JP5774444B2 - リチウムイオン二次電池用負極活物質およびその製造方法ならびにリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
SnOを主成分とするスズ原料をメカニカルミリング処理する第1工程と、該メカニカルミリング処理されたスズ原料を酸化処理する第2工程と、を含むことを特徴とする。
SnとSnO2とを含み、
該SnO2に含まれるSn原子の量は、該負極活物質に含まれるSn原子全体を100原子%としたときに、50原子%を超えるSn原子をSnO2として含むことを特徴とする。
Sn+4.4Li+4.4e←→Li4.4Sn・・・(2)
上記反応(1)は不可逆反応であり、反応(2)は可逆反応であるため、(1)で消費されたLi(Li2Oに含まれるLi)はリチウムイオン二次電池の充放電に関与しない。このためSnOを負極活物質とするリチウムイオン二次電池においては不可逆容量が生じる問題があった。なお、反応(2)は可逆反応であり、この反応によってリチウムイオン二次電池の充放電が可能になる。反応(2)は合金化反応と呼ばれる反応である。
Sn+4.4Li+4.4e←→Li4.4Sn・・・(2)
上式のように、SnO2とLiとの反応には、不可逆反応がなく、可逆反応のみである。上式(3)の反応はコンバージョン反応と呼ばれる反応であり、上式(2)はSnOとLiとの反応と同様の合金化反応である。本発明の負極活物質においては、コンバージョン反応を利用することで、容量を大幅に増大させ得る。
<負極活物質の製造方法>
スズ原料として、SnO粉末(株式会社高純度研究所社製)を準備した。このスズ原料をボールミル装置(ドイツ・フリッチュ社製、P−7)に投入し、空気中、室温、回転数450rpmで20時間メカニカルミリング処理した。
得られた負極活物質と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダー樹脂としてのポリアミック酸溶液(ポリイミド前駆体)とを混合し、スラリーを調製した。スラリー中の各成分の組成比は固形分として、負極活物質:AB:ポリイミドバインダー=85:5:10である。このスラリーを、厚さ20μmの電解銅箔(集電体)の表面にドクターブレードを用いて塗布し、銅箔上に負極活物質層を形成した。
正極としては、直径15.5mmの円板状、厚さ500μmの金属Li箔を用いた。
エチレンカーボネートと、エチルメチルカーボネートとを3:7(体積比)で混合し、混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度となるように溶解することで、非水電解液を調製した。
上記の負極、正極および電解液を用いてコイン電池を製作した。詳しくは、ドライルーム内で、厚さ25μmのポリプロピレン微孔質膜からなるセパレータ(Celgard2400)と、厚さ500μmのガラス不織布フィルタと、を正極と負極との間に挟装して、電極体電池とした。この電極体電池を、ステンレス容器からなる電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースには上記の電解液を注入した。電池ケースをカシメ機で密閉して、実施例のリチウムイオン二次電池を得た。
比較例1の負極活物質はSnである。このSnを負極活物質とし、実施例1と同じ方法で比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
比較例2の負極活物質の製造方法は、スズ原料すなわちSnOにメカニカルミリング処理のみを施し加熱処理を施さなかったこと以外は実施例1の負極活物質の製造方法と同じである。比較例2の負極活物質は、メカニカルミリング処理されたスズ原料(すなわち負極活物質前駆体)である。比較例2の負極活物質を用い、実施例1と同じ方法で比較例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(SEMによる硫黄系正極活物質の分析)
スズ原料、実施例の負極活物質および比較例2の負極活物質を、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)により表面観察した。このときの加速電圧は20kVであり倍率は500倍と2000倍であった。スズ原料のSEM像を図1に示し、比較例2の負極活物質のSEM像を図2に示し、実施例の負極活物質のSEM像を図3に示す。
実施例の負極活物質および比較例2の負極活物質について、X線回折分析を行った。装置として粉末X線回折装置(リガク社製、MiniFlex)を用いた。測定条件は、CuKα線、電圧:30kV、電流:20mA、スキャン速度:2°/分、サンプリング:0.01°、積算回数:1回、回折角(2θ):5°〜80°であった。X線回折で得られた回折パターンを図4に示す。図4に示すように、実施例の負極活物質および比較例2の負極活物質には、Snのピーク(図中▲)、SnOのピーク(図中×)およびSnO2のピーク(図中○)が確認された。また、実施例の負極活物質において確認されたSnのピークは、比較例2の負極活物質で検出されたSnのピークに比べて、強度が低く数も少なかった。このことから、SnOをメカニカルミリング処理することでSnが生成することがわかる。また、実施例(酸化処理後)の負極活物質におけるSnのピークが、SnO2のピークに比べて相対的に小さくなっていることから、酸化処理によりSnの表面の酸化被膜が成長したことがわかる。つまりこの結果から、実施例の負極活物質はSnからなる芯部と芯部を覆う被覆部とで構成され、被覆部にはSnO2が含まれていることがわかる。
比較例1の負極活物質および比較例2の負極活物質の熱質量変化(TG)を測定した。測定装置としてはリガク製熱分析装置(Thermo Plus TG8120)を用いた。詳しくは、空気を300ml/分の流量で供給しつつ、各試料を室温から400℃まで10℃/分の昇温速度で加熱し、温度と質量変化との関係を測定することによって、熱質量−示差熱分析を行った。分析結果を図5に示す。図5に示すように、比較例2の負極活物質(つまり、SnOのメカニカルミリング処理品)は、比較例1の負極活物質(つまり単体Sn)に比べて質量変化が大きい。具体的には、比較例2の負極活物質の質量は、加熱前には23mgであり、室温から100℃まで加熱すると0.11mg減少し、その後、400℃まで加熱すると0.636mg増加した。つまり、SnOのメカニカルミリング処理品を加熱すると、100℃までの加熱で吸着水0.11mgが蒸発し、その後、0.636−(−0.11)=0.746mg質量増加した。
実施例および比較例1、2のリチウムイオン二次電池の充放電容量を測定した。詳しくは、各リチウムイオン二次電池に、負極活物質1cm2あたり0.2mAとなる電流密度、放電終止電圧0V、充電終止電圧3.0V、0.1Cで1サイクル目の充放電を行った。2サイクル目以降は、負極活物質1cm2あたり0.5mAとなる電流密度で充放電をおこなった。なお、2サイクル目以降の放電終止電圧、充電終止電圧およびCレートは1サイクル目と同じである。充放電は10サイクル繰り返した。評価試験(1サイクル目)の結果を表1に示す。実施例および比較例1、2のリチウムイオン二次電池の1サイクル目の充放電曲線を図6に示す。実施例および比較例1、2のリチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果を図7および図8に示す。なお、図7はサイクル経過に伴う放電容量の変化を表すグラフであり、図8はサイクル経過に伴うクーロン効率の変化を表すグラフである。
Claims (12)
- スズ(Sn)を含むリチウムイオン二次電池用負極活物質を製造する方法であって、
SnOを主成分とするスズ原料をメカニカルミリング処理する第1工程と、該メカニカルミリング処理されたスズ原料を酸化処理する第2工程と、を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記第2工程は酸素(O)存在下で前記スズ原料を加熱する工程である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記第2工程における加熱温度は280℃以上である請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記第2工程における加熱温度は390℃以上である請求項1〜請求項3の何れか一つに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記第1工程においてSnOからSnおよびSnO2を生成させる請求項1〜請求項4の何れか一つに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記第2工程において少なくとも一部のSnを酸化しSnO2を生成させる請求項1〜請求項5の何れか一つに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記SnO2に含まれるSn原子の量は、前記第1工程前のスズ原料に含まれるSn原子を100原子%としたときに、50原子%を超える請求項5または請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記第1工程において、Snからなる芯部と、SnO2を含み該芯部を覆う被覆部と、を持つ負極活物質前駆体を生成させ、
前記第2工程において、該負極活物質前駆体の該被覆部にSnO2を生成させる請求項5〜請求項7の何れか一つに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法。 - 請求項1〜請求項8の何れか一つに記載の製造方法によって得られる、スズ(Sn)を含むリチウムイオン二次電池用負極活物質であって、
SnとSnO2とを含み、
該SnO2に含まれるSn原子の量は、該負極活物質に含まれるSn原子全体を100原子%としたときに、50原子%を超えることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質。 - 前記負極活物質は、Snからなる芯部と、SnO2を含み該芯部を覆う被覆部と、を持つ請求項9に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
- 請求項9または請求項10に記載の負極活物質を負極に含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 請求項11に記載のリチウムイオン二次電池を備えることを特徴とする車両。
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