JP6992580B2 - 活物質およびそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る活物質粒子について説明する。図1は、本実施形態に係る活物質の一例を示す模式断面図である。活物質粒子1、リチウムイオンを吸蔵放出するケイ素を主成分として含む粒子2(以下、「リチウムイオンを吸蔵放出する粒子2」という。)、導電膜3は、活物質粒子1を含む複合的な構造を持つ粒子2を形成し、粒子2を覆うように導電膜3が存在する。
導電膜3は、炭素から構成される。炭素の構成として、12Cを主として含み、安定同位体13Cを、炭素安定同位体比δ13Cで-20‰以下含む。本発明において、炭素安定同位体比は、同位体質量測定装置によって測定し、数値は、下記式(1)にて算出した値である。
δ 13 C={(試料の 13 C/ 12 Cモル比)/(標準試料の 13 C/ 12 Cモル比)-1}×1000・・・(1)
炭素安定同位体13Cは、12Cに比べ電子密度が高いと考えられており、12Cに対して13Cがある程度存在することによって、炭素から構成された導電膜3に分極が生じると考えられる。活物質1を、リチウムイオンを吸蔵放出する電極に用いる際、例えば、フッ素原子を有する塩が含まれる電解液を用いた場合、活物質1の表面で反応し、フッ化水素を発生する場合がある。炭素安定同位体13Cが存在することによって分極した導電膜3は、この反応を促進させ易いと考えられる。発生したフッ化水素が活物質粒子に含まれるケイ素と反応することにより、ケイ素を主成分として含む粒子(本実施形態に係る「リチウムイオンを吸蔵放出する粒子2」に相当する。)の結晶構造が破壊され、サイクル特性の低下が生じることとなる。
本実施形態に係る活物質を用いた電極、及び当該電極を用いたリチウムイオン二次電池について説明する。本実施形態に係る電極は、集電体と、上記活物質を含み上記集電体上に設けられた活物質層と、を備える電極である。図2は、当該電極を用いた本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の模式断面図である。
(正極10)
正極集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。正極活物質層14は、活物質、結合剤、必要に応じた量の導電材を含むものである。結合剤は、活物質同士を結合すると共に、活物質粒子と正極集電体12とを結合している。
負極集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。負極活物質層24は、活物質、結合剤、必要に応じた量の導電材を含むものである。負極活物質として、本実施形態に係る活物質を使用し、結合剤、導電材は、それぞれ、正極と同様のものを使用できる。
本実施形態に係る電極10,20の製造方法は、電極活物質層14,24の原料である塗料を、集体上に塗布する工程(以下、「塗布工程」ということがある。)と、集電体上に塗布された塗料中の溶媒を除去する工程(以下、「溶媒除去工程」ということがある。)と、を備える。
塗料を集電体12、22に塗布する塗布工程について説明する。塗料は、上記活物質、結合剤、及び溶媒を含む。塗料には、これらの成分の他に、例えば、活物質の導電性を高めるための導電材が含まれていてもよい。溶媒としては、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド等を用いることができる。
続いて、集電体12、22上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。除去法は特に限定されず、塗料が塗布された集電体12、22を、例えば80℃~150℃の雰囲気下で乾燥させればよい。
一酸化ケイ素を環状炉に入れ、炉内を1Paまで減圧し、700℃に加熱した状態で、13Cの純度が99%の13Cメタンガスと12Cの純度が99.9%の12Cメタンガスとの混合ガス(12C/13C混合メタンガス)を流した。13Cメタンガスと12Cメタンガスとの混合比を変化させることにより、形成される炭素膜中の13Cの比率(σ13C(‰))を、表1に示すように制御した。12C/13C混合メタンガスを水素ガスと混合し、12C/13C混合メタンガスと水素ガスは7:1の比率で混合した。30分間ガスを流した後、冷却し、12Cと13Cとから構成される炭素膜で被覆された一酸化ケイ素を得た。
活物質としての上記により炭素被覆した一酸化ケイ素及び黒鉛の質量比1:9の混合物と、バインダーとしてのポリアミドイミド(PAI)とアセチレンブラックを混合したものとを、溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。なお、スラリーにおいて活物質とアセチレンブラックとPAIとの質量比が90:2:8となるように、スラリーを調製した。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、乾燥させた後、圧延を行い、活物質層が形成された電極(負極)を得た。
活物質としてLiCoO2とポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びアセチレンブラックを混合したものとを、溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。なお、スラリーにおいて、活物質とアセチレンブラックとPVDFとの質量比が96:2:2となるように、スラリーを調製した。このスラリーを集電体であるアルミニウム箔上に塗布し、乾燥させた後、圧延を行い、電極(正極)を得た。
作製した正極及び負極並びにセパレータを、所定の型に打ち抜いた。セパレータとしては、ポリエチレン多孔質膜とポリアミドイミドの多孔質層の2層構造を持つ膜を用いた。負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層し、正極及び負極のいずれか1つと、1つのセパレータとの組み合わせを1層として、これを6つ重ねて6層の積層体を作製した。電解液にはエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を質量比で3:7となるように混合した溶媒に、LiPF6が1Mとなるよう溶解させたものを電解液として用いた。上記積層体を、アルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液を注入した後、真空シールし、評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
12C/13C混合メタンガスの比率を変えることにより、実施例2~6および比較例1の活物質を作製した。
作製したリチウムイオン二次電池を用いて、充電レートを0.1C(25℃で定電流放電を行ったときに10時間で放電終了となる電流値)として充電し、その際に発生したガスの体積を、アルキメデス法により測定した。結果を表1に示す。
作製したリチウムイオン二次電池を用いて、充電レートを0.5C(25℃で定電流放電を行ったときに2時間で放電終了となる電流値)として充電し、1Cで放電するサイクルと繰り返し、初回のサイクルと300サイクル後の容量を比較し、容量維持率を求めた。
Claims (3)
- リチウムイオンを吸蔵放出する活物質粒子と、前記活物質粒子の表面の少なくとも一部を被覆する導電膜と、を備え、
前記活物質粒子はケイ素を主成分として含み、
前記導電膜は炭素安定同位体13Cを、炭素安定同位体比δ13Cで-80‰~-50‰含む、活物質。 - 前記炭素安定同位体 13 Cの含有率は、導電膜の表面における割合であることを特徴とする請求項1に記載の負極活物質粒子。
- 請求項1または2のいずれかに記載の活物質を有する負極と、セパレータと、前記セパレータを介して前記負極に対向する正極と、電解質と、を備える、リチウムイオン二次電池。
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岡田静子 外,安定同位体比(13C/12C)質量分析法による原油の炭素同位体比測定,石油技術協会誌,日本,1989年01月24日,Vol.54,No.2,pp.107-110 |
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