WO2015118593A1 - 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
この二次電池は、小型の電子機器に限らず、自動車などに代表される大型の電子機器、家屋などに代表される電力貯蔵システムへの適用も検討されている。
電池容量向上のために、負極活物質材としてケイ素を用いることが検討されている。なぜならば、ケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)よりも10倍以上大きいため、電池容量の大幅な向上を期待できるからである。
負極活物質材としてのケイ素材の開発はケイ素単体だけではなく、合金、酸化物に代表される化合物などについても検討されている。
また、活物質形状は、炭素材では標準的な塗布型から、集電体に直接堆積する一体型まで検討されている。
負極活物質表層が割れると、それによって新表面が生じ、活物質の反応面積が増加する。この時、新表面において電解液の分解反応が生じるとともに、新表面に電解液の分解物である被膜が形成されるため電解液が消費される。このためサイクル特性が低下しやすくなる。
また、高い電池容量や安全性を得るために、ケイ素酸化物粒子の表層に炭素材(電子伝導材)を設けている(例えば特許文献2参照)。
さらに、サイクル特性を改善するとともに高入出力特性を得るために、ケイ素及び酸素を含有する活物質を作製し、かつ、集電体近傍での酸素比率が高い活物質層を形成している(例えば特許文献3参照)。
また、サイクル特性向上させるために、ケイ素活物質中に酸素を含有させ、平均酸素含有量が40at%以下であり、かつ集電体に近い場所で酸素含有量が多くなるように形成している(例えば特許文献4参照)。
また、サイクル特性改善のため、SiOx(0.8≦x≦1.5、粒径範囲=1μm~50μm)と炭素材を混合して高温焼成している(例えば特許文献6参照)。
また、サイクル特性改善のために、負極活物質中におけるケイ素に対する酸素のモル比を0.1~1.2とし、活物質、集電体界面近傍におけるモル比の最大値、最小値との差が0.4以下となる範囲で活物質の制御を行っている(例えば特許文献7参照)。
また、電池負荷特性を向上させるため、リチウムを含有した金属酸化物を用いている(例えば特許文献8参照)。
また、サイクル特性を改善させるために、ケイ素材表層にシラン化合物などの疎水層を形成している(例えば特許文献9参照)。
また、サイクル特性改善のため、酸化ケイ素を用い、その表層に黒鉛被膜を形成することで導電性を付与している(例えば特許文献10参照)。特許文献10において、黒鉛被膜に関するRAMANスペクトルから得られるシフト値に関して、1330cm-1及び1580cm-1にブロードなピークが現れるとともに、それらの強度比I1330/I1580が1.5<I1330/I1580<3となっている。
また、高い電池容量、サイクル特性の改善のため、二酸化ケイ素中に分散されたケイ素微結晶相を有する粒子を用いている(例えば、特許文献11参照)。
また、過充電、過放電特性を向上させるために、ケイ素と酸素の原子数比を1:y(0<y<2)に制御したケイ素酸化物を用いている(例えば特許文献12参照)。
また、高い電池容量、サイクル特性の改善のため、ケイ素と炭素の混合電極を作成しケイ素比率を5wt%以上13wt%以下で設計している(例えば、特許文献13参照)。
この問題を解決する1つの手法として、ケイ素材を主材として用いた負極からなるリチウムイオン二次電池の開発が望まれている。
また、ケイ素材を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近いサイクル特性が望まれている。
しかしながら、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等のサイクル安定性を示す負極電極を提案するには至っていなかった。
このような体積密度の範囲であれば、負極において体積エネルギー密度が低下し難くなる。
カーボンナノチューブ(CNT)は膨張率及び収縮率が高いケイ素系活物質と炭素系活物質の電気コンタクトを得ることに適しており、負極に良好な導電性を付与することができる。
これらのようなもののうち少なくとも2種が含まれていれば、良好な電池特性を得ることができる。
天然黒鉛は、ケイ素材の膨張及び収縮に伴う応力緩和に適しており、これにより負極活物質の破壊を抑制でき、良好なサイクル特性を得ることができる。
膨張収縮するケイ素系活物質が炭素系活物質に対して同等以下の大きさである場合、合材層の破壊を防止することができる。更に、炭素系活物質がケイ素系活物質に対して大きくなると、充電時の負極体積密度、初期効率が向上し、電池エネルギー密度が向上する。
ケイ素系活物質として、上記のピーク値強度値比を有するものを用いることで、さらに良好な初期充放電特性が得られる。
このようにケイ素系活物質の内部に含まれるLi2SiO3の結晶性が低ければ、電池特性の悪化を低減できる。
このようにケイ素系活物質の内部に含まれるLi4SiO4の結晶性が低ければ、電池特性の悪化を低減できる。
これらのリチウム化合物が非晶質であれば、電池特性の悪化をより確実に低減できる。
このようなものであれば、Si結晶核が減少するため、良好な電池サイクル特性が得られる。
このようなものであれば、本発明の非水電解質二次電池の正極活物質として好適に用いることができる。
負極利用率を93%以上の範囲とすれば、初回充電効率が低下せず、電池容量の向上を大きくできる。また、負極利用率を99%以下の範囲とすれば、Liが析出してしまうことがなく安全性を確保できる。
また、ケイ素系活物質を炭素系活物質に混合することで電池容量を増加させることができる。更に、負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比を6質量%以上とすることで、電池容量を確実に向上させることが可能となる。
前述のように、リチウムイオン二次電池の電池容量を増加させる1つの手法として、ケイ素材を主材として用いた負極をリチウムイオン二次電池の負極として用いることが検討されている。
このケイ素材を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近いサイクル特性が望まれているが、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等のサイクル安定性を示す負極電極を提案するには至っていなかった。
本発明の非水電解質二次電池用負極は、ケイ素系活物質(SiOx:0.5≦x≦1.6)及び炭素系活物質を含むとともに、ケイ素系活物質の内部にLi2SiO3及びLi4SiO4のうち少なくとも一種を含み、ケイ素系活物質の表層はLi2CO3、LiF、炭素の少なくとも一種にて被覆されており、尚且つ負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比が6質量%以上である。
本発明の非水電解質二次電池用負極材を用いた非水電解質二次電池用負極について説明する。図1は、本発明の一実施形態における非水電解質二次電池用負極(以下、単に「負極」と称することがある。)の断面構成を表している。
図1に示したように、負極10は、負極集電体11の上に負極活物質層12を有する構成になっている。この負極活物質層12は負極集電体11の両面、又は、片面だけに設けられていても良い。さらに、本発明の負極活物質が用いられたものであれば、負極集電体11はなくてもよい。
負極集電体11は、優れた導電性材料であり、かつ、機械的な強度に長けた物で構成される。負極集電体11に用いることができる導電性材料として、例えば銅(Cu)やニッケル(Ni)があげられる。この導電性材料は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しない材料であることが好ましい。
負極活物質層12は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な複数の粒子状負極活物質(以下、負極活物質粒子とも称する)を含んでおり、電池設計上、さらに負極結着剤や導電助剤など、他の材料を含んでいても良い。
このようなものであれば、安定した電池特性を得ることをできる。
Li化合物はNMR(核磁気共鳴)とXPS(X線光電子分光)で定量可能である。XPSとNMRの測定は、例えば、以下の条件により行うことができる。
XPS
・装置: X線光電子分光装置
・X線源: 単色化Al Kα線
・X線スポット径: 100μm
・Arイオン銃スパッタ条件: 0.5kV 2mm×2mm
29Si MAS NMR(マジック角回転核磁気共鳴)
・装置: Bruker社製700NMR分光器
・プローブ: 4mmHR-MASローター 50μL
・試料回転速度: 10kHz
・測定環境温度: 25℃
天然黒鉛はケイ素材の膨張及び収縮に伴う応力緩和に適しており、上記のような比率であればサイクル特性に優れた負極となる。
更に、より優れたサイクル特性を得るには人造黒鉛を含むことが望ましい。ただし、天然黒鉛に対して硬い人造黒鉛はケイ素材の膨張及び収縮に伴う応力緩和には不向きであるため、天然黒鉛に対して10%以上120%以下の添加量とすることが望ましい。
これらの炭素系活物質の中の2種類以上を含むことで応力緩和力を有するとともに電池容量に優れた負極活物質となる。
初期効率が低く、炭素系活物質に対して高電位放電であるケイ素系活物質を使用する場合であっても、上記比率以上であれば、電池の体積エネルギー密度を上昇させることが可能である。
このように、負極活物質層中の炭素系活物質は、ケイ素系活物質に対し同等以上の大きさであることが望ましい。膨張収縮するケイ素系活物質が炭素系活物質に対して同等以下の大きさである場合、合材層の破壊を防止することができる。更に、炭素系活物質がケイ素系活物質に対して大きくなると、充電時の負極体積密度、初期効率が向上し、電池エネルギー密度が向上する。
このようなものであれば、安定した電池特性を得ることができる。
このような厚さであれば電気伝導性を向上させることが可能である。炭素被覆部の平均厚さが5000nmを超えても電池特性を悪化させる事はないが、電池容量が低下するため、5000nm以下とすることが好ましい。
これらの炭素材被覆手法は特に限定されないが、糖炭化法、炭化水素ガスの熱分解法が好ましい。これらの方法であれば、炭素材の被覆率を向上させることができるからである。
特にカーボンナノチューブは膨張収縮率が高いケイ素材と炭素材の電気コンタクトを得ることに向いている。
最初に本発明の非水電解質二次電池用負極材に含まれる負極活物質粒子の製造方法を説明する。まず、SiOx(0.5≦x≦1.6)で表されるケイ素系活物質を作製する。次に、ケイ素系活物質にLiを挿入することにより、該ケイ素系活物質の表面若しくは内部又はその両方にLi化合物を生成させて該ケイ素系活物質を改質する。
このように、負極終止電位を0.85V以下へ下げる事で負極表面に生成する被膜成分の一部剥離、溶解を抑制し、電池のサイクル特性が向上させることができる。
負極終止電位が0.35V以上であれば、体積エネルギー密度が高くなり、電池容量を向上させ易くすることができる。
このように、負極終止電位を1.06V以下へ下げる事で負極表面に生成する被膜成分の一部剥離、溶解を抑制し、電池サイクル特性が向上する。
負極終止電位が0.39V以上であれば、体積エネルギー密度が高くなり、電池容量を向上させ易くすることができる。
次に、上記した負極を用いた非水電解質二次電池の具体例として、リチウムイオン二次電池について説明する。
図3に示すラミネートフィルム型二次電池30は、主にシート状の外装部材35の内部に巻回電極体31が収納されたものである。この巻回体は正極、負極間にセパレータを有し、巻回されたものである。また正極、負極間にセパレータを有し積層体を収納した場合も存在する。どちらの電極体においても、正極に正極リード32が取り付けられ、負極に負極リード33が取り付けられている。電極体の最外周部は保護テープにより保護されている。
正極は、例えば、図1の負極10と同様に、正極集電体の両面又は片面に正極活物質層を有している。
リチウムと遷移金属元素とを有するリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4)あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-uMnuPO4(0<u<1))などが挙げられる。これらの正極材を用いれば、高い電池容量が得られるとともに、優れたサイクル特性も得られるからである。
負極は、上記した図1のリチウムイオン二次電池用負極10と同様の構成を有し、例えば、集電体の両面に負極活物質層を有している。この負極は、正極活物質剤から得られる電気容量(電池としての充電容量)に対して、負極充電容量が大きくなることが好ましい。これにより、負極上でのリチウム金属の析出を抑制することができる。
セパレータは正極、負極を隔離し、両極接触に伴う電流短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータは、例えば合成樹脂、あるいはセラミックからなる多孔質膜により形成されており、2種以上の多孔質膜が積層された積層構造を有しても良い。合成樹脂として例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
活物質層の少なくとも一部、又は、セパレータには、液状の電解質(電解液)が含浸されている。この電解液は、溶媒中に電解質塩が溶解されており、添加剤など他の材料を含んでいても良い。
以上のようにして、ラミネートフィルム型二次電池30を製造することができる。
負極利用率を93%以上の範囲とすれば、初回充電効率が低下せず、電池容量の向上を大きくできる。また、負極利用率を99%以下の範囲とすれば、Liが析出してしまうことがなく安全性を確保できる。
(実施例1-1)
以下の手順により、図3に示したラミネートフィルム型の二次電池30を作製した。
実施例1-1と同様に、二次電池を作製したが、負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比(以下、SiO材比率とも称する)を、下記の表1に示すように6質量%以上の範囲で変更した。実施例1-3~実施例1-6のように、SiO材比率が15%を超える場合、バインダがSBR/CMCでは担持し辛くなるため、PI(ポリイミド)をバインダとして使用した。
(比較例1-1~比較例1-3)
実施例1-1と同様に、二次電池を作製したが、負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比を、下記の表1に示すように6質量%未満の範囲で変更した。比較例1-1においては、SiO材比率は0質量%であり、負極活物質は炭素系活物質のみとなっている。
このとき、ケイ素系活物質の29Si-MAS-NMR スペクトルから得られる、ケミカルシフト値として-60~-100ppmで与えられるSi領域のピーク値強度値Aと-100~-150ppmで与えられるSiO2領域のピーク値強度値Bの比A/B=2であった。
この際、対極リチウムを用い電圧が0(V)まではCC(定電流)モード、0(V)からはCV(定電圧)モードで充電を行い、電流値が0.07Cとなった時に充電を終了した。そして、この充電を行った後、CC(定電流)で電池電圧が3.0Vに達するまで放電を行った。
図4中のaで示す曲線は、本発明の負極活物質中においてケイ素系活物質の比率を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。一方、図4中のbで示す曲線はLiをドープしていないケイ素系活物質の比率を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。
図4に示すように、曲線aはケイ素系活物質の比率が6wt%以上となる範囲で、曲線bよりも電池容量の増加率が特に大きくなり、ケイ素系活物質の比率が高くなるにつれて、その差は広がっていく。以上の表1、表1a及び図4の結果より、本発明において、負極活物質中でのケイ素系活物質の比率が6wt%以上となると電池容量の増加率は従来に比べて大きくなり、このことから負極活物質の体積エネルギー密度が、上記比率の範囲で特に顕著に増加することが分かった。
負極材を製造する際のケイ素系活物質のバルク内酸素量を調整したことを除き、実施例1-2と同様に、二次電池の製造を行った。この場合、気化出発材の比率や温度を変化させ堆積される酸素量を調整した。実施例2-1~2-5、比較例2-1、2-2における、SiOxで表されるケイ素系活物質のxの値を表2に示した。
基本的に実施例1-2と同様に二次電池の製造を行ったが、二次電池の負極利用率を表3に示すように変化させた。これに伴い、負極終止電位及び負極活物質の充電時の体積密度は表3に示すように変化した。
また、負極利用率100%は電池容量が増加すると考えられるが、設計上Li析出が懸念されるため最大利用率を99%とし実験を行った。以上より、電池容量増加を考慮した場合、負極利用率は93%以上99%以下が望ましいことが分かった。
基本的に実施例1-2と同様に二次電池の製造を行ったが、実施例4-1では、ケイ素系活物質の表層にLiF、炭素層を、実施例4-2ではLi2CO3、炭素層を担持させた。また、比較例4-1では表層にLiF、Li2CO3、炭素層のいずれも担持させなかった。
基本的に実施例1-2と同様に二次電池の製造を行ったが、バルク内に生成するSi/SiO2成分を変化させることで、SiO単体の初期効率を増減させ、29Si-MAS-NMR スペクトルから得られる、ケミカルシフト値として-60~-100ppmで与えられるSi領域のピーク値強度値Aと-100~-150ppmで与えられるSiO2領域のピーク値強度値Bの比A/Bを表5に示すように変化させた。これは、SiO2領域を電気化学的なLiドープ法を用いて、電位規制を行うことで制御できる。
また、実施例5-2~実施例5-6においては、電池終始電位が3.0V時に負極終止電位が0.35V以上0.85V以下であるため、実施例5-1よりさらに良好な電池特性が得られている。
基本的に実施例1-2と同様に二次電池の製造を行ったが、負極活物質中の炭素系活物質の種類及び炭素系活物質の総重量にしめる天然黒鉛の比率(質量%)を表6に示すように変化させた。
基本的に実施例1-2と同様に二次電池の製造を行ったが、負極中に導電助剤としてCNTを添加しなかった。
ケイ素系活物質のバルク内に生成されるLiシリケート化合物(Li2SiO3及びLi4SiO4)の結晶性を変化させた他は、実施例1-2と同様に二次電池の製造を行った。結晶化度の調整はLiの挿入・脱離後に、非大気雰囲気下で熱処理を加えることで可能である。
ケイ素系活物質の結晶性を変化させた他は、実施例1-2と同様に二次電池の製造を行った。結晶性の変化はLiの挿入、脱離後の非大気雰囲気下の熱処理で制御可能である。実施例9-1~9-9のケイ素系活物質の半値幅を表9中に示した。実施例9-9では半値幅を20°以上と算出しているが、解析ソフトを用いフィッティングした結果であり、実質的にピークは得られていない。よって実施例9-9のケイ素系活物質は、実質的に非晶質であると言える。
特に半値幅(2θ)が1.2°以上で、尚且つSi(111)面に起因する結晶子サイズが7.5nm以下の低結晶性材料で高い容量維持率、初期効率が得られた。特に、非結晶領域(実施例9-9)では最も良い電池特性が得られた。
炭素系活物質のメジアン径X、ケイ素活物質のメジアン径Y、及びX/Yの値を表10のように変えたことの他は、実施例1-2と同様にして二次電池の製造を行った。
正極活物質として、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(NCA)であるLiNi0.7Co0.25Al0.05Oを使用し、負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比(以下、SiO材比率とも称する)を、下記の表11-1に示すように変更したことの他は、実施例1-1と同様に二次電池を作製した。但し、SiO材比率が15%を超える場合(実施例11-3~実施例11-6)、バインダがSBR/CMCでは、担持しづらくなるためPIバインダを使用した。比較例11-1においては、SiO材比率は0質量%であり、負極活物質は炭素系活物質のみとなっている。
このように、電池の放電終止電位を2.5Vとして、二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べた。以後の実施例、比較例では、放電終止電位を2.5Vとして、二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べた。
正極活物質として、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(NCM)であるLiCo0.33Ni0.33Mn0.33O2を使用し、負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比(以下、SiO材比率とも称する)を、下記の表11-2に示すように変更したことの他は、実施例1-1と同様に二次電池を作製した。但し、SiO材比率が15%を超える場合(実施例11-9~実施例11-12)、SBR/CMCバインダでは、担持し辛くなるためPIバインダを使用した。比較例11-4においては、SiO材比率は0質量%であり、負極活物質は炭素系活物質のみとなっている。
図4中のcで示す曲線は、本発明の負極活物質中においてケイ素系活物質の比率を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。一方、図4中のdで示す曲線はLiをドープしていないケイ素系活物質の比率を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。この場合も、負極活物質中でのケイ素系活物質の比率が6wt%以上となると、本発明の負極を有する二次電池の電池容量の増加率は従来に比べて大きくなり、負極活物質の体積エネルギー密度も、特に顕著に増加する。
これは、一般的な炭素材の可逆容量が330mAh/gであり、SiO材は1500mAh/g程度であるので、例えば、SiO材を5質量%添加した場合、負極容量のうちケイ素系材料は約19%程度の容量を担うこととなる。また、SiO材を6質量%添加した場合、負極容量のうちケイ素系活物質は約22.5%程度の容量を担うこととなる。これらの容量を担う領域において負極電位の放電カーブの形状変化が大きく寄与する。特に、SiO材を5質量%以下添加した場合では負極における放電カーブが高い影響を受け、実質的な電池容量向上は小さくなる。一方で、SiO材を6質量%以上添加した場合では、ケイ素系活物質が担う容量が大きく、実質的な電池容量向上が実現できる。
負極材を製造する際のケイ素系活物質のバルク内酸素量を調整したことを除き、実施例11-8と同様に、二次電池の製造を行った。この場合、気化出発材の比率や温度を変化させ堆積される酸素量を調整した。実施例12-1~実施例12-5、比較例12-1、比較例12-2における、SiOxで表されるケイ素系活物質のxの値を表12に示した。
基本的に実施例11-8と同様に二次電池の製造を行ったが、二次電池の負極利用率を表13に示すように変化させた。これに伴い、負極終止電位及び負極活物質の充電時の体積密度も表13に示すように変化した。
また、負極利用率100%とした場合は電池容量が増加すると考えられるが、設計上Li析出が懸念されるため最大利用率を99%とすることが望ましい。以上より、電池容量増加を考慮した場合、負極利用率は93%以上99%以下であることが望ましいことが分かった。
基本的に実施例11-8と同様に二次電池の製造を行ったが、実施例14-1では、ケイ素系活物質の表層にLiF、炭素層を、実施例14-2ではLi2CO3、炭素層を担持させた。また、比較例14-1では表層にLiF、Li2CO3、炭素層のいずれも担持させなかった。
基本的に実施例11-8と同様に二次電池の製造を行ったが、バルク内に生成するSi/SiO2成分を変化させることで、SiO単体の初期効率を増減させ、29Si-MAS-NMR スペクトルから得られる、ケミカルシフト値として-60~-100ppmで与えられるSi領域のピーク値強度値Aと-100~-150ppmで与えられるSiO2領域のピーク値強度値Bの比A/Bを表15に示すように変化させた。これは、SiO2領域を電気化学的なLiドープ法を用いて、電位規制を行うことで制御できる。
また、実施例15-2~実施例15-6においては、電池終始電位が2.5V時に負極終止電位が0.39V以上1.06V以下であるため、実施例15-1よりさらに良好な電池特性が得られている。
基本的に実施例11-8と同様に二次電池の製造を行ったが、負極活物質中の炭素系活物質の種類及び炭素系活物質の総重量にしめる天然黒鉛の比率(質量%)を表16に示すように変化させた。
基本的に実施例11-8と同様に二次電池の製造を行ったが、負極中に導電助剤としてCNTを添加しなかった。
ケイ素系活物質のバルク内に生成するLiシリケート化合物(Li2SiO3及びLi4SiO4)の結晶性を変化させた他は、実施例11-8と同様に二次電池の製造を行った。Liシリケート化合物の結晶化度の調整はLiの挿入・脱離後に、非大気雰囲気下で熱処理を加えることで可能である。
ケイ素系活物質の結晶性を変化させた他は、実施例11-8と同様に二次電池の製造を行った。結晶性の変化はLiの挿入、脱離後の非大気雰囲気下の熱処理で制御可能である。実施例19-1~19-9のケイ素系活物質の半値幅を表19中に示した。実施例19-9では半値幅を20°以上と算出しているが、解析ソフトを用いフィッティングした結果であり、実質的にピークは得られていない。よって実施例19-9のケイ素系活物質は、実質的に非晶質であると言える。
特に半値幅(2θ)が1.2°以上で、尚且つSi(111)面に起因する結晶子サイズが7.5nm以下の低結晶性材料で高い容量維持率、初期効率が得られた。特に、非結晶領域では最も良い電池特性が得られた。
炭素系活物質のメジアン径X、ケイ素活物質のメジアン径Y、及びX/Yの値を表20のように変えたことの他は、実施例11-8と同様にして二次電池の製造を行った。
基本的に、実施例1-1~実施例1-6と同様に二次電池を作製した。
但し、実施例21-1、実施例21-2では、ケイ素系活物質として、粉末状態のケイ素材を、熱ドープ法を用いて改質したものを使用した。また、実施例21-1では、負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の比(以下、SiO材比率とも称する)を30質量%とした。また、実施例21-2においては、SiO材比率を50質量%とした。
Claims (17)
- 複数の負極活物質を含む非水電解質二次電池用負極であって、
前記負極活物質は、少なくともケイ素系活物質(SiOx:0.5≦x≦1.6)及び炭素系活物質を含むとともに、前記ケイ素系活物質の内部にLi2SiO3及びLi4SiO4のうち少なくとも一種を含み、前記ケイ素系活物質の表層はLi2CO3、LiF、炭素の少なくとも一種にて被覆されており、前記負極活物質の総量に対する前記ケイ素系活物質の比が6質量%以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。 - 前記負極活物質の充電時の体積密度が、0.75g/cc以上1.38g/cc以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記非水電解質二次電池用負極は、カーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記炭素系活物質は天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンのうち少なくとも2種を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記炭素系活物質は天然黒鉛を含み、前記炭素系活物質の総重量に占める前記天然黒鉛の比率が30質量%以上80質量%以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記炭素系活物質のメジアン径Xと前記ケイ素系活物質のメジアン径YがX/Y≧1の関係を満たすものであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- ケイ素系活物質の29Si-MAS-NMR スペクトルから得られる、ケミカルシフト値として-60~-100ppmで与えられるSi領域のピーク値強度値Aと-100~-150ppmで与えられるSiO2領域のピーク値強度値BがA/B≧0.8の関係を満たすことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記ケイ素系活物質の内部に含まれるLi2SiO3は、X線回折により38.2680°付近でみられる回折ピークの半値幅(2θ)が0.75°以上であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記ケイ素系活物質の内部に含まれるLi4SiO4は、X線回折により23.9661°付近でみられる回折ピークの半値幅(2θ)が0.2°以上であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記ケイ素系活物質の内部に含まれるLi2SiO3及びLi4SiO4は非晶質であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記ケイ素系活物質は、X線回折により得られるSi(111)結晶面に起因する回折ピークの半値幅(2θ)は1.2°以上であるとともに、その結晶面に起因する結晶子サイズは7.5nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極を有し、正極活物質としてコバルト酸リチウムを含有する正極を有し、電池終止電位が3Vであるときの前記負極における負極放電終止電位が0.35V以上0.85V以下であることを特徴とする非水電解質二次電池。
- 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極を有し、正極活物質としてリチウムニッケルコバルト複合酸化物を含有する正極を有し、電池終止電位が2.5V時の前記負極における負極放電終止電位が0.39V以上1.06V以下であることを特徴とする非水電解質二次電池。
- 前記リチウムニッケルコバルト複合酸化物は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物、又はリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物であることを特徴とする請求項13に記載の非水電解質二次電池。
- 前記非水電解質二次電池用負極において、負極利用率が93%以上99%以下であることを特徴とする請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 負極活物質及び金属集電体を含む非水電解質二次電池用負極の製造方法であって、
前記負極活物質として、未改質のケイ素系活物質(SiOx:0.5≦x≦1.6)及び炭素系活物質を準備する工程と、
該準備した前記未改質のケイ素系活物質と前記炭素系活物質の混合スラリーを作成する工程と、
該作成した混合スラリーを、前記金属集電体上に塗布する工程と、
該塗布後に、Li金属貼り付け法、Li蒸着法、及び電気化学法のうち少なくとも1種を用いて、前記金属集電体上に塗布された前記混合スラリー中の前記ケイ素系活物質を改質する工程とを含むことを特徴とする非水電解質二次電池用負極の製造方法。 - 請求項16に記載の非水電解質二次電池用負極の製造方法を用いて製造された非水電解質二次電池用負極。
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