JP4581503B2 - 非水電解質電池 - Google Patents
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Description
SiO粒子を、アルゴン雰囲気中、870℃で6時間熱処理してから0.5mol/dm3のフッ化水素酸溶液中に1時間浸漬した後に、洗浄および乾燥した。このSiOのX線回折パターンはブロードであり、その結晶構造が無定形であることがわかった。このSiO粒子を活物質に用いて、負極を作製した。SiO粒子80質量%と、アセチレンブラック5質量%と、PVdF15質量%とを、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)中で分散させてペーストを作製した。このペーストを厚さ15μmの銅箔上に塗布した後、150℃で乾燥してNMPを蒸発させた。この作業を銅箔の両面におこなった。これをロールプレスしてから、幅2.5cm、長さ40cmに切断して、集電体の両面に合剤層を備えた負極1を作製した。銅箔の両面に塗布した負極層の質量は、0.010g/cm2であった。SiOの放電容量を1000mAh/gとすると、この負極の容量は約520mAhとなる。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にB、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiBF4を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A2)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にS、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiCF3SO3を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A3)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にN、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiN(SO2CF3)2を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A4)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にB、N、P、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiBF4を溶解して、さらに10質量%のホスファゼン(N3P3F6)を添加した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A5)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にBおよびC元素とLi元素とを備えた物質を形成するときに、1,2−ジメトキシエタンに0.5mol/dm3のLiBC4O8を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A6)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にN、P、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6を溶解して、さらに10質量%のホスファゼン(N3P3F6)を添加した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A7)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にN、P、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6を溶解して、さらに10質量%のテトラメチルアンモニウム−ヘキサフルオロリン酸((CH3)4NPF6)を添加した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、本発明電池(A8)を作製した。
実施例1で作製した負極1とLi金属箔とを、直流プラズマCVD装置中のチャンバーに挿入した。400℃まで加熱してから、チャンバーの真空度を1×10−6Torrにした。つぎに、PF3とO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給した。チャンバーの内圧は、0.7Torrに保った。つぎに、400Wの直流電力を負極1に印加して、活物質の表面にP、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成させた負極3を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にP、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、PF5とO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A10)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A11)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にNおよびC元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、NH3とO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A12)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にS元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、H2Sをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A13)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にN元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、N2をチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A14)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、N、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とNH3とO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A15)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、P、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とPF3とO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A16)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とH2SとO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A17)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にP、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、PF3とH2SとO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A18)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、P、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とPF3とH2SとO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A19)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、N、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とNH3とH2SとO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A20)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にN、P、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、NH3とPF3とH2SとO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A21)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にB、N、P、S、CおよびF元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、BF3とNH3とPF3とH2SとO2とC2H4との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、本発明電池(A22)を作製した。
浸漬法を用いて負極活物質の表面にP元素とLi元素とを含む物質を形成させるために、実施例1で作製した負極1を、LiOH、H3PO4およびPVdFを溶解したNMP溶液に浸漬した後、80℃で乾燥してNMPを蒸発させた。これを、負極6とした。
浸漬法を用いて負極活物質の表面にB元素およびLi元素を備えた物質を形成させるために、LiOH、H3BO3およびPVdFを溶解したNMP溶液に浸漬したほかは実施例23と同様にして、本発明電池(A24)を作製した。
浸漬法を用いて負極活物質の表面にN、P、C元素およびLi元素を備えた物質を形成させるために、LiOHとN−(メトキシ)−N−メチル−2−(トリフェニルホスホアニリデン)アセトアミドとPVdFとを溶解したNMP溶液に浸漬したほかは実施例23と同様にして、本発明電池(A25)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にClおよびC元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiClO4を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、比較例電池(B1)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にAsおよびC元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiAsF6を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、比較例電池(B2)を作製した。
電気化学的手法を用いて負極活物質の表面にSbおよびC元素とLi元素とを含む物質を形成するときに、ECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiSbF6を溶解した非水電解液を用いたことのほかは実施例1と同様にして、比較例電池(B3)を作製した。
CVD法を用いて負極活物質の表面にCl元素およびLi元素とを含む物質を形成するときに、Cl2とO2との混合ガスをチャンバー内に供給したことのほかは実施例9と同様にして、比較例電池(B4)を作製した。
浸漬法を用いて負極活物質の表面にCl元素およびLi元素とを含む物質を形成するときに、KClO4とPVdFとを溶解したNMP溶液を用いたことのほかは実施例23と同様にして、比較例電池(B5)を作製した。
浸漬法を用いて負極活物質の表面にC元素およびLi元素とを含む物質を形成するときに、ポリアクリル酸とLiOHとを溶解したNMP溶液を用いたことのほかは実施例23と同様にして、比較例電池(B6)を作製した。
つぎに示す釘刺し試験をおこなって、電池の安全性を評価した。2サイクル目の充電後の電池を、25℃で、直径1mmの釘を3cm/secの速度で電池に突き刺した。安全性の判定は、電池の温度が130℃以上になったものあるいは安全弁が作動したものを不良とし、それ以外のものは良とした。
2サイクル目の充電後の電池をグローブボックス内で分解して、負極を取り出した。この負極を真空乾燥して有機溶媒を蒸発させた後、5mm×5mmの大きさに切断した。これを、グローブボックス内で支持台にセットした。トランスファーベッセルを用いて空気を遮断して、この支持台をXPS測定装置(島津/KRATOS製、高性能光電子分光分析装置AXIS−HS)にセットした後、高真空状態でXPS測定をおこなって、物質に含まれる化合物を推定した。Li、B、N、P、S、C、F、Cl、O、AsおよびSbのピークが示す結合エネルギーから、それぞれの化合物に一致することを確認した。たとえばLi3PO4であれば、Li、P、O、の元素でLi3PO4にあたる結合エネルギーを確認した。
2サイクル目の充電後の電池をドライルーム内で分解して、負極を取り出した。負極の活物質層を銅箔から削り落として、この活物質層を3mg秤量した。これにECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6を溶解した電解液を3mg加えてすみやかに示差走査熱量計(SII製、DSC220C)にセットした。10℃/minの昇温速度で、室温から200℃までの範囲でDSC測定をおこなった。その結果から、負極活物質層の発熱速度(単位:W/g・℃)を求めた。一例として、図1に実施例電池A1および比較例電池B1の負極活物質層のDSC曲線を示す。
実施例の電池A1〜A25は良好な安全性を示したが、比較例の電池B1〜B6は不良であった。この結果は、XPSによって解析した負極表面の物質に含まれる元素との相関を示している。すなわち、安全性が良好であった実施例電池A1〜A25は、負極活物質の表面に存在する物質が、B、N、P、Sのなかから選択したすくなくとも1種類の元素とLi元素とを含むものであることがわかった。一方、安全性が不良であった比較例電池B1〜B6は、前記の物質がこれらの元素を含まないことがわかった。
Claims (5)
- 正極、負極及び非水電解質を備えた非水電解質二次電池において、前記負極の負極活物質層は、Siの酸化物を含む中核と、LiBO 3 、N含有有機化合物、Li 3 PO 4 又はLi 2 Sを含む表面層とを備えた負極活物質を含有し、且つ、前記負極活物質層のDSC(示差走査熱量分析)において200℃以下で発熱ピークがないことを特徴とする非水電解質二次電池。
- 前記表面層がCまたはFを含むことを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。
- 前記中核は、組成式がSiO x (0<x<2)で表されるSiの酸化物を含む請求項1又は2記載の非水電解質二次電池。
- 前記中核は、組成式がSiO x (1<x≦2)で表されるSiの酸化物相と、Si相との両相を含む請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記中核は、CuKα線を用いたX線回折測定において、Si(111)面とSi(220)面の回折ピークの半価幅のうちすくなくとも一方が3°未満である請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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