JP4401984B2 - リチウム二次電池用負極活物質、リチウム二次電池用負極活物質、およびリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
非晶質化度(%)=((急冷処理後主要XRDピーク強度)/(急冷処理前主要XRDピーク強度))*100
前記SiOxのxは1.5以下、に調節することが好ましく、0.5乃至1.5であることがさらに好ましい。xが1.5を超える場合には、電気化学的に反応しやすい点(reactive site)であるSiの相対的な量が少なくて、全体エネルギー密度が減少する。
SiO2とSiを1:1のモル比で混合した混合物100重量部に対してB2O320重量部を添加したシリコン系複合体の前駆体を800℃で減圧熱処理した後、1,000K/sec.の速度で急冷してSiOx(x=1.48)にBが6.2質量%ドーピングされたシリコン系複合体を製造した。前記シリコン系複合体をコア物質としてその表面上に化学蒸着(CVD)被覆工程を利用して非晶質炭素物質を30質量%で被覆して本発明の第1具体例による負極活物質を製造した。
粒子が5μmであるSi粉末の表面上に化学蒸着(CVD)被覆工程を利用して非晶質炭素物質を30質量%で被覆して炭素が被覆されたSi複合体負極活物質を製造した。
SiO2とSiを1:1のモル比で混合した混合物を800℃で減圧熱処理した後、1,000K/sec.の速度で急冷してSiOx(x=1)を製造した。前記製造されたSiOをコア物質として、その表面上に化学蒸着(CVD)被覆工程を利用して非晶質炭素材を30質量%被覆した後、炭素が被覆されたSiO複合体負極活物質を製造した。
SiO2とSiを3:1のモル比で混合した混合物100重量部に対してB2O320重量部を添加した混合物を800℃で減圧熱処理した次に、1,000K/sec.速度で急冷してSiOx(x=1.95)にBが5.2質量%ドーピングされたシリコン系複合体を製造した。前記シリコン系複合体をコア物質として、その表面上に化学蒸着(CVD)被覆工程を利用して非晶質炭素物質を30質量%で被覆して負極活物質を製造した。
SiO2とSiを1:1のモル比で混合した混合物100重量部に対してB2O320重量部を添加したシリコン系複合体の前駆体を800℃で減圧熱処理した次に、1,000K/sec.の速度で急冷してSiOx(x=1.48)にBが6.2質量%ドーピングされたシリコン系複合体を製造した。前記シリコン系複合体と黒鉛を7:3の質量比に混合して負極活物質を製造した。
粒子の大きさが5μmであるSi粉末と黒鉛を7:3の質量比に混合して負極活物質を製造した。
SiO2とSiを1:1のモル比で混合した混合物を800℃で減圧熱処理した次に、1,000K/secの速度で急冷してSiOx(x=1)を製造した。前記製造されたSiOと黒鉛を7:3の質量比に混合して複合体負極活物質を製造した。
実施例1、2及び比較例1乃至5の負極活物質とポリ不和ビニリデンを90:10の比率でN-メチルピロリドンで混合してそれぞれの負極スラリーを製造した。実施例1、比較例1乃至3によって製造された負極活物質を含むスラリーをドクターブレード法で厚さ10μmの銅集電体に塗布し、真空雰囲気の中で100℃、1時間乾燥してN-メチルピロリドンを揮発させた。このように積層して厚さ50μmの負極活物質層を持つ銅集電体にした後、直径16mmの円形に孔をあけて切断して負極とした。
2 負極
3 正極
4 セパレータ
5 電池容器
6 封止部材
Claims (36)
- B、P、Li、Ge、Al、V、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の元素とシリコンオキシド(SiOx、xは1.5以下)を含むシリコン系複合体、及び炭素物質を含む負極活物質であって、
前記負極活物質は、下記の式1、
[式1]
非晶質化度(%)=((急冷処理後、主要XRDピーク強度)/(急冷処理前、主要XRDピーク強度))*100
によってX線回折ピークの強度比から計算された非晶質化度が50%以上であり、
前記負極活物質は、GITT法によるLiの拡散速度が10 -8 乃至10 -6 cm 2 /secであることを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質。 - 前記xは0.5以上で且つ1.5以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記B、P、Li、Ge、Al、V、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の元素は、前記シリコン系複合体の全体質量に対して50質量%以下になるように含まれることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記B、P、Li、Ge、Al、V、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の元素は、前記シリコン系複合体の全体質量に対して10乃至30質量%になるように含まれることを特徴とする請求項3に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記B、P、Li、Ge、Al、V、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の元素は、前記シリコンオキシド(SiOx、xは1.5以下、)にドーピングされていることを特徴とする請求項1乃至請求項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。
- 前記炭素物質は、結晶質炭素または非晶質炭素であることを特徴とする請求項1乃至請求項5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。
- 前記シリコン系複合体は、Si、SiO2、またはこれらの混合物をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至請求項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。
- 前記シリコン系複合体と炭素物質の質量比は10:90乃至90:10であることを特徴とする、請求項1乃至請求項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。
- 前記シリコン系複合体と炭素物質の質量比は30:70乃至70:30であることを特徴とする、請求項1乃至請求項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。
- 前記負極活物質は、前記シリコン系複合体の表面に前記炭素物質を被覆したものであることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質は、前記シリコン系複合体と前記炭素物質の混合物であることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質は、前記シリコン系複合体と前記炭素物質の混合物に炭素物質をさらに被覆したものであることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の化合物と、SiO2、及びSiを混合してシリコン系複合体の前駆体を調製する工程と、
前記前駆体を熱処理してB、P、Li、Ge、Al、V、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の元素とシリコンオキシド(SiOx、xは1.5以下)を含むシリコン系複合体を製造する工程と、
前記シリコン系複合体を急冷させる工程と、
前記シリコン系複合体を炭素物質で被覆する工程と、
を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記SiO2とSiは3:1乃至1:1の質量比で混合されることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の化合物はガラス質形成酸化物であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物はB2O3及びB2Oからなる群より1種以上選択され、P-含有化合物はP2O5及びP2O3からなる群より1種以上選択され、Li-含有化合物はLi2O、Li2CO3、及びLiOHからなる群より1種以上選択され、Ge-含有化合物はGeO2、Al-含有化合物はAl2O3、V-含有化合物はV2O5であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の化合物は、SiO2、Si及び前記選択される化合物からなる混合物全体質量に対して50質量%以下になるように添加されるものであることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の化合物は、SiO2、Si及び前記選択される化合物からなる混合物全体質量に対して10乃至30質量%で添加されることを特徴とする請求項17に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記熱処理温度は600乃至1000℃であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記熱処理温度は800乃至1000℃であることを特徴とする請求項19に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記xは0.5乃至1.5であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記炭素物質は、結晶質炭素または非晶質炭素であることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の化合物と、SiO2、及びSiを混合してシリコン系複合体の前駆体を調製する工程と、
前記前駆体を熱処理してB、P、Li、Ge、Al、V、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一種の元素とシリコンオキシド(SiOx、xは1.5以下、)を含むシリコン系複合体を製造する工程と、
前記シリコン系複合体を急冷させる工程と、
前記シリコン系複合体と炭素物質を混合する工程と、
を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記B-含有化合物はB2O3及びB2Oからなる群より1種以上選択され、P-含有化合物はP2O5及びP2O3からなる群より1種以上選択され、Li-含有化合物はLi2O、Li2CO3、及びLiOHからなる群より1種以上選択され、Ge-含有化合物はGeO2、Al-含有化合物はAl2O3、V-含有化合物はV2O5であることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記SiO2とSiとは、3:1乃至1:1の質量比に混合されることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つの化合物は、ガラス質形成前駆体であることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記熱処理温度は600乃至1000℃であることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記熱処理温度は800乃至1000℃であることを特徴とする請求項27に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記xは0.5乃至1.5であることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つの化合物は、SiO2、Si、及び前記選択される化合物からなる混合物全体質量に対して50質量%以下になるように混合されることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記B-含有化合物、P-含有化合物、Li-含有化合物、Ge-含有化合物、Al-含有化合物、V-含有化合物及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも一つの化合物は、SiO2、Si、及び前記選択される化合物からなる混合物全体質量に対して10乃至30質量%になるように混合されることを特徴とする請求項30に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記炭素物質は結晶質炭素または非晶質炭素であることを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記シリコン系複合体と炭素物質の混合比率は10:90乃至90:10の質量比であることを特徴とする、請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記シリコン系複合体と炭素物質の混合比率は30:70乃至70:30の質量比であることを特徴とする、請求項33に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記シリコン系複合体と炭素物質の混合物を炭素物質で被覆する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 負極活物質を含む負極と、
リチウムの可逆的な挿入・脱離が可能な正極活物質を含む正極と、
電解液と、
を含むことを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池。
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