at least one element selected from the group consisting of group 2 elements, transition elements, group 12 and group 13 elements of the periodic table, and group 14 elements excluding carbon and silicon, and metal. A negative electrode material that is an intermetallic compound has been proposed. However, since these electronically conductive coatings are only on the surface, they cannot cope with the electronic isolation of the negative electrode material due to the cracking of the particles that occur when lithium is occluded, resulting in a problem that cycle deterioration is large. there were.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The negative electrode materials for lithium secondary batteries are summarized above. When lithium metal or lithium alloy is used, it is advantageous in terms of high voltage, high capacity, and high energy density, but there are problems in terms of cycle performance and safety. In the case of using a carbonaceous material, it is advantageous in terms of high voltage and safety, but is insufficient in terms of high capacity and high energy density. Furthermore, when an oxide negative electrode is used, although it seems that it is improved in terms of high capacity and high energy density, it is not satisfactory in terms of high voltage, charge / discharge efficiency, cycle performance and safety.
[0010]
Therefore, in order to obtain an excellent charge / discharge cycle characteristic with high voltage and high energy density and a high safety battery, there is little change in the crystal system and volume change during charge / discharge, and reversible charge / discharge is performed. It has been desired to develop an active material for a battery having high electron conductivity that can be discharged.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a battery electrode material that has little change in crystal system and volume during charge / discharge, is reversibly chargeable / dischargeable, and has high electron conductivity. It is intended to do. Furthermore, by applying the electrode material for a battery to a battery, the object is to provide a battery exhibiting excellent charge / discharge cycle performance at a high voltage and high energy density and excellent in safety.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have intensively studied, and surprisingly, a battery having excellent battery characteristics can be obtained by using an alloy having a specific composition as a battery electrode. And found the present invention. That is, the technical configuration and operational effects of the present invention are as follows. However, the action mechanism includes estimation, and the correctness of the action mechanism does not limit the present invention.
[0013]
The present inventionClaimsAs described above, in a battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, at least one of the positive electrode and the negative electrode includes an alloy, and the alloy includes an alloy of an A phase and a B phase, and the A The phase and the B phase include at least one or more common elements, the A phase is made of a metal, an intermetallic compound, or a solid solution that can be reversibly charged and discharged in the battery, and the B phase is an electron conducting material. The battery is characterized by comprising a metal, an intermetallic compound, or a solid solution that is electrochemically inactive within the battery within a charge / discharge potential range of the battery.
[0014]
Here, “battery charge / discharge potential range” means charging, discharging or leaving as long as the recommended battery is used in the recommended environment described in the catalog, etc. when the battery is sold. Abuse (overcharge, overdischarge, high rate charge / discharge beyond the specified limit, charge / discharge to the battery after the end of the charge / discharge cycle life, charge / discharge under abnormally high temperature, internal short circuit, etc. Use of the generated battery or other abuse) and neglect after the abuse are excluded. That is, an example of a metal “electrochemically inert in the battery in the charge / discharge potential range of the battery” will be described. For example, when copper is used for the negative electrode current collector of a lithium battery, Copper does not elute into the electrolyte during normal use, but the copper may elute slightly depending on the use such as overcharge or after a long and repeated charge / discharge cycle. In such a case, the copper corresponds to the “inert” metal here. Further, the copper has a property of alloying with a very small amount of lithium, but if the alloying is not progressive, the lithium in the alloy can be electrochemically released at least by ordinary charge and discharge. Not a thing. Therefore, in this sense, the copper corresponds to the “inert” metal here. On the other hand, what is not “inactive” means an active substance that is involved in the electrode reaction of the battery. For example, in lithium batteries, lead has the property of reversibly occluding and releasing lithium in large quantities and can be used as a negative electrode material, so the lead does not correspond to the “inert” metal here. .
[0015]
According to such a configuration, the B phase is excellent in electronic conductivity but hardly participates in the charge / discharge reaction. In addition, since the A phase and the B phase contain at least one or more common elements, the A phase and the B phase can form a homogeneous alloy in a relatively wide arbitrary composition range. When such an alloy having two phases is charged and discharged as an electrode, the charge and discharge reaction proceeds reversibly with respect to the A phase, but the B phase is maintained with electronic conductivity. That is, a large matrix having electronic conductivity due to the B phase is formed in the alloy, and the charge / discharge reaction proceeds with respect to the A phase in the matrix. Alternatively, a phenomenon such as dropping is suppressed, an overvoltage associated with the charge / discharge reaction is small, and the electrode material has high capacity and excellent reversibility.
[0016]
The present invention also includes claims.1As described above, the charge / discharge reaction is a reaction in which lithium ions are involved in the electrode reaction, and the phase A is characterized in that lithium can be occluded / released electrochemically.
[0017]
According to such a configuration, the B phase is excellent in electron conductivity but hardly alloyed with lithium. In addition, since the A phase and the B phase contain at least one or more common elements, the A phase and the B layer can form a homogeneous alloy in a relatively wide arbitrary composition range. When lithium is occluded in such an alloy having two phases, although the alloying of lithium proceeds with respect to the A phase, the B phase cannot occlude / release lithium, and the electronic conductivity is reduced. Maintained. That is, a large matrix having electronic conductivity due to the B phase is formed in the alloy, and the A phase in the matrix is alloyed with lithium, whereby lithium is occluded / released. Therefore, the phenomenon of crystal collapse, pulverization or dropping is suppressed, the overvoltage accompanying charge / discharge reaction is small, and the electrode material has a high capacity and excellent reversibility.
[0018]
The present invention also includes claims.2As described above, the charge / discharge reaction is a reaction in which hydroxide ions are involved in the electrode reaction, and the phase A is characterized in that hydrogen can be occluded / released electrochemically.
[0019]
According to such a configuration, the B phase is excellent in electron conductivity, but hardly forms a hydride. In addition, since the A phase and the B phase contain at least one or more common elements, the A phase and the B phasephaseIt is possible to form a homogeneous alloy in a relatively wide arbitrary composition range. When hydrogen is occluded in such an alloy having two phases, the hydrogenation of the A phase proceeds, but the B phase cannot occlude / release hydrogen and is maintained with electronic conductivity. That is, a large matrix having electronic conductivity due to the B phase is formed in the alloy, and the A phase in the matrix is hydrogenated to absorb and release hydrogen. The phenomenon such as the collapse, pulverization, or dropping off is suppressed, the overvoltage associated with the charge / discharge reaction is small, the electrode material has a high capacity and excellent reversibility.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in detail below, but the present invention is not limited to these descriptions.
[0021]
The alloy used in the battery of the present invention is preferably a powder having an average particle size of 0.1 to 100 μm. As a means for obtaining such a powder, a pulverizer, a classifier or the like can be used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill, a sieve, or the like may be used. For the pulverization, a dry pulverization method may be used, or a wet pulverization method in which an organic solvent such as water or hexane coexists may be used. There is no particular limitation on the classification method, and a sieve, an air classifier, or the like may be used as necessary for both dry and wet processes.
[0022]
When the alloy used for the battery of the present invention is used as a powder, a conductive agent, a binder, a filler, or the like may be added to the electrode mixture.
[0023]
As the conductive agent, any electronic conductive material that does not adversely affect battery performance may be used. Usually, natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite, earth-like graphite, etc.), artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon whisker, carbon fiber and metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) Conductive materials such as powders, metal fibers, metal deposits, and conductive ceramic materials can be included as one type or a mixture thereof. Of these, graphite, acetylene black, and ketjen black are preferably used in combination. The addition amount is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 30% by weight.
[0024]
As binders, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluoro rubber, carboxymethylcellulose, methylcellulose (MC), thermoplastic resins such as polyvinyl alcohol (PVA), polymers having rubber elasticity, polysaccharides, and the like can be used as one or a mixture of two or more. Moreover, it is preferable that the binder which has a functional group which reacts with lithium like a polysaccharide performs the process of methylating etc., and deactivates the functional group. The addition amount is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 30% by weight.
[0025]
As the filler, any material that does not adversely affect the battery performance may be used. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, amorphous silica, alumina, zeolite, glass, carbon and the like are used. The amount of filler added is preferably 0 to 30% by weight.
[0026]
As the current collector of the active material, any electronic conductor that does not adversely affect the constructed battery may be used. For example, as a material for the positive electrode current collector, in addition to aluminum, titanium, stainless steel, nickel, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, etc., in order to improve adhesiveness, conductivity, and oxidation resistance, The thing which processed the surface, such as aluminum and copper, with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used. In addition to copper, stainless steel, nickel, aluminum, titanium, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc., the negative electrode current collector material is adhesive, conductive, and oxidation resistant. For the purpose of improvement, a material obtained by treating the surface of copper or the like with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. The surface of these materials can be oxidized. As for these shapes, in addition to the foil shape, a film shape, a sheet shape, a net shape, a punched or expanded shape, a lath body, a porous body, a foamed body, a formed body of a fiber group, and the like are used. The thickness is not particularly limited, but a thickness of about 1 to 500 μm is used.
[0027]
As the separator, an insulating thin film having excellent ion permeability and mechanical strength can be used. Sheets, microporous membranes, and nonwoven fabrics made from olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, glass fibers, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, etc. are used because of their organic solvent resistance and hydrophobicity. The pore diameter of the separator is in a range generally used for batteries, for example, 0.01 to 10 μm. Moreover, it is the same also about the thickness, and is a thing of the range generally used for a battery, for example, is 5-300 micrometers.
[0028]
As the electrolyte, for example, an organic electrolyte, a polymer solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, a molten salt, a water-based alkaline electrolyte, or the like can be used.
[0029]
Claim1As described in, when the lithium ion is a reaction involved in the electrode reaction, the A phase capable of electrochemically inserting and extracting lithium includes, for example, lithium, tin, silicon, or an alloy containing these elements Is preferred. The charging / discharging reaction of the alloy containing these elements proceeds at a potential very close to the potential of metallic lithium of about 0.1 V with respect to the potential of metallic lithium. On the other hand, the B phase having electronic conductivity and electrochemically inactive in the charge / discharge potential range is particularly a metal, intermetallic compound or solid solution containing at least one kind of common element with the A phase. Although not limited, in particular, any one of the elements contained in lithium, tin, silicon or alloys thereof contained in the A phase, and the metal elements or metalloid elements of Groups 2 to 16 of the periodic table An alloy that is at least one alloy and that cannot electrochemically occlude and release lithium can be suitably used.
[0030]
For example, an alloy of a solid solution of silicon and a group 3 element and a simple substance of silicon can be given. The solid solution of silicon and a group 3 element is excellent in electron conductivity, but hardly alloyed with lithium. Furthermore, since the solid solution contains silicon, it is possible to form an alloy with an arbitrary composition of silicon alone. When lithium is occluded in an alloy of such a solid solution of silicon and a group 3 element and a simple substance of silicon, although the alloying of lithium proceeds with respect to the simple substance of silicon, the solid solution of silicon and a group 3 element is It remains electronically conductive. That is, a large matrix having an electron conductivity made of a solid solution of silicon and a group 3 element is formed in the alloy, and a single silicon in the matrix occludes / releases lithium so that a charge / discharge reaction proceeds. Therefore, it is considered that the phenomenon of crystal collapse, pulverization, or dropout is suppressed, and the overvoltage associated with insertion and extraction of lithium is reduced. Furthermore, since the charge / discharge reaction in this case proceeds at a potential very close to the potential of metallic lithium of about 0.1 V with respect to the potential of metallic lithium, a high capacity can be obtained as a negative electrode for a lithium battery and reversibility is excellent. It becomes an electrode material.
[0031]
The elements of Group 3 elements of the periodic table here are Sc, Y, lanthanoid elements (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. ), Actinoid elements (Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr). Among these, Sc: scandium, Y: yttrium, La: lanthanum, Ce: cerium, Pr: praseodymium, and Nd: neodymium are preferable because particularly excellent battery characteristics are obtained, but are not limited thereto.
[0032]
When such an alloy is used as the negative electrode material, the positive electrode active material is MnO.2, MoOThree, V2OFive, LixCoO2, Lix  NiO2, LixMn2OFourMetal oxides such as TiS2, MoS2, NbSeThreeMetal chalcogenides such as polyacene, graphite intercalation compounds such as polyacene, polyparaphenylene, polypyrrole and polyaniline, and alkali metal ions such as conductive polymers, and various substances capable of absorbing and releasing anions can be used.
[0033]
In particular, from the viewpoint of high energy density, V2OFive, MnO2, LixCoO2, LixNiO2, LixMn2OFourThose having an electrode potential of 3 to 4 V, such as, are preferred. Especially LixCoO2, LixNiO2, LixMn2OFourLithium-containing transition metal oxides such as are preferred.
[0034]
On the other hand, when such an alloy is used as a positive electrode active material, the negative electrode material contains lithium such as lithium metal, lithium alloy, a carbonaceous material capable of inserting and extracting lithium ions or lithium metal, a chalcogen compound, and methyllithium. Organic compounds and the like can be used. In addition, by using the alloy in combination with lithium metal, a lithium alloy, or an organic compound containing lithium, it is possible to insert lithium into the A phase portion inside the battery.
[0035]
In addition, it is preferable to use an organic electrolyte as the electrolyte. Examples of the organic solvent for the organic electrolyte include esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and γ-butyrolactone, substituted tetrahydrofuran such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, and dioxolane. , Ethers such as diethyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, methoxyethoxyethane, dimethyl sulfoxide, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, methyl formate, methyl acetate, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, etc. It can be used alone or as a mixed solvent. The supporting electrolyte salt is LiClO.Four, LiPF6, LiBFFour, LiAsF6, LiCFThreeSOThree, LiN (CFThreeSO2)2, LiN (C2FFiveSO2)2, LiN (CFThreeSO2) (CFourF9SO2These can be used alone or as a mixed salt. On the other hand, as the polymer solid electrolyte, a material obtained by dissolving the above supporting electrolyte salt in a polymer such as polyethylene oxide or a crosslinked product thereof, polyphosphazene or a crosslinked product thereof can be used. In addition, LiThreeInorganic solid electrolytes such as N and LiI can also be used. That is, any lithium ion conductive non-aqueous electrolyte may be used.
[0036]
Claim2As described in the above, when the hydroxide ion is a reaction involved in the electrode reaction, the A phase capable of electrochemically storing and releasing hydrogen includes, for example, LaNi5And MmNi5(However, Mm is a misch metal in which a part of La is replaced with Ce, Pr, Nd and other rare earth elements), an AB5 type alloy in which these Nis are replaced with metal elements such as Al, Co, Mn, and Ti. An AB2 type alloy such as a -Mn alloy or Ti-V alloy, an A2B type alloy such as an Mg-Ni alloy, an alloy in which some of the constituent elements of these alloys are replaced with other metal elements, and the like are preferable. The charging and discharging reaction of these alloys proceeds at a potential very close to the hydrogen potential of about 0.1 V with respect to the standard hydrogen electrode potential. On the other hand, the B phase having electronic conductivity and electrochemically inactive in the charge / discharge potential range is particularly a metal, intermetallic compound or solid solution containing at least one kind of common element with the A phase. Although not limited, in particular, any one of the elements contained in the A phase, or any of the elements contained in the A phase, and a metal element or a semi-group of Groups 2 to 16 of the periodic table A metal element that is an alloy with at least one metal element and that cannot electrochemically occlude / release hydrogen can be suitably used.
[0037]
For example, Mm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3A solid solution of an AB5 type alloy having a composition represented by Nickel alone is excellent in electron conductivity, but hardly hydrogenates. Mm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3Since nickel contains nickel, it is possible to form an alloy with nickel alone in any composition. Mm like this1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3When hydrogen is occluded in an alloy of an AB5 type alloy having a composition represented by the following formula and nickel alone, the hydrogenation of the AB5 type alloy portion proceeds, but the nickel simplex portion is maintained with electronic conductivity. That is, a large matrix having an electron conductivity made of nickel alone is formed in the alloy, and the AB5 type alloy in the matrix absorbs and releases hydrogen, so that the charge / discharge reaction proceeds. It is considered that the phenomenon of pulverization or dropout is suppressed, and the overvoltage associated with hydrogen storage / release is reduced.
[0038]
When such an alloy is used as the negative electrode material, the positive electrode active material is Ni (OH).2Can be suitably used.
[0039]
As the electrolyte, a water-based alkaline electrolyte can be suitably used. Examples of the solute used in the aqueous alkaline electrolyte include KOH, NaOH, LiOH, and the like. These can be used alone or in combination, but it is particularly preferable to use at least KOH.
[0040]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0041]
Example 1
Cerium and silicon were mixed at a weight ratio of 57:43 (element ratio 13:87) and heated to 1620 ° C. in an argon atmosphere using an induction furnace. After cooling, the obtained substance was pulverized in a mortar to form a powder. The X-ray diffraction pattern of this powder is shown in FIG. In FIG. 1, (a) is an X-ray diffraction diagram of silicon powder, and (b) is a reagent CeSi.2(C) is an X-ray diffraction pattern of the substance obtained in this example. As apparent from FIG. 1, it was found that the material obtained above was an alloy of silicon and cerium silicide.
[0042]
In order to investigate the possibility of occlusion of lithium in the alloy, 100 mg of the alloy was sandwiched between two nickel meshes of 10 mm in length and 10 mm in width, and lead wires were attached to form a working electrode for a three-terminal cell. The following operations were performed in dry air, and all materials were used after sufficiently drying in advance. Both the counter electrode and the reference electrode were used by pressing metal lithium having an appropriate size on a nickel plate. LiClOFourA three-terminal cell (A) was prepared using a propylene carbonate solution in which 1 was dissolved at a concentration of 1 mol / liter as an electrolyte.
[0043]
For comparison, a three-terminal cell (B) was produced in the same manner as in Example 1 except that 100 mg of granular silicon was used instead of the alloy.
[0044]
By flowing a current of 1 mA between the counter electrode of each of the three-terminal cell (A) and the three-terminal cell (B), the potential of the working electrode is set in the range of 0.00 to 2.00 V. Repeated cyclic voltammogram (CV) measurements were taken.
[0045]
As a result, it was confirmed that lithium was occluded / released in the three-terminal cell (A), and the reversible capacity was 800 mAh / g. On the other hand, in the three-terminal cell (B), almost no lithium was occluded and released, and lithium deposition was observed on the working electrode. As is apparent from the results, when the alloy of silicon and silicon-3 group element alloy according to the present invention is used as the negative electrode material, it is expected that a battery with excellent charge / discharge cycle performance and high capacity can be provided.
[0046]
The alloy was further finely pulverized in a mortar, and a coin-type lithium secondary battery shown in FIG. 3 was produced as follows. The pulverized alloy, acetylene black and polytetrafluoroethylene powder were mixed at a weight ratio of 85: 10: 5, and toluene was added and kneaded sufficiently to obtain a clay-like paste. The paste was formed into a sheet having a thickness of 0.3 mm by a roller press. The sheet was punched into a circle having a diameter of 16 mm and heat-treated at 200 ° C. under reduced pressure for 15 hours to obtain a negative electrode 2. The negative electrode 2 was used by being pressure-bonded to the negative electrode can 5 with the negative electrode current collector 7 attached thereto.
[0047]
The positive electrode is LiCoO2Acetylene black and polytetrafluoroethylene powder were mixed at a weight ratio of 85: 10: 5, and toluene was added and kneaded sufficiently to obtain a clay-like paste. This was formed into a sheet having a thickness of 0.8 mm by a roller press. The sheet was punched into a circle having a diameter of 16 mm and heat-treated at 200 ° C. under reduced pressure for 15 hours to obtain a positive electrode 1. The positive electrode 1 was used by being crimped to a positive electrode can 4 with a positive electrode current collector 6 attached thereto.
[0048]
The electrolyte was LiPF in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1.6Was dissolved at a concentration of 1 mol / liter. As the separator 3, a polypropylene microporous film was used. A coin-type lithium battery having a diameter of 20 mm and a thickness of 1.6 mm was produced using the positive electrode 1, the negative electrode 2, the electrolytic solution, and the separator 3. Reference numeral 8 denotes an insulating packing.
[0049]
A charge / discharge cycle test was conducted using a large number of the coin-type lithium batteries. The test conditions were a charge current of 3 mA, a charge end voltage of 4.2 V, a discharge current of 3 mA, and a discharge end voltage of 3.0 V. As a result, it was found that the capacity of 80% or more with respect to the initial capacity was maintained even after 200 cycles.From the above results, it was found that a lithium secondary battery having a high capacity and excellent cycle characteristics can be provided by using an alloy of silicon and a silicon-3 group element alloy as a negative electrode material.
[0050]
(Example 2) Mm1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3The hydrogen storage alloy and nickel having the following composition were mixed at a weight ratio of 80:20 and heated to 1050 ° C. in an argon atmosphere using an induction furnace. After cooling, the obtained substance was pulverized in a mortar so as to have an average particle diameter of 40 μm to form a powder. The X-ray diffraction pattern of this powder is shown in FIG. In FIG. 2, (a) is an X-ray diffraction diagram of nickel powder, and (b) is the Mm.1.0Ni4.0Co0.5Mn0.2Al0.3It is an X-ray diffraction diagram of the hydrogen storage alloy having the composition: (c) is an X-ray diffraction diagram of the substance obtained in this example. As is apparent from FIG. 2, it was found that the material obtained in this example was an alloy of the hydrogen storage alloy and nickel.
[0051]
Using the alloy, a nickel-metal hydride battery was prototyped as follows. The alloy powder and methylcellulose 2% aqueous solution were mixed at a weight ratio of 75:25 and sufficiently kneaded to obtain a paste. The paste was uniformly filled in a foamed nickel porous body, dried at 80 ° C., and then pressure-formed by a roller press to obtain a negative electrode 2.
[0052]
The positive electrode 1 is a sintered Ni (OH) produced by a known method.2An electrode was used. An electrolytic solution in which KOH was dissolved in water at a concentration of 6 mol / liter was used, and a polypropylene nonwoven fabric was used for the separator 3. The positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, and the separator were spirally wound to produce an AA size cylindrical nickel metal hydride battery.
[0053]
A charge / discharge cycle test was performed using the battery thus prepared. The test conditions were a charging current of 1300 mA, a charging time of 1.15 hours, a discharging current of 1300 mA, and a final discharge voltage of 1.0V. As a result of the charge / discharge test of these batteries, it was found that the capacity of 80% or more was maintained even after 800 cycles.
[0054]
In Example 1, a lithium battery was taken as an example, and performance as a negative electrode active material was particularly shown. In Example 2, a nickel metal hydride battery was taken as an example, and performance as a negative electrode active material was particularly shown. In addition, this invention is not limited to the starting material of the active material described in the said Example, a manufacturing method, a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, a separator, a battery shape, etc.
[0055]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is possible to provide an electrode material with little change in crystal system and volume during charge and discharge, reversible charge and discharge, and high electron conductivity. High capacity, high energy density, excellent charge / discharge cycle performance, and excellent battery safety can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an X-ray diffraction pattern of an alloy used in a battery of the present invention.
FIG. 2 is an X-ray diffraction pattern of an alloy used in the battery of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the battery of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode
2 Negative electrode
3 Separator
4 Positive electrode can
5 Negative electrode can
6 Positive current collector
7 Negative electrode current collector
8 Insulation packing

Claims (3)

正極、負極及び電解質を備え、充放電反応が、リチウムイオンが電極反応に関与する反応である電池において、前記正極又は負極のうち少なくともいずれか一方の電極は合金(但し、合金が凝固前に添加されたLiを含有しているものを除く)を含み、前記合金はA相とB相との合金からなり、前記A相及びB相は、少なくとも一種以上の共通する元素としてケイ素を含み、前記A相は、電気化学的にリチウムを吸蔵・放出可能な金属、金属間化合物又は固溶体からなり、前記B相は、3族元素(但し、Ndを除く)を含み、電子伝導性を有し、前記電池の充放電電位範囲において前記電池内で電気化学的に不活性な金属、金属間化合物又は固溶体からなることを特徴とする電池。In a battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and a charge / discharge reaction is a reaction in which lithium ions are involved in an electrode reaction, at least one of the positive electrode and the negative electrode is an alloy (provided that the alloy is added before solidification) And the alloy is composed of an alloy of an A phase and a B phase, and the A phase and the B phase contain silicon as at least one common element, The phase A is made of a metal, intermetallic compound or solid solution that can electrochemically occlude and release lithium, and the phase B contains a group 3 element (excluding Nd) and has electronic conductivity, A battery comprising a metal, an intermetallic compound, or a solid solution that is electrochemically inactive in the battery in a charge / discharge potential range of the battery. 正極、負極及び電解質を備え、充放電反応が、水酸化物イオンが電極反応に関与する反応である電池において、前記正極又は負極のうち少なくともいずれか一方の電極は合金を含み、前記合金はA相とB相との合金からなり、前記A相及びB相は、少なくとも一種以上の共通する元素を含み、前記A相は、Niを含み、電気化学的に水素を吸蔵・放出可能な金属、金属間化合物又は固溶体からなり、前記B相は、電子伝導性を有し、前記電池の充放電電位範囲において前記電池内で電気化学的に不活性な金属、金属間化合物又は固溶体からなることを特徴とする電池。In a battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte , wherein the charge / discharge reaction is a reaction in which hydroxide ions are involved in the electrode reaction, at least one of the positive electrode and the negative electrode includes an alloy, and the alloy is A An alloy of a phase and a B phase, wherein the A phase and the B phase contain at least one or more common elements, the A phase contains Ni, and is a metal capable of electrochemically storing and releasing hydrogen , It is composed of an intermetallic compound or a solid solution, and the B phase is composed of a metal, an intermetallic compound, or a solid solution that has electronic conductivity and is electrochemically inactive in the battery in the charge / discharge potential range of the battery. Battery characterized. 前記3族元素はセリウムである請求項1記載の電池。The battery according to claim 1, wherein the Group 3 element is cerium.
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