JP5348018B2 - リチウム2次電池用負極活物質、その製造方法およびこれを含むリチウム2次電池 - Google Patents
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Description
[化1]
SiOx
[化2]
MyOz
[化1]
SiOx
[化2]
MyOz
[化1]
SiOx
[化1]
SiOx
[化1]
SiOx
MyOz
1)負極の製造
シリコン金属とシリカ(SiO2)を共蒸着して、平均粒径が5μmであるシリコン酸化物(SiOx、0<x<2)を含むコアを製造した。前記コアは、CuKα線を利用したX線回折分析時のSi(111)面の回折ピークの半値幅(2θ)が1.9°であることを確認した。
LiCoO2正極活物質、ポリフッ化ビニリデンバインダー、およびカーボンブラック導電剤をN−メチルピロリドン溶媒中で混合して、正極活物質スラリーを製造した。この時、前記正極活物質、バインダー、および導電剤の混合比率は、94:3:3の質量比とした。この正極活物質スラリーをアルミニウム箔電流集電体に塗布する通常の電極製造工程によって正極を製造した。
アルミニウムイソプロポキシド粉末23g、エタノール70g、および前記コア97gを使用したことを除いては、前記実施例1と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は3質量%であった。
アルミニウムイソプロポキシド粉末38g、エタノール100g、および前記コア95gを使用したことを除いては、前記実施例1と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は5質量%であった。
アルミニウムイソプロポキシド粉末76g、エタノール150g、および前記コア90gを使用したことを除いては、前記実施例1と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は10質量%であった。
アルミニウムイソプロポキシド粉末152g、エタノール500g、および前記コア80gを使用したことを除いては、前記実施例1と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は20質量%であった。
1)負極の製造
前記実施例1と同一な方法でシリコン酸化物を含むコアを製造した。
イソプロピルアルコール50gとアルミニウム1gを還流させて製造したアルミニウムイソプロポキシドゾル(methoxide sol)を用いて、前記コア粉末99gを浸漬コーティングした後、窒素(N2)雰囲気および120℃で5時間乾燥し、700℃で10時間熱処理して負極活物質を製造した。前記熱処理工程により、前記コア表面に酸化アルミニウムが表面処理層として囲まれた負極活物質が製造された。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は1質量%であった。
前記実施例1と同一な方法で正極を製造した。
前記コア粉末97g、イソプロピルアルコール50g、およびアルミニウム3gを使用したことを除いては、前記実施例6と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は3質量%であった。
前記コア粉末95g、イソプロピルアルコール50g、およびアルミニウム5gを使用したことを除いては、前記実施例6と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は5質量%であった。
前記コア粉末90g、イソプロピルアルコール50g、およびアルミニウム10gを使用したことを除いては、前記実施例6と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は10質量%であった。
前記コア粉末80g、イソプロピルアルコール50g、およびアルミニウム20gを使用したことを除いては、前記実施例6と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は20質量%であった。
アルミニウムイソプロポキシド粉末167g、エタノール500g、および前記コア78gを使用したことを除いては、前記実施例1と同一の方法で負極および正極を製造した。前記製造した負極活物質のアルミニウム含有量は22質量%であった。
前記実施例1で製造され、シリコン酸化物を含み、表面処理をしていないコアを負極活物質に使用したことを除いては、前記実施例1と同一の方法で負極および正極を製造した。
前記実施例1乃至3および参考例4乃至5、比較例1および比較例2によって製造されたリチウム2次電池用負極活物質を利用してX線光電子分光(XPS)分析を実施し、この中の実施例1、実施例3、および比較例2によるリチウム2次電池用負極活物質のXPS分析結果を、下記表1および図2に示した。
前記実施例1乃至3および参考例4乃至5、比較例1および比較例2によって製造されたリチウム2次電池用負極活物質を利用して電解液に含浸した後、誘導結合プラズマ原子放出分光器(inductively coupled plasma atomic emission spectrometer、ICP-AES)Ultima(Jobin Yvom社製造)を利用して、Si溶出量を測定した。
前記実施例2および比較例2によって製造されたリチウム2次電池用負極活物質を利用して、通常の方法で563443の角形電池を製造した。前記角形電池を150℃の熱箱に入れた後、時間変化による電圧および温度の変化を測定し、その結果を図4に示した。
実施例1乃至3および参考例4乃至5、比較例1および比較例2によって製造されたリチウム2次電池用負極活物質を利用して、2016コイン形半電池(coin-type half cell)を製造し、常温および高温サイクル寿命特性を評価した。
112 負極
113 セパレータ
114 正極
120 電池容器
140 封入部材
Claims (18)
- 下記の化学式1で示されるシリコン酸化物を含むコアと、
前記コアの表面を囲み、下記の化学式2で示される金属酸化物を含む表面処理層
とを含み、前記金属酸化物の金属がリチウム2次電池用負極活物質の総質量に対して、1乃至5質量%で含まれる、リチウム2次電池用負極活物質。
[化1]
SiOx
[化2]
MyOz
(前記化学式1で、0<x<2であり、前記化学式2で、Mは、アルミニウムであり、yは2であり、zは3である。) - 前記表面処理層は0.001μm乃至1μmの厚さである、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記コアはシリコンナノ結晶を含む、請求項1または2に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記コアは、X線回折分析(CuKα)時のSi(111)面の回折ピークの半値幅(2θ)が0.1°乃至3°である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記xは0.5≦x≦1.5である、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記コアは1m2/g乃至10m2/gの比表面積である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質は、X線光電子分光(XPS)分析時に、Si−O結合エネルギーを示すXPSピークが99eV乃至110eVで現れる、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質は、X線光電子分光(XPS)分析時の前記コアのSi−O結合エネルギー(E0)に対する、前記負極活物質のSi−O結合エネルギー(E1)の比(E1/E0)が1.005乃至1.02である、請求項1乃至7のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質は0.1μm乃至100μmの平均粒径である、請求項1乃至8のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
- 下記の化学式1で示されるシリコン酸化物粉末を製造する段階と、
金属または金属アルコキシドを水または有機溶媒と混合して金属酸化物前駆体を製造する段階と、
空気または還元雰囲気で前記シリコン酸化物粉末および前記金属酸化物前駆体を混合して熱処理する段階
とを含み、前記化学式1で、0<x<2である、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
[化1]
SiOx - 前記熱処理は400℃乃至900℃の温度で行う、請求項10に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記アルコキシドはC1乃至C30アルコキシドである、請求項10または11に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記アルコキシドはC1乃至C20アルコキシドである、請求項12に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記アルコキシドはC1乃至C10アルコキシドである、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記アルコキシドはメトキシド、エトキシド、プロポキシド、イソプロポキシド、およびブトキシドからなる群より選択される、請求項14に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
- 下記の化学式1で示されるシリコン酸化物粉末を製造する段階と、
金属酸化物で前記シリコン酸化物粉末をコーティングする段階と、
前記コーティングされたシリコン酸化物を空気または還元雰囲気で熱処理する段階
とを含み、前記化学式1で、0<x<2である、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
[化1]
SiOx - 前記熱処理は400℃乃至900℃の温度で行う、請求項16に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
- 正極活物質を含む正極、負極活物質を含む負極、およびこれらの間に存在する電解質を含み、前記負極活物質が、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質である、リチウム2次電池。
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