JPH1196993A - リチウムイオン2次電池用負極 - Google Patents

リチウムイオン2次電池用負極

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JPH1196993A JP9257229A JP25722997A JPH1196993A JP H1196993 A JPH1196993 A JP H1196993A JP 9257229 A JP9257229 A JP 9257229A JP 25722997 A JP25722997 A JP 25722997A JP H1196993 A JPH1196993 A JP H1196993A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 充電容量及びサイクル特性が向上できるリチ
ウムイオン2次電池用負極を提供する。 【解決手段】 表面コーティングされた活物質により構
成されたリチウムイオン2次電池用負極であって、その
表面コーティングには、リチウムイオンがインターカレ
ーションする際にリチウム電位に対して0.5V以上の
電位となり、リチウムイオンのインターカレーションの
際にリチウム電位に対して0.5V以下の電位となる負
極活物質よりもその電位が高くなるものを使用する。こ
れにより急速充電時における負極の表面の電位が低くな
りすぎることを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン2
次電池用負極の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より表面コーティングされた活物質
をリチウム電池の負極に使用することが知られている。
例えば、特開平1−225063号公報には、負極表面
を水酸化リチウムで被覆したリチウム電池が開示されて
いる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例に
おいては、急速充電時のリチウムイオン2次電池の充電
容量が低減するという問題があった。これは、リチウム
イオン2次電池を急速充電する場合に、負極活物質の平
均電位よりも負極の表面近傍の電位の方が低くなるが、
負極の電位は負極活物質の平均電位ではなく負極活物質
の表面近傍の電位で決定される。従って、充電を正負極
の電位差によって終了させる場合に、急速充電ではIR
ドロップによる負極電位の低下に加え負極活物質表面の
電位の低下により低速充電の場合に比べ早く充電終了電
位に達してしまう。このため、充電容量が低減すると考
えられる。
【0004】なお、急速充電時に負極活物質の平均電位
よりも負極の表面近傍の電位の方が低くなる理由は以下
のように考えられる。すなわち、図2には、活物質中に
リチウムイオンがインターカレーションされる場合の様
子が示されるが、充電速度が低い場合には、リチウムが
炭素平面3層毎にインターカレーションするLiC18
状態から、炭素平面2層毎にインターカレーションする
LiC12の状態を経て、各炭素平面の間にすべてリチウ
ムがインターカレーションするLiC6の状態に順次移
行していく。これに従って負極の電位も低下することに
なる。ところが、急速充電を行い、リチウムイオンの拡
散係数10-7〜10-10cm2/sを超える速度の電流を
流した場合、表面近傍の炭素平面間にのみリチウムがイ
ンターカレーションされ、表面のみがLiC6の状態と
なってしまう。この場合、負極活物質の内部にはリチウ
ムが存在せず、負極活物質の平均電位は高い状態に維持
されており、表面電位のみが低下してしまうので、平均
電位よりも表面近傍の電位の方が低くなる。
【0005】また、リチウムイオン2次電池において
は、初期充電時に負極表面にリチウムを含むSEI(S
olid Electrolyte Interfac
e)が形成され、その分リチウムイオンが消費されて充
電1回目の不可逆容量が発生し、またサイクル特性も低
下するという問題がある。これに対して、表面コーティ
ングは有効であるが、上記従来例のように水酸化リチウ
ムを使用した場合には、この物質が電解液中の水分によ
り溶解し不安定なため、サイクル特性向上のためにさほ
ど有効ではない。この場合、珪素化合物等で表面コーテ
ィングすることも考えられるが、リチウム化合物以外の
物質を使用した場合には、不可逆容量の低減効果はさほ
ど高くない。
【0006】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、充電容量及びサイクル特性が
向上できるリチウムイオン2次電池用負極を提供するこ
とにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、表面コーティングされた活物質により構
成されたリチウムイオン2次電池用負極であって、その
表面コーティングには、リチウムイオンがインターカレ
ーションする際の電位が負極より高くなる物質が使用さ
れることを特徴とする。
【0008】また、表面コーティングされた活物質によ
り構成されたリチウムイオン2次電池用負極であって、
その表面コーティングには、リチウムを含む無機固体電
解質が使用されることを特徴とする。
【0009】また、上記リチウムイオン2次電池用負極
において、負極の対極に最も近い側に表面コーティング
に使用された物質の層が設けられたことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態(以下
実施形態という)について説明する。
【0011】実施形態1.一般に、リチウムイオン2次
電池において負極活物質として使用される黒鉛、アモル
ファスカーボン、あるいはSi、Sn系酸化物等は、リ
チウムイオンがインターカレーションする際にリチウム
電位に対して0.5V以下の電位となる。これら活物質
の表面に、リチウムイオンがインターカレーションする
際にリチウム電位に対して0.5V以上の電位となる物
質をコーティングすれば、活物質の表面電位の低下を緩
和することができる。従って、急速充電時において活物
質の表面電位のみが低下し、充電量が不十分なうちに充
電の終了電位に到達してしまうという問題を解消するこ
とができる。
【0012】このような表面コーティング用の物質とし
ては例えばTiO2、Nb25、VO2、CrO2、Mo
2、RuO2、RuO2、WO3等の酸化物が考えられ
る。あるいは、これらの金属との炭化物、窒化物でもよ
い。これらの物質の表面被覆量は、黒鉛等の負極活物質
に対して0.01〜10%が好適である。この範囲より
少ないと負極活物質の表面を完全に被覆できず、またこ
の範囲より多いと正負極間の平均電圧が低くなりすぎ、
また表面被覆に使用されずに単独生成物となってしまう
という問題がある。
【0013】また、負極活物質に表面コーティングする
ことにより、SEIが発生しにくくなり、サイクル特性
の向上を図ることもできる。
【0014】以下に、上記実施形態の具体例を実施例1
として説明する。
【0015】実施例1.ビーカーに大阪ガス社製人造黒
鉛(MCMB)10gとエチルアルコール50ccを入
れ、ホットスターラにて50℃で3時間攪拌混合した後
室温に戻し、テトラプロポキシチタンを3.5g加えて
1時間攪拌した。次に0.1N−塩酸1gを加え、更に
24時間攪拌した。次に最高200℃までの温度で5時
間加熱し、溶媒を除去して黒鉛表面にTiO2の被膜を
形成した。以上のようにして得た黒鉛に結着剤としての
PVDFとNMP溶媒とを混合し、ペースト化して銅の
集電箔に塗布し、電極を形成した。その後、対極として
リチウム箔を使用し、1mol/lのLiClO4を含
むEC:DEC=1:1の電解液を含浸させてリチウム
イオン2次電池を形成した。
【0016】また、上述した塩酸の代わりにLiOH水
溶液を適量入れ、LiTi24.5を黒鉛に対し10%コ
ーティングしたものを活物質として上記と同様にリチウ
ムイオン2次電池を構成した。これらのリチウムイオン
2次電池の充電容量の充電電流依存性とサイクル特性と
を評価した。
【0017】図1には、充電容量の充電電流依存性の測
定結果が示される。なお、比較例として負極活物質にカ
ーボンのみを使用したリチウムイオン2次電池の測定結
果も示されている。図1からわかるように、充電電流を
増加させていくと、充電容量は低下していく。図1で
は、(1/3)C、すなわち3時間で満充電できる電流
を基準とし、電流値を適宜増大させている。充電電流が
高くなっていくと、カーボンのみの場合に比べTiO2
やLiTi24.5の方が充電容量が高く維持されている
ことがわかる。
【0018】また、表1には、サイクル特性の評価結果
が示される。この場合にも比較例としてカーボンのみで
構成された負極を使用したリチウムイオン2次電池の測
定結果も示されている。サイクル特性は、充電容量が1
0%劣化した際のサイクル回数として示されている。
【0019】
【表1】 表1からわかるように、本実施例はいずれも比較例に比
べ大きくサイクル特性が向上している。
【0020】実施形態2.黒鉛等の負極活物質の表面に
リチウムを含む無機固体電解質をコーティングすること
により、サイクル特性を向上することができ、更に初期
の不可逆容量すなわち充電1回目の充電量と放電量との
差を低減させることができた。これは、無機固体電解質
であるLi4SiO4、Li4-3yAlySiO4、Li5
lO4、Li2-2xMgxSO4、Li3PO4−Li2S−S
iS2、LiI−Li3PO4−P22、Li2O、Li2
CO3等が負極活物質の表面に存在することにより、負
極活物質が直接電解液と接することが防止される。この
ため、初期充電時に水や電解液との反応生成物であるL
iOH、Li2O、Li2CO3等が発生しないため、リ
チウムイオンの消費が抑制され、不可逆容量が低減でき
るためである。
【0021】以下に、本実施形態の具体例を実施例2と
して説明する。
【0022】実施例2.ビーカーにMCMB黒鉛10g
とエチルアルコール50ccを入れ、ホットスターラに
て50℃の温度で3時間攪拌混合し、室温に戻した後テ
トラエトキシシラン0.3gとプロポキシリチウム0.
4gを入れ1時間攪拌した。次に0.1N−塩酸0.1
gを入れ更に24時間攪拌した。次に最高200℃まで
の温度で5時間加熱し、溶媒を除去し、黒鉛表面にLi
4SiO4の被膜を形成した。このようにして得た黒鉛に
結着剤としてのPVDFとNMP溶媒とを混合し、ペー
スト化して銅の集電箔に塗布した。これを負極とし、対
極にリチウム箔を使用し、1mol/lのLiclO4
を含むEC:DEC=1:1の電解液を含浸させ、リチ
ウムイオン2次電池を構成してそのサイクル特性及び初
回不可逆容量を評価した。
【0023】表2には上記評価結果が示される。なお、
比較例としてカーボンのみで負極を構成したリチウムイ
オン2次電池及びカーボンにLiOHを表面コーティン
グしたものを負極に使用したリチウムイオン2次電池の
評価結果も示される。
【0024】
【表2】 表2からわかるように、Li4SiO4をコーティングし
た本実施例に係るリチウムイオン2次電池は、初回不可
逆容量及びサイクル特性のいずれも向上されている。ま
た、カーボンのみの場合に比べLiOHをコーティング
したものは初回不可逆容量及びサイクル特性が向上して
いるが、本実施例の結果までは達していない。
【0025】実施形態3.図3には、本発明に係るリチ
ウムイオン2次電池用負極の変形例が示される。図3に
示されるように、負極を構成する黒鉛の対極に最も近い
側に黒鉛の表面コーティングに使用した例えばTiO2
のような物質の層を形成すれば、上記実施形態1、実施
形態2の効果をより向上させることができる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
急速充電をした場合の負極表面電位の低下を緩和させる
ことができ、充電容量とサイクル特性を向上させること
ができる。
【0027】また、リチウムを含む無機固体電解質を表
面コーティングすることにより、新たにSEIが形成さ
れず、リチウムイオンの消費を抑制できるので不可逆容
量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るリチウムイオン2次電池用負極
を使用した場合の充電容量の充電電流依存性を示す図で
ある。
【図2】 活物質中にリチウムイオンがインターカレー
ションされる場合の説明図である。
【図3】 本発明に係るリチウムイオン2次電池用負極
の変形例を示す図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面コーティングされた活物質により構
    成されたリチウムイオン2次電池用負極であって、前記
    表面コーティングには、リチウムイオンがインターカレ
    ーションする際の電位が負極より高くなる物質が使用さ
    れることを特徴とするリチウムイオン2次電池用負極。
  2. 【請求項2】 表面コーティングされた活物質により構
    成されたリチウムイオン2次電池用負極であって、前記
    表面コーティングには、リチウムを含む無機固体電解質
    が使用されることを特徴とするリチウムイオン2次電池
    用負極。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2記載のリチウム
    イオン2次電池用負極において、負極の対極に最も近い
    側に前記表面コーティングに使用された物質の層が設け
    られたことを特徴とするリチウムイオン2次電池用負
    極。
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