JP6240375B2 - 負極活物質、それを採用した負極並びにリチウム電池、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
従って、向上した放電容量、寿命特性及び熱安定性を有するリチウム電池が要求される。
本発明はまた、前記負極活物質を含む負極を提供する。
本発明はまた、前記負極を採用したリチウム電池を提供する。
本発明はまた、前記負極活物質の製造方法を提供する。
本発明の一側面によって、コアを含み、前記コアが、結晶面間距離d002が0.35nm以上である結晶性炭素系材料と、チタン系酸化物粒子と、リチウムと合金の形成可能な金属と、を含む負極活物質とが提供される。
本発明のさらに他の一側面によって、前記負極を採用したリチウム電池が提供される。
本発明のさらに他の一側面によって、結晶面間距離d002が0.35nm以上である結晶性炭素系材料を準備する段階と、前記結晶性炭素系材料とチタン系酸化物粒子とを含むコアを準備する段階と、を含む負極活物質の製造方法が提供される。
本発明の他の一側面によれば、結晶質炭素系材料、チタン系酸化物粒子と、リチウムと合金の形成可能な金属とを含む新しい負極活物質を含むことによって、リチウム電池の放電容量、寿命特性及び熱安定性が向上しうる。
前記負極活物質は、結晶性炭素系材料とチタン系酸化物粒子とを同時に含むことによって、向上した放電容量、高率特性及び寿命特性を具現することができる。
前記負極活物質で、前記チタン系酸化物粒子の含有量がコア総重量を基準に、0重量%を超えて10重量%以下であってもよい。例えば、前記前記チタン系酸化物粒子の含有量がコア総重量を基準に、0重量%を超えて5重量%以下である。前記チタン系酸化物の含有量が過度に多ければ、初期容量が低下しうる。
前記負極活物質で、前記チタン系酸化物が、Li4Ti5O12、TiO2、LiTiO3及びLi2Ti3O7からなる群から選択された一つ以上であってもよい。
前記負極活物質は、結晶性炭素系材料、チタン系酸化物粒子と、リチウムと合金の形成可能な金属とを同時に含むことによって、向上した放電容量、寿命特性及び熱安定性を得ることができる。
前記負極活物質で、前記リチウムと合金の形成可能な金属が、前記結晶性炭素系材料の一表面に、コーティング層を形成することができる。前記コーティング層は、前記リチウムと合金の形成可能な金属の前駆体を還元させて得られることができる。前記コーティング層は、前記結晶性炭素系材料の表面に、1ないし100nm厚にコーティングされてもよい。
まず、前記負極製造方法によって、負極が準備される。
例えば、前記電解質は、有機電解液であってもよい。または、前記電解質は、固体であってもよい。例えば、ボロン酸化物、リチウム酸窒化物などであるが、それらに限定されるものではなく、当技術分野で固体電解質として使われるものであるならば、いずれも使用可能である。前記固体電解質は、スパッタリングなどの方法で、前記負極上に形成可能である。
前記リチウム塩も、当技術分野でリチウム塩として使われるものであるならば、いずれも使用することができる。例えば、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(ただし、x,yは、それぞれ1ないし20の自然数)、LiCl、LiIまたはそれらの混合物などである。
<製造例1:>
膨脹黒鉛100gを、500℃で1時間加熱して膨脹させた後、これから発生したガスをオーブンの排気口を介して排気させた後、これから収得した結果物をエタノールに分散させ、ホモジナイザ(homogenizer)を利用し、10,000rpmで10分間粉砕した。これから収得した混合物を、マイクロフルイダイザ(micro fluidizer)を利用して追加粉砕した後、濾過(filtering)装置を利用して濾過した後、エタノールで洗浄し、120℃のオーブンで乾燥させ、結晶性炭素系材料粉末を収得した。
焼成温度を400℃に変更したことを除いては、製造例1と同じ方法で結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末を製造した。
焼成温度を300℃に変更したことを除いては、製造例1と同じ方法で結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末を製造した。
焼成温度を200℃に変更したことを除いては、製造例1と同じ方法で結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末を製造した。
焼成温度を150℃に変更したことを除いては、製造例1と同じ方法で結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末を製造した。
焼成温度1,000℃で、30秒間熱ショックを加えたことを除いては、製造例1と同じ方法で結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末を製造した。
<実施例1>
前記製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子95重量部、及び平均粒径300nmのLTO(Li4Ti5O12)ナノ粒子5重量部を、エタノール溶媒200重量部に投入し、撹拌して混合溶液を製造した。前記混合溶液を乾燥させた後、前記乾燥物を球形化装置(hybridization system)で球形化させてコア粉末を製造した。
前記実施例1で製造された負極活物質粉末の走査顕微鏡写真を、図1B及び図1Cに図示する。前記負極活物質粉末の縦横比は、1ないし1.5であり、平均粒径は、20μmであった。
製造例2〜6で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で負極活物質を製造した。
天然黒鉛粉末100重量部に対して、メソフェーズピッチ20重量部を混合した後、機械的にミーリングし、900℃で1時間熱処理し、天然黒鉛コアに炭素系コーティング層が形成された負極活物質粉末を製造した。
前記製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子100重量部を、球形化装置で球形化させ、コアだけからなる負極活物質粉末を製造した。
前記製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子80重量部、及び平均粒径300nmのLTO(Li4Ti12O5)ナノ粒子20重量部を使用したことを除いては、実施例1と同じ方法で負極活物質を製造した。
<実施例7>
実施例1で合成された負極活物質粉末と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)バインダ溶液を添加し、活物質:バインダ=94:6の重量比になるようにスラリを製造した。
10μm厚のアルミニウムホイル上に、前記活物質スラリをコーティングした後で乾燥させて負極極板を作り、さらに真空乾燥させて直径16mmのコインセル(CR2016 type)を製造した。
セル製造時に、対極(counter electrode)としては、金属リチウムを使用し、隔離膜としてポリプロピレン隔離膜(セパレータ、Cellgard(登録商標)3510)を使用し、電解質としては、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)(3:7体積比)混合溶媒に、1.3M LiPF6が溶解されたものを使用した。
実施例2〜6で合成された負極活物質粉末をそれぞれ使用したことを除いては、実施例7と同じ方法でリチウム電池を製造した。
比較例1〜3で合成された負極活物質粉末を使用したことを除いては、実施例7と同じ方法でリチウム電池を製造した。
実施例1〜5及び比較例4で製造された負極活物質粉末に対して、XRD実験を行った。実験条件は、CuK−α特性X−線波長1.541Åであった。
図4から分かるように、実施例1の負極活物質粒子は、(1)で、結晶性炭素に係わる特性ピーク、及び(2)で、LTO(Li4Ti12O5)に係わる特性ピークをそれぞれ示した。
実施例1〜6の負極活物質に含まれた結晶性炭素に係わるピークから計算される結晶面間距離を下記表1に示した。
前記実施例7及び比較例4,5で製造された前記コインセルを、常温でリチウム金属対比0.01〜1.5Vの電圧範囲で、0.2C rateの定電流で充電させつつ、放電時の電流密度が上昇することによる放電容量を得て、これから率別充放電効率を計算して、図5に示した。放電時の電流密度は、それぞれ0.1C,0.2C,0.5C,1C,2C,5C,10C及び20C rateであった。率別充放電効率は、下記数式1で計算される。
(数式1)
充放電効率[%]=[放電容量/充電容量]×100
図5から分かるように、実施例7のリチウム電池は、比較例4,5のリチウム電池に比べて、高率特性が顕著に向上した。
前記実施例7〜12及び比較例4〜6で製造された前記コインセルを、常温でリチウム金属対比0.01〜1.5Vの電圧範囲で、0.5C rateの定電流で充放電させつつ、容量維持率を測定し、その結果を下記表2に示した。常温で容量維持率は、下記数式2で表示される。
(数式2)
容量維持率[%]=[100回目のサイクルでの放電容量/最初のサイクルでの放電容量]×100
比較例6のリチウム電池は、良好な寿命特性を示したが、チタン系酸化物粒子を過量に含むことによって、初期容量が150mAh/g以下と低く現れた。
実施例7〜12のリチウム電池の初期放電容量は、355ないし365mAh/gであって、完壁な黒鉛結晶の理論的最大放電容量である372mAh/gとほぼ近似している。
<実施例13>
前記製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子80重量部、平均粒径300nmのLTO(Li4Ti12O5)ナノ粒子5重量部及び平均粒径300nmのSiナノ粒子15重量部を、エタノール溶媒200重量部に投入し、撹拌して混合溶液を製造した。前記混合溶液を乾燥させた後、前記乾燥物を球形化装置で球形化させてコア粉末を製造した。前記組み立て及び球形化は、100〜150m/sの速度で、5〜10分間進めた。
前記コア粉末100重量部に、メソフェーズピッチ10重量部を混合した後、機械的にミーリングし、900℃で1時間熱処理し、コア上に炭素系コーティング層を形成させ、負極活物質粉末を製造した。
前記実施例13で製造された負極活物質粉末の走査顕微鏡写真を、図2A及び図2Bに図示する。前記負極活物質粉末の縦横比は、1ないし1.5であり、平均粒径(d50)は、20μmであった。
製造例2〜6で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子を使用したことを除いては、実施例13と同じ方法で負極活物質を製造した。
前記製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末を、1.5MのSiCl4水溶液に浸漬させた後、300℃で乾燥及び熱処理(drying and annealing)過程を2回以上反復した後、600℃で2時間焼成して相(phase)を安定させた後、3回の洗浄及び乾燥(washing and drying)工程を行い、前記結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末にSiを約1〜10nm厚にコーティングさせた。
前記Siコーティングされた結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末95重量部、及び平均粒径(d50)300nmのLTO(Li4Ti5O12)ナノ粒子5重量部を、エタノール溶媒200重量部に投入し、撹拌して混合溶液を製造した。前記混合溶液を乾燥させた後、前記乾燥物を球形化装置(hybridizer)で組み立てて球形化させてコア粉末を製造した。前記組み立て及び球形化は、100〜150m/s速度で5〜10分間進めた。
前記コア粉末100重量部に対して、メソフェーズピッチ10重量部を混合した後、機械的にミーリングし、900℃で1時間熱処理し、コア上に炭素系コーティング層を形成させ、負極活物質粉末を製造した。
前記負極活物質粉末の縦横比は、1ないし1.5であり、平均粒径(d50)は、20μmであった。
製造例2〜6で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子を使用したことを除いては、実施例19と同じ方法で負極活物質を製造した。
前記製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子65重量部、平均粒径300nmのLTO(Li4Ti12O5)ナノ粒子5重量部、及び平均粒径300nmのSiOx(0<x<2)ナノ粒子30重量部を、エタノール溶媒200重量部に投入し、撹拌して混合溶液を製造した。
前記混合溶液を乾燥させた後、前記乾燥物を球形化装置で球形化させ、コア粉末を製造した。前記組み立て及び球形化は、100〜150m/sの速度で、5〜10分間進めた。前記コア粉末100重量部に対して、メソフェーズピッチ10重量部を混合した後、機械的にミーリングし、900℃で1時間熱処理し、コア上に炭素系コーティング層を形成させ、負極活物質粉末を製造した。
前記負極活物質粉末の縦横比は、1ないし1.5であり、平均粒径(d50)は、20μmであった。
製造例2〜6で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子を使用したことを除いては、実施例25と同じ方法で負極活物質を製造した。
製造例1で製造された結晶性炭素系材料ナノ粒子粉末85重量部、平均粒径(d50)300nmのSiナノ粒子15重量部を、エタノール溶媒200重量部に投入し、撹拌して混合溶液を製造した。前記混合溶液を乾燥させた後、前記乾燥物を球形化装置で組み立てて球形化させてコア粉末を製造した。前記組み立て及び球形化条件は、100〜150m/s速度で、5〜10分間進めた。
前記コア粉末100重量部に対して、メソフェーズピッチ10重量部を混合した後、機械的にミーリングし、900℃で1時間熱処理し、コア上に炭素系コーティング層を形成させ、負極活物質粉末を製造した。
<実施例31>
実施例1で合成された負極活物質粉末と、ポリイミド(PI)バインダ溶液とを添加し、活物質:バインダ=94:6の重量比になるようにスラリを製造した。
10μm厚のCuホイル上に、前記活物質スラリをコーティングした後で乾燥して負極極板を作り、さらに真空乾燥させて直径32mmのコインセル(CR2016 type)を製造した。
セル製造時に、対極としては金属リチウムを使用し、隔離膜としてポリプロピレン隔離膜(セパレータ、Cellgard(登録商標)3510)を使用し、電解質としては、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)(3:7体積比)混合溶媒に、1.3M LiPF6が溶解されたものを使用した。
実施例14〜24で合成された負極活物質粉末をそれぞれ使用したことを除いては、実施例31と同じ方法でリチウム電池を製造した。
比較例7で合成された負極活物質粉末をそれぞれ使用したことを除いては、実施例31と同じ方法でリチウム電池を製造した。
実施例13〜24及び比較例7で製造された負極活物質粉末に対して、XRD実験を行った。実験条件は、CuK−α特性X−線波長1.541Åであった。
図6から分かるように、実施例1の負極活物質粒子は、(1)で、結晶性炭素に係わる特性ピーク、(2)で、Siに係わる特性ピーク、及び(3)で、LTOに係わる特性ピークをそれぞれ示した。
実施例13〜18の負極活物質に含まれた結晶性炭素に係わるピークから計算される結晶面間距離を下記表3に示した。
前記実施例25〜35及び比較例8で製造された前記コインセルを、常温でリチウム金属対比0.01〜1.5Vの電圧範囲で、0.1C rateの定電流で充電させつつ、放電時の電流密度が上昇することによる放電容量を得て、これから率別充放電効率を計算した。放電時の電流密度は、それぞれ0.1C,0.2C,0.5C,1C及び2C rateであった。2Cでの充放電効率は、下記数式1から計算され、その結果を表4に示した。
(数式1)
充放電効率[%]=[2C rate放電容量/0.1C rate充電容量]×100
前記実施例31〜41,43及び比較例8で製造された前記コインセルを、常温でリチウム金属対比0.01〜1.5Vの電圧範囲で、0.5C rateの定電流で充放電させつつ、容量維持率を測定し、その結果を下記表5に示した。常温で、容量維持率は、下記数式3で表示される。また、50回目のサイクルでの放電容量も示した。
(数式3)
容量維持率[%]=[50回目のサイクルでの放電容量/最初のサイクルでの放電容量]×100
前記実施例31及び43及び比較例8で製造された前記コインセルを、25℃でリチウム金属対比0.01〜1.5Vの電圧範囲で、8.5mA/g(0.05C rate)の定電流で1回充放電し、リチウム金属対比0.01〜1.5Vの電圧範囲で、17mA/g(0.1C rate)の定電流で2回充放電した。
次に、前記コインセルを25℃で、リチウム金属対比0.01Vの電圧まで、8.5mA/g(0.05C rate)の定電流で1回充電させた。
次に、前記充電されたコイルセルを破壊した後、負極活物質を抽出し、DSC(dynamic scanning calorimeter)分析を実施した。分析結果を、下記表6及び図7に示した。表6で、発熱量は、図7の発熱曲線の積分量で計算した。
2 負極
3 正極
4 セパレータ
5 電池ケース
6 キャップアセンブリ
Claims (30)
- コア粒子を含み、前記コア粒子が、
結晶面間距離d002が0.35nm以上である結晶性炭素系材料と、
チタン系酸化物粒子と、を含み、
前記チタン系酸化物粒子の含有量が、前記コア粒子の総重量を基準に、0重量%を超えて10重量%以下であり、
前記結晶性炭素系材料は、6個のカーボン原子が、6角形状に連結されてなる環が、互いに縮合されて一平面上に配列されている多環ナノシートn枚が、前記一平面に対して垂直方向に沿って積層された構造を有し、前記nは、2ないし250の整数であることを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質。 - 前記結晶性炭素系材料の結晶面間距離d002が、0.35nmないし0.4nmであることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記チタン系酸化物粒子が、前記結晶性炭素系材料によって被覆されることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記チタン系酸化物粒子が、前記コア粒子内に分散されていることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記チタン系酸化物粒子の粒径が、10ないし990nmであることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記チタン系酸化物が、Li4Ti5O12、TiO2、LiTiO3及びLi2Ti3O7からなる群から選択された一つ以上であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記コア粒子が、リチウムと合金の形成可能な金属を追加して含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウムと合金の形成可能な金属が、結晶性炭素系材料によって被覆されることを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウムと合金の形成可能な金属が、前記コア粒子内に分散されていることを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウムと合金の形成可能な金属の含有量が、前記コア粒子の総重量を基準に、0重量%を超えて10重量%以下であることを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウムと合金の形成可能な金属が、粒径10ないし990nmの粒子であることを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウムと合金の形成可能な金属が、Si、Sn、Pb、Ge、Al、及び前記金属の酸化物からなる群から選択された一つ以上であることを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウムと合金の形成可能な金属が、結晶性炭素系材料の一表面にコーティング層を形成することを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記コーティング層が、前記リチウムと合金の形成可能な金属の前駆体を還元させて得られることを特徴とする請求項13に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記n枚の多環ナノシートのカーボンのうち第1カーボンと、前記n枚の多環ナノシートのカーボンのうち第2カーボンとを、L1≧L2になるように選択し(ここで、前記L1は、前記第1カーボンと、前記第2カーボンとの間の距離を示し、前記L2は、前記n枚の多環ナノシートのカーボンのうち、前記第1カーボン及び第2カーボンを除外した任意の第3カーボンと、前記n枚の多環ナノシートのカーボンのうち、前記第1カーボン、第2カーボン及び第3カーボンを除外した任意の第4カーボンとの間の距離を示す)、前記第1カーボンを、x軸、y軸及びz軸を有する三次元座標系の原点A(0,0,0)に位置させるとき、前記第2カーボンは、座標B(p,q,r)を有し、前記p及びqは互いに独立して、10μm以下であり、前記rは、100nm以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記nが2ないし50の整数であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記コア粒子上に形成された炭素系コーティング層を追加して含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記炭素系コーティング層が、非晶質炭素を含むことを特徴とする請求項17に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記リチウム二次電池用負極活物質が、縦横比2未満の球形粒子であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 前記球形粒子の平均粒径が、1ないし100μmであることを特徴とする請求項19に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 請求項1ないし請求項20のうち、いずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極活物質を含むリチウム二次電池用負極。
- 請求項21に記載のリチウム二次電池用負極を採用したリチウム二次電池。
- 結晶面間距離d002が0.35nm以上である結晶性炭素系材料を準備する段階と、
前記結晶性炭素系材料とチタン系酸化物粒子とを含むコア粒子を準備する段階と、を含む負極活物質の製造方法であって、
前記チタン系酸化物粒子の含有量が、前記コア粒子の総重量を基準に、0重量%を超えて10重量%以下であり、
前記結晶性炭素系材料は、6個のカーボン原子が、6角形状に連結されてなる環が、互いに縮合されて一平面上に配列されている多環ナノシートn枚が、前記一平面に対して垂直方向に沿って積層された構造を有し、前記nは、2ないし250の整数であることを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記コア粒子が、リチウムと合金の形成可能な金属を追加して含むことを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記結晶性炭素系材料を準備する段階が、
膨脹黒鉛を、300ないし700℃で、0.1ないし5時間熱処理する段階を含むことを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記コア粒子を準備する段階が、
前記結晶性炭素系材料とチタン系酸化物ナノ粒子とを溶液中で混合して混合物を準備する段階と、
前記混合物を乾燥及び球形化させる段階と、を含むことを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - 前記混合物が、リチウムと合金の形成可能な金属前駆体溶液を追加して含むことを特徴とする請求項26に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記金属の前駆体が、SiCl4、SiH2Cl2、SnCl4、HSiCl3及びGeCl4を含む群から選択された一つ以上であることを特徴とする請求項27に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記コア粒子上に炭素前駆体をコーティング及び焼成させて炭素系コーティング層を形成させる段階を追加して含むことを特徴とする請求項23に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 前記炭素前駆体が、高分子、コールタールピッチ、石油ピッチ、メソフェーズピッチ、コークス、低分子重質油、石炭系ピッチ、及びそれらの誘導体からなる群から選択された一つ以上であることを特徴とする請求項29に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
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