JP4844550B2 - 非水二次電池 - Google Patents
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Description
(2)項(1)に記載の集電体が銅、ニッケル、チタンまたはそれらの合金、ステンレスである非水二次電池。
(3)項(1)または(2)に記載の集電体が平均表面粗さ0.05μm以上、0.5μm以下の金属箔である非水二次電池。
(4)項(1)〜(3)に記載のケイ素化合物の平均粒子サイズは0.01〜100μmである非水二次電池。
(5)項(1)〜(3)に記載のケイ素化合物が合金である非水二次電池。
(6)項(5)に記載の合金において、ケイ素以外の金属の少なくとも1種がアルカリ土類金属、遷移金属、半金属である非水二次電池。
(7)項(5)または(6)に記載の金属の少なくとも1種がGe、Be、Ag、Al、Au、Cd、Ga、In、Sb、Sn、Znである非水二次電池。
(8)項(5)〜(7)に記載のケイ素に対する該金属の重量比率が5〜90%である非水二次電池。
(9)項(1)に記載のケイ素化合物が金属ケイ化物から金属を除去したケイ素である非水二次電池。
(10)項(9)に記載の金属ケイ化物がリチウムケイ化物である非水二次電池。
(11)項(10)に記載のリチウムケイ化物のリチウム含量が、ケイ素に対して、100〜420原子%である非水二次電池。
(12)項(1)に記載のケイ素化合物がリチウムと反応しないセラミックと付着しているケイ素化合物である非水二次電池。
(13)項(12)に記載のセラミックがAl2 O3 、SiO2 、TiO2 、SiC、Si3 N4 から選ばれる少なくとも1種のセラミックである非水二次電池。
(14)項(12)または(13)に記載のケイ素化合物に対する該セラミックの重量比が2〜50%である非水二次電池。
(15)項(12)〜(14)に記載のケイ素化合物に該セラミックを付着させる方法が、300〜1300℃に加熱する工程を含む非水二次電池。
(16)項(1)に記載のケイ素化合物が、少なくとも金属で被覆されている非水二次電池。
(17)項(16)に記載の金属で被覆させる方法が無電解めっき法、蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法である非水二次電池。
(18)項(16)または(17)に記載の被覆される金属の少なくとも1種がNi、Cu、Ag、Co、Fe、Cr、W、Ti、Au、Pt、Pd、Sn、Znである非水二次電池。
(19)項(16)〜(18)に記載の金属で被覆されたケイ素化合物の比伝導度が、被覆されていないケイ素化合物の比伝導度の10倍以上である非水二次電池。
(20)項(1)に記載のケイ素化合物が、あらかじめ熱可塑性樹脂で被覆されている非水二次電池。
(21)項(20)に記載の熱可塑性樹脂がポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンである非水二次電池。
30%である非水二次電池。
(23)項(20)〜(22)に記載の熱可塑性樹脂の被覆率が5〜100%である非水二次電池。
(24)項(1)に記載のケイ素化合物に対して、炭素を重量比で5〜1900%共存させた負極を用いる非水二次電池。
(25)項(24)に記載の炭素が鱗片状天然黒鉛である非水二次電池。
(26)項(1)に記載の正極活物質はLiy MO2 (M=Co、Ni、Fe、Mn y=
0〜1.2)を含む材料、またはLiz N2 O4 (N=Mn z=0〜2)で表されるス
ピネル構造を有する材料の少なくとも1種を用いた非水二次電池。
(27)項(3)〜(25)に記載のケイ素の平均粒子サイズが0.01〜50μmである非水二次電池。ここで言うケイ素とは、リチウムと反応できるケイ素単体、ケイ素合金、ケイ化物のことである。
(28)項(5)〜(8)に記載の合金が、項(12)〜(15)に記載のセラミックを付着した合金である非水二次電池。
(29)項(5)〜(8)に記載の合金が、項(16)〜(19)に記載の金属を被覆した合金である非水二次電池。
(30)項(28)に記載の材料が、項(16)〜(19)に記載の金属を被覆した合金である非水二次電池。
(31)項(5)〜(8)に記載の合金が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆した合金である非水二次電池。
(32)項(28)〜(30)に記載の材料が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆した材料である非水二次電池。
(33)項(5)〜(8)に記載の合金に項(24)または(25)の炭素を共存させた非水二次電池。
(34)項(28)〜(32)に記載の材料に項(24)または(25)の炭素を共存させた非水二次電池。
(35)項(5)〜(8)に記載の合金負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(36)項(28)〜(34)に記載の材料の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(37)項(9)〜(11)に記載のケイ素が、項(12)〜(15)に記載のセラミックを付着させたケイ素である非水二次電池。
(38)項(9)〜(11)に記載のケイ素が、項(16)〜(19)に記載の金属を被覆したケイ素である非水二次電池。
(39)項(37)に記載の材料が、項(16)〜(19)に記載の金属を被覆した材料である非水二次電池。
(40)項(9)〜(11)に記載のケイ素が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆したケイ素である非水二次電池。
(41)項(37)〜(39)の材料が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆した材料である非水二次電池。
(42)項(9)〜(11)に記載のケイ素が、項(24)または(25)の炭素を共存させたケイ素である非水二次電池。
(43)項(37)〜(41)に記載の材料が、項(24)または(25)の炭素を共存させた材料
である非水二次電池。
(44)項(9)〜(11)に記載のケイ素負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(45)項(37)〜(43)に記載の負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(46)項(12)〜(15)に記載のケイ素化合物が、項(16)〜(19)に記載の金属を被覆したケイ素化合物である非水二次電池。
(47)項(12)〜(15)に記載のケイ素化合物が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆したケイ素化合物である非水二次電池。
(48)項(46)に記載の材料が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆した材料である非水二次電池。
(49)項(12)〜(15)に記載のケイ素化合物に項(24)または(25)の炭素を共存させた非水二次電池。
(50)項(46)〜(48)に記載の材料に項(24)または(25)の炭素を共存させた非水二次電池。
(51)項(12)〜(15)に記載のケイ素化合物負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(52)項(46)〜(48)に記載の材料負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(53)項(16)〜(19)に記載の材料が、項(12)〜(15)のセラミックを付着させた材料である非水二次電池。
(54)項(16)〜(19)の材料が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆した材料である非水二次電池。
(55)項(53)に記載の材料が、項(20)〜(23)に記載の熱可塑性樹脂を被覆した材料である非水二次電池。
(56)項(16)〜(19)、(53)〜(55)に記載の材料に項(24)または(25)の炭素を共存させた非水二次電池。
(57)項(16)〜(19)、(53)〜(55)に記載の材料負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(58)項(20)〜(23)に記載の材料が、項(12)〜(15)に記載のセラミックを付着した材料である非水二次電池。
(59)項(20)〜(23)、(58)に記載の材料が、項(16)〜(19)に記載の金属を被覆した非水二次電池。
(60)項(20)〜(23)、(58)、(59)に記載の材料が、項(24)または(25)に記載の炭素を共存させた材料である非水二次電池。
(61)項(20)〜(23)、(59)、(60)に記載の材料負極の正極活物質として項(26)の化合物を用いた非水二次電池。
(62)項(24)または(25)に記載の負極の正極活物質として項(26)に記載の化合物を
用いた非水二次電池。
、具体的には5μ〜100μが好ましく、さらに好ましくは10μ〜50μである。本発明に用いる集電体が箔の様な連続体の場合、表面を物理的または化学的に処理して表面粗さを変えたり、酸化被膜の厚みを調節しても良く、また導電性の塗膜を施したり、銀、金、TiC、TiNなどでコーティングしても良い。
i2 、Ti5 Si3 、Cr3 Si、NbSi2 、NdSi2 、CeSi2 、SmSi2 、DySi2 、ZrSi2 、WSi2 、W5 Si3 、TaSi2 、Ta5 Si3 、TmSi2 、TbSi2 、YbSi2 、YSi2 、ErSi、ErSi2 、GdSi2 、PtSi、V3 Si、VSi2 、HfSi2 、PdSi、PrSi2 、HoSi2 、EuSi2 、LaSi、RuSi、ReSi、RhSi等が用いられる。
素ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、ジメチルアミンボラン、ホルムアルデヒド、蔗糖、デキストリン、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン、アスコルビン酸、塩化チタンが好ましい。めっき液の中には還元剤の他に、pH調節剤、錯形成剤を含ませることが好ましい。これらについても上記「無電解めっき 基礎と応用」に記載されている化合物が用い
られる。めっき液のpHはとくに限定されないが、4〜13が好ましい。液の温度は10℃〜100℃が好ましいが、とくに、20℃〜95℃がこのましい。めっき浴の他にSnCl2 塩酸水溶液からなる活性化浴、PdCl2 塩酸水溶液からなる核形成浴を用いたり、さらに濾過工程、水洗工程、粉砕工程、乾燥工程が用いられる。
度、結晶子の大きさの炭素材料、特開平5−290844号公報に記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開昭63−24555号、同63−13282号、同63−58763号、特開平6−212617号公報に記載の気相成長炭素材料、特開平5−182664号公報に記載の難黒鉛化炭素を2400℃を超える温度で加熱焼成された材料であり、かつ複数の002面に相当するX線回折のピークを持つ材料、特開平5−307957号、同5−307958号、同7−85862号、同8−315820号公報に記載のピッチ焼成により合成されたメソフェース炭素材料、特開平6−84516号公報に記載の被覆層を有する黒鉛、さらには、各種の粒状体、微小球体、平板状体、微小繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂、フルフリルアルコール樹脂の焼成体、水素原子を含むポリアセン材料などの炭素材料等を挙げることができる。さらに、導電剤としての具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、セルロース類、糖類、メソフェーズピッチ等の高温焼成体、気相成長黒鉛等の人工黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、アスファルトピッチ、コールタール、活性炭、メソフューズピッチ、ポリアセン等の炭素材料が好ましい。これらは単独で用いても良いし、混合物として用いても良い。
、リチウムと遷移金属のモル比が0.3乃至2.2の化合物である。なお主として存在する遷移金属に対し30モルパーセント未満の範囲でAl、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなどを含有していても良い。上記の正極活物質の中で、一般式Lix MO2 (M=Co、Ni、Fe、Mnx=0〜1.2)、またはLiy N2 O4 (N=Mn y=0〜2)で表されるスピネル構造を有する材料の少なくとも1種を用い
ることがこのましい。具体的には、Lix CoO2 、Lix NiO2 、Lix MnO2 、Lix Coa Ni1-a O2 、Lix Cob V1-b Oz 、Lix Cob Fe1-b O2 、Lix Mn2O4 、Lix Mnc Co2-c O4 、Lix Mnc Ni2-c O4 、Lix Mnc V2-c O4 、Lix Mnc Fe2-c O4 (ここでx=0.02〜1.2、a=0.1〜0.
9、b=0.8〜0.98、c=1.6〜1.96、z=2.01〜2.3)である。最も好ましいリチウム含有遷移金属酸化物としては、Lix CoO2 、LixNiO2 、L
ix MnO2 、Lix Coa Ni1-a O2 、Lix Mn2 O4 、Lix Cob V1-b Oz (x=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.9〜0.98、z=2.01〜2.3)があげられる。なおxの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。
または正極材料に対し1〜50重量%であることが好ましく、特に2〜30重量%であることが好ましい。カーボンブラックやグラファイトでは、3〜20重量%であることが特に好ましい。
の大きさにより決められる。典型的な塗布層の厚みは乾燥後圧縮された状態で10〜1000μmである。塗布後の電極シートは、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風の作用により乾燥、脱水される。これらの方法は単独あるいは組み合わせて用いることが出来る。乾燥温度は80〜350℃の範囲が好ましく、特に100〜260℃の範囲が好ましい。乾燥後の含水量は2000ppm以下が好ましく、500ppm以下がより好ましい。電極シートの圧縮は、一般に採用されているプレス方法を用いることが出来るが、特に金型プレス法やカレンダープレス法が好ましい。プレス圧は、特に限定されないが、10kg/cm2 〜3t/cm2 が好ましい。カレンダープレス法のプレス速度は、0.1〜50m/分が好ましい。プレス温度は、室温〜200℃が好ましい。
iB10Cl10、LiOSO2 Cn F2n+1で表されるフルオロスルホン酸(nは6以下の正の整数)、LiN(SO2 Cn F2n+1)(SO2 Cm F2m+1)で表されるイミド塩(m、nはそれぞれ6以下の正の整数)、LiC(SO2 Cp F2p+1)(SO2Cq F2q+1)(
SO2 Cr F2r+1)で表されるメチド塩(p、q、rはそれぞれ6以下の正の整数)、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiAlCl4 、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウムなどのLi塩を上げることが出来、これらの一種または二種以上を混合して使用することができる。なかでもLiBF4 及び/あるいはLiPF6 を溶解したものが好ましい。支持塩の濃度は、特に限定されないが、電解液1リットル当たり0.2〜3モルが好ましい。
トとしてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが好ましい。また、非環状カーボネートとしては、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が好ましい。本発明で使用できる電解液としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネ−ト、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネートあるいはジエチルカーボネートを適宜混合した電解液にLiCF3 SO3 、LiClO4 、LiBF4 および/またはLiPF6 を含む電解液が好ましい。特にプロピレンカーボネートもしくはエチレンカーボネートの少なくとも一方とジメチルカーボネートもしくはジエチルカーボネートの少なくとも一方の混合溶媒に、LiCF3 SO3 、LiClO4 、もしくはLiBF4 の中から選ばれた少なくとも一種の塩とLiPF6 を含む電解液が好ましい。これら電解液を電池内に添加する量は特に限定されず、正極材料や負極材料の量や電池のサイズに応じて用いることができる。
ルキルエーテル、第四級アンモニウム塩、ポリエチレングリコール、ピロール、2−メトキシエタノール、AlCl3 、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリエチレンホスホルアミド、トリアルキルホスフィン、モルホリン、カルボニル基を持つアリール化合物、12−クラウン−4のようなクラウンエーテル類、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと4−アルキルモルホリン、二環性の三級アミン、オイル、四級ホスホニウム塩、三級スルホニウム塩などを挙げることができる。特に好ましいのはトリフェニルアミン、フェニルカルバゾールを単独もしくは組み合わせて用いた場合である。
水溶媒あるいは非水溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を注入した後、前記溶媒より粘度の高い非水溶媒あるいは非水溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を注入)でも良い。また、電解液の注入時間の短縮等のために、電池缶を減圧したり、電池缶に遠心力や超音波をかけることを行ってもよい。
負極材料として多結晶ケイ素単体(化合物−1)、冶金学的に合成した以下の合金化合物として、Si−Ag合金(化合物−2 重量比40−60)、冶金学的に合成したLi4
Siからイソプロピルアルコールを用いてLiを溶出させたケイ素をアルゴンガス中で
粉砕して得られたケイ素(化合物−3)、多結晶ケイ素とコロイダルシリカを混合し、1000℃で加熱して得られた固形物をアルゴンガス中で振動ミルにて粉体にしたSi−SiO2 (化合物−4 重量比90−10)、無電解めっき法にて多結晶ケイ素表面にめっ
きした化合物としてAgめっきしたSi(化合物−5 Si−Agの重量比 40−60)、ポリフッ化ビニリデン3gをN−メチルピロリドン50gに溶かした液にケイ素を30g添加し、混合混練した後、乾燥し、自動乳鉢にて粉砕した粉体(化合物−6)を用いた。上記負極材料(化合物1〜6)の平均粒子サイズはいずれも0.05〜4μmの範囲の粒子を用いた。次にケイ素と等重量の鱗片状天然黒鉛を十分に混合して得られた粉体を190g、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10gをN−メチル−2−ピロリドン500mlに分散して、負極ペーストを作成した。
ステンレス)に塗布し、上記正極シート作成と同様の方法で負極シートを作成した。正負極の塗布量は、正極活物質がリチウム金属に対して4.2Vになる第1サイクルの充電容量と上記負極材料が0.0Vになる第1サイクルの充電容量が合うようにそれぞれの電極合剤の塗布量を調整した。
ールフィシャー水分測定装置で測定)、遊離酸分は24ppm(ブロムチモールブルーを指示薬とし、0.1規定NaOH水溶液を用いて中和滴定して測定)であった。
実施例−1の電池1の負極集電体の銅箔の表面粗さを0.03μm、0.05μm、0.1μm、1μmとする以外は電池1と同様にして電池25〜28を作製した。次に比較用電池は次のようにして作った。電池1の負極集電体を厚さ20μmで表面粗さが0.01μmの銅箔に変更する以外は電池1と全く同様にして比較電池29を、電池1の負極集電体を厚さ20μmで表面粗さが0.1μmのアルミニウム箔に変更する以外は電池1と全く同様にして比較電池30を作った。これらの電池25〜30を用い、実施例1と同様な試験を行い表2の結果を得た。
2 巻回電極群
3 上部絶縁板
4 正極リード
5 ガスケット
6 正極端子を兼ねる電池蓋
61 圧力感応弁体
62 電流遮断素子(スイッチ)
63 PTC素子
Claims (2)
- 正極活物質を有する正極、負極材料を有する負極及び非水電解質を構成要素とする非水二次電池に於いて、該正極活物質がリチウム含有遷移金属酸化物であり、該負極材料がリチウムの挿入放出可能なケイ素単体又はケイ素原子を含む化合物であり、該非水二次電池を4.2Vまで充電した時の該負極材料のケイ素に対するリチウムの当量比をLixSiで表すとxが3.6以上4.2以下の範囲であり、該負極の集電体が平均表面粗さ0.03μm以上、1μm以下で厚さ5μm以上、100μm以下の金属箔支持体であることを特徴とする非水二次電池。
- 該負極の集電体が銅、ニッケル、チタンまたはそれらの合金またはステンレスからなることを特徴とする請求項1に記載の非水二次電池。
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