JP6564740B2 - 負極活物質、負極、リチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池の使用方法、負極活物質の製造方法及びリチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
前記負極活物質粒子は、SiOx(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を含有し、
前記負極活物質がLi吸蔵を行う際に、前記負極活物質粒子に含まれるSi4+の少なくとも一部が、Siy+(yは0,1,2及び3のいずれかである)の価数状態のうちから選ばれる、少なくとも1種以上の状態に変化するものであることを特徴とする負極活物質を提供する。
負極集電体とを有し、
前記負極活物質層は前記負極集電体上に形成されており、
前記負極集電体は炭素及び硫黄を含むとともに、それらの含有量がいずれも100質量ppm以下であることが好ましい。
前記負極と、金属Liからなる対極とを有する二次電池から得られる放電カーブの0.7V付近に生じる変曲点における電位よりも低い値となる範囲で、前記負極が用いられるように前記リチウムイオン二次電池の終止電圧を設定することを特徴とするリチウムイオン二次電池の使用方法を提供する。
一般式SiOx(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を含む負極活物質粒子を準備する工程と、
前記負極活物質がLi吸蔵を行う際に、前記負極活物質粒子に含まれるSi4+の少なくとも一部が、Siy+(yは0,1,2及び3のいずれかである)の価数状態のうちから選ばれる、少なくとも1種以上の状態に変化する負極活物質粒子を選別する工程と
を有することを特徴とする負極活物質の製造方法を提供する。
まず、負極(非水電解質二次電池用負極)について、説明する。図2は本発明の負極の構成の一例を示す断面図である。
図2に示すように、負極10は、負極集電体11の上に負極活物質層12を有する構成になっている。また、負極活物質層12は負極集電体11の両面、又は、片面だけに設けられていても良い。さらに、本発明の負極活物質が用いられたものであれば、負極集電体11はなくてもよい。
負極集電体11は、優れた導電性材料であり、かつ、機械的な強度に長けた物で構成される。負極集電体11に用いることができる導電性材料として、例えば銅(Cu)やニッケル(Ni)が挙げられる。また、この導電性材料は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しない材料であることが好ましい。
負極活物質層12は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な本発明の負極活物質を含んでおり、電池設計上の観点から、さらに、負極結着剤(バインダ)や導電助剤など他の材料を含んでいてもよい。
負極10は、例えば、以下の手順により製造できる。まず、負極に使用する負極活物質の製造方法を説明する。最初に、一般式SiOx(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を含む負極活物質粒子を準備する。次に、負極活物質がLi吸蔵を行う際に、負極活物質粒子に含まれるSi4+の少なくとも一部が、Siy+(yは0,1,2及び3のいずれかである)の価数状態のうちから選ばれる、少なくとも1種以上の状態に変化する負極活物質粒子を選別する。
次に、本発明のリチウムイオン二次電池について説明する。本発明のリチウムイオン二次電池は負極として、上記本発明の負極を用いたものである。ここでは具体例として、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を例に挙げる。
図3に示すラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池30は、主にシート状の外装部材35の内部に巻回電極体31が収納されたものである。この巻回体は正極、負極間にセパレータを有し、巻回されたものである。また正極、負極間にセパレータを有し積層体を収納した場合も存在する。どちらの電極体においても、正極に正極リード32が取り付けられ、負極に負極リード33が取り付けられている。電極体の最外周部は保護テープにより保護されている。
正極は、例えば、図2の負極10と同様に、正極集電体の両面又は片面に正極活物質層を有している。
負極は、上記した図2の負極10と同様の構成を有し、例えば、集電体の両面に負極活物質層を有している。この負極は、正極活物質剤から得られる電気容量(電池としての充電容量)に対して、負極充電容量が大きくなることが好ましい。これにより、負極上でのリチウム金属の析出を抑制することができる。
セパレータは正極、負極を隔離し、両極接触に伴う電流短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータは、例えば、合成樹脂、あるいはセラミックからなる多孔質膜により形成されており、2種以上の多孔質膜が積層された積層構造を有しても良い。合成樹脂として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
活物質層の少なくとも一部、又は、セパレータには、液状の電解質(電解液)が含浸されている。この電解液は、溶媒中に電解質塩が溶解されており、添加剤など他の材料を含んでいても良い。
最初に上記した正極材を用い正極電極を作製する。まず、正極活物質と、必要に応じて結着剤、導電助剤などを混合し正極合剤とした後に、有機溶剤に分散させ正極合剤スラリーとする。続いて、ナイフロール又はダイヘッドを有するダイコーターなどのコーティング装置で正極集電体に合剤スラリーを塗布し、熱風乾燥させて正極活物質層を得る。最後に、ロールプレス機などで正極活物質層を圧縮成型する。この時、加熱しても良く、また加熱又は圧縮を複数回繰り返しても良い。
以下の手順により、図3に示したラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池30を作製した。
・測定施設:あいちシンクロトロン光センター
加速エネルギー:1.2GeV、
蓄積電流値:300mA、
単色化条件:ベンディングマグネットからの白色X線を二結晶分光器により単色化し、測定に利用
・集光条件:Niコートしたベンドシリンドリカルミラーによる縦横方向の集光
・上流スリット開口:水平方向7.0mm×垂直3.0mm
・ビームサイズ:水平方向2.0mm×垂直1.0mm
・試料への入射角:直入射(入射角0度)
・エネルギー校正:K2SO4のS−K端でのピーク位置を2481.70eVに校正
・測定方法:試料電流を計測することによる全電子収量法
・I0測定方法:XANES(X線吸収端近傍構造)測定時 Au−メッシュ
:EXAFS(広域X線吸収微細構造)測定時 Al−メッシュ
・試料環境:トランスファーベッセルを用いて大気非暴露での輸送
真空度:5×10−7Pa
Siy+変化の有無、Si0+の有無、Si0+非晶質の有無、1841eVを超えて1845eV以下の範囲のショルダーピークの有無を変化させたことを除き、実施例1−1と同様に、二次電池を作製し、サイクル特性を評価した。この場合、ケイ素酸化物を作製する際の条件の変更(堆積板温度の変更、酸化珪素ガスを含む炉内の圧力の変更、酸化珪素ガスが流れる途中に炭素材を存在させる、又はこのガスにSi蒸気を一部混合させるなど)により、Siy+変化の有無などを調整した。表1に実施例1−1〜実施例1−3及び比較例1−1の結果を示す。なお、表1〜6におけるSi0+は、Si−O結合を有するもの(Si1+、Si2+、Si3+又はSi4+)のSi−O結合が少なくとも一部切れて、Si0+になったもののことを指す。従って、そもそもSiy+変化が無い比較例1−1などでは、これらの欄には「−」と記載している。
ケイ素化合物のバルク内酸素量を調整したことを除き、実施例1−2と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。この場合、ケイ素化合物の原料中の金属ケイ素と二酸化ケイ素との比率や加熱温度を変化させることで、酸素量を調整した。
負極活物質粒子のメジアン径を変化させたこと以外、実施例1−2と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性を評価した。結果を表3に示す。
炭素材の厚さを変化させたこと以外、実施例1−2と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性を評価した。結果を表4に示す。
負極集電体に炭素及び硫黄を含有しなかったこと以外、実施例1−2と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性を評価した。結果を表5に示す。
低電位設計を行ったこと以外、実施例1−2と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性を評価した。結果を表6に示す。具体的には、実施例1−2ではリチウムイオン二次電池の終止電圧を2.5Vとし、実施例6−1ではリチウムイオン二次電池の終止電圧を3.0Vとした。
30…ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池、 31…巻回電極体、
32…正極リード、 33…負極リード、 34…密着フィルム、
35…外装部材。
Claims (14)
- 負極活物質粒子を含む負極活物質であって、
前記負極活物質粒子は、SiOx(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を含有し、
前記負極活物質がLi吸蔵を行う際に、前記負極活物質粒子に含まれるSi4+の少なくとも一部が、Siy+(yは0,1,2及び3のいずれかである)の価数状態のうちから選ばれる、少なくとも1種以上の状態に変化し、
前記Si y+ のうちのSi z+ (zは1,2及び3のいずれかである)は、前記負極活物質がLiを吸蔵した際に、Li化合物の形態で存在するものであることを特徴とする負極活物質。 - 前記負極活物質粒子は、前記負極活物質がLi吸蔵脱離を行うことで、Si0+の状態が生成するものであることを特徴とする請求項1に記載の負極活物質。
- 前記Si0+は非晶質Siであることを特徴とする請求項2に記載の負極活物質。
- 前記負極活物質は、該負極活物質を含む負極と正極活物質を含む正極とを有する第一の二次電池の充放電を100サイクル行った後、前記充放電の後の第一の二次電池を解体し、前記充放電の後の負極と、金属Liからなる対極とを有する第二の二次電池を作製し、前記第二の二次電池の開回路電位を2.0Vとした後に、該第二の二次電池から前記負極を取り出し、該負極のXANES測定を行ったとき、前記XANES測定から得られるXANESスペクトルにおいてエネルギー1841eVを超えて1845eV以下の範囲に少なくとも1種以上のショルダーピークを有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の負極活物質。
- 前記負極活物質粒子は、前記負極活物質がLi吸蔵脱離を繰り返すとき、前記Si4+と、前記Siy+のうちのSiz+(zは1,2及び3のいずれかである)とが可逆に変化するものであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の負極活物質。
- 前記負極活物質粒子のメジアン径は0.5μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の負極活物質。
- 前記負極活物質粒子は、表層部に炭素材を含むことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の負極活物質。
- 前記炭素材の平均厚さは5nm以上5000nm以下であることを特徴とする請求項7に記載の負極活物質。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の負極活物質を含むことを特徴とする負極。
- 前記負極は、前記負極活物質を含む負極活物質層と、
負極集電体とを有し、
前記負極活物質層は前記負極集電体上に形成されており、
前記負極集電体は炭素及び硫黄を含むとともに、それらの含有量がいずれも100質量ppm以下であることを特徴とする請求項9に記載の負極。 - 負極として、請求項9又は請求項10に記載の負極を用いたものである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の使用方法であって、
前記負極と、金属Liからなる対極とを有する二次電池から得られる放電カーブの0.7V付近に生じる変曲点における電位よりも低い値となる範囲で、前記負極が用いられるように前記リチウムイオン二次電池の終止電圧を設定することを特徴とするリチウムイオン二次電池の使用方法。 - 負極活物質粒子を含む負極活物質の製造方法であって、
一般式SiOx(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素化合物を含む負極活物質粒子を準備する工程と、
前記負極活物質がLi吸蔵を行う際に、前記負極活物質粒子に含まれるSi4+の少なくとも一部が、Siy+(yは0,1,2及び3のいずれかである)の価数状態のうちから選ばれる、少なくとも1種以上の状態に変化し、
前記Si y+ のうちのSi z+ (zは1,2及び3のいずれかである)は、前記負極活物質がLiを吸蔵した際に、Li化合物の形態で存在する負極活物質粒子を選別する工程と
を有することを特徴とする負極活物質の製造方法。 - 請求項13に記載の負極活物質の製造方法によって製造した負極活物質を用いて負極を作製し、該作製した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
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