JP5245425B2 - 負極および二次電池 - Google Patents
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Description
図5および図6は第1の二次電池の断面構成を表しており、図6では図5に示したVI−VI線に沿った断面を示している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極22の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
図7および図8は第2の二次電池の断面構成を表しており、図8では図7に示した巻回電極体40の一部を拡大して示している。この二次電池は、例えば、上記した第1の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、正極41および負極42がセパレータ43を介して巻回された巻回電極体40と、一対の絶縁板32,33とが収納されたものである。この電池缶31を含む電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
図9は第3の二次電池の分解斜視構成を表しており、図10は図9に示したX−X線に沿った断面を拡大して示している。この二次電池は、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50がフィルム状の外装部材60の内部に収納されたものである。この外装部材60を含む電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
以下の手順により、図9および図10に示したラミネートフィルム型の二次電池を製造した。この際、負極54の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
ケイ素の単位重量当たりの微細孔群の容積を0.2cm3 /gに代えて、0.1cm3 /g(実施例1−2)、0.09cm3 /g(実施例1−3)、0.08cm3 /g(実施例1−4)、0.07cm3 /g(実施例1−5)、0.06cm3 /g(実施例1−6)、0.05cm3 /g(実施例1−7)、0.04cm3 /g(実施例1−8)、0.03cm3 /g(実施例1−9)、0.02cm3 /g(実施例1−10)、0.01cm3 /g(実施例1−11)、0.005cm3 /g(実施例1−12)、0.001cm3 /g(実施例1−13)、あるいは0cm3 /g(実施例1−14)としたことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。
酸化物含有膜を形成しなかったことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。この場合には、ケイ素の単位重量当たりの微細孔群の容積は0.4cm3 /gであった。
ケイ素の単位重量当たりの微細孔群の容積を0.35cm3 /g(比較例1−2)あるいは0.3cm3 /g(比較例1−3)としたことを除き、実施例1−1と同様の手順を経た。
蒸着源に対して負極集電体54Aを相対的に往復移動させながら6回に渡ってケイ素を堆積して積層させることにより、負極活物質を6層構造となるように形成したことを除き、実施例1−1,1−2,1−4,1−7,1−10〜1−14と同様の手順を経た。この際、堆積速度を100nm/秒とした。
実施例2−1〜2−9と同様に負極活物質を6層構造となるようにしたことを除き、比較例1−3と同様の手順を経た。
ケイ素のフッ化物錯体の溶液に代えてゲルマニウムのフッ化物錯体の溶液を用い、酸化物含有膜として酸化ケイ素に代えて酸化ゲルマニウム(GeO2 )を形成したことを除き、実施例2−1,2−2,2−4,2−5,2−7,2−9と同様の手順を経た。
実施例3−1〜3−6と同様に酸化物含有膜として酸化ゲルマニウムを形成したことを除き、比較例2と同様の手順を経た。
ケイ素のフッ化物錯体の溶液に代えてスズのフッ化物錯体の溶液を用い、酸化物含有膜として酸化ケイ素に代えて酸化スズ(SnO2 )を形成したことを除き、実施例2−1,2−2,2−4,2−5,2−7,2−9と同様の手順を経た。
実施例4−1〜4−6と同様に酸化物含有膜として酸化スズを形成したことを除き、比較例2と同様の手順を経た。
酸化物含有膜の形成方法として、液相析出法に代えて、ゾルゲル法(実施例5−1)、塗布法(実施例5−2)、あるいはディップコーティング法(実施例5−3)を用いたことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。
負極活物質を形成したのち、酸化物含有膜に代えて、リチウムと合金化しない金属材料を形成したことを除き、実施例2−1〜2−9と同様の手順を経た。この金属材料を形成する場合には、鍍金浴にエアーを供給しながら電解鍍金法によって負極集電体54Aの両面にコバルトを堆積させた。この際、鍍金液として日本高純度化学株式会社製のコバルト鍍金液を用い、電流密度を2A/dm2 〜5A/dm2 とし、鍍金速度を10nm/秒とした。また、鍍金時間を調整することにより、ケイ素の単位重量当たりの微細孔群の容積を0.2cm3 /gとした。
ケイ素の単位重量当たりの微細孔群の容積を0.2cm3 /gに代えて、0.1cm3 /g(実施例6−2)、0.05cm3 /g(実施例6−3)、0.02cm3 /g(実施例6−4)、0.005cm3 /g(実施例6−5)、あるいは0cm3 /g(実施例6−6)としたことを除き、実施例6−1と同様の手順を経た。
実施例6−1と同様に金属材料を形成したことを除き、比較例2と同様の手順を経た。
電解鍍金法に代えて、無電解鍍金法によって金属材料を形成したことを除き、実施例6−1〜6−6と同様の手順を経た。この際、鍍金液として日本高純度化学株式会社製の無電解コバルト鍍金液を用い、鍍金時間を60分とした。
実施例7−1〜7−6と同様に無電解鍍金法によって金属材料を形成したことを除き、比較例2と同様の手順を経た。
金属材料の形成材料としてコバルト鍍金液に代えて、ニッケル鍍金液(実施例8−1)、鉄鍍金液(実施例8−2)、亜鉛鍍金液(実施例8−3)、あるいは銅鍍金液(実施例8−4)を用いたことを除き、実施例6−4と同様の手順を経た。この際、電流密度として、ニッケル鍍金液を用いる場合には2A/dm2 〜10A/dm2 とし、鉄鍍金液を用いる場合には2A/dm2 〜5A/dm2 とし、亜鉛鍍金液を用いる場合には1A/dm2 〜3A/dm2 とし、銅鍍金液を用いる場合には2A/dm2 〜8A/dm2 とした。上記した一連の鍍金液は、いずれも日本高純度化学株式会社製である。
負極活物質中における酸素の含有量を3原子数%に代えて、2原子数%(実施例9−1)、10原子数%(実施例9−2)、20原子数%(実施例9−3)、30原子数%(実施例9−4)、40原子数%(実施例9−5)、あるいは45原子数%(実施例9−6)としたことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。
チャンバ内に連続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させて負極活物質に酸素を含有させる代わりに、チャンバ内に断続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させることにより、第1の酸素含有領域とそれよりも酸素含有量が高い第2の酸素含有領域とが交互に積層されるように負極活物質を形成したことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。この際、第2の酸素含有領域中における酸素の含有量を3原子数%とし、その数を2つ(実施例10−1)、4つ(実施例10−2)、あるいは6つ(実施例10−3)とした。
純度99%のケイ素と共に純度99.9%の金属元素を蒸着源として用いて双方を含有する負極活物質を形成したことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。この際、金属元素として、鉄(実施例11−1)、ニッケル(実施例11−2)、モリブデン(実施例11−3)、チタン(実施例11−4)、クロム(実施例11−5)、あるいはコバルト(実施例11−6)を用いた。この際、金属元素の蒸着量を調整し、負極活物質中における金属元素の含有量を5原子数%とした。
電子ビーム蒸着法に代えて、RFマグネトロンスパッタ法を用いて負極活物を形成したことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。この際、純度99.99%のケイ素をターゲットとして用い、堆積速度を0.5nm/秒とした。
電子ビーム蒸着法に代えて、CVD法を用いて負極活物質を形成したことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。この際、原材料および励起ガスとしてそれぞれシランおよびアルゴンを用い、堆積速度および基板温度をそれぞれ1.5nm/秒および200℃とした。
負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを3.5μmに代えて、1μm(実施例13−1)、1.5μm(実施例13−2)、2.5μm(実施例13−3)、4.5μm(実施例13−4)、5.5μm(実施例13−5)、6.5μm(実施例13−6)、あるいは7μm(実施例13−7)としたことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。
溶媒としてECに代えて、フッ素化炭酸エステル(炭酸モノフルオロエチレン)である4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を用いたことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。
溶媒としてフッ素化炭酸エステル(炭酸ジフルオロエチレン)である4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加え、混合溶媒の組成(EC:DFEC:DEC)を重量比で25:5:70としたことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。
電解液に溶媒として不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン(VC:実施例14−3)あるいは炭酸ビニルエチレン(VEC:実施例14−4)を加えたことを除き、実施例14−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるVC,VECの含有量を10重量%とした。
電解液に溶媒としてスルトンである1,3−プロペンスルトン(PRS)を加えたことを除き、実施例14−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるPRSの濃度を1重量%とした。
電解液に電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加えたことを除き、実施例14−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるLiBF4 の濃度を0.1mol/kgとした。
以下の手順により、ラミネートフィルム型の二次電池に代えて、図5および図6に示した角型の二次電池を製造したことを除き、実施例2−5と同様の手順を経た。
アルミニウム製の電池缶11に代えて、鉄製の電池缶11を用いたことを除き、実施例15−1と同様の手順を経た。
蒸着源に対する負極集電体54Aの往復移動速度を変化させることにより、ケイ素の単位重量当たりの極微細孔群の容積を0.2cm3 /g(実施例16−1)、0.05cm3 /g(実施例16−2)、0.01cm3 /g(実施例16−3)、あるいは0cm3 /g(実施例16−4)としたことを除き、実施例2−1〜2−9と同様の手順を経た。このケイ素の単位重量当たりの極微細孔群の容積については、負極活物質が形成された負極集電体54Aの総重量から負極集電体54Aの重量を差し引いた値(負極活物質であるケイ素の重量)と、Micromeritics 社製の水銀ポロシメータ(オートポア9500シリーズ)を用いて3nm以上20nm以下の孔径について測定した水銀の浸入量の値(極微細孔群の容積)とから算出した。
ケイ素の単位重量当たりの極微細孔群の容積を0.3cm3 /gとしたことを除き、比較例2と同様の手順を経た。
蒸着源に対する負極集電体54Aの往復移動速度を変化させることにより、ケイ素の単位重量当たりの極微細孔群の容積を0.2cm3 /g(実施例17−1)、0.05cm3 /g(実施例17−2)、0.01cm3 /g(実施例17−3)、あるいは0cm3 /g(実施例17−4)としたことを除き、実施例6−1〜6−6と同様の手順を経た。
ケイ素の単位重量当たりの極微細孔群の容積を0.3cm3 /gとしたことを除き、比較例6と同様の手順を経た。
Claims (18)
- 正極および負極と共に電解液を備え、
前記負極は、負極集電体と、それに設けられた負極活物質層とを有し、
前記負極活物質層は、負極活物質を含み、
前記負極活物質は、ケイ素(Si)を含有すると共に3nm以上50nm以下の孔径の細孔群を有し、
前記負極活物質層は、前記細孔内に、酸化物含有膜、および電極反応物質と合金化しない金属材料のうちの少なくとも一方を有し、
ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上50nm以下の孔径の細孔群の容積は、0.2cm3 /g以下である、
二次電池。 - ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上50nm以下の孔径の細孔群の容積は、0.05cm3 /g以下である、請求項1記載の二次電池。
- ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上50nm以下の孔径の細孔群の容積は、0cm3 /gである、請求項1記載の二次電池。
- ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上20nm以下の孔径の細孔群の容積は、0.2cm3 /g以下である、請求項1記載の二次電池。
- ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上20nm以下の孔径の細孔群の容積は、0.05cm3 /g以下である、請求項4記載の二次電池。
- ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上20nm以下の孔径の細孔群の容積は、0cm3 /gである、請求項4記載の二次電池。
- 前記酸化物含有膜は、ケイ素、ゲルマニウム(Ge)およびスズ(Sn)からなる群のうちの少なくとも1種の酸化物を含有する、請求項1記載の二次電池。
- 前記酸化物含有膜は、液相析出法、ゾルゲル法、塗布法あるいはディップコーティング法によって形成されている、請求項1記載の二次電池。
- 前記金属材料は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)および銅(Cu)からなる群のうちの少なくとも1種を含有する、請求項1記載の二次電池。
- 前記金属材料は、電解鍍金法あるいは無電解鍍金法によって形成されている、請求項1記載の二次電池。
- 前記負極活物質は、複数の粒子状である、請求項1記載の二次電池。
- 前記粒子状の負極活物質は、多層構造を有する、請求項11記載の二次電池。
- 前記負極活物質は、気相法によって形成されている、請求項1記載の二次電池。
- 前記負極活物質は、酸素を含有し、前記負極活物質中における酸素の含有量は、3原子数%以上40原子数%以下である、請求項1記載の二次電池。
- 前記負極活物質は、鉄、コバルト、ニッケル、クロム(Cr)、チタン(Ti)およびモリブデン(Mo)からなる群のうちの少なくとも1種の金属元素を含有する、請求項1記載の二次電池。
- 前記負極活物質は、前記負極集電体に連結されていると共に、その負極集電体の表面から前記負極活物質層の厚さ方向に成長している、請求項1記載の二次電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項1記載の二次電池。
- 負極集電体と、それに設けられた負極活物質層とを有し、
前記負極活物質層は、負極活物質を含み、
前記負極活物質は、ケイ素を含有すると共に3nm以上50nm以下の孔径の細孔群を有し、
前記負極活物質層は、前記細孔内に、酸化物含有膜、および電極反応物質と合金化しない金属材料のうちの少なくとも一方を有し、
ケイ素の単位重量当たりにおける、水銀ポロシメータを用いて水銀圧入法によって測定される3nm以上50nm以下の孔径の細孔群の容積は、0.2cm3 /g以下である、
負極。
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