JP4144997B2 - リチウム二次電池用負極 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金を負極活物質とするリチウム二次電池用負極に係わり、詳しくは、充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を与える負極を提供することを目的とした、前記負極活物質の改良に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
リチウム二次電池用負極にリチウム金属板を使用した場合は、充電時に活性な樹枝状のリチウムが析出し、析出したリチウムが、電解液と反応して負極の容量を低下させたり、充放電の繰り返しにより成長して内部短絡を起こさせたりする。リチウム金属板に代えて、リチウムと結晶質のアルミニウムとを電気化学的に合金化して作製したリチウム−アルミニウム合金板を用いれば、リチウムと電解液との反応及び充放電の繰り返しに伴う樹枝状のリチウムの成長が抑制され、充放電サイクル特性が向上する。しかし、リチウムと結晶質のアルミニウムとの電気化学反応(合金化反応)の速度は遅いので、充放電サイクル特性は大きくは向上しない。
【0003】
そこで、リチウム二次電池用負極として、上記のリチウム−アルミニウム合金板に代えて、リチウムと非晶質のアルミニウムとを電気化学的に合金化して作製したリチウム−アルミニウム合金板を使用することが提案されている(特開昭63−13267号公報)。同公報によれば、リチウムと非晶質のアルミニウムとの電気化学反応は、リチウムと結晶質のアルミニウムとの充電時の電気化学反応に比べて、速やかに進行するので、充放電サイクル特性が大きく向上するとのことである。
【0004】
しかしながら、本発明者らが検討した結果、板状のリチウム−アルミニウム合金を使用したのでは、合金と電解液との接触面積(反応面積)が小さいために、負極の表面に不活性なLi2 Oが析出し、その結果充放電効率が低下して、充分満足のいく充放電サイクル特性は得られないことが分かった。
【0005】
したがって、本発明は、充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を与える負極を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリチウム二次電池用負極(本発明電極)は、平均粒径が50μm以下で、下式で定められる非晶質化度Aが0.30以上で、組成式Alx Siy Mz 〔式中、Mは、Ni、Co、Cu、Fe、Cr及びMnよりなる群から選ばれた少なくとも1種の遷移元素;40≦x≦80;10≦y≦50;1≦z≦20;x+y+z=100〕で表される、粉末状のアルミニウム合金を負極活物質として有する。
【0007】
非晶質化度Aが0.30以上の、すなわち実質的に非晶質のアルミニウム合金を用いることとしたのは、一般に、結晶質のアルミニウム合金は、充放電時のリチウムの挿入・脱離に伴う体積変化により微粉化し、微粉化により合金粒子間の接触抵抗が増加するとともに、集電性が低下するため、充放電サイクル特性が低下し易いが、非晶質のアルミニウム合金は、展延性が高く、微粉化しにくいからである。非晶質化度Aが大きいほど、非晶質化が進んでいることを意味する。
【0008】
非晶質化度A=ハロー部のプロファイルの最高ピーク強度/全プロファイルの最高ピーク強度
【0009】
非晶質化度Aが0.30以上の、すなわち実質的に非晶質のアルミニウム合金は、液体急冷法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、メカニカルアロイング法などにより作製することができる。なかでも、液体急冷法が、低コストで、しかも大量生産が可能であるので好ましい。液体急冷法とは、合金を加熱溶融させて溶湯とし、得られた溶湯を高速回転するロール上に射出させるロール法(単ロール法及び双ロール法)、溶湯を不活性ガスとともに噴霧するガスアトマイズ法などを利用する急冷凝固法である。
【0010】
粉末状のアルミニウム合金を用いることとしたのは、板状のアルミニウム合金に比べて、合金と電解液との接触面積(反応面積)が大きく、充放電効率が良いからである。板状のアルミニウム合金を使用した場合は、合金と電解液との接触面積が小さいために電流密度が大きくなり、電気化学的に不活性なLi2 Oが負極上に析出して、充放電効率が低下する。アルミニウム合金粉末の平均粒径が50μm以下に限定されるのは、平均粒径が50μmを越えた場合は微粉化し易くなるからである。なお、平均粒径は小さいほど好ましいが、アルミニウム合金は展延性が高いので、平均粒径が3μm未満の粉末を得ることは通常困難である。
【0011】
本発明における実質的に非晶質のアルミニウム合金は、組成式Alx Siy Mz 〔式中、Mは、Ni、Co、Cu、Fe、Cr及びMnよりなる群から選ばれた少なくとも1種の遷移元素;40≦x≦80;10≦y≦50;1≦z≦20;x+y+z=100〕で表される。Siは比容量を増大させる。yが10未満の場合は比容量を十分に増大させることが困難となり、一方yが50を越えた場合は、非晶質化度Aが小さくなり、充放電サイクル特性が低下する。遷移元素Mは非晶質化度Aを増大させる。zが1未満又は20を越えた場合は、実質的に非晶質のアルミニウム合金を得ることが困難となり、充放電サイクル特性が低下する。5≦z≦10が好ましい。
【0012】
充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を得るためには、本発明電極を負極として使用するとともに、正極に電気化学的可逆性が良い正極活物質を使用する必要がある。かかる正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2 など)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2 など)、マンガン酸リチウム(LiMnO2 など)及びこれらの混合物が挙げられる。
【0013】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
【0014】
(実験1)
本発明電極及び比較電極を作製し、それらを用いてリチウム二次電池を作製し、各電池の充放電サイクル特性を調べた。
【0015】
(実施例)
〔正極の作製〕
平均粒径20μmのLiCoO2 粉末(正極活物質)80重量部と、アセチレンブラック(導電剤)10重量部と、ポリテトラフルオロエチレン(結着剤)10重量部とを混合し、直径17mmの円盤状に加圧成形して、正極を作製した。
【0016】
〔負極の作製〕
AlとSiと表1に示す遷移元素M(いずれも純度99.9重量%)とを、原子比65:25:10で秤量し、乳鉢で混合し、加圧成形した後、アーク溶解法によりインゴットを作製した。このインゴットを溶融させた後、単ロール法により急冷凝固して合金片とし、この合金片をアルゴン雰囲気下でピンミルを用いて粉砕して、合金粉末を作製した。発光分析(ICP)により、いずれの合金粉末も、AlとSiとMとの原子比が65:25:10の組成式Al65Si25M10で表される合金粉末であることを確認した。また、レーザー回折式の粒度分布測定装置により、各合金粉末の平均粒径を求めたところ、30μmであった。
【0017】
上記の各合金粉末(負極活物質)80重量部と、ポリテトラフルオロエチレン(結着剤)20重量部とを混合し、直径17mmの円盤状に加圧成型して、負極(本発明電極)を作製した。いずれの負極も、同じ重量の合金粉末を使用した。
【0018】
〔電解液の調製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、LiPF6 を1モル/リットル溶かして電解液を調製した。
【0019】
〔リチウム二次電池の作製〕
上記の正極、負極及び電解液を用いてコイン型のリチウム二次電池A1〜A7を作製した。セパレータとしてポリプロピレン製の微多孔フィルムを用いた。
【0020】
図1は作製したリチウム二次電池を模式的に示す断面図であり、図示のリチウム二次電池Aは、正極1、負極2、セパレータ3、正極缶4、負極缶5、正極集電体6、負極集電体7及びポリプロピレン製の絶縁パッキング8などからなる。正極1及び負極2は、セパレータ3を介して対向して、正極缶4及び負極缶5が形成する電池缶内に収納されている。正極1は正極集電体6を介して正極缶4に、負極2は負極集電体7を介して負極缶5に、それぞれ接続され、充放電が可能な構造となっている。
【0021】
(比較例)
厚さ0.1mm、直径7.8mmの2枚の円盤状のリチウム板の間に、液体急冷法で作製した厚さ0.3mm、直径7.8mmの円盤状のアルミニウム板を挟み込んで、厚さ0.5mm、直径7.8mmの円盤状の負極(比較電極)を作製した。負極容量はリチウム二次電池A1の負極容量と等しい。また、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と二硫化チタン(TiS2 )との重量比0.1:99.9の混合物をニッケル製の金網の片面に貼り合わせ、厚さ0.5mm、直径7.0mmの円盤状に加圧成型して、正極を作製した。これらの正極及び負極を用いて、正極及び負極のみがリチウム二次電池A1〜A7と異なるリチウム二次電池Sを作製した。
【0022】
〈充放電サイクル特性〉
リチウム二次電池A1〜A7について、25°Cにおいて、100μAで4.1Vまで充電した後、100μAで2.8Vまで放電する充放電を1サイクルとする充放電サイクル試験を行い、放電容量が1サイクル目の放電容量の80%に低下するまでのサイクルを求めた。また、リチウム二次電池Sについて、25°Cにおいて、100μAで2.8Vまで放電した後、100μAで4.1Vまで充電する充放電を1サイクルとする充放電サイクル試験を行い、放電容量が1サイクル目の放電容量の80%に低下するまでのサイクルを求めた。結果を表1に示す。表1には、各電池に使用した負極活物質(アルミニウム合金又はアルミニウム)の非晶質化度Aも示してある。表1に示すサイクルはリチウム二次電池A1のサイクルを100とした相対指数である。
【0023】
【表1】
【0024】
表1に示すように、平均粒径が50μm以下で、実質的に非晶質の粉末状のアルミニウム合金を負極活物質として用いた本発明電極を負極として備えるリチウム二次電池A1〜A7(本発明電池)は、比較電極を負極として備えるリチウム二次電池S(比較電池)に比べて、充放電サイクル特性が良い。リチウム二次電池Sの充放電サイクル特性が良くないのは、負極のアルミニウム合金(リチウム−アルミニウム合金)と電解液との接触面積(反応面積)が小さいために、負極に電気化学的に不活性なLi2 Oが析出して、充放電効率が急激に低下したためと考えられる。リチウム二次電池Sの充放電サイクル特性が良くない他の理由としては、使用したアルミニウムは、液体急冷法により作製したものではあるが、アルミニウムに希土類元素や遷移元素を添加せずに液体急冷法を用いて作製したものであるために非晶質化度Aが低いこと、及び、正極活物質として使用した二硫化チタンの電気化学的可逆性が良くないこと、が挙げられる。
【0025】
(実験2)
アルミニウム合金の平均粒径と充放電サイクル特性の関係を調べた。
【0026】
負極活物質として、平均粒径が3μm、15μm、50μm又は60μmで、実質的に非晶質の組成式Al65Si25Cr10で表される合金粉末を用いて、順に、負極活物質の平均粒径のみがリチウム二次電池A1と異なるリチウム二次電池B1〜B3(本発明電池)及びS2(比較電池)を作製した。各電池について、実験1で行ったものと同じ条件の充放電サイクル試験を行い、放電容量が1サイクル目の放電容量の80%に低下するまでのサイクルを求めた。結果を表2に示す。表2には、各電池に使用した負極活物質(アルミニウム合金)の非晶質化度Aも示してある。また、表2には、リチウム二次電池A1の結果も表1より転記して示してある。表2に示すサイクルはリチウム二次電池A1のサイクルを100とした相対指数である。
【0027】
【表2】
【0028】
表2に示すように、リチウム二次電池A1及びB1〜B3は、リチウム二次電池S2に比べて、充放電サイクル特性が良い。リチウム二次電池S2の充放電サイクル特性が良くないのは、負極活物質として使用した平均粒径が60μmのAl65Si25Cr10合金粉末が微粉化したためである。この結果から、充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を与える負極を得るためには、平均粒径が50μm以下のアルミニウム合金を用いる必要があることが分かる。
【0029】
(実験3)
組成式Alx Siy Mz 中のx、y及びzと充放電サイクル特性の関係を調べた。
【0030】
負極活物質として、平均粒径が30μmで、表3に示す種々の組成の合金粉末を用いて、順に、負極活物質の組成のみがリチウム二次電池A1と異なるリチウム二次電池C1〜C34を作製した。なお、リチウム二次電池C2〜C5、C14〜C17、C20〜C23、C25〜C28が本発明電極を用いた電池であり、他のリチウム二次電池は比較電極を用いた電池である。各電池について、実験1で行ったものと同じ条件の充放電サイクル試験を行い、放電容量が1サイクル目の放電容量の80%に低下するまでのサイクルを求めた。結果を表3に示す。表3には、各電池に使用した負極活物質(Alx Siy Crz 合金)の非晶質化度Aも示してある。また、表3には、リチウム二次電池A1の結果も表1より転記して示してある。表3に示すサイクルはリチウム二次電池A1のサイクルを100とした相対指数である。
【0031】
【表3】
【0032】
表3に示すように、本発明電極を用いた電池A1、C2〜C5、C14〜C17、C20〜C23及びC25〜C28は、比較電極を用いた他の電池に比べて、充放電サイクル特性が良い。この結果から、充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を与える負極を得るためには、組成式Alx Siy Mz 中のx、y及びzがそれぞれ40〜80、10〜50及び1〜20のアルミニウム合金を用いる必要があることが分かる。他の遷移元素Mについても、組成式Alx Siy Mz 中のx、y及びzが上記の範囲にあるアルミニウム合金を用いる必要があることを確認した。
【0033】
(実験4)
正極活物質について検討した。
【0034】
正極活物質として、LiCoO2 に代えて、LiNiO2 、LiMnO2 、LiCoO2 とLiNiO2 との重量比1:1の混合物、又は、TiS2 を用いて、順に、正極活物質のみがリチウム二次電池A1と異なるリチウム二次電池D1〜D4を作製した。各電池の正極の初期容量が等しくなるように正極活物質の充填量を調整した。各電池について、実験1で行ったものと同じ条件の充放電サイクル試験を行い、放電容量が1サイクル目の放電容量の80%に低下するまでのサイクルを求めた。結果を表4に示す。表4には、リチウム二次電池A1の結果も表1より転記して示してある。表4に示すサイクルはリチウム二次電池A1のサイクルを100とした相対指数である。
【0035】
【表4】
【0036】
表4に示すように、リチウム二次電池A1及びD1〜D3は、リチウム二次電池D4に比べて、充放電サイクル特性が良い。リチウム二次電池D4の特性が良くないのは、正極活物質として使用したTiS2 の充放電時の可逆性が良くないからである。この結果から、充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を得るためには、負極に本発明電極を用いるとともに、正極活物質として、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム及びマンガン酸リチウムよりなる群から選ばれた少なくとも1種のリチウム・遷移金属複合酸化物を用いる必要があることが分かる。
【0037】
【発明の効果】
充放電サイクル特性が良いリチウム二次電池を与える負極が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で作製したリチウム二次電池の断面図である。
【符号の説明】
A リチウム二次電池
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
Claims (3)
- 平均粒径が50μm以下で、下式で定められる非晶質化度Aが0.30以上で、組成式Alx Siy Mz 〔式中、Mは、Ni、Co、Cu、Fe、Cr及びMnよりなる群から選ばれた少なくとも1種の遷移元素;40≦x≦80;10≦y≦50;1≦z≦20;x+y+z=100〕で表される、粉末状のアルミニウム合金を負極活物質として有するリチウム二次電池用負極。
非晶質化度A=ハロー部のプロファイルの最高ピーク強度/全プロファイルの最高ピーク強度 - 前記アルミニウム合金が液体急冷法により作製されたものである請求項1記載のリチウム二次電池用負極。
- 正極と負極と非水電解質とを備えるリチウム二次電池において、前記正極が、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム及びマンガン酸リチウムよりなる群から選ばれた少なくとも1種のリチウム・遷移金属複合酸化物を正極活物質として有し、前記負極が、平均粒径が50μm以下で、下式で定められる非晶質化度Aが0.30以上で、組成式Alx Siy Mz 〔式中、Mは、Ni、Co、Cu、Fe、Cr及びMnよりなる群から選ばれた少なくとも1種の遷移元素;40≦x≦80;10≦y≦50;1≦z≦20;x+y+z=100〕で表される、粉末状のアルミニウム合金を負極活物質として有することを特徴とするリチウム二次電池。
非晶質化度A=ハロー部のプロファイルの最高ピーク強度/全プロファイルの最高ピーク強度
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