JP6115909B2 - リチウム二次電池用負極およびその製造方法、並びに該負極を用いたリチウム二次電池および該電池を用いた電気機器 - Google Patents
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Description
また、充放電に基づく膨張・収縮による微粉化が起こることは避けられず、充放電容量の低下を充分に抑制できる段階には達していないため、実用化に至っていない。
特に外部からの加熱は、夏場の密閉された車内、冬場の暖房器具による加熱等を考慮すると皆無とはいえず、外部から過度に熱を加えられることも充分に想定する必要があるといえる。
したがって、セパレータの他にも安全装置は必要であるといえ、電気的保護回路、機械的保護回路等を設置する必要性がある。機械的に電流を遮断する方法としては、例えば、特許文献7に記載のような遮断機構が知られている。
つまり、この特許文献7では、キャップ、上部弁体、絶縁ガスケットおよび下部弁体の積層体を内部に収納した金属ケースの開口端部がかしめ加工により内方に折り込まれている構造を有している。上下部弁体は中央部の溶接によって電気的に接続されており、電流遮断圧力は下部弁体が有する昜破断部の破断強度によって設定される。すなわち、電池内圧が所定値まで上昇したときに下部弁体が押圧されて、昜破断部の内側部分がくり抜かれることで通電電流が遮断される。
その結果、活物質マトリックス中に細孔を存在させ、さらにその細孔の表面が電子導電性物質で被覆した複合粉末を用いた負極とすることで、Liの吸蔵・放出に伴う膨張および収縮が緩和されて、且つ活物質の導電性を改善し、優れた出力特性とサイクル寿命特性を発揮できることを見出し、ここに発明を完成するに至った。
本発明のリチウム二次電池用負極は、負極活物質マトリックス中に細孔が存在し、その細孔の表面が電子導電性物質で被覆されていることが好ましい。
例えば、従来から知られているような、無電解めっきやスパッタ等により、活物質粒子表面への電子導電性物質を被覆する方法では、ある程度の電子導電性物質を活物質に被覆しなければ効果が得られない。ところが、電子導電性物質はイオンを透過しないため、イオン導電性が低下し、出力特性が低下する。そのため、イオン導電性の観点から、電子導電性の付与が不十分であった。
しかし、本発明のリチウム二次電池用負極によれば、活物質マトリックス中に細孔が存在し、その細孔の表面が電子導電性物質で被覆されている。そのため、活物質粒子全体が電子導電性物質で被覆されているのではないので、イオン導電性の低下を招きにくい。従って、活物質−活物質間、活物質−導電助剤間、活物質−集電体間等の導電性を改善し、且つ無数の細孔が毛細管現象により、電解液が染み込みやすく、イオン導電性も改善されるため、出力特性が向上する。
加えて、細孔は活物質の膨張を緩和するスペースにもなるため、活物質の体積膨張による応力が緩和されて、優れたサイクル寿命特性が得られる。
電子導電性物質が被覆された細孔は負極活物質マトリックス中ではなく負極バインダー中に存在しても同等の効果が得られ、負極活物質マトリックス中と負極バインダー中の両方に存在することが出力特性の点からより好ましい。
負極活物質マトリックス中に細孔が存在するとは、負極活物質を骨格構造にして、その骨格内に細孔を存在させたものである。
細孔サイズが50nmを超える場合、電極強度が低下するため、脆くなり、良好なサイクル寿命特性が得られにくい。逆に、2nm未満だと電解液の浸透量が少なく、リチウムイオンの授受がスムーズに進行しにくく、良好な出力特性が得られにくい。以上の観点から、前記細孔は、2〜50nmのメソ細孔(平均細孔径)を有することが好ましく、3〜20nmのメソ細孔(平均細孔径)を有することがより好ましい。
メソ細孔の平均細孔径は、窒素吸着法を用い、窒素吸着等温線からBJH法により求めることができ、具体的には実施例に記載の方法で測定できる。
電子導電性物質が30質量%を超える場合、負極容量が低下するだけでなく、過剰な電子導電性物質がリチウムイオンの動きを阻害し、出力特性の低下を招く可能性がある。しかし、電子導電性物質が1%を下回ると、電子導電性の量が少ないために、出力特性の向上が顕著でない。
バッファー層は、その後の充放電反応に寄与せず、活物質の体積変化を緩和する役割がある。
上記した化合物を用いたリチウム二次電池用負極は、優れたサイクル寿命特性が得られる。
(1)前記A成分が、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵することができる材料であり、
(2)前記B成分が、初期の充電でリチウム還元されてバッファー層に分解する化合物であることが好ましい。
上記のリチウム二次電池用負極であれば、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性を発揮できる。
シュウ酸スズを含ませることで、電池の温度が上昇した際に、シュウ酸スズが250℃付近で熱分解し、炭酸ガスを発生する。分解した炭酸ガスは、電池内圧を上昇させるが、電池に圧力を利用して機械的に電流遮断する機能を搭載することで、正極活物質から酸素放出する前に電池の機能を停止できるため、安全性を改善することが可能である。機械的に遮断する方法は特許文献7に記載の遮断機構が知られている。
つまり、キャップ、上部弁体、絶縁ガスケットおよび下部弁体の積層体を内部に収納した金属ケースの開口端部がかしめ加工により内方に折り込まれている構造を有している。上下部弁体は中央部の溶接によって電気的に接続されており、電流遮断圧力は下部弁体が有する昜破断部の破断強度によって設定される。すなわち、電池内圧が所定値まで上昇したときに下部弁体が押圧されて、昜破断部の内側部分がくり抜かれることで通電電流が遮断される。
前記電子導電性物質がCuであれば、活物質近傍にCuを存在させることとなり、活物質とCuとの合金が得られ、充放電に伴う活物質の体積変化を抑制する効果があり、優れたサイクル寿命特性が得られやすい。この場合、活物質は、SnやSn化合物であることが好ましい。
前記電子導電性物質がCuの他、Niを含有することで、活物質とCuとNiの合金が得られ、充放電に伴う活物質の体積変化を抑制する効果と活物質粒子に亀裂が入りにくいため、優れたサイクル寿命特性が得られやすい。この場合も、前記同様、活物質は、SnやSn化合物であることが好ましい。
比表面積が10m2/g未満である場合、リチウムイオンの授受を行う反応面積が少なく、良好な出力特性が得られにくく、また、活物質の体積膨張の緩和が顕著でない。比表面積が、100m2/gを超える場合は、活物質粒子自身の強度が低下し、負極が劣化しやすい。
比表面積は、BET比表面積を採用し、具体的には、実施例に記載の方法で測定できる。
空隙率が20%未満である場合、負極活物質層への電解液浸透速度が遅く、エージング処理時間が長くなるばかりでなく、出力特性の低下を招くことがある。空隙率が60%を超える場合、電極が脆くなり、良好なサイクル寿命が得られない可能性がある。以上の観点から、前記空隙率は、20〜60%の範囲にあることが好ましく、30〜50%の範囲にあることがより好ましい。
活物質の放電容量が600mAh/gを超える場合は、充放電に伴う体積変化が大きいため、バインダーとしてポリイミドを用いることが好ましい。600mAh/g未満であれば、従来バインダーであるPVdFやSBRなどを用いてもよい。
SUS箔は他の金属に比べ、耐食性と耐熱性に優れており、且つ、銅に比べて強度が高く密度が小さい。これを集電体として用いることにより、負極の強度を増加させ、集電体由来による負極の劣化を抑制し、負極のサイクル寿命特性を向上させる。
さらに、SUS箔は、集電体を薄くしても強度があるため、コンパクト化も可能になる。
(工程1)負極活物質マトリックス中に有機金属錯体を分散させる工程、及び
(工程2)加熱処理により前記有機金属錯体を分解させる工程
これにより、負極活物質マトリックス中に細孔を存在させ、その細孔の表面を電子導電性物質で被覆させることができ、高い出力特性と優れたサイクル寿命特性を有する負極材料を得ることが可能である。
上記した有機金属錯体であれば、加熱処理により、電子導電性物質に分解される。これを逸脱する場合は、加熱処理に必要な温度が高くなる可能性があり、また電子導電性物質に分解されないことがある。
上記方法によれば、均一にシュウ酸スズマトリックス中にM−CxHyOzを含有させることが可能である。
上記方法によれば、放電容量の大きな活物質を得ることが可能である。
蟻酸銅を用いることで、容易に溶媒に溶解させることが可能で、且つ、工程2の加熱処理において酸化されにくい。
合剤スラリー中に、前記有機金属錯体を分散させ、スラリー塗布後に加熱処理することで、活物質の他に、バインダーや導電助剤等にも細孔と有機金属錯体を分解した際に得られる電子導電材料を付与することができる。
これにより、サイクル寿命特性と出力特性に優れたリチウム二次電池が得られる。
この電気機器は、サイクル寿命特性と出力特性に優れているため、産業用、車載用などの電源として好適に用いることが可能である。
負極中に細孔が存在することにより、毛細管現象によって電解液の浸透が促進され、電極中のイオン導電性が向上する。一方その細孔表面が電子導電性物質で被覆されているため、電子導電性も確保でき、電池の出力特性が向上する。また、細孔が存在することで、Liの吸蔵・放出に伴う体積変化を緩和するスペースになるため、優れたサイクル特性が得られる。
電子導電性物質が被覆された細孔は負極活物質マトリックス中ではなく負極バインダー中に存在しても同等の効果が得られ、負極活物質マトリックス中と負極バインダー中の両方に存在することが出力特性の点からより好ましい。
負極中の負極活物質マトリックス成分並びに電子導電性物質成分量は、XRF(蛍光X線分析)やICP発光分光分析法(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法)といった元素分析等を行うことで測定することができる。また前記負極中には、負極活物質マトリックス成分並びに電子導電性物質成分が主成分相として存在していればよく、ごく微量の不純物が存在していても出力特性およびサイクル特性にはほとんど悪影響を及ぼさない。
この条件を満たす負極活物質マトリックス成分としては、具体的には、ハロゲン化金属(MF2、MCl2、MBr2、MI2、MI4等)、シュウ酸金属(Mx(C2O4)y;x/y=0.5〜2)、硫酸金属(Mx(SO4)y;x/y=0.2〜1.5)、リン酸金属(Mx(PO4)y;x/y=0.2〜1.5)、Mx(HPO4)y;x/y=0.2〜2、Mx(P2O5)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(P2O7)y;x/y=0.5〜1.8、Mx(P3O10)y;x/y=0.5〜1.8、炭酸金属(Mx(CO3)y;x/y=0.2〜2.5)、硝酸金属(Mx(NO3)y;x/y=0.2〜1.8)、ホウ酸金属(Mx(BO3)y;x/y=0.2〜1.8)、Mx(HBO3)y;x/y=0.2〜2、Mx(B2O3)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(B4O7)y;x/y=0.5〜2等が挙げられる。これらのうち、金属(M)がSi、Sn、In、Pb、Ag、Al等であると、充放電容量が大きくなるため好ましい。
(1)A成分が、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵することができる材料であり、
(2)B成分が、初期の充電でリチウム還元されてバッファー層に分解する化合物であることが好ましい。
これらの中でも、放電プラトーの領域が0〜1V(vs.Li+/Li)の範囲内に観測できる観点から、Li、C、Mg、Al、Si、Ti、Zn、Ga、Ge、Ag、In、Sn、およびPbよりなる群から選ばれた少なくとも一種以上の元素、これらの元素を用いた合金、酸化物、カルコゲン化物、有機化合物、またはハロゲン化物が好ましい。さらにエネルギー密度の観点から、元素としては、Al、Si、Zn、Ge、Ag、Sn等の元素が好ましく、合金としては、Si−Al、Al−Zn、Si−Mg、Al−Ge、Si−Ge、Si−Ag、Si−Sn、Zn−Sn、Ge−Ag、Ge−Sn、Ge−Sb、Ag−Ge、Sn−Sb等の各組み合わせ等が好ましく、酸化物としては、SiO、SnO、SnO2、Li4Ti5O12、酸化インジウムスズ(ITO)が好ましく、カルコゲン化物としては、SnS、SnS2等が好ましく、有機化合物としては、SnC2O4等が好ましく、ハロゲン化物としては、SnF2、SnCl2、SnBr2、SnI2、SnI4等が好ましい。
これらのうち、サイクル寿命特性が特に良好なSnC2O4および/またはSnCl2がより好ましい。さらに材料コストの面から、シュウ酸スズ(SnC2O4)が好ましい。また、シュウ酸スズは電池の温度が上昇した際に、250℃付近で熱分解し、炭酸ガスを発生する。分解した炭酸ガスは、電池内圧を上昇させるが、電池に圧力を利用して機械的に電流遮断する機能を搭載することで、正極活物質から酸素放出する前に電池の機能を停止できるため、安全性を改善することが可能である。
なお、負極活物質マトリックス成分は2種以上使用しても何ら問題ない。
前記電子導電性物質がCuであれば、活物質近傍にCuを存在させることとなり、活物質とCuとの合金が得られ、充放電に伴う活物質の体積変化を抑制する効果があり、優れたサイクル寿命特性が得られやすい。この場合、活物質は、SnやSn化合物であることが好ましい。
なお、Cuの量はXRFやICPといった元素分析等を行うことで求めることができる。
前記電子導電性物質がCuの他、Niを含有させることで、活物質とCuとNiの合金が得られ、充放電に伴う活物質の体積変化を抑制する効果と活物質粒子に亀裂が入りにくいため、優れたサイクル寿命特性が得られやすい。この場合も、前記同様、活物質は、SnやSn化合物であることが好ましい。
比表面積は、BET比表面積を採用し、具体的には、実施例に記載の方法で測定できる。
空隙率は、水銀圧入法やガス吸着法から直接的に測定することも可能であるし、電極密度とスラリー合剤の真密度の比から求めることも可能である。
(工程1)負極活物質マトリックス中に有機金属錯体を分散させる工程、
(工程2)加熱処理により有機金属錯体を分解させる工程
(工程1)により、負極活物質マトリックス中に有機金属錯体を分散させ、その後の加熱処理(工程2)によって、有機金属錯体を分解させるという2段階処理により、活物質マトリックス中に細孔を存在させ、さらにその細孔の表面が電子導電性物質で被覆されている構造を生み出すことが可能となる。
上記した有機金属錯体であれば、加熱処理により、電子導電性物質である金属M(但し、MはCuまたはNiから選択される少なくとも一種以上の元素)に分解される。これを逸脱する場合は、加熱処理に必要な温度が高くなる可能性があり、また電子導電性物質に分解されないことがある。
なお、加熱処理後の電子導電性物質は主成分が金属M(但し、MはCuまたはNiから選択される少なくとも一種以上の元素)であれば良く、不純物として副反応生成物(例えば金属Mの酸化物、水酸化物、またはカーボン)がごく微量含まれていたとしても電池の出力特性およびサイクル特性には悪影響を及ぼさない。
上記方法によれば、シュウ酸スズマトリックス中にM−CxHyOzを均一に含有させることが可能である。ここで本明細書中における『活物質(シュウ酸スズ)マトリックス中にM−CxHyOzを含有させる』とは、シュウ酸(または塩化スズ)とM−CxHyOzを溶媒に溶解させることで、イオンレベルにまで一様な溶液にし、ここに塩化スズ(またはシュウ酸)を加えてシュウ酸スズが析出する際に、そのマトリックス中にM−CxHyOzが取り込まれている状態を表す。
また、前記方法以外にも、まずシュウ酸スズのみを作製し、M−CxHyOz溶液に含浸させることも可能であるし、メカニカルミリング等を用いて複合化させることも可能である。
負極活物質層が、厚み5μm未満である場合は、電極容量密度が小さくなる。厚み200μmを超える場合は、電気抵抗率が高すぎて、充放電に時間がかかり、また、体積変化が大きくなるため、寿命特性が悪くなり、十分な電池性能が発揮できない。
このうち、集電体は、機械的強度と電極のサイクル寿命特性の観点から、ステンレス鋼が好ましい。
しかし、集電体としてステンレス鋼を使用した場合、1000〜1500mAh/g程度の高容量負極であっても、後述する実施例に示す如く、収縮後に皺(歪み)ができず、サイクル寿命特性が悪化することがない。
集電体の形状には、線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことからエキスパンド、多孔体又は発泡体が好ましい。
長寿命化の観点からは、集電体は厚み1〜30μmの範囲内のSUS箔であることが好ましい。SUS箔は他の金属に比べ、耐食性と耐熱性に優れており、且つ、銅に比べて強度が高く密度が小さい。これを集電体として用いることにより、負極の強度を増加させ、集電体由来による負極の劣化を抑制し、負極のサイクル寿命特性を向上させる。
このうち、バインダーは、耐熱性を有する熱硬化性樹脂であることが好ましい。
例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)等の材料が好ましく、特にサイクル寿命特性の観点から、PIがより好ましい。
バインダーとして、耐熱性を有する熱硬化性樹脂を用いることで、短絡の際、局所的に温度が上昇しても、バインダーが分解又は炭化することを抑制し、電池の温度上昇を低くすることができる。
電極に含有される活物質、バインダー、導電助剤の合計を100質量%とした場合、バインダーが1〜20質量%含有されていることが好ましい。
バインダーが1質量%未満であると電極の機械的構成が得られにくく、サイクル寿命特性が悪くなる。一方、20質量%を超える場合は、電極のイオン導電性が低く、また電気抵抗率が高すぎて、充放電に時間がかかり、また、活物質の割合が少ないため、電極容量密度が低くなりやすい。
本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法としては、活物質と、バインダーと、必要に応じて添加される導電助剤とを混合し、スラリー化したものを、集電体に塗布し、仮乾燥させた後、加熱処理を行って電極を得る方法を挙げることができる。
スラリーは、有機金属錯体(M−CxHyOz)をさらに添加して作製することが好ましい。M−CxHyOzはスラリー中の溶媒に溶けるため、スラリー中にイオンレベルでM−CxHyOzが分散しているスラリーが得られる。従って、塗工後の熱処理により、M−CxHyOzは熱分解し、負極中にM(電子導電性物質)と細孔がナノレベルで均一分散した状態で生成する。
活物質、バインダー、導電助剤、M−CxHyOzの合計量を100質量%とした場合、M−CxHyOzの添加量は、多すぎると活物質の割合が低下し、負極容量が低下し、少な過ぎると電子導電性とイオン導電性の向上が顕著でないため、1〜20質量%が好ましく、2〜10質量%が更に好ましい。
仮乾燥は、スラリー内の溶媒が揮発除去できる方法であれば特に限定されないが、例えば、大気中50〜120℃の温度雰囲気下で熱処理する方法を挙げることができる。
上記の熱処理は、非酸化性雰囲気下で、100〜400℃に0.5〜50時間保持することによって行うことができる。また、バインダーにポリイミドを用いる場合は、200〜400℃の温度雰囲気下で、さらに好ましくは210〜300℃の温度雰囲気下で熱処理することが好ましい。
熱処理は、電極中の水分を取り除く効果と、活物質中やスラリー中に存在する有機金属錯体を熱分解させる効果を有する。
不可逆容量のある材料を用いた負極の場合は、リチウムドープにより、不可逆容量をキャンセルしていることが好ましい。
リチウムドープの方法としては、特に限定されないが、例えば、(i)電極集電体上の活物質層がない部分に金属リチウムを貼り付け、注液することでローカルセルを形成し、電極活物質中にリチウムをドープする方法、(ii)電極集電体上の活物質層上に金属リチウムを貼り付け、注液することで強制短絡させ、電極活物質中にリチウムをドープする方法、(iii)活物質層上に蒸着やスパッタにより金属リチウムを成膜し、固相反応で電極活物質中にリチウムをドープする方法、(iv)電池構成前の電極に、電解液中で電気化学的にリチウムをドープする方法、(v)活物質粉末に金属リチウムを加え混合処理することで、活物質中にリチウムをドープする方法、等の方法が挙げられる。
このようにして得た負極は、セパレータを介して正極と接合され、電解液内に浸漬した状態で密閉化され、二次電池となる。
本発明の負極を用いて得られるリチウム二次電池の正極は、三元系(Li(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O2)、Li2MnO3−LiNiO2固溶体、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、MnO2、LiV2O5、LiVO2、LiNb2O5、LiNbO2、LiFeO2、LiMgO2、LiCaO2、LiTiO2、LiTiS2、LiCrO2、LiRuO2、LiCuO2、LiZnO2、LiMoO2、LiMoS2、LiTaO2、LiWO2等を含む公知の電極が用いられる。
正極としては、上記した電極のうち、ポリアニオンを有する電極を使用することが好ましい。ポリアニオンを有する電極とは、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、であり、特にLiFePO4を含有している電極を使用することが好ましい。
その理由は、400℃程度までほとんど酸素発生・発熱を示さず、熱的安定性と化学的安定性において優れているためである。また、資源的制約と毒性も低く、優れたサイクル寿命特性を発揮することができるためである。さらに、短絡の際、リチウム拡散速度が遅く、正極の発熱量が小さいためである。
セパレータの形状は、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられ、このうち、出力特性と製造コストの観点から微多孔膜又は不織布が好ましい。
セパレータの材質としては、特に限定されないが、短絡時の局所的な発熱で、メルトダウンしない耐熱性樹脂を含んでいることが好ましい。
耐熱性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド等の材料が好ましい。また、既存のセパレータにセラミックスを被覆し、耐熱性を向上させたセパレータであってもよい。
また、上記電解質の溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドよりなる群から選択される少なくとも1種を用いることができ、特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物、又はγ−ブチロラクトンが好適である。なお、上記エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物の混合比は、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートともに10〜90体積%の範囲で任意に調整することができる。
また、本発明のリチウム二次電池の電解質は、固体電解質やイオン性液体であっても構わない。
さらに、これら電解質および溶媒は主成分が上記のものであればよく、ここにビニレンカーボネート(VC)や難燃性の添加剤等が加えられていても電池特性には悪影響を及ぼさない。
リチウム二次電池の構造としては、特に限定されないが、積層式電池、捲回式電池などの既存の電池形態・構造に適用できる。
本発明の電極を具備したリチウム二次電池は、出力特性とサイクル寿命特性が良好であることから、様々な電気機器(電気を使用する乗り物を含む)の電源として利用することができる。
本発明の負極を具備したリチウム二次電池は、出力特性とサイクル寿命特性が良好であることから、様々な電気機器(電気を使用する乗り物を含む)の電源として利用することができる。
電気機器としては、例えば、エアコン、洗濯機、テレビ、冷蔵庫、冷凍庫、冷房機器、ノートパソコン、タブレット、スマートフォン、パソコンキーボード、パソコン用ディスプレイ、デスクトップ型パソコン、CRTモニター、パソコンラック、プリンター、一体型パソコン、マウス、ハードディスク、パソコン周辺機器、アイロン、衣類乾燥機、ウインドウファン、トランシーバー、送風機、換気扇、テレビ、音楽レコーダー、音楽プレーヤー、オーブン、レンジ、洗浄機能付便座、温風ヒーター、カーコンポ、カーナビ、懐中電灯、加湿器、携帯カラオケ機、換気扇、乾燥機、乾電池、空気清浄器、携帯電話、非常用電灯、ゲーム機、血圧計、コーヒーミル、コーヒーメーカー、こたつ、コピー機、ディスクチェンジャー、ラジオ、シェーバー、ジューサー、シュレッダー、浄水器、照明器具、除湿器、食器乾燥機、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、掃除機、体脂肪計、体重計、ヘルスメーター、ムービープレーヤー、電気カーペット、電気釜、炊飯器、電気かみそり、電気スタンド、電気ポット、電子ゲーム機、携帯ゲーム機、電子辞書、電子手帳、電子レンジ、電磁調理器、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電動歯ブラシ、あんか、散髪器具、電話機、時計、インターホン、エアサーキュレーター、電撃殺虫器、複写機、ホットプレート、トースター、ドライヤー、電動ドリル、給湯器、パネルヒーター、粉砕機、はんだごて、ビデオカメラ、ビデオデッキ、ファクシミリ、ファンヒーター、フードプロセッサー、布団乾燥機、ヘッドホン、ホットカーペット、マイク、マッサージ機、豆電球、ミキサー、ミシン、もちつき機、床暖房パネル、ランタン、リモコン、冷温庫、冷水器、冷凍ストッカー、冷風器、ワープロ、泡だて器、電子楽器、オートバイ、おもちゃ類、芝刈り機、うき、自転車、自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道、船、飛行機、非常用蓄電池などが挙げられる。
濃度0.75mol/Lの塩化スズ水溶液に表1に示すA成分を分散させた。一方、濃度0.5mol/Lのシュウ酸水溶液に、C成分前駆体(有機金属錯体)を溶解させた。このシュウ酸水溶液に上記の塩化スズ水溶液を滴下し、「SnCl2+H2C2O4→SnC2O4+2HCl」の反応により、A成分にB成分であるシュウ酸スズとC成分前駆体を被覆した。沈殿物をろ過して、ろ物を乾燥し、次いで加熱処理(減圧中、230℃、1時間以上)を行い、C成分前駆体をC成分へと変化させ、A成分にC成分含有B成分(シュウ酸スズ)が被覆された複合粉末を作製した。なお、上記の加熱処理(減圧中、230℃、1時間以上)は後述の電極(負極)作製時の加熱処理と併せて行うことも可能である。
本製造方法をフローチャートにし、図1にまとめる。実施例1〜6、および比較例1〜4で用いた出発原料およびA成分、B成分およびC成分前駆体との調合比(質量%)を表1に示す。
実施例8および9は、A成分、B成分、C成分前駆体の調合比を変えたこと以外は、実施例1と同様である。実施例8および9で用いた出発原料およびA成分、B成分および蟻酸銅との調合比(質量%)を表2に示す。
実施例1〜17および比較例1〜4で得られた複合粉末を熱処理(減圧中、230℃、1時間以上)した。その後の活物質組成と活物質組成比を表5に示す。
一例として、蟻酸銅(Cu(HCOO)2)の熱処理前後のXRDパターンを図2に示す。図2から明らかなように、加熱処理により蟻酸銅のピークが消失し、新たに銅のピークが現れた。すなわち、加熱処理により、蟻酸銅が熱分解し、電子導電性を有する銅が生成したことを意味する。
したがって、実施例1〜17におけるC成分前駆体は、上記分析と同様に、加熱処理によってC成分へと変化していると推定される。なお、C成分中に不純物(たとえば、C成分の酸化物や水酸化物またはカーボンなど)が残存していても本発明の電池特性には悪影響を及ぼさない。
したがって、C成分前駆体の割合を変えることで、平均細孔径を変えずに比表面積を任意に調整できることが分かった。
実施例9の負極活物質のTEM(透過型電子顕微鏡)測定結果を図5に示す。図5から明らかなように、2〜5nmサイズの細孔(平均細孔径)が多数観測されており、この結果は上記の細孔径分布の結果と一致する。
したがって、TEM観察の結果からも、メソ細孔の存在が確認できた。
実施例18〜23として、実施例1または比較例1で得られた複合粉末を負極活物質として用い、活物質、ポリイミドバインダー(PI)、ケッチンブラック(KB)、蟻酸銅を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ40μmの電解銅箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、銅箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、230℃、1時間以上)して、試験負極(負極容量密度:2mAh/cm2)を作製した。実施例18〜23で用いた活物質、PI、KBおよび蟻酸銅との調合比(質量%)を表6に示す。
[数1] 空隙率(%)=(電極密度)/(スラリー合剤の真密度)×100
実施例1〜29および比較例1〜4を試験極とし、対極に金属リチウム、セパレータとしてガラスフィルター(アドバンテック製 GA−100)、電解液としてエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比1:1で混合した溶媒にLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解した溶液を具備したコインセル(CR2032)を作製し、24時間、30℃の環境下でエージング処理を行った。
実施例1を用いて作製した電池を図6に示す充放電サイクルに従って「充電(1回目)→放電(1回目)→充電(2回目)」の順に充放電を行い、(1)〜(5)の各電位の負極活物質層の結晶相を同定した。なお、測定には、SPring−8での高輝度放射光(BL19B2)を用いてX線回折測定(XRD)を行い、結晶相を同定した。その際、測定に用いた波長は0.700035Åであった。図7にXRD測定結果を示す。また、(1)〜(5)の各電位の値を表9に示す。なお、(1)の電位は電池作製直後のOCVを示しており、3.1Vであった。
サイクル寿命試験
作製した電池を1C率放電―0.2C率充電の条件で充放電試験した。結果を表10、11に示す。
なお、カットオフ電位は0−1V(vs.Li+/Li)、環境温度は30℃と設定した。また、容量維持率は数2より求められる。
[数2] 容量維持率(%)=(各サイクル時の放電容量)/(10サイクル目の放電容量)×100
負極中の細孔とそれを被覆する電子導電性物質が存在しない負極(比較例1)、電子導電性物質のみが存在する負極(比較例2〜3)、メソ細孔を有する電子導電性物質と負極活物質が別々に存在している負極(比較例4)は、充放電を繰り返すことで電極劣化が蓄積し、容量維持率が悪くなっている。
C成分前駆体に蟻酸銅を用いた活物質(実施例1、8、9)はC成分前駆体に他の有機金属を用いたもの(実施例2〜6)よりも容量維持率が良好であった。
C成分前駆体に蟻酸銅と蟻酸ニッケルを両方用いた電極(実施例7)は、蟻酸銅のみを用いた電極(実施例1)よりも容量維持率が良好であった。
B成分にシュウ酸スズを用いた電極(実施例1〜9)はB成分に他のスズ化合物を用いた電極(実施例10〜13)よりも容量維持率が良好であった。
A成分にSiよりもサイクル寿命が良好なもの(実施例14、16)を用いると、容量は低下するものの、サイクル特性が向上することが判った。また、A成分を添加していない試料(実施例17)は、容量が他の試料の3分の1程度になったが、200サイクルの試験後においても容量維持率はほぼ100%であり、良好なサイクル寿命特性を示した。
負極の空隙率を調整した電極(実施例24〜28)は調整しなかった電極(実施例1)に比べて容量維持率が良好であった。特に、空隙率が30〜50%の電極(実施例26〜28)は、容量維持率が良好であった。
集電体にSUS箔を用いた電極(実施例29)は、Cu箔を用いた電極(実施例1)よりも容量維持率が良好であった。これは、SUS箔の強度が高いため、活物質の体積変化によるダメージが軽減したものと思われる。
実施例1〜29および比較例1〜4のコインセルにおいて、30℃環境下で高率放電試験を行った。高率放電試験の条件は、カットオフ電位が0−1V(vs.Li+/Li)で、0.5C率で充電し、0.5C、1C、3C、5C、7C、10Cの各レートで放電を行った。表12および13に高率放電試験結果をまとめる。また、容量維持率は数3により求めた。
[数3] 容量維持率(%)=(各C率での放電容量)/(0.5C率の放電容量)×100
図8〜10から明らかなように、実施例1、8、14の負極については、放電レートが5C率においても容量維持率70%以上を維持している。活物質マトリックス中に電子導電性物質で被覆された細孔が存在することによって、高い電流値での放電が可能であることが分かる。
図11から明らかなように、実施例23においては、5C率においても放電容量が1200mAh/g以上、容量維持率で93%以上を示しており、活物質マトリックス中だけでなく、さらに負極バインダー中にも電子導電性物質で被覆された細孔を存在させることで、より高出力化が可能になった。
図12〜14から明らかなように、負極中に細孔とそれを被覆する電子導電性物質が存在しない電極(比較例1)、電子導電性物質のみが存在する負極(比較例2)、およびメソ細孔を有する電子導電性物質と負極活物質が別々に存在している場合(比較例4)においては、1C率以上での放電において、放電容量が極端に低下していることが分かる。
最も電池性能が良好であった実施例23を負極とし、正極としてLiFePO4、セパレータとして厚さ25μmのポリプロピレン微多孔膜、電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DEC(1:1vol%)を具備した公称容量約1430mAh(負極容量と正極容量の比:N/P=2、正極重量13g、負極重量15g)の積層式ラミネートセルを作製した。
作製した電池を30℃環境下において、SOC(State of charge:充電深度)50%まで0.2C率で充電した。その後、0.1C、0.5C、1C、3C、5C、10C、20C率でそれぞれ10秒間放電し、5秒後、10秒後の電池電圧を測定した。各電流値に対する電池電圧をプロットし、直線を外挿することで、2V時の電流値を算出し、そこから出力密度を数4より求めた。
[数4] 出力密度(W/kg)=(出力値(2V×2V時の電流値))/(電極重量)
表14に各電流値における5秒後、10秒後の電池電圧の測定値を示す。
実施例23を負極とし、LiFePO4正極とを組み合わせた全電池(コイン型セル、1mAh)において、60℃、30℃、−5℃、−20℃の各環境下で0.5C率で充放電を行い、各環境温度による電池特性を調べた。
表15に各環境温度によるサイクル寿命試験結果を示す。
また、図15に各環境温度による充放電曲線(50サイクル目)を示す。
従って、本発明の電池は、低温〜高温環境下で動作できる電池であることがわかる。
実施例23で得られた負極と、LiFePO4正極を用い、セパレータとして厚さ25μmのポリプロピレン微多孔膜、電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DEC(1:1vol%)を具備した公称容量約1000mAhの捲回式ラミネートセル(N/P=2)を作製した。
作製した電池を0.05C率で満充電後、防爆恒温槽内のベークライト樹脂製の取り付け台に電池をセットし、釘刺し試験により、内部短絡試験を行い、内部短絡時の電池内部温度と電池電圧を測定した。
釘刺し試験条件としては、無風・常温・大気雰囲気下で、KシースSUS316φ0.5ガラス保護ケーブル熱電対を用いて、釘刺し速度1mm/minで電池表面から10.0mm突入した。
なお、使用した釘は、日本工業規格JIS A5508のN65:3φ、長さ65mm、N釘(鉄丸釘)である。
電池の短絡前(釘突入前)は、電池電圧は3.9Vを示し、電池温度は、25℃であったが、短絡後(釘突入後)は、一瞬電圧が0V付近に近づいたものの、釘突入10秒後には、電池電圧は3.3Vまで回復し、その際の電池温度は、36℃であった。また、釘突入1分後においても、釘突入10秒後の電池電圧と電池温度は変わらなかった。
本発明の電池は、内部短絡が起こっても、電池の発熱を抑制する効果があることがわかる。
実施例23を負極とし、LiFePO4正極とを組み合わせた全電池(捲回式ラミネート型セル、1000mAh、N/P=2)において、0.2Cでフル充電し、その後、0.5Cで1時間以上充電して、過充電による電池の温度を測定した。
過充電試験結果を図16に示す。
図16から明らかなように、本発明の電池は、過充電を行っても、電池温度が70℃を超えることはなく、電池が発火することがなかった。
Claims (20)
- 負極活物質マトリックス中及び/又は負極バインダー中に細孔が存在し、その細孔の表面が電子導電性物質で被覆され、前記負極活物質マトリックスが、初期の充電でリチウム還元してバッファー層に分解する化合物を含有し、
前記化合物は、ハロゲン化金属(MF2、MCl2、MBr2、MI2、MI 4 )、シュウ酸金属(Mx(C2O4)y;x/y=0.5〜2)、硫酸金属(Mx(SO4)y;x/y=0.2〜1.5)、リン酸金属(Mx(PO4)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(HPO4)y;x/y=0.2〜2、Mx(P2O5)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(P2O7)y;x/y=0.5〜1.8、Mx(P3O10)y;x/y=0.5〜1.8)、炭酸金属(Mx(CO3)y;x/y=0.2〜2.5)、硝酸金属(Mx(NO3)y;x/y=0.2〜1.8)、ホウ酸金属(Mx(BO3)y;x/y=0.2〜1.8、Mx(HBO3)y;x/y=0.2〜2、Mx(B2O3)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(B4O7)y;x/y=0.5〜2)(MはSi、Sn、In、Pb、Ag、又はAl)またはSn(CH 3 COO) 2 のうちのいずれか一つであることを特徴とするリチウム二次電池用負極。 - 負極活物質マトリックス中に細孔が存在し、その細孔の表面が電子導電性物質で被覆されている請求項1記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記細孔が、窒素吸着法にて2〜50nmサイズのメソ細孔を含む請求項1または2に記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記負極活物質マトリックス成分と前記電子導電性物質成分の合計を100質量%とした場合に、前記負極活物質マトリックス成分が70〜99質量%であり、前記電子導電性物質成分が30〜1質量%である請求項1乃至3いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記負極活物質マトリックスが、少なくともA成分とB成分とから構成され、A成分の
表面にB成分が被覆された複合粉末からなり、
(1)前記A成分が、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵することができる材料であり
、
(2)前記B成分が、初期の充電でリチウム還元されてバッファー層に分解する化合物
であって、
前記化合物は、ハロゲン化金属(MF2、MCl2、MBr2、MI2、MI 4 )、シュウ酸金属(Mx(C2O4)y;x/y=0.5〜2)、硫酸金属(Mx(SO4)y;x/y=0.2〜1.5)、リン酸金属(Mx(PO4)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(HPO4)y;x/y=0.2〜2、Mx(P2O5)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(P2O7)y;x/y=0.5〜1.8、Mx(P3O10)y;x/y=0.5〜1.8)、炭酸金属(Mx(CO3)y;x/y=0.2〜2.5)、硝酸金属(Mx(NO3)y;x/y=0.2〜1.8)、ホウ酸金属(Mx(BO3)y;x/y=0.2〜1.8、Mx(HBO3)y;x/y=0.2〜2、Mx(B2O3)y;x/y=0.2〜1.5、Mx(B4O7)y;x/y=0.5〜2)(MはSi、Sn、In、Pb、Ag、又はAl)またはSn(CH 3 COO) 2 のうちのいずれか一つであることを特徴とする
請求項1乃至4いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。 - 前記B成分が、シュウ酸スズを含有している請求項5に記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記電子導電性物質が、Cuを含有している請求項1乃至6いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記電子導電性物質が、CuおよびNiを含有し、Cu/Niのモル比が、95/5〜50/50の範囲内である請求項1乃至7いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記負極活物質の比表面積が、窒素吸着法を用いて測定した場合、10〜100m2/gの範囲内にある請求項1乃至8いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- 空隙率が20〜60%の範囲にある請求項1乃至9いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- バインダーを含み、前記バインダーがポリイミドからなる請求項1乃至10いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- 集電体を含み、該集電体が厚み1〜30μmの範囲内のSUS箔である請求項1乃至11いずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
- (工程1)負極活物質マトリックス中に有機金属錯体を分散させる工程、及び
(工程2)加熱処理により前記有機金属錯体を分解させる工程により、
負極活物質マトリックス中に細孔を存在させ、その細孔の表面を電子導電性物質で被覆させるリチウム二次電池用負極材料の製造方法。 - 前記有機金属錯体が、化学式M−CxHyOz(但し、MはCuまたはNiから選択される少なくとも一種以上の元素、炭素元素の数xは0≦x≦6、水素元素の数yは2≦y≦6、酸素元素の数zは2≦z≦7)で表わされる有機金属錯体である請求項13に記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記工程1が、ハロゲン化スズ溶液中に、M−CxHyOzを溶解させたシュウ酸溶液を加えるかあるいは、シュウ酸溶液中に、M−CxHyOzを溶解させたハロゲン化スズ溶液を加えることにより、シュウ酸スズマトリックス中にM−CxHyOzを含有させる工程である請求項13または14記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記工程1のハロゲン化スズ溶液またはシュウ酸溶液中に、SiまたはSi化合物が分散されている請求項15に記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記有機金属錯体M−CxHyOzが、蟻酸銅である請求項13乃至16いずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記工程2の加熱処理が、スラリー塗工後に行われ、有機金属錯体を分解させる工程である請求項13乃至17いずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
- 請求項1乃至12のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極を用いたリチウム二次電池。
- 請求項19に記載のリチウム二次電池を用いた電気機器。
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