KR20180030265A - 전기 디바이스용 부극, 및 이것을 사용한 전기 디바이스 - Google Patents

전기 디바이스용 부극, 및 이것을 사용한 전기 디바이스 Download PDF

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KR20180030265A
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후미히로 미키
마나부 와타나베
겐스케 야마모토
다카시 사나다
노부타카 치바
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 높은 사이클 특성을 유지하면서, 또한 초기 용량도 높고 밸런스 좋은 특성을 나타내는 Li 이온 이차 전지 등의 전기 디바이스용 부극을 제공하는 것이다.
집전체와, 상기 집전체의 표면에 배치된 부극 활물질, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 전극층을 갖는 전기 디바이스용 부극이며, 상기 부극 활물질이, 하기 식 (1): SixSnyMzAa[상기 식 (1)에 있어서, M은 Al, V, C, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속이며, 상기 A는, 불가피 불순물이며, x, y, z, 및 a는 질량%의 값을 나타내고, 이때, 0<x<100, 0<y<100, 0<z<100, 및 0≤a<0.5이며, x＋y＋z＋a＝100임]로 표현되는 합금을 함유하고, 상기 집전체의 탄성 연신율이, 1.30% 이상인 것을 특징으로 하는, 전기 디바이스용 부극.

Description

전기 디바이스용 부극, 및 이것을 사용한 전기 디바이스 {NEGATIVE ELECTRODE FOR ELECTRIC DEVICE AND ELECTRIC DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 전기 디바이스용 부극, 및 이것을 사용한 전기 디바이스에 관한 것이다. 본 발명의 전기 디바이스용 부극 및 이것을 사용한 전기 디바이스는, 예를 들어 이차 전지나 캐패시터 등으로서 전기 자동차, 연료 전지차 및 하이브리드 전기 자동차 등의 차량의 모터 등의 구동용 전원이나 보조 전원에 사용된다.
최근 들어, 대기 오염이나 지구 온난화에 대처하기 위해, 이산화탄소량의 저감이 간절히 요망되고 있다. 자동차 업계에서는, 전기 자동차(EV)나 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 도입에 의한 이산화탄소 배출량의 저감에 기대가 모아지고 있으며, 이 실용화의 키를 쥐는 모터 구동용 이차 전지 등의 전기 디바이스의 개발이 활발히 행해지고 있다.
모터 구동용 2차 전지로서는, 휴대 전화나 노트북 컴퓨터 등에 사용되는 민간용 리튬 이온 이차 전지와 비교하여 매우 높은 출력 특성, 및 높은 에너지를 갖는 것이 요구되고 있다. 따라서, 모든 전지 중에서 가장 높은 이론 에너지를 갖는 리튬 이온 이차 전지가 주목을 모으고 있으며, 현재 급속하게 개발이 진행되고 있다.
리튬 이온 이차 전지는, 일반적으로 바인더를 사용하여 정극 활물질 등을 정극 집전체의 양면에 도포한 정극과, 바인더를 사용하여 부극 활물질 등을 부극 집전체의 양면에 도포한 부극이, 전해질층을 사이에 두고 접속되어, 전지 케이스에 수납되는 구성을 갖고 있다.
종래, 리튬 이온 이차 전지의 부극에는 충방전 사이클의 수명이나 비용면에서 유리한 탄소·흑연계 재료가 사용되어 왔다. 그러나 탄소·흑연계의 부극 재료에서는 리튬 이온의 흑연 결정 중에의 흡장·방출에 의해 충방전이 이루어지므로, 최대 리튬 도입 화합물인 LiC6으로부터 얻어지는 이론 용량 372mAh/g 이상의 충방전 용량이 얻어지지 않는다고 하는 결점이 있다. 이로 인해, 탄소·흑연계 부극 재료로 차량 용도의 실용화 레벨을 충족하는 용량, 에너지 밀도를 얻는 것은 곤란하다.
이에 반해, 부극에 Li와 합금화하는 재료를 사용한 전지는, 종래의 탄소·흑연계 부극 재료와 비교해 에너지 밀도가 향상되므로, 차량 용도에 있어서의 부극 재료로서 기대되고 있다. 예를 들어, Si 재료는, 충방전에 있어서 다음의 반응식 (A)와 같이 1㏖당 4.4㏖의 리튬 이온을 흡장 방출하고, Li22Si5(＝Li4.4Si)에 있어서는 이론 용량 2100mAh/g이다. 또한, Si 중량당으로 산출한 경우, 3200mAh/g의 초기 용량을 갖는다.
Figure pat00001
그러나 부극에 Li와 합금화하는 재료를 사용한 리튬 이온 이차 전지는, 충방전 시의 부극에서의 팽창 수축이 크다. 예를 들어, Li 이온을 흡장한 경우의 체적 팽창은, 흑연 재료에서는 약 1.2배인 것에 반해, Si 재료에서는 Si와 Li가 합금화될 때, 아몰퍼스 상태로부터 결정 상태로 전이해 큰 체적 변화(약 4배)를 일으키므로, 전극의 사이클 수명을 저하시키는 문제가 있었다. 또한, Si 부극 활물질의 경우, 용량과 사이클 내구성은 상반된 관계이며, 고용량을 나타내면서 고사이클 내구성을 향상시키는 것이 곤란하다고 하는 등의 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 식; SixMyAlz를 갖는 아몰퍼스 합금을 함유하는, 리튬 이온 이차 전지용의 부극 활물질이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 여기서, 식 중 x, y, z는 원자 퍼센트 값을 나타내고, x＋y＋z＝100, x≥55, y<22, z>0, M은 Mn, Mo, Nb, W, Ta, Fe, Cu, Ti, V, Cr, Ni, Co, Zr, 및 Y 중 적어도 1종류를 포함하는 금속이다. 이러한 특허문헌 1에 기재된 발명에서는, 단락「0018」에 금속 M의 함유량을 최소한으로 함으로써, 고용량 외에, 양호한 사이클 수명을 나타내는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공표 제2009-517850호 공보
그러나 상기 특허문헌 1에 기재된 식; SixMyAlz를 갖는 아몰퍼스 합금을 갖는 부극을 사용한 리튬 이온 이차 전지의 경우, 양호한 사이클 특성을 나타낼 수 있다고 되어 있지만, 초기 용량이 충분하다고는 할 수 없었다. 또한 사이클 특성도 충분한 것이라고는 할 수 없었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 높은 사이클 특성을 유지하면서, 또한 초기 용량도 높고 밸런스 좋은 특성을 나타내는 Li 이온 이차 전지 등의 전기 디바이스용 부극을 제공하는 데 있다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 예의 연구를 행하였다. 그 결과, 소정의 3원계 Si 합금을 부극 활물질로서 사용하고, 소정의 탄성 연신율을 갖는 부극 집전체를 사용함으로써, 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 집전체와, 상기 집전체의 표면에 배치된 부극 활물질, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 전극층을 갖는 전기 디바이스용 부극에 관한 것이다. 이때, 부극 활물질이, 하기 식 (1):
Figure pat00002
로 표현되는 합금이며, 상기 집전체의 탄성 연신율이, 1.30% 이상인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 식 (1)에 있어서, M은 Al, V, C 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속이다. 또한, A는 불가피 불순물이다. 또한, x, y, z, 및 a는 질량%의 값을 나타내고, 이때, 0<x<100, 0<y<100, 0<z<100, 및 0≤a<0.5이며, x＋y＋z＋a＝100이다.
본 발명은, 높은 사이클 특성을 유지하면서, 또한 초기 용량도 높고 밸런스 좋은 특성을 나타내는 Li 이온 이차 전지 등의 전기 디바이스용 부극을 제공한다.
도 1은 본 발명에 관한 전기 디바이스의 대표적인 일실시 형태인 적층형의 편평한 비쌍극형 리튬 이온 이차 전지의 개요를 모식적으로 나타낸 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명에 관한 전기 디바이스의 대표적인 실시 형태인 적층형의 편평한 리튬 이온 이차 전지의 외관을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-Al계 합금의 조성 범위와 함께, 참고예 A에서 성막한 합금 성분을 플롯하여 나타내는 3원 조성도이다.
도 4는 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-Al계 합금의 적합 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 5는 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-Al계 합금의 보다 적합한 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 6은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-Al계 합금의 한층 적합한 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 7은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-V계 합금의 조성 범위와 함께, 참고예 B에서 성막한 합금 성분을 플롯하여 나타내는 3원 조성도이다.
도 8은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-V계 합금의 적합 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 9는 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-V계 합금의 보다 적합한 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 10은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-V계 합금의 한층 적합 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 11은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-C계 합금의 조성 범위와 함께, 참고예 C에서 성막한 합금 성분을 플롯하여 나타내는 3원 조성도이다.
도 12는 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-C계 합금의 적합한 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 13은 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-C계 합금의 보다 적합한 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 14는 본 발명의 전기 디바이스용 부극이 갖는 부극 활물질을 구성하는 Si-Sn-C계 합금의 더욱 적합한 조성 범위를 나타내는 3원 조성도이다.
도 15는 참고예 및 비교 참고예에서 얻게 된 전지의 초기 방전 용량에 미치는 부극 활물질 합금 조성의 영향을 도시하는 도면이다.
도 16은 참고예 및 비교 참고예에서 얻게 된 전지의 50 사이클째의 방전 용량 유지율에 미치는 부극 활물질 합금 조성의 영향을 도시하는 도면이다.
도 17은 참고예 및 비교 참고예에서 얻게 된 전지의 100 사이클째의 방전 용량 유지율에 미치는 부극 활물질 합금 조성의 영향을 도시하는 도면이다.
도 18은 실시예에 있어서, 부극 집전체의 탄성 연신율과 전지의 방전 용량 유지율의 향상율과의 관계를 나타내는 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 소정의 3원계 Si 합금을 부극 활물질로서 사용하고, 소정의 탄성 연신율을 갖는 부극 집전체를 사용하는 점에 특징을 갖는다.
본 발명에 따르면, 특정한 Si 합금을 부극 활물질로서 사용함으로써, Si와 Li가 합금화될 때의 아몰퍼스-결정의 상 전이가 억제되어 전지의 사이클 특성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 특정한 Si 합금을 사용한 부극에 있어서, 소정의 탄성 연신율을 갖는 집전체를 사용함으로써, 전지의 충방전에 수반하는 부극 활물질의 팽창·수축에 의한 부극 활물질층의 체적 변화에 추종하여 집전체가 탄성적으로 변형될 수 있다. 그로 인해, 집전체의 소성 변형이 일어나기 어렵고, 집전체의 소성 변형에 의한 부극 활물질층의 변형을 저감할 수 있어, 정극과의 균일한 전극 간 거리를 유지할 수 있다. 그 결과, 고용량·고사이클 내구성을 갖는 전기 디바이스를 얻을 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 전기 디바이스용의 부극 및 이것을 사용하여 이루어지는 전기 디바이스의 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명의 기술적 범위는, 특허 청구 범위의 기재에 의거하여 정해져야 할 것이며, 이하의 형태에만 제한되지 않는다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은, 설명의 사정상 과장되어 있으며, 실제의 비율과는 다른 경우가 있다.
이하, 본 발명의 전기 디바이스용의 부극이 적용될 수 있는 전기 디바이스의 기본적인 구성을, 도면을 사용하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 전기 디바이스로서 리튬 이온 이차 전지를 예시하여 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서「전극층」이라 함은, 부극 활물질, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 합제층을 의미하지만, 본 명세서의 설명에서는「부극 활물질층」이라고도 칭하는 경우가 있다. 마찬가지로, 정극측의 전극층을「정극 활물질층」이라고도 칭한다.
먼저, 본 발명에 관한 전기 디바이스용 부극의 대표적인 일실시 형태인 리튬 이온 이차 전지용의 부극 및 이것을 사용하여 이루어지는 리튬 이온 이차 전지에서는, 셀(단전지층)의 전압이 크고, 고에너지 밀도, 고출력 밀도를 달성할 수 있다. 그로 인해 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지용의 부극을 사용하여 이루어지는 리튬 이온 이차 전지에서는, 차량의 구동 전원용이나 보조 전원용으로서 우수하다. 그 결과, 차량의 구동 전원용 등의 리튬 이온 이차 전지로서 적절하게 이용할 수 있다. 이외에도, 휴대 전화 등의 휴대 기기용의 리튬 이온 이차 전지에도 충분히 적용 가능하다.
즉, 본 실시 형태의 대상이 되는 리튬 이온 이차 전지는, 이하에 설명하는 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지용의 부극을 사용하여 이루어지는 것이면 되고, 다른 구성 요건에 관해서는, 특별히 제한되어야 하는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 리튬 이온 이차 전지를 형태·구조로 구별한 경우에는, 적층형(편평형) 전지, 권회형(원통형) 전지 등, 종래 공지된 어떠한 형태·구조에도 적용할 수 있는 것이다. 적층형(편평형) 전지 구조를 채용함으로써 간단한 열 압착 등의 시일 기술에 의해 장기 신뢰성을 확보할 수 있어, 비용면이나 작업성의 점에서는 유리하다.
또한, 리튬 이온 이차 전지 내의 전기적인 접속 형태(전극 구조)에서 본 경우, 비쌍극형(내부 병렬 접속 타입) 전지 및 쌍극형(내부 직렬 접속 타입) 전지 중 어느 쪽에도 적용할 수 있는 것이다.
리튬 이온 이차 전지 내의 전해질층의 종류로 구별한 경우에는, 전해질층에 비수계의 전해액 등의 용액 전해질을 사용한 용액 전해질형 전지, 전해질층에 고분자 전해질을 사용한 중합체 전지 등 종래 공지된 어떠한 전해질층의 타입에도 적용할 수 있는 것이다. 해당 중합체 전지는, 또한 고분자 겔 전해질(간단히 겔 전해질이라고도 함)을 사용한 겔 전해질형 전지, 고분자 고체 전해질(간단히 중합체 전해질이라고도 함)을 사용한 고체 고분자(전고체)형 전지로 나누어진다.
따라서, 이하의 설명에서는, 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지용의 부극을 사용하여 이루어지는 비쌍극형(내부 병렬 접속 타입) 리튬 이온 이차 전지에 대하여 도면을 사용하여 매우 간단하게 설명한다. 단, 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지의 기술적 범위가, 이들에 제한되어야 하는 것은 아니다.
<전지의 전체 구조>
도 1은, 본 발명의 전기 디바이스의 대표적인 일실시 형태인, 편평형(적층형)의 리튬 이온 이차 전지(이하, 간단히「적층형 전지」라고도 함)의 전체 구조를 모식적으로 나타낸 단면 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 적층형 전지(10)는 실제로 충방전 반응이 진행되는 대략 직사각형의 발전 요소(21)가 외장체인 라미네이트 시트(29)의 내부에 밀봉된 구조를 갖는다. 여기서, 발전 요소(21)는 정극 집전체(11)의 양면에 정극 활물질층(13)이 배치된 정극과, 전해질층(17)과, 부극 집전체(12)의 양면에 부극 활물질층(15)이 배치된 부극을 적층한 구성을 갖고 있다. 구체적으로는, 1개의 정극 활물질층(13)과 이것에 인접하는 부극 활물질층(15)이 전해질층(17)을 사이에 두고 대향하도록 하여, 부극, 전해질층 및 정극이 이 순서대로 적층되어 있다.
이에 의해, 인접하는 정극, 전해질층, 및 부극은, 1개의 단전지층(19)을 구성한다. 따라서, 도 1에 도시한 적층형 전지(10)는 단전지층(19)이 복수 적층됨으로써, 전기적으로 병렬 접속되어 이루어지는 구성을 갖는다고도 할 수 있다. 또한, 발전 요소(21)의 양 최외층에 위치하는 최외층의 정극 집전체에는, 모두 편면에만 정극 활물질층(13)이 배치되어 있지만, 양면에 활물질층이 설치되어도 된다. 즉, 편면에만 활물질층을 형성한 최외층 전용의 집전체로 하는 것은 아니며, 양면에 활물질층이 있는 집전체를 그대로 최외층의 집전체로서 사용해도 된다. 또한, 도 1과는 정극 및 부극의 배치를 반대로 함으로써, 발전 요소(21)의 양 최외층에 최외층의 부극 집전체가 위치하도록 하고, 해당 최외층의 부극 집전체의 편면 또는 양면에 부극 활물질층이 배치되어 있도록 해도 된다.
정극 집전체(11) 및 부극 집전체(12)는 각 전극(정극 및 부극)과 도통되는 정극 집전판(25) 및 부극 집전판(27)이 각각 설치되고, 라미네이트 시트(29)의 단부에 끼이도록 하여 라미네이트 시트(29)의 외부로 도출되는 구조를 갖고 있다. 정극 집전판(25) 및 부극 집전판(27)은 각각 필요에 따라 정극 리드 및 부극 리드(도시하지 않음)를 통하여, 각 전극의 정극 집전체(11) 및 부극 집전체(12)에 초음파 용접이나 저항 용접 등에 의해 설치되어 있어도 된다.
상기에서 설명한 리튬 이온 이차 전지는, 부극에 특징을 갖는다. 이하, 당해 부극을 포함한 전지의 주요한 구성 부재에 대하여 설명한다.
<정극>
[정극 활물질층]
정극 활물질층(13)은 정극 활물질을 함유하고, 필요에 따라 그 밖의 첨가제를 더 함유한다.
(정극 활물질)
정극 활물질로서는, 예를 들어 리튬-전이 금속 복합 산화물, 리튬-전이 금속 인산 화합물, 리튬-전이 금속 황산 화합물, 고용체계, 3원계, NiMn계, NiCo계, 스피넬 Mn계 등을 들 수 있다.
리튬-전이 금속 복합 산화물로서는, 예를 들어 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, Li(Ni, Mn, Co)O2, Li(Li, Ni, Mn, Co)O2, LiFePO4 및 이들 전이 금속의 일부가 다른 원소에 의해 치환된 것 등을 들 수 있다.
고용체계로서는, xLiMO2·(1-x)Li2NO3(0<x<1, M은 평균 산화 상태가 3＋, N은 평균 산화 상태가 4＋인 1종류 이상의 전이 금속), LiRO2-LiMn2O4(R＝Ni, Mn, Co, Fe 등의 전이 금속 원소) 등을 들 수 있다.
3원계로서는, 니켈·코발트·망간계(복합) 정극재 등을 들 수 있다.
NiMn계로서는, LiNi0.5Mn1.5O4 등을 들 수 있다.
NiCo계로서는, Li(NiCo)O2 등을 들 수 있다.
스피넬 Mn계로서는 LiMn2O4 등을 들 수 있다.
경우에 따라서는, 2종류 이상의 정극 활물질이 병용되어도 된다. 바람직하게는, 용량, 출력 특성의 관점에서, 리튬-전이 금속 복합 산화물이, 정극 활물질로서 사용된다. 또한, 상기 이외의 정극 활물질이 사용되어도 되는 것은 물론이다. 활물질 각각의 고유의 효과를 발현하는 데 있어 최적인 입자 직경이 다른 경우에는, 각각의 고유의 효과를 발현하는 데 있어 최적인 입자 직경끼리를 블렌드하여 사용하면 되고, 모든 활물질의 입자 직경을 반드시 균일화시킬 필요는 없다.
정극 활물질층(13)에 함유되는 정극 활물질의 평균 입자 직경은 특별히 제한되지 않지만, 고출력화의 관점에서는, 바람직하게는 1 내지 30㎛이며, 보다 바람직하게는 5 내지 20㎛이다. 또한, 본 명세서에 있어서,「입자 직경」이라 함은, 주사형 전자 현미경(SEM)이나 투과형 전자 현미경(TEM) 등의 관찰 수단을 사용하여 관찰되는 활물질 입자(관찰면)의 윤곽선 상의 임의의 2점 간의 거리 중, 최대의 거리를 의미한다. 또한, 본 명세서에 있어서,「평균 입자 직경」의 값은, 주사형 전자 현미경(SEM)이나 투과형 전자 현미경(TEM) 등의 관찰 수단을 사용하고, 수 내지 수십 시야 중에 관찰되는 입자의 입자 직경의 평균값으로서 산출되는 값을 채용하는 것으로 한다. 다른 구성 성분의 입자 직경이나 평균 입자 직경도 마찬가지로 정의할 수 있다.
정극(정극 활물질층)은 통상의 슬러리를 도포(코팅)하는 방법 외에, 혼련법, 스퍼터법, 증착법, CVD법, PVD법, 이온 플레이팅법 및 용사법 중 어느 한 방법에 의해 형성할 수 있다.
<정극 집전체>
정극 집전체(11)는 도전성 재료로 구성된다. 집전체의 크기는, 전지의 사용 용도에 따라서 결정된다. 예를 들어, 고에너지 밀도가 요구되는 대형 전지에 사용되는 것이면, 면적이 큰 집전체가 사용된다.
집전체의 두께에 대해서도 특별히 제한은 없다. 집전체의 두께는, 통상은 1 내지 100㎛ 정도이다.
집전체의 형상에 대해서도 특별히 제한되지 않는다. 도 1에 도시한 적층형 전지(10)에서는, 집전박 외에, 그물눈 형상(익스팬드 그리드 등) 등을 사용할 수 있다.
집전체를 구성하는 재료에 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 금속이나, 도전성 고분자 재료 또는 비도전성 고분자 재료에 도전성 필러가 첨가된 수지가 채용될 수 있다.
구체적으로는, 금속으로서는, 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스, 티타늄, 구리 등을 들 수 있다. 이들 이외에, 니켈과 알루미늄과의 클래드재, 구리와 알루미늄과의 클래드재, 또는 이들 금속 조합의 도금재 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 금속 표면에 알루미늄이 피복되어 이루어지는 박이라도 된다.
또한, 도전성 고분자 재료로서는, 예를 들어 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리옥사디아졸 등을 들 수 있다. 이러한 도전성 고분자 재료는, 도전성 필러를 첨가하지 않아도 충분한 도전성을 갖기 때문에, 제조 공정의 용이화 또는 집전체의 경량화의 점에 있어서 유리하다.
비도전성 고분자 재료로서는, 예를 들어 폴리에틸렌[PE; 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등], 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리아미드(PA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 또는 폴리스티렌(PS) 등을 들 수 있다. 이러한 비도전성 고분자 재료는, 우수한 내전위성 또는 내용매성을 가질 수 있다.
상기 도전성 고분자 재료 또는 비도전성 고분자 재료에는, 필요에 따라 도전성 필러가 첨가될 수 있다. 특히, 집전체의 기재가 되는 수지가 비도전성 고분자만을 함유할 경우에는, 수지에 도전성을 부여하기 위하여 필연적으로 도전성 필러가 필수가 된다.
도전성 필러는, 도전성을 갖는 물질이면 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 도전성, 내전위성, 또는 리튬 이온 차단성이 우수한 재료로서, 금속 및 도전성 카본 등을 들 수 있다. 금속으로서는, 특별히 제한은 없지만, Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, 및 K로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류의 금속 또는 이들 금속을 함유하는 합금 또는 금속 산화물을 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 도전성 카본으로서는, 특별히 제한은 없다. 바람직하게는, 아세틸렌 블랙, 발칸, 블랙펄, 카본 나노파이버, 케첸 블랙, 카본 나노튜브, 카본 나노혼, 카본 나노벌룬, 및 풀러렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류를 함유하는 것이다.
도전성 필러의 첨가량은, 집전체에 충분한 도전성을 부여할 수 있는 양이면 특별히 제한은 없고, 일반적으로는 5 내지 35 질량% 정도이다.
<부극>
본 실시 형태의 부극은, 집전체와, 상기 집전체의 표면에 배치된 특정한 부극 활물질, 도전 보조제, 바인더를 함유하는 전극층을 포함하고, 상기 집전체의 탄성 연신율이 1.30% 이상인 것을 특징으로 한다.
[부극 활물질층]
부극 활물질층(15)은 부극 활물질을 함유하고, 필요에 따라 그 밖의 첨가제를 더 함유한다.
(부극 활물질)
부극 활물질은, 소정의 합금을 함유한다.
합금
본 실시 형태에 있어서, 상기 합금은, 하기 식 (1)로 표현된다.
Figure pat00003
상기 식 (1)에 있어서, M은 Al, V, C, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속이다. 또한, A는 불가피 불순물이다. 또한, x, y, z, 및 a는 질량%의 값을 나타내고, 이때, 0<x<100, 0<y<100, 0<z<100, 및 0≤a<0.5이며, x＋y＋z＋a＝100이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 상기「불가피 불순물」이라 함은, Si 합금에 있어서, 원료 중에 존재하거나, 제조 공정에 있어서 불가피하게 혼입되는 것을 의미한다. 당해 불가피 불순물은, 원래는 불필요한 것이지만, 미량이며, Si 합금의 특성에 영향을 미치지 않으므로, 허용되고 있는 불순물이다.
본 실시 형태에서는, 부극 활물질로서, 제1 첨가 원소인 Sn과, 제2 첨가 원소인 M(Al, V, C, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속)을 선택함으로써, Li 합금화 시에, 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제하여 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 이에 의해, 종래의 부극 활물질, 예를 들어 탄소계 부극 활물질보다도 고용량의 것이 된다.
여기서 Li 합금화 시, 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제하는 것은, Si 재료에서는 Si와 Li가 합금화될 때, 아몰퍼스 상태로부터 결정 상태로 전이해 큰 체적 변화(약 4배)를 일으키므로, 입자 자체가 깨져 버려 활물질로서의 기능이 상실되기 때문이다. 그로 인해 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제함으로써, 입자 자체의 붕괴를 억제해 활물질로서의 기능(고용량)을 보유 지지할 수 있고, 사이클 수명도 향상시킬 수 있는 것이다. 이러한 제1 및 제2 첨가 원소를 선정함으로써, 고용량이고 고사이클 내구성을 갖는 Si 합금 부극 활물질을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, M은 Al, V, C, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속이다. 따라서, 이하, SixSnyAlzAa, SixSnyVzAa, 및 SixSnyCzAa의 Si 합금에 대해서, 각각 설명한다.
SixSnyAlzAa
상기 SixSnyAlzAa는, 상술한 바와 같이, 제1 첨가 원소인 Sn과, 제2 첨가 원소인 Al을 선택함으로써, Li 합금화 시에, 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제하여 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 이에 의해, 종래의 부극 활물질, 예를 들어 탄소계 부극 활물질보다도 고용량의 것이 된다.
상기 합금의 조성에 있어서, x가 12 이상 100 미만이고, 상기 y가 0 초과 45 이하이며, 상기 z가 0 초과 43 이하인 것이 바람직하다. 또한, 당해 합금의 조성은, 도 3의 망점 부분으로 표현된다. 상기 조성을 가짐으로써, 고용량을 발현할 뿐만 아니라, 50 사이클 후, 100 사이클 후도 높은 방전 용량을 유지할 수 있다.
또한, 당해 부극 활물질의 상기 특성을 보다 양호한 것으로 하는 관점에서는, 도 4의 망점 부분에 나타낸 바와 같이, 상기 x가 31 이상인 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 도 5의 망점 부분에 나타낸 바와 같이, 또한 상기 x를 31 내지 50의 범위로 한다. 더욱 바람직하게는, 도 6의 망점 부분에 나타낸 바와 같이, 또한 상기 y를 15 내지 45, 상기 z를 18 내지 43%의 범위로 한다. 가장 바람직하게는, 또한 상기 x를 16% 내지 45%의 범위로 한다.
또한, A는 상술한 바와 같이, 원료나 제법에서 유래되는 상기 3 성분 이외의 불순물(불가피 불순물)이다. 상기 a는, 0≤a<0.5이며, 0≤a<0.1인 것이 바람직하다.
SixSnyVzAa
상기 SixSnyVzAa는, 상술한 바와 같이, 제1 첨가 원소인 Sn과, 제2 첨가 원소인 V를 선택함으로써, Li 합금화 시에, 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제하여 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 이에 의해, 종래의 부극 활물질, 예를 들어 탄소계 부극 활물질보다도 고용량의 것이 된다.
상기 합금의 조성에 있어서, 상기 x가 27 이상 100 미만이고, 상기 y가 0 초과 73 이하이며, 상기 z가 0 초과 73 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이 수치 범위는, 도 7의 망점 부분으로 나타내는 범위에 상당한다. 상기 조성을 가짐으로써, 고용량을 발현할 뿐만 아니라, 50 사이클 후, 100 사이클 후도 높은 방전 용량을 유지할 수 있다.
또한, 당해 부극 활물질의 상기 특성을 더 양호한 것으로 하는 관점에서는, 상기 x가 27 내지 84, 상기 y가 10 내지 73, 상기 z가 6 내지 73의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 더욱 바람직하게는, 도 8의 망점 부분으로 나타낸 바와 같이, 상기 x가 27 내지 84, 상기 y가 10 내지 63, 상기 z가 6 내지 63의 범위이다. 그리고, 도 9의 망점 부분으로 나타낸 바와 같이, 보다 바람직하게는, 또한 상기 x가 27 내지 52인 범위로 한다. 도 10의 망점 부분으로부터 알 수 있는 바와 같이, 또한 상기 y가 10 내지 52, 상기 z가 20 내지 63인 범위로 하면 보다 바람직하고, 가장 바람직하게는 상기 y가 10 내지 40인 범위로 한다.
또한, 상기 a는, 0≤a<0.5이며, 0≤a<0.1인 것이 바람직하다.
SixSnyCzAa
상기 SixSnyCzAa는, 상술한 바와 같이, 제1 첨가 원소인 Sn과, 제2 첨가 원소인 C를 선택함으로써, Li 합금화 시에, 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제하여 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 이에 의해, 종래의 부극 활물질, 예를 들어 탄소계 부극 활물질보다도 고용량의 것이 된다.
상기 합금의 조성에 있어서, 상기 x가 29 이상인 것이 바람직하다. 또한, 이 수치 범위는, 도 11의 부호 A로 나타내는 범위에 상당한다. 상기 조성을 가짐으로써, 고용량을 발현할 뿐만 아니라, 50 사이클 후, 100 사이클 후도 높은 방전 용량을 유지할 수 있다.
또한, 당해 부극 활물질의 상기 특성의 향상을 한층 더 도모하는 관점에서는, 상기 x가 29 내지 63, y 가 14 내지 48, 상기 z가 11 내지 48의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 이 수치 범위는 도 12의 부호 B로 나타내는 범위에 상당한다.
그리고, 보다 양호한 사이클 특성을 확보하는 관점에서는, 상기 x가 29 내지 44, 상기 y 가 14 내지 48, 상기 z가 11 내지 48의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 이 수치 범위는 도 13의 부호 C로 나타내는 범위에 상당한다.
나아가, 상기 x가 29 내지 40, 상기 y가 34 내지 48(따라서, 12<z<37)의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이 수치 범위는 도 14의 부호 D로 나타내는 범위에 상당한다.
또한, 상기 a는, 0≤a<0.5이며, 0≤a<0.1인 것이 바람직하다.
(Si 합금의 평균 입자 직경)
상기 Si 합금의 평균 입자 직경은, 기존의 부극 활물질층(15)에 함유되는 부극 활물질의 평균 입자 직경과 동일 정도이면 되고, 특별히 제한되지 않는다. 고출력화의 관점에서는, 바람직하게는 1 내지 20㎛의 범위이면 된다. 단, 상기 범위에 전혀 제한되는 것은 아니며, 본 실시 형태의 작용 효과를 유효하게 발현할 수 있는 것이면, 상기 범위를 벗어나 있어도 되는 것은 물론이다. 또한, Si 합금의 형상으로서는, 특별히 제한은 없고, 구 형상, 타원 형상, 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 비늘 조각 형상, 부정형 등일 수 있다.
(합금의 제조 방법)
본 형태에 관한 조성식 SixSnyMzAa를 갖는 합금의 제조 방법으로서는, 특별히 제한되는 것은 아니며, 종래 공지된 각종 제조를 이용하여 제조할 수 있다. 즉, 제작 방법에 의한 합금 상태·특성의 차이는 거의 없으므로, 모든 제작 방법을 적용할 수 있다.
구체적으로는, 예를 들어 조성식 SixSnyMzAa를 갖는 합금의 입자 형태의 제조 방법으로서는, 예를 들어 메커니컬 알로이법, 아크 플라즈마 용융법 등을 이용할 수 있다.
상기 입자의 형태로 제조하는 방법에서는, 해당 입자에 바인더, 도전 보조제, 점도 조정 용제를 첨가하여 슬러리를 조정하고, 해당 슬러리를 사용하여 슬러리 전극을 형성할 수 있다. 그로 인해, 양산화(대량 생산)하기 쉽고, 실제 전지용 전극으로서 실용화하기 쉬운 점에서 우수하다.
<부극 집전체>
부극 집전체(12)는 도전성 재료로 구성된다. 집전체의 크기는, 전지의 사용 용도에 따라서 결정된다. 예를 들어, 고에너지 밀도가 요구되는 대형 전지에 사용되는 것이면, 면적이 큰 집전체가 사용된다.
집전체의 형상에 대해서도 특별히 제한되지 않는다. 도 1에 도시한 적층형 전지(10)에서는, 집전박 외에, 그물눈 형상(익스팬드 그리드 등) 등을 사용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 집전박을 사용하는 것이 바람직하다.
집전체를 구성하는 재료에 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 금속이나, 도전성 고분자 재료 또는 비도전성 고분자 재료에 도전성 필러가 첨가된 수지가 채용될 수 있다.
구체적으로는, 금속으로서는, 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스, 티타늄 등 또는 이들의 합금을 들 수 있다. 이들 이외에, 니켈과 알루미늄과의 클래드재, 구리와 알루미늄과의 클래드재, 또는 이들 금속 조합의 도금재 등이 사용될 수 있다. 또한, 금속 표면에 알루미늄이 피복되어 이루어지는 박이라도 된다. 전자 전도성이나 전지 작동 전위, 집전체에의 스퍼터링에 의한 부극 활물질의 밀착성 등의 관점에서, 후술하는 바와 같이 구리가 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 도전성 고분자 재료로서는, 예를 들어 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리옥사디아졸 등을 들 수 있다. 이러한 도전성 고분자 재료는, 도전성 필러를 첨가하지 않아도 충분한 도전성을 갖기 때문에, 제조 공정의 용이화 또는 집전체의 경량화의 점에 있어서 유리하다.
비도전성 고분자 재료로서는, 예를 들어 폴리에틸렌[PE; 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등], 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리아미드(PA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 또는 폴리스티렌(PS) 등을 들 수 있다. 이러한 비도전성 고분자 재료는, 우수한 내전위성 또는 내용매성을 가질 수 있다.
상기 도전성 고분자 재료 또는 비도전성 고분자 재료에는, 필요에 따라 도전성 필러가 첨가될 수 있다. 특히, 집전체의 기재가 되는 수지가 비도전성 고분자만을 함유할 경우에는, 수지에 도전성을 부여하기 위하여 필연적으로 도전성 필러가 필수가 된다.
도전성 필러는, 도전성을 갖는 물질이면 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 도전성, 내전위성, 또는 리튬 이온 차단성이 우수한 재료로서, 금속 및 도전성 카본 등을 들 수 있다. 금속으로서는, 특별히 제한은 없지만, Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, 및 K로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류의 금속 또는 이들 금속을 함유하는 합금 또는 금속 산화물을 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 도전성 카본으로서는, 특별히 제한은 없다. 바람직하게는, 아세틸렌 블랙, 발칸, 블랙펄, 카본 나노파이버, 케첸 블랙, 카본 나노튜브, 카본 나노혼, 카본 나노벌룬, 및 풀러렌으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류를 함유하는 것이다.
도전성 필러의 첨가량은, 집전체에 충분한 도전성을 부여할 수 있는 양이면 특별히 제한은 없고, 일반적으로는, 5 내지 35 질량% 정도이다.
본 실시 형태의 부극은, 집전체의 평면 방향으로의 탄성 연신율이, 1.30% 이상인 것을 특징으로 한다. 여기서 집전체의 탄성 연신율(%)은 인장 방향으로의 비례 한도까지의 탄성 신장 크기의, 원래 크기에 대한 비율(%)이다.
본 실시 형태의 부극은, 부극 활물질로서 특정한 3원계 Si 합금을 적용함으로써, Si 부극과 마찬가지인 높은 초기 방전 용량을 얻을 수 있는 동시에, Si와 Li가 합금화될 때의 아몰퍼스-결정의 상 전이를 억제해 사이클 수명을 향상시킨다고 하는 작용이 얻어진다.
그러나 상기 특정한 3원계 Si 합금을 바인더, 도전 보조제와 함께 갖는 부극 활물질층을 부극 집전체 상에 도포한 부극을 사용하여 전지를 제작한 경우, 전지의 충방전에 수반하여 부극 활물질의 팽창·수축이 발생할 수 있다. 이에 수반하여 부극 활물질층이 체적 변화되어, 부극 활물질층에 밀착되어 있는 집전체에 응력이 작용한다. 이때, 부극 활물질층의 체적 변화에 집전체를 추종할 수 없으면, 집전체가 소성 변형되어 버리고, 집전체에 주름이 발생해 버린다. 집전체에 주름이 발생하면, 부극 활물질층이 일그러져 버려, 정극과의 전극 간 거리가 불균일해져 버리므로, Li 반응성이 저하되거나, 전극 집중이 발생할 수 있다. 나아가, 집전체의 소성 변형에 의해 집전체에 균열, 파단이 발생하거나, 부극 활물질층의 직접적인 파괴로 이어질 가능성도 있다. 그 결과, 전지의 방전 용량의 저하가 발생해 버린다.
본 실시 형태의 부극은, 이러한 문제를 해결하는 것으로, 탄성 연신율이 1.30% 이상인 부극을 사용함으로써, 충방전에 의한 부극 활물질의 팽창·수축에 의한 부극 활물질층의 체적 변화에 대하여 집전체가 탄성적으로 추종할 수 있다. 그로 인해, 부극 활물질층과 밀착되어 있는 집전체에 응력이 작용함으로써 발생할 수 있는 주름을 억제할 수 있으므로, 부극 활물질층의 일그러짐이나, 부극 활물질층 또는 집전체의 파단을 방지할 수 있다. 그 결과, 정극과의 전극 간 거리가 균일하게 유지된다. 또한, 부반응도 발생하기 어려워진다. 그로 인해, 높은 방전 용량을 얻을 수 있다. 또한, 충방전을 반복해도 집전체의 소성 변형이 일어나기 어렵기 때문에, 사이클 내구성도 향상할 수 있다.
또한, 탄성 연신율이 1.30% 이상의 집전체이면, 가령 충방전에 수반하는 부극 활물질의 팽창·수축에 의해 부극 활물질층의 탄성이 상실된 경우라도 집전체가 부극 활물질층에 밀착하여 탄성 변형되므로, 용량의 저하, 사이클 내구성의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.
본 실시 형태의 부극에 사용되는 집전체의 탄성 연신율은, 바람직하게는 1.40% 이상이다. 집전체의 탄성 연신율이 1.40% 이상이면, 본 실시 형태에서 사용되는 부극 활물질의 충방전에 수반하는 체적 변화의 정도를 고려하면, 보다 추종하기 쉽다. 그로 인해, 방전 용량 유지율의 향상율이 높고, 사이클 특성이 보다 개선될 수 있다. 또한, 집전체의 탄성 연신율이 1.50% 이상이면, 본 실시 형태의 부극 활물질을 사용한 경우, 더 높은 효과를 얻을 수 있다.
상기 집전체의 탄성 연신율이 클수록 부극 활물질층의 체적 변화에 탄성적으로 추종할 수 있으므로, 탄성 연신율의 상한값은, 특별히 한정되지 않는다.
본 실시 형태에서 사용되는 부극 활물질은, 흑연 등의 탄소 재료와 비교하면 충방전에 수반하는 체적 변화가 크지만, 상기와 같은 집전체를 사용함으로써 집전체의 소성 변형을 억제할 수 있어, 부극 활물질층의 일그러짐, 및 이것에 기인하는 방전 용량의 저하를 억제할 수 있다. 그러나 순(純)Si를 부극 활물질로서 사용한 경우, 충방전에 수반하는 체적 변화가 더 크기 때문에, 상기와 같은 집전체를 사용해도 부극 활물질층의 체적 변화에 충분히 추종할 수 없어, 방전 용량의 저하를 방지하는 것이 어려운 경우가 있다. 본 실시 형태에서 사용되는 3원계 Si 합금의 활물질의 경우, 집전체의 탄성 연신율이 1.30% 이상이면 되고, 방전 용량 및 사이클 특성이 우수한 전지를 얻을 수 있다(도 18 참조).
또한, 본 명세서 중, 집전체의 탄성 연신율(%)은 JIS K 6251(2010년)의 인장 시험 방법에 준하여 측정한 값을 사용하는 것으로 한다. 또한, 집전체의 탄성 연신율(%)은 25℃에서 측정했을 때의 값이다.
본 실시 형태에 있어서의 집전체는, 인장 강도가, 150N/㎟ 이상인 것이 바람직하다. 인장 강도가 150N/㎟ 이상이면, 집전체의 파단을 방지하는 효과가 높다.
또한, 본 명세서 중, 집전체의 인장 강도(N/㎟)는 JIS K 6251(2010년)의 인장 시험 방법에 준하여 측정한 값을 사용하는 것으로 한다. 또한, 집전체의 인장 강도(N/㎟)는 25℃에서 측정했을 때의 값이다.
본 실시 형태에 있어서의 집전체는, 탄성 연신율이 1.30% 이상이면, 상술한 바와 같이 집전체를 구성하는 재료에 특별히 제한은 없고, 바람직하게는 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스강, 티타늄, 코발트 등의 금속, 또는 이들 금속의 합금이 사용될 수 있다.
상기한 금속 중에서도, 구리, 니켈, 스테인리스, 또는 이들에 다른 금속을 첨가한 합금을 사용한 금속박이 기계적 강도, 활물질층과의 밀착성, 화학적 안정성, 전지 반응이 진행되는 전위에 있어서의 전기 화학적인 안정성, 도전성, 비용 등의 관점에서 바람직하다. 특히 구리 또는 구리의 합금은, 표준 산화 환원 전위의 이유에서 특히 바람직하다.
구리박은, 압연 구리박(압연법에 의해 얻어지는 구리박) 또는 전해 구리박(전해법에 의해 얻어지는 구리박)을 사용할 수 있다. 구리 합금박에 대해서도, 전해 구리 합금박 또는 압연 구리 합금박 모두 사용할 수 있다. 본 실시 형태의 부극에 있어서는, 인장 강도가 크고 굴곡성이 우수하므로, 압연 구리박 또는 압연 구리 합금박을 사용하는 것이 바람직하다.
구리의 합금으로서는, 구리에, 예를 들어 Zr, Cr, Zn, Sn 등의 원소를 첨가한 합금이 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 합금은, 순구리와 비교하여, 탄성률이 높고, 부극 활물질층의 체적 변화에 추종하기 쉽고 소성 변형이 발생하기 어렵다. 이로 인해, 집전체의 주름이나 파단이 발생하기 어렵다. 또한, 구리에 Zr, Cr, Zn, Sn 등의 원소를 첨가한 합금은 순구리와 비교하여 내열성이 향상될 수 있다. 특히, 연화점이, 부극의 제조 공정에 있어서 부극 활물질을 함유하는 슬러리를 집전체 상에 도포하여 건조할 때의 열 처리하는 경우의 열 처리 온도(약 300℃)보다도 높은 합금이면, 열처리 후도 탄성이 유지될 수 있으므로 바람직하다. 그 중에서도, Cr, Zn, Sn을 첨가한 합금이, 열처리 후의 탄성 유지의 이유에서 바람직하다. 이들 합금 원소는, 1종류라도, 2종류 이상 함유되어도 된다. 이들 합금 원소의 함유량은 합계가, 예를 들어 0.01 내지 0.9 질량%이며, 바람직하게는 0.03 내지 0.9 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.9 질량%이다. 합금 원소의 함유량이 0.03 질량% 이상이면, 열처리 후의 탄성 유지의 이유에서 적합하다.
탄성 연신율이 1.30% 이상인 집전체를 얻는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 본 실시 형태의 집전체가 금속박을 함유하는 경우, 가열, 냉각, 압력, 불순물 원소 첨가에 의해 기계적 특성을 변화시킬 수 있다. 또한, 상기의 연신율을 갖는 시판되고 있는 금속박을 사용해도 된다.
부극의 집전체 두께에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 본 실시 형태의 부극에 있어서는, 5 내지 15㎛인 것이 바람직하고, 5 내지 10㎛인 것이 보다 바람직하다. 부극의 집전체 두께가 5㎛ 이상이면, 충분한 기계적 강도를 얻을 수 있으므로 바람직하다. 또한 부극의 집전체 두께가 15㎛ 이하이면, 전지의 박형화의 점에서 바람직하다.
또한, 쌍극형 전극용의 집전체에 대해서도, 부극 집전체와 마찬가지의 것을 사용하면 된다. 특히 정극 전위 및 부극 전위에 대한 내성을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
(정극 및 부극에 공통되는 요건)
이하에, 정극 및 부극에 공통되는 요건에 대해서, 설명한다.
정극 활물질층(13) 및 부극 활물질층(15)은 바인더, 도전 보조제, 전해질염(리튬염), 이온 전도성 중합체 등을 함유한다.
바인더
활물질층에 사용되는 바인더로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 이하의 재료를 들 수 있다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에테르
니트릴(PEN), 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체, 폴리염화비닐, 스티렌·부타디엔 고무(SBR), 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 에틸렌·프로필렌 고무, 에틸렌·프로필렌·디엔 공중합체, 스티렌·부타디엔·스티렌 블록 공중합체 및 그 수소 첨가물, 스티렌·이소프렌·스티렌 블록 공중합체 및 그 수소 첨가물 등의 열가소성 고분자, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌·테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 에틸렌·클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리불화비닐(PVF) 등의 불소 수지, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌계 불소 고무(VDF-HFP계 불소 고무), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌계 불소 고무(VDF-HFP-TFE계 불소 고무), 비닐리덴플루오라이드-펜타플루오로프로필렌계 불소 고무(VDF-PFP계 불소 고무), 비닐리덴플루오라이드-펜타플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌계 불소 고무(VDF-PFP-TFE계 불소 고무), 비닐리덴플루오라이드-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌계 불소 고무(VDF-PFMVE-TFE계 불소 고무), 비닐리덴플루오라이드-클로로트리플루오로에틸렌계 불소 고무(VDF-CTFE계 불소 고무) 등의 비닐리덴플루오라이드계 불소 고무, 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 폴리불화비닐리덴, 폴리이미드, 스티렌·부타디엔 고무, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리아미드이미드인 것이 보다 바람직하다. 이들의 적합한 바인더는, 내열성이 우수하고, 또한 전위창이 매우 넓고 정극 전위, 부극 전위 양쪽에 안정되며 활물질층에 사용이 가능하게 된다. 이들 바인더는, 1종류 단독으로 사용해도 되고, 2종류 병용해도 된다.
활물질층 중에 함유되는 바인더량은, 활물질을 결착할 수 있는 양이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 활물질층에 대하여 0.5 내지 15 질량%이며, 보다 바람직하게는 1 내지 10 질량%이다.
도전 보조제
도전 보조제라 함은, 정극 활물질층 또는 부극 활물질층의 도전성을 향상시키기 위하여 배합되는 첨가물을 말한다. 도전 보조제로서는, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 그래파이트, 기상 성장 탄소 섬유 등의 탄소 재료를 들 수 있다. 활물질층이 도전 보조제를 함유하면, 활물질층의 내부에 있어서의 전자 네트워크가 효과적으로 형성되어, 전지의 출력 특성의 향상에 기여할 수 있다.
또한, 상기 도전 보조제와 바인더의 기능을 겸비하는 도전성 결착제를 이들 도전 보조제와 바인더 대신에 사용해도 되고, 또는 이들 도전 보조제와 바인더 중 한쪽 내지 양쪽과 병용해도 된다. 도전성 결착제로서는, 이미 시판되고 있는 TAB-2(호센 가부시끼가이샤 제조)를 사용할 수 있다.
활물질층에 혼입되어 이루어지는 도전 보조제의 함유량은, 활물질층의 총량에 대하여 1 질량% 이상, 보다 바람직하게는 3 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 5 질량% 이상의 범위이다. 또한, 활물질층에 혼입되어 이루어지는 도전 보조제의 함유량은, 활물질층의 총량에 대하여 15 질량% 이하, 보다 바람직하게는 10 질량% 이하, 더욱 바람직하게는 7 질량% 이하의 범위이다. 활물질 자체의 전자 도전성은 낮고 도전 보조제의 양에 의해 전극 저항을 저감할 수 있는 정극 활물질층에서의 도전 보조제의 배합비(함유량)를 상기 범위 내로 규정함으로써 이하의 효과가 발현된다. 즉, 전극 반응을 저해하지 않고, 전자 도전성을 충분히 담보할 수 있고, 전극 밀도의 저하에 의한 에너지 밀도의 저하를 억제할 수 있고, 나아가서는 전극 밀도의 향상에 의한 에너지 밀도의 향상을 도모할 수 있다.
전해질염(리튬염)
전해질염(리튬염)으로서는, Li(C2F5SO2)2N, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3 등을 들 수 있다.
이온 전도성 중합체
이온 전도성 중합체로서는, 예를 들어 폴리에틸렌옥시드(PEO)계 및 폴리프로필렌옥시드(PPO)계의 중합체를 들 수 있다.
정극 활물질층 및 입자 형태의 합금을 사용하는 경우의 부극 활물질층 중에 함유되는 성분의 배합비는, 특별히 한정되지 않는다. 배합비는, 비수 용매 이차 전지에 대한 공지된 지견을 적절히 참조함으로써, 조정될 수 있다.
각 활물질층(집전체 편면의 활물질층)의 두께에 대해서도 특별히 제한은 없고, 전지에 관한 종래 공지된 지견이 적절히 참조될 수 있다. 일례를 들면, 각 활물질층의 두께는, 전지의 사용 목적(출력 중시, 에너지 중시 등), 이온 전도성을 고려하여, 통상 1 내지 500㎛ 정도, 바람직하게는 2 내지 100㎛이다.
<전해질층>
전해질층(17)을 구성하는 전해질로서는, 액체 전해질 또는 중합체 전해질이 사용될 수 있다.
액체 전해질은, 유기 용매에 리튬염(전해질염)이 용해된 형태를 갖는다. 유기 용매로서는, 예를 들어 에틸렌카르보네이트(EC), 프로필렌카르보네이트(PC), 부틸렌 카르보네이트(BC), 비닐렌카르보네이트(VC), 디메틸카르보네이트(DMC), 디에틸카르보네이트(DEC), 에틸메틸카르보네이트(EMC), 메틸프로필카르보네이트(MPC) 등의 카르보네이트류가 예시된다.
또한, 리튬염으로서는, Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiTaF6, LiClO4, LiCF3SO3 등의 전극의 활물질층에 첨가될 수 있는 화합물을 채용할 수 있다.
한편, 중합체 전해질은, 전해액을 함유하는 겔 전해질과, 전해액을 함유하지 않는 진성 중합체 전해질로 분류된다.
겔 전해질은, 이온 전도성 중합체를 함유하는 매트릭스 중합체에, 상기 액체 전해질(전해액)이 주입되어 이루어지는 구성을 갖는다. 전해질로서 겔 중합체 전해질을 사용함으로써 전해질의 유동성이 없어지고, 각 층간의 이온 전도를 차단하는 것이 용이해지는 점에서 우수하다.
매트릭스 중합체로서 사용되는 이온 전도성 중합체로서는, 예를 들어 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리프로필렌옥시드(PPO), 및 이들 공중합체 등을 들 수 있다. 이러한 폴리알킬렌옥시드계 중합체에는, 리튬염 등의 전해질염이 잘 용해될 수 있다.
겔 전해질 중의 상기 액체 전해질(전해액)의 비율로서는, 특별히 제한되어야 하는 것은 아니지만, 이온 전도도 등의 관점에서, 수 질량% 내지 98 질량% 정도로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 전해액의 비율이 70 질량% 이상의, 전해액이 많은 겔 전해질에 대해서, 특히 효과가 있다.
또한, 전해질층이 액체 전해질이나 겔 전해질이나 진성 중합체 전해질로 구성될 경우에는, 전해질층에 세퍼레이터를 사용해도 된다. 세퍼레이터(부직포를 포함함)의 구체적인 형태로서는, 예를 들어 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀을 함유하는 미다공막이나 다공질의 평판, 나아가 부직포를 들 수 있다.
진성 중합체 전해질은, 상기 매트릭스 중합체에 지지염(리튬염)이 용해되어 이루어지는 구성을 갖고, 가소제인 유기 용매를 함유하지 않는다. 따라서, 전해질층이 진성 중합체 전해질로 구성될 경우에는 전지로부터의 누액의 염려가 없어, 전지의 신뢰성이 향상될 수 있다.
겔 전해질이나 진성 중합체 전해질의 매트릭스 중합체는, 가교 구조를 형성함으로써, 우수한 기계적 강도를 발현할 수 있다. 가교 구조를 형성시키기 위해서는, 적당한 중합 개시제를 사용하여, 고분자 전해질 형성용의 중합성 중합체(예를 들어, PEO나 PPO)에 대하여 열중합, 자외선 중합, 방사선 중합, 전자선 중합 등의 중합 처리를 실시하면 된다.
<집전판 및 리드>
전지 외부로 전류를 취출할 목적으로, 집전판을 사용해도 된다. 집전판은 집전체나 리드에 전기적으로 접속되고, 전지 외장재인 라미네이트 시트의 외부로 취출된다.
집전판을 구성하는 재료는, 특별히 제한되지 않고, 리튬 이온 이차 전지용의 집전판으로서 종래 사용되고 있는 공지된 고도전성 재료가 사용될 수 있다. 집전판의 구성 재료로서는, 예를 들어 알루미늄, 구리, 티타늄, 니켈, 스테인리스강(SUS), 이들 합금 등의 금속 재료가 바람직하고, 보다 바람직하게는 경량, 내식성, 고도전성의 관점에서 알루미늄, 구리 등이 바람직하다. 또한, 정극 집전판과 부극 집전판에서는, 동일한 재질이 사용되어도 되고, 다른 재질이 사용되어도 된다.
정극 단자 리드 및 부극 단자 리드에 관해서도, 필요에 따라 사용한다. 정극 단자 리드 및 부극 단자 리드의 재료는, 공지된 리튬 이온 이차 전지에서 사용되는 단자 리드를 사용할 수 있다. 또한, 전지 외장재(29)로부터 취출된 부분은, 주변기기나 배선 등에 접촉하여 누전되거나 하여 제품(예를 들어, 자동차 부품, 특히 전자 기기 등)에 영향을 주지 않도록, 내열 절연성의 열수축 튜브 등에 의해 피복하는 것이 바람직하다.
<전지 외장재>
전지 외장재(29)로서는, 공지된 금속 캔 케이스를 사용할 수 있는 이외에, 발전 요소를 덮을 수 있는, 알루미늄을 함유하는 라미네이트 필름을 사용한 주머니 형상의 케이스가 사용될 수 있다. 해당 라미네이트 필름에는, 예를 들어 PP, 알루미늄, 나일론을 이 순서대로 적층하여 이루어지는 3층 구조의 라미네이트 필름 등을 사용할 수 있지만, 이들에 전혀 제한되는 것은 아니다. 고출력화나 냉각 성능이 우수하고, EV, HEV용의 대형 기기용 전지에 적절하게 이용할 수 있다고 하는 관점에서, 라미네이트 필름이 바람직하다.
또한, 상기의 리튬 이온 이차 전지는, 종래 공지된 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
<리튬 이온 이차 전지의 외관 구성>
도 2는, 적층형의 편평한 리튬 이온 이차 전지의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 적층형의 편평한 리튬 이온 이차 전지(50)에서는, 직사각 형상의 편평한 형상을 갖고 있으며, 그 양측부로부터는 전력을 취출하기 위한 정극 집전판(58), 부극 집전판(59)이 인출되어 있다. 발전 요소(57)는 리튬 이온 이차 전지(50)의 전지 외장재(52)에 의해 싸여지고, 그 주위는 열 융착되어 있으며, 발전 요소(57)는 정극 집전판(58) 및 부극 집전판(59)을 외부로 인출한 상태에서 밀봉되어 있다. 여기서, 발전 요소(57)는 도 1에 도시한 리튬 이온 이차 전지(적층형 전지)(10)의 발전 요소(21)에 상당하는 것이다. 발전 요소(57)는 정극(정극 활물질층)(13), 전해질층(17) 및 부극(부극 활물질층)(15)으로 구성되는 단전지층(단셀)(19)이 복수 적층된 것이다.
또한, 상기 리튬 이온 이차 전지는, 적층형의 편평한 형상의 것(라미네이트 셀)에 제한되는 것은 아니다. 권회형의 리튬 이온 전지에서는, 원통형 형상의 것(코인셀)이나 각기둥형 형상(각형 셀)의 것, 이러한 원통형 형상의 것을 변형시켜서 직사각 형상의 편평한 형상으로 한 것과 같은 것, 또한 실린더 형상 셀이라도 되는 등, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 원통형이나 각기둥형의 형상의 것에서는, 그 외장재에, 라미네이트 필름을 사용해도 되고, 종래의 원통 캔(금속 캔)을 사용해도 되는 등, 특별히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 발전 요소가 알루미늄 라미네이트 필름으로 외장된다. 당해 형태에 의해, 경량화가 달성될 수 있다.
또한, 도 2에 도시하는 정극 집전판(58), 부극 집전판(59)의 취출에 관해서도, 특별히 제한되는 것은 아니다. 정극 집전판(58)과 부극 집전판(59)을 같은 변으로부터 인출하도록 해도 되고, 정극 집전판(58)과 부극 집전판(59)을 각각 복수로 나누어, 각 변으로부터 취출하는 방법으로 해도 되는 등, 도 2에 도시한 것에 제한되는 것은 아니다. 또한, 권회형의 리튬 이온 전지에서는, 집전판 대신에, 예를 들어 원통 캔(금속 캔)을 이용하여 단자를 형성하면 된다.
상기한 바와 같이, 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지용의 부극 활물질을 사용하여 이루어지는 부극 및 리튬 이온 이차 전지는, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차나 연료 전지차나 하이브리드 연료 전지 자동차 등의 대용량 전원으로서, 적절하게 이용할 수 있다. 즉, 고체적 에너지 밀도, 고체적 출력 밀도가 요구되는 차량 구동용 전원이나 보조 전원에 적절하게 이용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 전기 디바이스로서, 리튬 이온 전지를 예시했지만, 이것에 제한되는 것은 아니며, 다른 타입의 이차 전지, 나아가 일차 전지에도 적용할 수 있다. 또한 전지뿐만 아니라 캐패시터에도 적용할 수 있다.
<실시예>
본 발명을, 이하의 실시예를 사용하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 본 발명의 기술적 범위가 이하의 실시예에만 제한되는 것은 아니다.
먼저, 참고예로서, 본 발명에 관한 전기 디바이스용 부극을 구성하는 화학식 (1)로 표현되는 Si 합금에 관한 성능 평가를 행하였다.
(참고예 A): SixSnyAlzAa에 관한 성능 평가
[1] 부극의 제작
스퍼터 장치로서, 독립 제어 방식의 3원 DC 마그네트론 스퍼터 장치(야마토 기기 고교 가부시끼가이샤 제조, 콤비나트리얼 스퍼터 코팅 장치, 건-샘플 간 거리: 약 100㎜)를 사용하고, 두께 20㎛의 니켈박을 함유하는 기판(집전체) 상에 다음의 조건 하에서, 각 조성을 갖는 부극 활물질 합금의 박막을 각각 성막함으로써, 도합 23종의 부극 샘플을 얻었다(참고예 1 내지 14 및 비교 참고예 1 내지 9).
(1) 타깃(가부시끼가이샤 고쥰도 가가꾸 겐뀨쇼 제조, 순도: 4N)
Si: 50.8㎜ 직경, 3㎜ 두께(두께 2㎜의 무산소 구리로 된 백킹 플레이트 구비)
Sn: 50.8㎜ 직경, 5㎜ 두께
Al: 50.8㎜ 직경, 3㎜ 두께
(2) 성막 조건
베이스 압력: ~ 7×10-6Pa
스퍼터 가스종: Ar(99.9999% 이상)
스퍼터 가스 도입량: 10sccm
스퍼터 압력: 30mTorr
DC 전원: Si(185W), Sn(0 내지 40W), Al(0 내지 150W)
프레스퍼터 시간: 1min
스퍼터 시간: 10min
기판 온도: 실온(25℃)
즉, 상기와 같은 Si 타깃, Sn 타깃 및 Al 타깃을 사용하여, 스퍼터 시간을 10분으로 고정하고, DC 전원의 파워를 상기의 범위에서 각각 변화시킴으로써, Ni 기판 상에 아몰퍼스 상태의 합금박막을 성막하고, 다양한 조성의 합금박막을 구비한 부극 샘플을 얻었다.
여기서, 샘플 제작의 여러 예를 나타내면, 참고예 4에서는, DC 전원 1(Si 타깃): 185W, DC 전원 2(Sn 타깃): 25W, DC 전원 3(Al 타깃): 130W로 하였다. 또한, 비교 참고예 2에서는, DC 전원 1(Si 타깃): 185W, DC 전원 2(Sn 타깃): 30W, DC 전원 3(Al 타깃): 0W로 하였다. 또한, 비교 참고예 5에서는, DC 전원 1(Si 타깃): 185W, DC 전원 2(Sn 타깃): 0W, DC 전원 3(Al 타깃): 78W로 하였다.
이들 합금박막의 성분 조성을 표 1 및 도 3 내지 6에 나타내었다. 또한, 얻어진 합금박막의 분석은, 다음의 분석법, 분석 장치에 의하였다.
(3) 분석 방법
조성 분석: SEM·EDX 분석(JEOL사), EPMA 분석(JEOL사)
막 두께 측정(스퍼터레이트 산출을 위해): 막 두께 측정기(도쿄 인스트루먼트)
막 상태 분석: 라만 분광 측정(브루커사)
[2] 전지의 제작
상기에 의해 얻어진 각 부극 샘플과 리튬박(혼죠 긴조꾸 가부시끼가이샤 제조, 직경 15㎜, 두께 200㎛)로 이루어지는 대향 전극을 세퍼레이터(셀 가드사 제조 셀 가드 2400)를 개재하여 대향시킨 뒤, 전해액을 주입함으로써 CR2032형 코인셀을 각각 제작하였다.
또한, 상기 전해액으로서는, 에틸렌카르보네이트(EC)와 디에틸카르보네이트(DEC)를 1: 1의 용적비로 혼합한 혼합 비수 용매 중에, LiPF6(육불화인산리튬)을 1M의 농도가 되도록 용해시킨 것을 사용하였다.
[3] 전지의 충방전 시험
상기에 의해 얻어진 각각의 전지에 대하여 다음의 충방전 시험을 실시하였다.
즉, 충방전 시험기(호꾸또 덴꼬 가부시끼가이샤 제조 HJ0501SM8A)를 사용하여, 300K(27℃)의 온도로 설정된 항온조(에스펙 가부시끼가이샤 제조 PFU-3K) 안에서, 충전 과정(평가 대상인 부극에의 Li 삽입 과정)에서는, 정전류·정전압 모드로 하여, 0.1mA에 의해 2V에서 10mV까지 충전하였다. 그 후, 방전 과정(상기 부극으로부터의 Li 탈리 과정)에서는, 정전류 모드로 하고, 0.1mA, 10mV에서 2V까지 방전하였다. 이상의 충방전 사이클을 1 사이클로 하여, 이것을 100회 반복하였다.
그리고, 50 사이클 및 100 사이클째의 방전 용량을 구하고, 1 사이클째의 방전 용량에 대한 유지율을 산출하였다. 이 결과를 표 1에 아울러 나타낸다. 이때, 방전 용량은, 합금 중량당으로 산출한 값을 나타내고 있다. 또한,「방전 용량 mAh/g)」은, pure Si 또는 합금 중량당의 것이고, Si-Sn-M 합금(Si-Sn 합금, pure Si 또는 Si-Sn 합금)에 Li가 반응할 때의 용량을 나타낸다. 또한, 본 명세서 중에서「초기 용량」이라고 표기하고 있는 것이, 초기 사이클(1 사이클째)의「방전 용량 mAh/g)」에 상당하는 것이다.
또한, 50 사이클째, 100 사이클째의「방전 용량 유지율(%)」은,「초기 용량으로부터 얼마나 용량을 유지하고 있는가」의 지표를 나타낸다. 방전 용량 유지율(%)의 계산식은 이하와 같다.
[표 1-1]
Figure pat00005
[표 1-2]
Figure pat00006
표 1에서, 참고예 1 내지 14의 전지는, 1 사이클째 방전 용량, 50 사이클째 방전 용량 유지율 및 100 사이클째 방전 용량 유지율의 밸런스가 우수한 것을 알 수 있었다. 즉, Si가 12 질량% 이상 100 질량% 미만, Sn이 0 질량% 초과 45 질량% 이하, 및 Al이 0 질량% 초과 43 질량% 이하일 때, 상기의 밸런스가 우수한 것이 판명되었다. 이에 반해, 비교 참고예 1 내지 9의 전지는, 참고예의 전지에 비해, 1 사이클째의 방전 용량이 큰 경우가 있어도, 방전 용량 유지율의 저하가 현저한 것을 알 수 있었다.
이상의 결과를 정리하면, 각 성분이 본 발명의 특정 범위 내에 있는 Si-Sn-Al계 합금을 부극 활물질로서 사용한 참고예의 전지에 있어서는, 이하가 확인되었다. 즉, 이러한 전지에서는, 1700mAh/g를 초과하는 높은 초기 용량을 갖고, 50 사이클째에서 92% 이상, 100 사이클째에서도 55% 이상의 방전 용량 유지율을 나타내고, 용량과 사이클 내구성의 밸런스가 우수한 것이 확인되었다. 이에 반해, 비교 참고예의 전지에 있어서는, 초기 용량, 사이클 내구성 중 어느 것에 있어서도, 참고예에 있어서의 상기 수치를 하회하는 결과가 되었다. 특히, 순Si에 가까운 합금에서는, 고용량이기는 하지만, 사이클 특성이 떨어지는 경향이 있는 것이 판명되었다. 또한, Sn 함유량이 높은 합금에서는, 사이클 특성에는 비교적 우수하지만, 초기 용량이 떨어지는 경향이 있는 것이 판명되었다.
(참고예 B): SixSnyVzAa에 관한 성능 평가
[1] 부극의 제작
참고예 A의 (1)에 있어서의 타깃의「Al: 50.8㎜ 직경, 3㎜ 두께」를「V: 50.8㎜ 직경, 3㎜ 두께」로 변경하고, (2)에 있어서의 DC 전원의「Sn(0 내지 40W), Al(0 내지 150W)」을「Sn(0 내지 50W), V(0 내지 150W)」로 변경한 것을 제외하고는, 참고예 A와 마찬가지의 방법으로, 도합 32종의 부극 샘플을 제작하였다(참고예 15 내지 27 및 비교 참고예 10 내지 28).
또한, 상기 (2)에 대해서, 샘플 제작의 여러 예를 나타내면, 참고예 25에서는, DC 전원 1(Si 타깃): 185W, DC 전원 2(Sn 타깃): 30W, DC 전원 3(V 타깃): 140W로 하였다. 또한, 비교 참고예 19에서는, DC 전원 1(Si 타깃): 185W, DC 전원 2(Sn 타깃): 30W, DC 전원 3(V 타깃): 0W로 하였다. 또한, 비교 참고예 25에서는, DC 전원 1(Si 타깃): 185W, DC 전원 2(Sn 타깃): 0W, DC 전원 3(V 타깃): 80W로 하였다.
이들 합금박막의 성분 조성을 표 2 및 도 7 내지 10에 나타내었다.
[2] 전지의 제작
참고예 A와 마찬가지의 방법으로 CR2032형 코인셀을 제작하였다.
[3] 전지의 충방전 시험
참고예 A와 마찬가지의 방법으로 전지의 충방전 시험을 행하였다. 이 결과를 표 2에 아울러 나타낸다.
[표 2-1]
Figure pat00007
[표 2-2]
Figure pat00008
표 2에서, 참고예의 전지는, 1 사이클째 방전 용량, 50 사이클째 방전 용량 유지율 및 100 사이클째 방전 용량 유지율의 밸런스가 우수한 것을 알 수 있었다. 즉, Si가 27 질량% 이상 100 질량% 미만, Sn이 0 질량% 초과 73 질량% 이하, 및 V가 0 질량% 초과 73 질량% 이하일 때, 상기의 밸런스가 우수한 것이 판명되었다. 이에 반해, 비교 참고예의 전지는, 참고예의 전지에 비해, 1 사이클째의 방전 용량이 큰 경우가 있어도, 방전 용량 유지율의 저하가 현저한 것을 알 수 있었다.
이상의 결과를 정리하면, 참고예의 전지에 있어서는 다음의 것이 확인되었다. 즉, 이러한 전지에서는, 712mAh/g 이상의 초기 용량과, 50 사이클 후에는 92% 이상, 100 사이클 후에는 44% 이상의 방전 용량 유지율을 나타내는 것이 확인되었다.
(참고예 C): SixSnyCzAa에 관한 성능 평가
[1] 부극의 제작
참고예 A의 (1)에 있어서의 타깃의「Al: 50.8㎜ 직경, 3㎜ 두께」를「C: 50.8㎜ 직경, 3㎜ 두께(두께 2㎜의 무산소 구리로 된 백킹 플레이트 구비)」로 변경하고, (2)에 있어서의 DC 전원의「Al(0 내지 150W)」을「C(0 내지 150W)」로 변경한 것을 제외하고는, 참고예 A와 마찬가지의 방법으로, 도합 34종의 부극 샘플을 제작하였다(참고예 28 내지 49 및 비교 참고예 29 내지 40).
또한, 상기 (2)에 대해서, 샘플 제작의 여러 예를 나타내면, 참고예 43에서는, DC 전원 1(Si 타깃)을 185W, DC 전원 2(Sn 타깃)를 35W, DC 전원 3(C 타깃)을 110W로 하였다. 또한, 비교 참고예 30에서는, DC 전원 1(Si 타깃)을 185W, DC 전원 2(Sn 타깃)를 22W, DC 전원 3(C 타깃)을 0W로 하였다. 또한, 비교 참고예 35에서는, DC 전원 1(Si 타깃)을 185W, DC 전원 2(Sn 타깃)를 0W, DC 전원 3(C 타깃)을 30W로 하였다.
이들 합금박막의 성분 조성을 표 3 및 도 11에 도시한다.
[2] 전지의 제작
참고예 A와 마찬가지의 방법으로 CR2032형 코인셀을 제작하였다.
[3] 전지의 충방전 시험
참고예 A와 마찬가지의 방법으로 전지의 충방전 시험을 행하였다. 이 결과를 표 3에 아울러 나타낸다.
[표 3-1]
Figure pat00009
[표 3-2]
Figure pat00010
이상의 결과, 29 질량% 이상의 Si를 함유하고, 잔량부가 Sn, C 및 불가피 불순물인 Si-Sn-C계 합금을 부극 활물질로서 사용한 참고예의 전지에 있어서는, 적어도 1000mAh/g를 초과하는 초기 용량을 구비하고, 50 사이클 후에는 92% 이상, 100 사이클 후에서도 45% 이상의 방전 용량 유지율을 나타내는 것이 확인되었다.
이어서, 실시예로서, 상기 Si 합금 중 Si41Sn16Al43을 사용하여, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 부극 활물질층을 갖는 전기 디바이스용 부극에 관한 성능 평가를 행하였다.
또한, 상기 Si41Sn16Al43 이외의 그 밖의 본 발명에 사용되는 합금(SixSnyAlzAa, SixSnyVzAa, 및 SixSnyCzAa 중, Si41Sn16Al43 이외의 것)에 대해서도 Si41Sn16Al43을 사용한 다음의 실시예와 동일 또는 유사한 결과가 얻어진다. 이 이유는, 참고예에 나타낸 바와 같이, 상기 그 밖의 본 발명에 사용되는 합금은, Si41Sn16Al43과 마찬가지의 특성을 갖기 때문이다. 즉, 같은 특성을 갖는 합금을 사용한 경우에는, 합금의 종류를 변경했다고 해도 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다.
이어서, 이하의 실시예 및 비교예에서는, 상기 Si 합금 중 Si41Sn16Al43을 부극 활물질로서 사용하고, 집전체의 종류(탄성 연신율)를 바꾼 전기 디바이스용 부극에 관한 성능 평가를 행하였다.
(실시예 1)
[Si 합금의 제조]
상기 Si 합금은, 메커니컬 알로이법(또는, 아크 플라즈마 용융법)에 의해 제조하였다. 구체적으로는, 도이츠 프리츠사 제조 유성 볼 밀 장치 P-6을 사용하여, 지르코니아 제조 분쇄 포트에 지르코니아 제조 분쇄 볼과 각 합금의 각 원료 분말을 투입하고, 600rpm, 48h에 걸쳐 합금화시켰다.
[부극의 제작]
(실시예 1)
부극 활물질 80 질량부, 도전 보조제 5 질량부, 및 바인더 15 질량부를 용매로서의 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중에서 혼합하고, 부극 활물질 슬러리를 제조하였다. 여기서, 부극 활물질에는, 상기에서 제조한 Si 합금 분말(Si41Sn16Al43, 1차 입자의 평균 입자 직경 0.3㎛)을 사용하였다. 또한, 도전 보조제에는, 단쇄 형상 카본 블랙으로서 단쇄 형상 아세틸렌 블랙을 사용하고, 바인더에는 폴리이미드를 사용하였다.
탄성 연신율 1.43%, 인장 강도 580N/㎟인 두께 10㎛의 구리 합금박(구리 합금 1: Cr, Sn, Zn이 각각 약 0.3 질량% 첨가된 Cu)을 준비하였다.
본 실시예에 있어서, 집전체의 탄성 연신율(%) 및 인장 강도(N/㎟)는 INSTRON사 제조 디지털 재료 시험기 5565형을 사용하여, 시험 속도 10㎜/min, 척 사이 50㎜에 의해 측정하였다. 샘플은, 전체 길이 70㎜, 평행부 폭 5㎜의 웨지형으로 성형한 집전박을 사용하였다.
이렇게 해서 얻어진 부극 활물질 슬러리를, 상기 구리 합금박(구리 합금 1)의 양면에, 건조 후의 두께가 각각 50㎛가 되도록 균일하게 도포하고, 진공 중에서 24시간 건조시켜서, 부극을 얻었다.
(실시예 2)
부극 집전체로서, 탄성 연신율 1.53%, 인장 강도 450N/㎟인 두께 10㎛의 구리 합금박(구리 합금 2: Zr이 약 0.3 질량% 첨가된 Cu)을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 부극을 제작하였다.
(실시예 3)
부극 집전체로서, 탄성 연신율 1.39%, 인장 강도 420N/㎟인 두께 10㎛의 구리 합금박(구리 합금 3: Zr이 약 0.1 질량% 첨가된 Cu)을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 부극을 제작하였다.
(비교예 1)
부극 집전체로서, 탄성 연신율 1.28%, 인장 강도 139N/㎟인 두께 10㎛의 구리박(터프 피치 구리: Cu의 순도가 99.9 질량% 이상)을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 부극을 제작하였다.
(비교예 2)
부극 활물질로서 규소(순Si) 분말(순도: 99.999 질량%, 1차 입자의 평균 입자 직경 45㎛) 80 질량부를 사용한 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지의 방법으로 부극을 제작하였다.
(비교예 3)
바인더 재료로서 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2와 마찬가지의 방법으로 부극을 제작하였다.
[정극의 제작]
정극 활물질인 Li1 . 85Ni0 . 18Co0 . 10Mn0 . 87O3을, 일본 특허 공개 제2012-185913호 공보의 실시예 1(단락(0046)에 기재된 방법에 의해 제작하였다. 그리고, 이 정극 활물질 90 질량부와, 도전 보조제인 아세틸렌 블랙 5 질량부와, 바인더인 폴리불화비닐리덴 5 질량부를 혼합하고, N-메틸피롤리돈에 분산시켜서 정극 슬러리를 얻었다. 계속해서, 얻어진 정극 슬러리를, 알루미늄박으로 이루어지는 정극 집전체의 양면에 각각 정극 활물질층의 두께가 30㎛가 되도록 균일하게 도포하고, 건조시켜서, 정극을 얻었다.
[전지의 제작]
상기에서 제작한 정극과, 부극을 대향시켜, 이 사이에 세퍼레이터(폴리올레핀, 막 두께 20㎛)를 배치하였다. 계속해서, 부극, 세퍼레이터, 및 정극의 적층체를 코인셀[CR2032, 재질: 스테인리스강(SUS316)]의 저부측에 배치하였다. 또한, 정극과 부극 사이의 절연성을 유지하기 위하여 가스킷을 장착하고, 하기 전해액을 시린지에 의해 주입하고, 스프링 및 스페이서를 적층하고, 코인셀의 상부측을 겹치게 하여, 코오킹함으로써 밀폐하고, 리튬 이온 이차 전지를 얻었다.
또한, 상기 전해액으로서는, 에틸렌카르보네이트(EC) 및 디에틸카르보네이트(DEC)를 EC: DC＝1: 2(체적비)의 비율로 혼합한 유기 용매에, 지지염인 육불화인산리튬(LiPF6)을 농도가 1㏖/L이 되도록 용해시킨 것을 사용하였다.
[전지의 충방전 시험]
참고예 A와 마찬가지의 방법으로 전지의 충방전 시험을 행하였다.
즉, 충방전 시험기(호꾸또 덴꼬 가부시끼가이샤 제조 HJ0501SM8A)를 사용하여, 300K(27℃)의 온도로 설정된 항온조(에스펙 가부시끼가이샤 제조 PFU-3K) 안에서, 충전 과정(평가 대상인 부극에의 Li 삽입 과정)에서는, 정전류·정전압 모드로 하여, 0.1mA에 의해 2V에서 10mV까지 충전하였다. 그 후, 방전 과정(상기 부극으로부터의 Li 탈리 과정)에서는, 정전류 모드로 하고, 0.1mA, 10mV에서 2V까지 방전하였다. 이상의 충방전 사이클을 1 사이클로 하여, 이것을 50회 반복하였다.
그리고, 50 사이클째의 방전 용량을 구하고, 1 사이클째의 방전 용량에 대한 방전 용량 유지율(%)을 산출하였다. 50 사이클째의「방전 용량 유지율(%)」은,「초기 용량으로부터 얼마나 용량을 유지하고 있는가」의 지표를 나타낸다. 방전 용량 유지율(%)의 계산식은 이하와 같다.
Figure pat00011
또한, 얻어진 방전 용량 유지율(%)의 결과를, 비교예 1의 방전 용량 유지율을 100으로 했을 때의 비율[방전 용량 유지율의 향상율(%)]로서, 다음의 표 4 및 도 18에 나타내었다.
Figure pat00012
표 4 및 도 18의 결과로부터, 탄성 연신율이 1.30% 이상인 집전체를 사용한 실시예 1 내지 3의 전지에서는, 비교예 1 내지 3의 전지와 비교하여 높은 방전 용량 유지율을 실현할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은, 실시예 1 내지 3에서 사용한 집전체가, 전지의 충방전에 수반하는 Si 합금을 함유하는 부극 활물질층의 체적 변화에 탄성적으로 추종함으로써, 전극층의 변형이 억제되었기 때문이라고 생각된다. 특히, 집전체의 탄성 연신율이 1.40% 이상, 또는 1.50% 이상인 실시예 1, 2에 있어서는, 훨씬 높은 방전 용량 유지율이 얻어졌다.
한편, 탄성 연신율이 소정의 값 이하의 집전체를 사용한 비교예 1의 전지에서는, 전지의 충방전에 수반하는 부극 활물질층의 체적 변화에 따라 집전체가 소성 변형되기 쉬워져, 그 결과, 부극 활물질층이 일그러지고, 부극의 평면 방향에 있어서 정극과의 균일한 전극 간 거리를 유지하는 것이 어려워져 버려, 높은 방전 용량 유지율을 얻을 수 없었던 것이라 생각된다.
또한, 부극 활물질로서 순Si를 사용한 비교예 2의 전지에서는, 전지의 충방전에 수반하는 부극 활물질의 팽창·수축에 의한 체적 변화가, Si 합금의 경우보다도 크다. 그로 인해, 부극 활물질층의 체적 변화가 보다 크기 때문에, 부극 활물질층의 체적 변화에 집전체가 추종할 수 없는 것에 기인하는 용량의 저하가 보다 커져 있는 것이라 생각된다.
또한, 부극 활물질층의 바인더로서 PVdF를 사용한 비교예 3의 전지에서는, 방전 용량 유지율이 보다 낮아져 있다. 이것은, 비교예 3에서 사용한 바인더인 PVdF의 탄성률(1.0GPa)이 실시예 1 내지 3, 비교예 1, 2에서 사용한 폴리이미드의 탄성률(3.73GPa)보다도 작기 때문에, 충방전에 수반하는 활물질의 팽창·수축에 바인더를 추종할 수 없어, 부극 활물질층의 체적 변화가 커지기 때문이라 생각된다. 그 결과, 부극 활물질층의 체적 변화에 집전체가 추종할 수 없는 것에 의한 용량의 저하가 더욱 커진다고 생각된다.
본 출원은, 2012년 11월 22일에 출원된 일본 특허 출원 제2012-256937호에 의거하고 있으며, 그 개시 내용은, 참조에 의해 전체 인용되어 있다.
10, 50: 리튬 이온 이차 전지(적층형 전지)
11: 정극 집전체
12: 부극 집전체
13: 정극 활물질층
15: 부극 활물질층
17: 전해질층
19: 단전지층
21, 57: 발전 요소
25, 58: 정극 집전판
27, 59: 부극 집전판
29, 52: 전지 외장재(라미네이트 필름)

Claims (10)

  1. 집전체와, 상기 집전체의 표면에 배치된 부극 활물질, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 전극층을 갖는 전기 디바이스용 부극이며,
    상기 부극 활물질이, 하기 식 (1):
    SixSnyMzAa (1)
    상기 식 (1)에 있어서,
    M은, Al이며,
    A는, 불가피 불순물이며,
    x, y, z, 및 a는 질량%의 값을 나타내고, 이때, 31≤x≤50, 15≤y≤45, 18≤z≤43, 및 0≤a<0.5이며, x＋y＋z＋a＝100으로 표현되는 합금을 함유하고,
    상기 집전체의 탄성 연신율이 1.39 내지 1.53%이고,
    상기 집전체는 알루미늄, 구리, 티타늄, 니켈, 스테인리스강(SUS) 또는 이들 합금을 재료로 하는 것을 특징으로 하는, 전기 디바이스용 부극.
  2. 집전체와, 상기 집전체의 표면에 배치된 부극 활물질, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 전극층을 갖는 전기 디바이스용 부극이며,
    상기 부극 활물질이, 하기 식 (1):
    SixSnyMzAa (1)
    상기 식 (1)에 있어서,
    M은, V이며,
    A는, 불가피 불순물이며,
    x, y, z, 및 a는 질량%의 값을 나타내고, 이때, 27≤x≤52, 10≤y≤63, 6≤z≤63, 및 0≤a<0.5이며, x＋y＋z＋a＝100으로 표현되는 합금을 함유하고,
    상기 집전체의 탄성 연신율이 1.39 내지 1.53%이고,
    상기 집전체는 알루미늄, 구리, 티타늄, 니켈, 스테인리스강(SUS) 또는 이들 합금을 재료로 하는 것을 특징으로 하는, 전기 디바이스용 부극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 y가 40 이하이며, 상기 z가 20 이상인, 전기 디바이스용 부극.
  4. 집전체와, 상기 집전체의 표면에 배치된 부극 활물질, 도전 보조제, 및 바인더를 함유하는 전극층을 갖는 전기 디바이스용 부극이며,
    상기 부극 활물질이, 하기 식 (1):
    SixSnyMzAa (1)
    상기 식 (1)에 있어서,
    M은, C이며,
    A는, 불가피 불순물이며,
    x, y, z, 및 a는 질량%의 값을 나타내고, 이때, 29≤x≤63, 14≤y≤48, 11≤z≤48, 및 0≤a<0.5이며, x＋y＋z＋a＝100으로 표현되는 합금을 함유하고,
    상기 집전체의 탄성 연신율이 1.39 내지 1.53%이고,
    상기 집전체는 알루미늄, 구리, 티타늄, 니켈, 스테인리스강(SUS) 또는 이들 합금을 재료로 하는 것을 특징으로 하는, 전기 디바이스용 부극.
  5. 제4항에 있어서, 상기 x가 44 이하인, 전기 디바이스용 부극.
  6. 제5항에 있어서, 상기 x가 40 이하이며, 상기 y가 34 이상인, 전기 디바이스용 부극.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집전체의 탄성 연신율이 1.40% 이상인, 전기 디바이스용 부극.
  8. 제7항에 있어서, 상기 집전체의 탄성 연신율이 1.50% 이상인, 전기 디바이스용 부극.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 전기 디바이스용 부극을 포함하는, 전기 디바이스.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집전체의 두께가 5 내지 15㎛인, 전기 디바이스용 부극.

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