JP5760593B2 - 活物質の製造方法、電極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本実施形態の活物質の製造方法は、リチウムがドープされた活物質(以下、場合により「リチウムドープ活物質」という)を製造するための方法であって、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート及びジメチルカーボネートからなる群より選択される少なくとも一種の溶媒と、リチウム塩と、金属リチウムと、活物質とを含む混合物中で、上記活物質と上記金属リチウムとを電気的に接触させることにより、上記活物質にリチウムをドープするドーピング工程を有する方法である。
図1は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を示す模式断面図である。図1に示すように、リチウムイオン二次電池100は、正極10と、正極10に対向する負極20と、正極10及び負極20の間に介在し、正極10の主面及び負極20の主面にそれぞれに接触するセパレータ18と、を備えたリチウムイオン二次電池である。
(リチウムドープ活物質の作製)
まず、アルドリッチ製リチウム粉末を、露点40〜50℃に保たれたドライルーム中に1時間放置し、リチウム粉末表面にはLi2CO3層が生成していることを確認した。以上によりLi2CO3の皮膜を有するリチウム粉末(粒径:50〜150μm)(以下、「安定化リチウムパウダー」と言う)を得た。この安定化リチウムパウダーを用い、リチウムドープ活物質の作製を、露点マイナス50℃〜マイナス40℃のドライルーム中において、以下の手順で行った。電解液として、1MのLiPF6溶液(溶媒:EC/DEC=3/7(体積比))を調製した。この電解液50質量部中に、負極活物質(SiO)100質量部と、上記安定化リチウムパウダー7質量部とを加え、混合物を得た。得られた混合物をマグネチックスターラーで室温にて24時間攪拌することで、負極活物質と上記安定化リチウムパウダーとを電気的に接触させ、負極活物質にリチウムをドープした(ドーピング工程)。その後、得られた活物質をDECで洗浄し、真空乾燥してリチウムドープ活物質を得た。
上記の方法で作製したリチウムドープ活物質83質量部、アセチレンブラック2質量部、ポリアミドイミド15質量部、及びN−メチルピロリドン82質量部を混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ14μmの銅箔の一面に、リチウムドープ活物質の塗布量が2.0mg/cm2となるように塗布し、100℃で乾燥することで活物質層を形成した。その後、ローラープレスにより負極を加圧成形し、真空中、350℃で3時間熱処理することで、活物質層の厚さが22μmである負極を得た。
上記で作製した負極と、銅箔にリチウム金属箔を貼り付けた対極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF6溶液(溶媒:EC/DEC=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
電解液中のリチウム塩を、それぞれ下記表1に示すものに変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜7のリチウムドープ活物質を得た。なお、電解液のリチウム塩の濃度は全て1Mとした。また、得られたリチウムドープ活物質を用いて、実施例1と同様にして実施例2〜7の負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製した。表1中、LiBOBはリチウムビス(オキサラト)ボレート(LiC4BO8)を示し、LiBETIはリチウムビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミド((C2F5SO2)2NLi)を示し、LiFSIはリチウムビスフルオロスルフォニルイミド((FSO2)2NLi)を示す。
ドーピング工程において、混合物中にさらにアセチレンブラック10質量部を加えたこと以外は実施例1と同様にして、実施例8のリチウムドープ活物質を得た。また、得られたリチウムドープ活物質を用いて、実施例1と同様にして実施例8の負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
ドーピング工程において、混合物をマグネチックスターラーで室温にて24時間攪拌した後、混合物に対して超音波振動(40kHz)を1時間加えたこと以外はそれぞれ実施例1〜4と同様にして、実施例9〜12のリチウムドープ活物質を得た。また、得られたリチウムドープ活物質を用いて、実施例1と同様にして実施例9〜12の負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
ドーピング工程において、混合物中の安定化リチウムパウダーに代えて、リチウム金属箔(縦5mm、横5mm、厚さ0.1mm)7質量部を加えたこと以外は実施例1と同様にして、実施例13のリチウムドープ活物質を得た。また、得られたリチウムドープ活物質を用いて、実施例1と同様にして実施例13の負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
電解液に代えて、リチウム塩を含まない溶媒(EC/DEC=3/7(体積比))を用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1のリチウムドープ活物質を得た。また、得られたリチウムドープ活物質を用いて、実施例1と同様にして比較例1の負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
リチウムドープ活物質に代えて、リチウムドープを行っていない上記負極活物質(SiO)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1で用いたものと同じアルドリッチ製リチウム粉末にSBRのトルエン溶液を加え、リチウム金属粉末分散液を調製した。この分散液を、比較例2と同様の方法で作製した電極の活物質層上に塗布し、室温で真空乾燥を行った後プレス機により電極を加圧成形した。この電極を用いて実施例1と同様にして比較例3の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1で用いたものと同じ上記アルドリッチ製リチウム粉末をトルエンに分散させたリチウム金属粉末分散液を調製した。この分散液を、実施例1で用いたものと同じ銅箔上に塗布し、室温で真空乾燥を行った。この銅箔のリチウム金属粉末を塗布した面に、リチウムドープを行っていない上記負極活物質(SiO)を用いた以外は実施例1と同様にして調製した活物質層形成用のスラリーを、負極活物質の塗布量が2.0mg/cm2となるように塗布し、100℃で乾燥することで活物質層を形成した。その後、ローラープレスにより負極を加圧成形し、真空中、350℃で3時間熱処理することで、活物質層の厚さが22μmである負極を得た。この負極を用いて実施例1と同様にして比較例4の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
実施例及び比較例で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、電圧範囲を0.005Vから2.5Vまでとし、1C=1600mAh/gとしたときの0.05Cでの電流値で充放電を行った。これにより、初期充電容量、初期放電容量及び初期効率を求めた。なお、初期効率(%)は、初期充電容量に対する初期放電容量の割合(100×初期放電容量/初期充電容量)である。この初期効率が高いほど、不可逆容量が低減されており、優れたドーピング効率が得られていることを意味する。結果を表1に示す。
Claims (6)
- エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート及びジメチルカーボネートからなる群より選択される少なくとも一種の溶媒と、リチウム塩と、金属リチウムと、活物質とを含む混合物中で、前記活物質と前記金属リチウムとを電気的に接触させることにより、前記活物質にリチウムをドープするドーピング工程を有し、
前記ドーピング工程は、前記混合物に超音波振動を加えることにより、前記活物質と前記金属リチウムとを電気的に接触させる、リチウムがドープされた活物質の製造方法。 - 前記リチウム塩がLiBF4、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiC4BO8、(C2F5SO2)2NLi、及び、(FSO2)2NLiからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1記載の活物質の製造方法。
- 前記金属リチウムが、Li2CO3により被覆されたリチウム金属粉末である、請求項1〜2のいずれか一項に記載の活物質の製造方法。
- 前記金属リチウムがリチウム金属箔である、請求項1〜2のいずれか一項に記載の活物質の製造方法。
- 集電体と、該集電体上に設けられた、請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法により製造されたリチウムがドープされた活物質を含む活物質層と、を備える電極。
- 請求項5に記載の電極を備えるリチウムイオン二次電池。
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