JP6292749B2 - 負極活物質とその製造方法、これを含むリチウム二次電池用の負極及びこれを採用したリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
前記Si系合金物質としては、例えば、Si−Ti−Ni合金などがある。前記Si−Ti−Ni合金は、合金内にSi7Ti4Ni4相、すなわち、Si、Ti及びNi各元素の原子%(at%)の割合が7:4:4の相を構成する。しかし、このようなマトリックス相は、Siの含量が比較的多いため、リチウムと反応しない非活性の相にかかるSi含量が多く、原材料のコストが高いという問題点がある。
したがって、Si系合金物質が含まれた負極及びこれを採用したリチウム二次電池のサイクル特性などを向上させると共に、コストダウンできる新たな組成のSi系合金の負極活物質及びその製造方法が要求される。
本発明の他の目的は、初期放電容量及びサイクル特性が改善された負極活物質の製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、前記負極活物質を含むリチウム二次電池用の負極を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、前記負極を含むリチウム二次電池を提供することである。
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、50≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%である。
前記Si−Al−Fe合金は第3相をさらに含み、前記第3相はAl及び/又はFeを1より大きい原子%の割合で含む。
前記Si−Al−Fe合金の少なくとも一部は、前記Si相及び前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相が均一に分布された部分を含む。
前記Si−Al−Fe合金内で、前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相のSi原子%に対するSi相のSi原子%比が0.5:1ないし12:1である。
前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相は、マトリックス相を含む。
前記Si−Al−Fe合金は、103K/secないし107K/secの速度で急冷する工程を含む方法で得られる。
前記Si−Al−Fe合金はSi、Al、及びFeを含み、前記Si、AlまたはFeのうち少なくとも一つは、Ni、Co、Cu、Cr、Zr、Ti、Mn、V、Zn及びこれらの組み合わせからなる群から選択された遷移金属でドープされる。
本発明の他の側面によって、下記の化学式1で表示されるSi−Al−Fe合金を含む母合金を製造する段階と、前記母合金を冷却してSi相及びSi、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相を含む合金リボンを製造する段階と、前記合金リボンを粉砕して合金粉末を製造する段階と、を含むリチウム二次電池用の負極活物質の製造方法が提供される。
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、50≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%である。
前記母合金は、真空誘導溶解法、アーク溶解法または機械的合金法で製造される。
前記合金リボンを製造する段階で母合金を冷却させる工程は、103K/secないし107K/secの速度で合金を急冷させる工程を含む。
前記急冷させる工程方法は、溶融スピン法またはガス噴霧法により実施される。
本発明のさらに他の側面によって、前記負極活物質を含むリチウム二次電池用の負極が提供される。
本発明のさらに他の側面によって、前記負極を含むリチウム二次電池が提供される。
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、50≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%である。
前記Si活性金属粒子は、10ないし200nmの平均粒径を持ち、例えば、10ないし150nmの平均粒径を持ち、例えば、10ないし100nmの平均粒径を持つ。前記Si活性金属粒子の平均粒径は、CuK−α特性X線波長1.541Åを用いたX線回折スペクトルで、Si(111)面に対するピークの半値幅を用いてシェラーの式(Scherrer’s equation)から求めることができ、例えば、前記Si(111)面のピーク、前記ピークから測定されたブラッグ2θ角及び半値幅は、後述する図1及び図2から分かる。
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、50≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%である。
前記合金リボンは、機械的ミリングの方法によって粉砕する。前記機械的ミリングには、例えば、ボール・ミリングなどを用いる。
LiaA1−bXbD2(前記式で、0.95≦a≦1.1、及び0≦b≦0.5である);LiaE1−bXbO2−cDc(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05である);LiE2−bXbO4−cDc(前記式で、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05である);LiaNi1−b−cCobBcDα(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2である);LiaNi1−b−cCobXcO2−αMα(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2である);LiaNi1−b−cCobXcO2−αM2(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2である);LiaNi1−b−cMnbXcDα(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2である);LiaNi1−b−cMnbXcO2−αMα(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2である);LiaNi1−b−cMnbXcO2−αM2(前記式で、0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2である);LiaNibEcGdO2(前記式で、0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0.001≦d≦0.1である);LiaNibCocMndGeO2(前記式で、0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、0≦e≦0.1である);LiaNiGbO2(前記式で、0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1である);LiaCoGbO2(前記式で、0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1である);LiaMnGbO2(前記式で、0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1である);LiaMn2GbO4(前記式で、0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.1である);LiQO2;LiQS2;LiV2O5;LiZO2;LiNiVO4;Li(3−f)J2(PO4)3(0≦f≦2);Li(3−f)Fe2(PO4)3(0≦f≦2);LiFePO4;チタン酸リチウム。
前記バインダーは、正極活物質粒子を互いによく貼り付け、また正極活物質を集電体によく貼り付ける役割を行い、その代表的な例としては、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化されたポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル 、エチレンオキサイドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリレートスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使えるが、これらに限定されるものではない。
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、50≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%である。
前記非水系有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動できる媒質の役割を行える。
このような非水系有機溶媒としては、カーボネート系、エステル係、エーテル係、ケトン係、アルコール係、または非量子性溶媒を使える。前記カーボネート系溶媒としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などが使われ、前記エステル係溶媒としては、メチルアセテート、エチルアセテート、n−プロピルアセテート、ジメチルアセテイト、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、デカノリド、バレロラクトン、メバロノラクトン、カプロラクトンなどが使われる。前記エーテル係溶媒としては、ジブチルエーテル、テトラグリム、ジグリム、ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどが使われ、前記ケトン係溶媒としては、シクロヘキサノンなどが使われる。また前記アルコール係溶媒としては、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどが使われ、前記非量子性溶媒としては、R−CN(Rは、炭素数2ないし20の直鎖状、分枝状、または環構造の炭化水素基であり、二重結合方向環またはエーテル結合を含む)などのニトリル類、ジメチルホルムアミドなどのアミド類、1,3−ジオキソランなどのジオキソラン類スルホラン類などが使われる。
実施例1:68原子%Si−16原子%Al−16原子%Fe合金組成の負極活物質
Si、Al及びFeを68:16:16の原子%(at%)の割合で混合した。前記混合物を真空雰囲気下で、誘導溶解路を用いて溶融してSi、Al及びFe元素の母合金を製造した。前記製造された母合金を適当なサイズに粉砕した後、溶融スピナー設備内に装着されている黒煙るつぼに詰め込み、1400ないし1500℃の温度で5分間溶融させつつ混合した。前記混合した溶融物を、107K/secの冷却速度で常温まで冷凍して合金リボンを製造した。前記合金リボンを粉砕して平均粒径3.2μmの合金粉末の負極活物質を製造した。
前記負極活物質は、16原子%Si−16原子%Al−10.67原子%FeがSi、Al及びFe各元素の原子比(at%)の割合が3:3:2であるマトリックス相を形成した。そして、前記Si、Al及びFeの原子%が68:16:16である割合で残る5.33原子%Feは、Siと反応して5.33原子%Fe−10.66原子%Siの組成でFeSi2の相を形成した。
また、前記Si、Al及びFeが68:16:16の原子%(at%)である組成のうち、68原子%Siから、それぞれマトリックス相を形成した16原子%Si及びFeSi2相を形成した10.66原子%Siを差し引けば、活性化したSi相のSi原子%が41.34原子%になった。そして、前記Si、Al及びFe各元素の原子比(at%)の割合が3:3:2の相のSi原子%は、前記16原子%Si−16原子%Al−10.67原子Fe%組成から16原子%であった。
したがって、前記負極活物質で、Si、Al及びFe各元素の原子比の割合が3:3:2である相のSi原子%に対する、Si相のSi原子%の比が41.34:16になった。これらのSi、Al及びFe各元素の原子比の割合が3:3:2の相のSi原子%に対する、Si相のSi原子%の比については、後述する図8のリチウム二次電池のサイクル特性を示したグラフの容量結果と、前記負極活物質に含まれた容量に関する活性化したSi相の原子%の割合とを比較して確認できる。
Si、Al及びFeを68:16:16の原子%の割合で混合する代わりに、Si、Al及びFeを65:21:14の原子%の割合で混合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。
前記負極活物質は、21原子%Si−21原子%Al−14原子%Feが、Si、Al及びFe各元素の原子比(at%)の割合が3:3:2の相であるマトリックス相を形成した。実質的にFeSi2相を形成していない。前記Si、Al及びFeが65:21:14の原子%(at%)である組成のうち、65原子%Siから、それぞれマトリックス相を形成した21原子%を差し引けば、Si相のSi原子%が44原子%になった。そして、前記Si、Al及びFe各元素の原子比の割合が3:3:2の相のSi原子%は、前記21原子%Si−21原子%Al−14原子%Fe組成から21原子%であった。
したがって、前記負極活物質でSi、Al及びFe各元素の原子比の割合が3:3:2である相のSi原子%に対する、Si相のSi原子%の比が44:21になった。これらのSi、Al及びFe各元素の原子比の割合が3:3:2の相のSi原子%に対する、Si相のSi原子%の比については、後述する図8のリチウム二次電池のサイクル特性を示したグラフの容量結果と、前記負極活物質に含まれた容量に関する活性化したSi相の原子%の割合とを比べて確認できる。
Si、Al及びFeを68:16:16の原子%の割合で混合する代わりに、Si、Ti及びNiを68:16:16の原子%の割合で混合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。
Si、Al及びFeを68:16:16の原子%の割合で混合する代わりに、Si、Al及びFeを60:12:28の原子%の割合で混合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。
前記負極活物質は、組成においてAl原子%に比べてFe原子%の割合が多く、Si、Al及びFe各元素の原子比(at%)の割合が3:3:2の相であるマトリックス相を形成しない。但し、28原子%FeはSiと反応して28原子%Fe−56原子%Siの組成でFeSi2の相を形成した。
(リチウム二次電池の製造)
実施例1の負極活物質、ポリアミドイミド及びケチェンブラックを、90:8:2の割合でN−メチルピロリドンで混合して負極活物質スラリーを製造した。前記負極活物質スラリーを、ドクターブレード法で10μm厚さの銅集電体に塗布し、真空雰囲気下で350℃で1時間乾燥した後、厚さ42μmの負極活物質層を銅集電体に積層した後、直径16mmの円形孔を打ち抜いて負極を製造した。
前記負極と、リチウム対極、微細多孔性ポリプロピレンセパレータ(Celgard 3501)、及びエチレンカーボネート:ジエチレンカーボネート:フルオロエチレンカーボネート(EC:DEC:FEC)の体積比が5:75:25である電解液を使って、ヘリウム充填されたグローブボックスでコイン状の半電池を製造した。
前記実施例1の負極活物質の代わりに、実施例2の負極活物質を使ったことを除いては、実施例3と同じ方法でコイン状の半電池を製造した。
前記実施例1の負極活物質の代わりに、比較例1の負極活物質を使ったことを除いては、実施例3と同じ方法でコイン状の半電池を製造した。
前記実施例1の負極活物質の代わりに、比較例2の負極活物質を使ったことを除いては、実施例3と同じ方法でコイン状の半電池を製造した。
評価例1:XRD測定
実施例1、2及び比較例1、2の負極活物質に対してXRD実験(X’pert PRO MPD、PANalytical製造)を行い、その結果を図1ないし図4に示した。実験条件は、CuK−α特性X線波長1.541Åであった。
前記図1ないし図4を参照すれば、実施例1、2の負極活物質のXRDでSi相、及びSi、Al及びFe各元素の原子%の割合が3:3:2の相が観察されたが、比較例1の負極活物質のXRDでSi相、及びSi、Ti及びNi各元素の原子%の割合が7:4:4の相が観察された。また、比較例2の負極活物質のXRDでSi相及びSi2Fe相が観察されたが、Si、Al及びFe各元素の原子%の割合が3:3:2の相は観察されていない。
すなわち、実施例1、2及び比較例1、2の負極活物質のXRDにおいてSi相がブラッグ2θ角28.5゜及び47.5゜で観察されたが、前記Si、Al及びFe各元素の原子%(at%)の割合が3:3:2の相は、実施例1、2の負極活物質のXRDのみでブラッグ2θ角21.5゜ないし51.78゜で観察された。具体的に、実施例1、2は、それぞれ44.754゜で主ピークが観察され、24.653゜及び47.028゜で副ピークが観察された。
しかし、比較例1の負極活物質のXRDでは、Si、Ti及びNi各元素の原子%の割合が7:4:4の相がブラッグ2θ角14゜ないし79゜で観察され、比較例2の負極活物質のXRDでは、Si、Al及びFe各元素の原子%の割合が3:3:2の相は観察されていない。
また、実施例1、2の負極活物質のXRDで、前記Si相のうちブラッグ2θ角28.5゜でSi(111)面のピークが観察され、前記ピークから半値幅を求め、下記数式1のシェラーの式で平均粒径を計算して下記表1に示した。
<数1>
t=Kλ/βcosθ
(ここで、K(形状係数)は0.9であり、λ(X線波長)は1.5406Åであり、βは半値幅であり、θ(ブラッグθ角)は14.25゜である)
一方、実施例1の負極活物質のXRDで、FeSi2相がブラッグ2θ角17.5゜、37.8゜及び49.2゜で観察された。
実施例1の負極活物質粉末約0.1gを20mlのバイアル瓶に入れて蒸溜水で満たした後、日立社製のLS 13 320modelを用いて粒度分布を示した。前記粒度分布を示す前に、前記バイアル瓶内の前記実施例1の負極活物質粉末及び蒸溜水は、超音波分散器を用いて約1分間分散した。その結果を図5に示した。
図5を参照すれば、前記実施例1の負極活物質粉末の平均粒径(D50)が約4〜6umであることが分かる。
実施例3、4及び比較例2のコイン状の半電池に対して電池特性を評価し、図7、図8及び表2に示した。
図7は、実施例3、4及び比較例2の負極活物質を、充放電類密度を0.1Cにし、充電終止電圧を10mV(Li/Li+)、放電終止電圧を1.5V(Li/Li+)として初期充放電実験を行ったものである。
図8は、実施例3、4及び比較例2の負極活物質を0.1Cで1回、0.2Cで1回、次いで1Cで50回まで充放電を繰り返した後、各サイクルによる容量変化を測定し、これからサイクル容量維持率を計算した。前記容量維持率(%)は、それぞれ下記の数式2のように得られる。
<数2>
容量維持率(%)=50回目のサイクルにおける放電容量/最初のサイクルにおける放電容量x100
これにより、前記実施例3、4の負極活物質を含む負極を採用したリチウム二次電池が、前記比較例3の負極活物質、及び比較例4の負極活物質を含む負極を採用したリチウム二次電池に比べて、初期放電容量、初期効率及び容量維持率に優れたことが分かる。
一方、実施例3のリチウム二次電池に含まれた実施例1の負極活物質は、前記評価例1で説明したように、リチウムと反応しないFeSi2相が存在するところ、かかるFeSi2相が存在しない実施例4のリチウム二次電池に比べて、初期放電容量、初期効率及び容量維持率が低いことが分かる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して行うことができ、これも本発明の範囲に属するということはいうまでもない。
100 リチウム電池
112 負極
113 セパレータ、
120 電池容器
140 封入部材
Claims (19)
- 下記の化学式1で表示されるSi−Al−Fe合金を含み、前記Si−Al−Fe合金は、Si相、及びSi、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相を含む、リチウム二次電池用の負極活物質:
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、65≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%であり、yがz以上である。 - 前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相は、CuK−α特性X線波長1.541Åを用いて測定する時、ブラッグ2θ角が20゜ないし60゜でX線回折ピークが現れる、請求項1に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相は、CuK−α特性X線波長1.541Åを用いて測定する時、ブラッグ2θ角が44.7±1.0゜でX線回折主ピークが現れる、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記 Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相は、CuK−α特性X線波長1.541Åを用いて測定する時、ブラッグ2θ角が24.6±1.0゜でX線回折第1副ピークが現れるか、またはCuK−α特性X線波長1.541Åを用いて測定する時、ブラッグ2θ角が47.0±1.0゜でX線回折第2副ピークが現れる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- yがzより大きい請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si−Al−Fe合金は第3相をさらに含み、前記第3相はAl及び/又はFeを1より大きい原子%の割合で含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si−Al−Fe合金の少なくとも一部は、前記Si相、及び前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相が均一に分布された部分を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si−Al−Fe合金内で、前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相のSi原子%に対するSi相のSi原子%比が0.5:1ないし12:1である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相は、マトリックス相を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si相は、Si活性金属粒子を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si活性金属粒子は、10ないし200nmの平均粒径を持つ、請求項10に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si−Al−Fe合金は、103K/secないし107K/secの速度で急冷する工程を含む方法で得られる、請求項1〜11のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si−Al−Fe合金は、Ni、Co、Cu、Cr、Zr、Ti、Mn、V、Zn及びこれらの組み合わせからなる群から選択された遷移金属でドープされている、請求項1〜12のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記Si−Al−Fe合金は、0.1原子%ないし5原子%含量の遷移金属でドープされている、請求項13に記載のリチウム二次電池用の負極活物質。
- 下記の化学式1で表示されるSi−Al−Fe合金を含む母合金を製造する段階と、
前記母合金を冷却してSi相、及びSi、Al及びFeを3:3:2の原子%の割合で含む相を含む合金リボンを製造する段階と、
前記合金リボンを粉砕して合金粉末を製造する段階と、を含むリチウム二次電池用の負極活物質の製造方法:
xSi−yAl−zFe <化学式1>
前記式で、65≦x≦90原子%、5≦y≦30原子%、5≦z≦30原子%であり、x+y+z=100原子%であり、yがz以上である。 - 前記母合金は、真空誘導溶解法、アーク溶解法または機械的合金法で製造される、請求項15に記載のリチウム二次電池用の負極活物質の製造方法。
- 前記合金リボンを製造する段階で母合金を冷却させる工程は、103K/secないし107K/secの速度で合金を急冷させる工程を含む、請求項15又は16に記載のリチウム二次電池用の負極活物質の製造方法。
- 前記急冷させる工程は、溶融スピン法またはガス噴霧法により実施される、請求項17に記載のリチウム二次電池用の負極活物質の製造方法。
- 前記合金粉末の平均粒径(D50)が0.1ないし10μmである、請求項15〜18のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の負極活物質の製造方法。
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