JP6928093B2 - リチウム金属負極、その製造方法およびこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
n4は、1〜5の整数である。
n6は、1〜5の整数である。
図3のような工程でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液の製造時、窒素系化合物の硝酸リチウムとフッ素系化合物のフルオロエチレンカーボネートを投入しないことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液の製造時、窒素系化合物の硝酸リチウムを投入せず、フッ素系化合物のフルオロエチレンカーボネートをメッキ液100重量%を基準として10重量%投入したことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液の製造時、窒素系化合物の硝酸リチウムを投入せず、フッ素系化合物のフルオロエチレンカーボネートをメッキ液100重量%を基準として20重量%投入したことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液の製造時、フッ素系化合物のフルオロエチレンカーボネートを投入しないことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液の製造時、窒素系化合物の硝酸リチウムをメッキ液100重量%を基準として20重量%を投入し、窒素系化合物のリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドとフッ素系化合物のフルオロエチレンカーボネートを投入しないことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液を下記のように製造して用いたことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
メッキ液を下記のように製造して用いたことを除けば、実施例1と同様の方法でリチウム金属負極を製造した。
既存の物理蒸着(Physical Vapor Deposition、PVD)方法で製造されたリチウム金属負極の微細組織の特性および電気化学的性能を、実施例により製造されたリチウム金属負極と比較するために、約20μmの厚さのリチウム金属薄膜層を有するリチウム金属負極(Li−Cu foil)を製造した。
圧延(Laminating)方法で製造されたリチウム金属負極の微細組織の特性と電気化学的性能を、実施例により製造されたリチウム金属負極と比較するために、約20μmの厚さのリチウム金属薄膜層を有するリチウム金属負極(Li−Cu foil)を製造した。
実施例1、実施例6、および比較例1〜4により製造したリチウム金属負極の表面および断面を、走査電子顕微鏡を用いて×2,000倍率で測定した。
実施例1〜実施例4および比較例1〜比較例4により製造されたリチウム金属負極の表面の成分を下記の方法で分析した。
実施例1〜実施例6および比較例1〜比較例4により製造されたリチウム金属負極を用いて、図6のような構造のリチウム二次電池(2032type coin full cell)を作製した後、充放電性能を評価した。
リチウム供給源としては、純度99%、厚さ200μmのリチウム金属foilを用い、リチウムが電着される母材の集電体としては、10μmのCu foilを表面洗浄した後に使用した。電着用電解液は、1,2−Dimethoxyethaneに1M濃度にLiFSIリチウム塩を溶解した後、Fluoroethylene carbonateをリチウム塩基準5wt%添加して製造した。絶縁膜としては、リチウムイオン電池に使用されるセルガード2400を用いて、集電体、絶縁膜、リチウム供給源の順に積層して電着用電解液に担持し、両側面を拘束用プレートで押してリチウムの積層される面に圧力を印加した。電源供給装置を用いて、集電体とリチウム供給源をそれぞれ(−)と(+)電極にして電流を印加してリチウムを集電体の表面に積層し、この時、電流密度は0.1〜100mA/cm2の範囲とし、電着時間は2分〜120時間として、厚さが5μm〜50μmのリチウム金属薄膜を製造した。
実験例4の方法で製造したリチウム金属負極と、対極(Li foil)を組み合わせた電池(coin cell)を作製し、充放電(Li stripping/Li plating)を繰り返した結果を図19に示した。また、既存の蒸着(PVD)方法で製造したリチウム金属負極と対極(Li foil)とを組み合わせた電池(coin cell)を作製して、充放電を繰り返した結果を図20に示した。図19および図20を比較すれば、既存の蒸着(PVD)方法で製造したリチウム金属負極の場合、セルの作動初期から過電圧が大きくかかり、サイクルの経過に伴って過電圧が大きく増加する傾向を示すことを確認することができた。しかし、本発明の一実施形態による方法で製造したリチウム金属負極は、相対的に低い過電圧が発生し、サイクル特性も安定した挙動を示すことを確認することができた。
実験例4の方法で製造したリチウム金属負極を用いて電池(coin full cell)を作製して充放電特性を評価した。正極材としてはLCO素材を用い、比較例として圧延(比較例5)および蒸着(比較例6)工程で製造されたリチウム金属負極を用いて作製した電池の充放電特性を併せて評価した。
11:集電体
12:リチウム金属薄膜層
13:被膜
20:リチウム供給源
30:メッキ液
40:絶縁膜
50:拘束装置
60:電源供給装置
70:正極
80:電解質
90:分離膜
95:電池容器
100:リチウム二次電池
Claims (18)
- 集電体と、
前記集電体の少なくとも一面に位置し、厚さが0.1μm〜200μmの範囲であるリチウム金属薄膜層と、
前記リチウム金属薄膜層の表面に位置する被膜とを含み、
前記被膜は、Li−O、C−N、C−O、およびC−H結合を含むLi系イオン性化合物を含み、
前記Li系イオン性化合物は、化学式1および化学式2で表される化合物のうちの少なくとも1つである、リチウム金属負極。
A 1 は、
n1は、1〜10の整数である。)
A 2 は、
n2は、1〜10の整数である。) - 前記被膜は、LiFをさらに含む、請求項1に記載のリチウム金属負極。
- 前記化学式1で表される化合物は、下記の化学式1−1および化学式1−2で表される化合物のうちの少なくとも1つであり、
前記化学式2で表される化合物は、下記の化学式2−1および化学式2−2で表される化合物のうちの少なくとも1つである、請求項1に記載のリチウム金属負極。
n4は、1〜5の整数である。)
n6は、1〜5の整数である。) - 前記被膜の厚さは、2nm〜2μmの範囲である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム金属負極。
- 前記被膜の厚さは、10nm〜500nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム金属負極。
- 前記リチウム金属薄膜層は、
デンドライト(Dendrite)のない平坦な表面微細組織を有し、
前記集電体から上方伸張した柱状晶組織(Columnar structure)を含む、
請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム金属負極。 - 前記柱状晶組織の平均直径は、0.1μm〜100μmの範囲である、請求項6に記載のリチウム金属負極。
- 前記リチウム金属薄膜層の平均気孔分率は、10%以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム金属負極。
- メッキ液内に集電体とリチウム供給源とを電気的に絶縁させた後、両方向で拘束して積層する段階と、
前記集電体と前記リチウム供給源との間に電流を印加して、前記集電体の少なくとも一面にリチウム金属薄膜層および被膜を同時に形成する段階とを含み、
前記被膜は、Li系イオン性化合物を含み、
前記メッキ液は、窒素系化合物を含み、
前記Li系イオン性化合物は、化学式1および化学式2で表される化合物のうちの少なくとも1つである、リチウム金属負極の製造方法。
A 1 は、
n1は、1〜10の整数である。)
A 2 は、
n2は、1〜10の整数である。) - 前記窒素系化合物は、
硝酸リチウム(Lithium nitrate)、リチウムビスフルオロスルホニルイミド(Lithium bis fluorosulfonyl imide)、リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド(Lithium bis trifluoromethane sulfonimide)、カプロラクタム(e−Caprolactam)、メチルカプロラクタム(N−methyl−e−caprolactam)、トリエチルアミン(Triethylamine)、およびトリブチルアミン(Tributylamin)からなる群より選択された1つ以上である、請求項9に記載のリチウム金属負極の製造方法。 - 前記メッキ液は、前記窒素系化合物を、前記メッキ液100重量%を基準として、1重量%〜100重量%の範囲で含む、請求項9又は10に記載のリチウム金属負極の製造方法。
- 前記メッキ液は、フッ素系化合物をさらに含む、請求項9〜11のいずれか1項に記載のリチウム金属負極の製造方法。
- 前記フッ素系化合物は、
リチウムジフルオロホスフェート(Lithium difluoro phosphate)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(Lithium hexafluoro phosphate)、リチウムジフルオロビスオキサラトホスフェート(Lithium difluoro bisoxalato phosphate)、リチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート(Lithium tetrafluoro oxalato phosphate)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(Lithium difluoro oxalate borate)、リチウムジフルオロオキサラトボレート(Lithium difluoro oxalato borate)、リチウムテトラフルオロオキサラトボレート(Lithium tetrafluoro oxalato borate)、フルオロエチレンカーボネート(Fluoroethylene carbonate)、ジフルオロエチレンカーボネート(Difluoroethylene carbonate)、および1,1,2,2−テトラフルオロエチル2,2,3,3−テトラフルオロプロピルエーテル(1,1,2,2−Tetrafluoroethyl2,2,3,3−Tetrafluoropropyl ether)からなる群より選択された1つ以上である、請求項12に記載のリチウム金属負極の製造方法。 - 前記メッキ液は、前記フッ素系化合物を、前記メッキ液100重量%を基準として、0.1重量%〜30重量%の範囲で含む、請求項12又は13に記載のリチウム金属負極の製造方法。
- 前記リチウム金属薄膜層および前記被膜を同時に形成する段階は、
前記集電体と前記リチウム供給源との間に、集電体の面積を基準として、平均電流密度が0.1mA/cm2〜100mA/cm2の範囲となるように電流を印加する方法で行われる、請求項9〜14のいずれか1項に記載のリチウム金属負極の製造方法。 - 前記被膜の厚さは、2nm〜2μmである、請求項9〜15のいずれか1項に記載のリチウム金属負極の製造方法。
- 前記リチウム金属薄膜層の厚さは、0.1μm〜200μmである、請求項9〜16のいずれか1項に記載のリチウム金属負極の製造方法。
- 負極と、
正極と、
電解質とを含み、
前記負極は、請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウム金属負極である、リチウム二次電池。
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