JPH09161774A - リチウム二次電池用負極 - Google Patents

リチウム二次電池用負極

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JPH09161774A
JPH09161774A JP7313873A JP31387395A JPH09161774A JP H09161774 A JPH09161774 A JP H09161774A JP 7313873 A JP7313873 A JP 7313873A JP 31387395 A JP31387395 A JP 31387395A JP H09161774 A JPH09161774 A JP H09161774A
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lithium secondary
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Abstract

(57)【要約】 【課題】充電時におけるデンドライト巨大結晶の析出を
抑止可能なリチウム二次電池用負極を提供すること。 【解決手段】リチウムに固溶限界内でカルシウム(C
a)又はストロンチウム(Sr)を固溶させた固溶体を
リチウム二次電池用負極として採用することにより、充
電時におけるデンドライト巨大結晶が抑止できるリチウ
ム二次電池用負極を実現する。この理由としては、固溶
によりリチウム中に非常に良好に分散したCa又はSr
又はそれによる結晶欠陥が電池充電時に負極表面に極め
て多数の析出核を形成し、これによりリチウムが負極表
面全面にわたって良好に分散析出するためであると考え
られる。このため、負極表面全面が結晶成長面となっ
て、充電継続によりリチウム層の厚さのみが増大し、デ
ンドライト結晶が局部的に形成されるのが抑止される。
カルシウム又はストロンチウムの添加濃度は、0.06
〜2.00wt%とされることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
用負極、特にデンドライトの巨大結晶の成長を抑制した
リチウム二次電池用負極に関する。
【0002】
【従来技術】特開平5−47381号公報は、リチウム
に銀、亜鉛、マグネシウムのどれかを0.01〜15w
t%の含有率で固溶させた固溶体(添加量が多い場合に
は固溶体相と金属間化合物相とからなる合金)をリチウ
ム二次電池用負極とすることにより、電池のサイクル寿
命(初期容量の半分の容量となる時点までの累積充放電
サイクル数)を延長できることを記載している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】負極にリチウムを用い
たリチウム二次電池においては、充放電にともなうリチ
ウムの溶解、析出の繰り返しにより負極表面にデンドラ
イト結晶が成長してセパレータを突き抜け、陽極と接触
してショートするという問題があった。上記した公報に
よれば、上記銀、亜鉛、マグネシウムのどれかをリチウ
ムに0.01〜15wt%溶解させて固溶体相又は固溶
体相と金属間化合物相とを含む合金を形成することによ
りサイクル寿命の延長が実現したということはわかる
が、このサイクル寿命の延長が果たしてデンドライト結
晶の成長阻止によるものかどうかについては検証されて
おらず、真のサイクル寿命延長原因については不明であ
った。
【0004】更に、このような銀、亜鉛、マグネシウム
などの添加は次の問題を生起することがわかった。すな
わち、リチウムの標準単極電位は−3.02Vであり、
銀のそれは+0.8Vであり、亜鉛のそれは−0.76
Vであり、マグネシウムを含めてそれらのイオン化傾向
はリチウムに比べてかなり小さく、このためにこれらを
含むリチウム合金を負極とした場合、放電を進行させる
とこれらの添加元素がイオン化して電解液に一時的に溶
解してもすぐにリチウムとの置換によりこれら添加元素
が負極表面に回帰して被着され、その結果、負極の表面
における添加元素の密度が元々の密度より著しく増大し
てしまう。更に、上記説明からわかるようにこの負極の
表面における添加元素の密度は放電量により変動し充放
電時には著しく高くなることがわかる。
【0005】このように上記公報による方法では、リチ
ウム表面の状態が充放電サイクルを繰り返す毎に異なる
ので、負極表面におけるデンドライト結晶の安定した析
出がなされず、その結果、充放電効率の低下を招くこと
が充分に懸念される。また、原子量の大きな添加元素を
多量に添加することは当然、負極の容量密度を低下させ
る。
【0006】本発明は、上記事情に鑑みなされたもので
あり、充電時におけるデンドライト巨大結晶の析出を抑
止可能なリチウム二次電池用負極を提供することを解決
すべき課題としている。また本発明は、上記事情に鑑み
さなされたものであり、充放電により負極表面に添加元
素の過度の集中を抑止してデンドライト巨大結晶の析出
抑止するとともに電池反応の向上が可能なリチウム二次
電池用負極を提供することを解決すべき課題としてい
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の手段によ
れば、リチウムと等しい電気陰性度をもつアルカリ土類
金属であるカルシウム(Ca)又はストロンチウム(S
r)をリチウムに固溶限界内で固溶させた固溶体をリチ
ウム二次電池用負極として採用するので、充電時におけ
るデンドライト巨大結晶が抑止できるリチウム二次電池
用負極を実現した。すなわち、本発明者は、リチウムに
Ca又はSrを固溶させた固溶体を負極とするリチウム
二次電池用負極において顕著にデンドライト巨大結晶の
析出を阻止できることを見出した。
【0008】この理由としては、固溶によりリチウム中
に非常に良好に分散したCa又はSr又はそれによる結
晶欠陥が電池充電時に負極表面に極めて多数の析出核を
形成し、これによりリチウムが負極表面全面にわたって
良好に分散析出するためであると考えられる。このた
め、負極表面全面が結晶成長面となって、充電継続によ
りリチウム層の厚さのみが増大し、デンドライト結晶が
局部的に形成されるのが抑止される。したがって、本手
段のリチウム二次電池用負極を用いれば極間短絡を良好
に抑止できることがわかる。
【0009】なお、Linus Paulingが求め
たLi、Ca、Srの電気陰性度はともに1.0であ
り、また、それらのイオン化傾向(標準単極電位)は、
Liが−3.02V、Caが−2.81V、Srが−
2.89Vと極めて近似しており、更にLiとCa又は
Srとは周期律表において隣接する族であり、これらの
物理化学的特性の近似がリチウム内におけるCa又はS
rの良好な分散性、又は、電池充電時における極めて多
数の析出核を形成するのに関連しているものと思われ
る。
【0010】特に、これら3元素の標準単極電位が近似
しているということは、例えば放電時などにおいて電解
液中にイオンとして溶解したCa又はSrがその後、容
易に負極表面にリチウムと置換しないということを意味
しており、このために前述した非充電時における負極表
面への添加元素の過度の被着が抑止され、この結果、負
極表面におけるその後の充電時などにおいて金属間化合
物などが生成されることが少なく、添加元素すなわちC
aやSrが負極表面において充電が進行しても良好に固
溶体を構成し、CaやSrの良好な(緻密な)分散の維
持による析出核の良好な分散によりデンドライト巨大結
晶の成長を抑止し、良好な負極電極反応の維持が実現す
ることがわかる。
【0011】請求項2の手段によれば、アルカリ土類金
属としてカルシウムが採用される。カルシウムはストロ
ンチウムに比べて安価であり、またそのデンドライト巨
大結晶抑制効果はストロンチウムより良好であった。請
求項3の手段によれば、カルシウムの添加濃度は、0.
06〜2.00(固溶限度)wt%とされる。実験によ
れば、この範囲内にてデンドライト巨大結晶の析出を顕
著に抑止できることがわかった。
【0012】添加濃度が0.06wt%未満であれば添
加元素の析出密度が低下してデンドライト巨大結晶の発
生確率が増大し、添加濃度が2.00wt%を超過すれ
ば、金属間化合物相を含む合金となるためかデンドライ
ト巨大結晶の発生確率が増大するとともに、リチウム量
の減少による容量低下が大きくなる。更に言えば添加元
素が増加してリチウムとこの添加元素により多量の金属
間化合物が生成する場合、これら金属間化合物は添加元
素単体に比べてリチウムに対する分散性が劣るので、極
めて局所的な析出が生じる。更に、充放電に関与する有
効リチウム量が減少するので容量密度の低下を招くとい
う欠点が生じる。
【0013】これらの問題は本手段により解決される。
【0014】
【実施例】負極として以下の5つのサンプルを準備し
た。サンプル1はCaの添加濃度が0wt%の従来品、
サンプル2はCaの添加濃度が0.06wt%の実施例
1品、サンプル3はCaの添加濃度が0.60wt%の
実施例2品、サンプル4はCaの添加濃度が2.00w
t%の実施例3品、サンプル5はCaの添加濃度が12
wt%の実施例4品である。
【0015】各サンプルは、Li粉末に上記割合でCa
粉末を混合して溶融、攪拌後、冷却して固溶体インゴッ
トを作製し、この固溶体インゴットを圧延して、厚さ
0.4mm、直径10mmの円板に成形して作用極とし
た。対極として同一形状のLiを用い、これらを電解液
中に対面させて直流電圧を印加して析出試験を実施し
た。電解液としては、LiClO4 をプロピレンカーボ
ネートに1モル/lだけ溶解したものを用い、負極電流
密度1.9mA/cm2 の条件で80分間通電した後、
各サンプルの表面を観察した。
【0016】その結果、サンプル1では全面にデンドラ
イト結晶が析出し、サンプル2、5ではかなりデンドラ
イト結晶が析出し、サンプル3、4では一部にデンドラ
イト結晶を残して表面の多くが平滑面となることがわか
った。上記充電終了後のサンプル1〜3の表面状態を撮
影した写真を図1〜図3に示す。図1はサンプル1の表
面を示し、図2はサンプル2の表面を示し、図3はサン
プル3の表面を示す。
【0017】次に、上記充電終了後のサンプル1と3の
断面の凹凸を調べた。検査装置としてはレーザー顕微鏡
を用いた。その結果、上記表面観察結果と同様に、サン
プル1では大きな表面凹凸が生じているにもかかわら
ず、サンプル3では、ほとんど表面凹凸が生じていなか
った。図4はサンプル1の断面を計測してプロットした
画面の写真であり、図5はサンプル3の断面を計測して
プロットした画面の写真である。
【0018】なお、この実施例では電解液としてプロピ
レンカーボネート(PC)/LiClO4 を用いたが、
他の電解液、例えばPC+DME/1MLiClO4
PC+DME/1MLiPF6 等を用いることができ、
正極としてLiMn2 4 等リチウムをドープおよび脱
ドープする物質を用いることができる。更に、電池形状
もボタン型に限られるものではなく、他の形状のものと
することができる。
【0019】(実施例2)Caの代わりに、Caと同じ
くリチウムと同じ電気陰性度をもち、同じアルカリ土類
であるSrを用いて上記と同じ試験を行った。その結果
は、Caの場合とほとんど同じであった。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ca含有量0wt%のリチウムからなるリチウ
ム二次電池用負極の充電後の表面の粒子構造を示す写真
を複写した図である。
【図2】Ca含有量0.06wt%のリチウム固溶体か
らなるリチウム二次電池用負極の充電後の表面の粒子構
造を示す写真を複写した図である。
【図3】Ca含有量0.60wt%のリチウム固溶体か
らなるリチウム二次電池用負極の充電後の表面の粒子構
造を示す写真を複写した図である。
【図4】Ca含有量0wt%のリチウムからなるリチウ
ム二次電池用負極の充電後の表面部断面の凹凸を示すオ
シロ波形を示す図である。
【図5】Ca含有量0.60wt%のリチウムからなる
リチウム二次電池用負極の充電後の表面部断面の凹凸を
示すオシロ波形を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成8年1月31日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図1
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図3
【補正方法】変更
【補正内容】
【図3】

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムと等しい電気陰性度をもつアルカ
    リ土類金属をリチウムに固溶限界内で固溶させた固溶体
    により少なくとも表面部分が構成されることを特徴とす
    るリチウム二次電池用負極。
  2. 【請求項2】前記アルカリ土類金属はカルシウムからな
    る請求項1記載のリチウム二次電池用負極。
  3. 【請求項3】前記カルシウムの添加濃度は0.06〜
    2.00wt%とされる請求項2記載のリチウム二次電
    池用負極。
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