JP2002124254A - リチウム電池用負極材料及びその製造方法 - Google Patents
リチウム電池用負極材料及びその製造方法Info
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Abstract
性を発揮できるリチウム電池用負極材料を提供する。 【解決手段】リチウムと化合物を形成しやすい第一物質
及びリチウムと化合物を形成しにくい第二物質を含む複
合粉末からなるリチウム電池用負極材料で第一物質が
錫、珪素、アルミニウム及び銀からなる1種又は2種以
上を含む化合物であり第2物質が銅、ニッケル及びコバ
ルトからなる1種又は2種以上を含む化合物で構成され
る。
Description
極及びその製造方法に関する。
ソコン等のモバイル型電子機器に幅広く利用されてい
る。このため、リチウム電池にあっては、低コスト化と
電池性能の向上に対する要請は大きい。
ては、各種炭素材料、黒鉛と結晶化度の低い炭素が用い
られている。リチウムの黒鉛層間化合物であるLiC6
の放電容量は、理論値で372mAh/gである。
いことから、単位体積当たりに充填できる炭素材料粉末
には限界がある。理論放電容量が炭素材料の理論値と同
等であるとしても、充填密度を大きくすることで、単位
体積当たりの放電容量を向上させ、電池性能向上を図る
ことができる。
りも密度が大きく、理論放電容量の大きな元素を用いる
ことが考えられる。例えば、錫、珪素、銀、アルミニウ
ム等の元素、あるいはこれらの窒化物、酸化物等は、リ
チウムと合金を形成することにより吸蔵することがで
き、その吸蔵量は一般に炭素よりはるかに大きい。
放出時の大きな膨張・収縮による電極の瓦解を生ずる。
すなわち、大きな初期放電容量は得られるものの、充放
電を繰り返すうちに微細化する結果、放電容量が低下し
てしまう。このため、これらの物質をそのまま負極材料
として実用に供することは困難である。
量を維持しつつ、優れたサイクル特性を発揮できるリチ
ウム電池用負極材料を提供することにある。
題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の物質の組み
合わせを負極材料に適用することにより、上記目的を達
成できることを見出し、ついに本発明を完成するに至っ
た。
用負極材料に係るものである。
物質及びリチウムと化合物を形成しにくい第二物質を含
む複合粉末からなる負極材料であって、当該複合粉末が
鱗片形状の粒子からなることを特徴とするリチウム電池
用負極材料。
ウム及び銀ならびに2)これらの1種又は2種以上含む
化合物から選ばれた少なくとも1種である項1記載のリ
チウム電池用負極材料。
バルトならび2)これらの1種又は2種以上含む化合物
の少なくとも1種である項1又は2に記載のリチウム電
池用負極材料。
質との合金又は金属間化合物である項1〜3のいずれか
に記載のリチウム電池用負極材料。
径で最大38〜150μm及び平均3〜45μm、BE
T法による比表面積3000〜20000cm2/gで
ある項1〜4のいずれかに記載のリチウム電池用負極材
料。
n−Cu複合粉末中の錫成分が50〜67質量%であ
り、銅成分が50〜33質量%である項1〜5のいずれ
かに記載のリチウム電池用負極材料。
合金が95〜70質量%含有され、錫のみが20質量%
以下含有され、銅のみが5〜20質量%含有される項6
記載のリチウム電池用負極材料。
物質及びリチウムと化合物を形成しにくい第二物質とを
混合し、メカニカルアロイング処理することにより鱗片
形状の粒子からなる複合粉末を製造した後、当該複合粉
末を非酸化性雰囲気下で熱処理することを特徴とするリ
チウム電池用負極材料の製造方法。
は、リチウムと化合物を形成しやすい第一物質及びリチ
ウムと化合物を形成しにくい第二物質を含む複合粉末か
らなる負極材料であって、当該複合粉末が鱗片形状の粒
子からなることを特徴とする。
すいものであれば限定的ではないが、特に1)錫、珪
素、アルミニウム及び銀ならびに2)これらの1種又は
2種以上含む化合物から選ばれた少なくとも1種が好ま
しい。すなわち、単体の錫、珪素、アルミニウム及び銀
のほか、これらの化合物も包含される。上記化合物とし
ては、金属間化合物(合金も含む)、酸化物、窒化物、
炭化物、ケイ化物等が挙げられる。本発明では、錫、銀
等の金属を好適に用いることができる。
くいものであれば限定的ではないが、特に1)銅、ニッ
ケル及びコバルトならび2)これらの1種又は2種以上
含む化合物の少なくとも1種が好ましい。すなわち、単
体の銅、ニッケル及びコバルトのほか、これらの化合物
も包含される。上記化合物としては、金属間化合物(合
金も含む)、酸化物、窒化物、炭化物、ケイ化物等が挙
げられる。本発明では、銅、ニッケル等の金属を好適に
用いることができる。
物質及び第二物質の種類等に応じて適宜設定すれば良
い。例えば、第一物質が錫、第二物質が銅である場合
は、複合粉末中の錫成分50〜67質量%であり、銅成
分が50〜33質量%とすれば良い。
と第二物質との合金又は金属間化合物であることが好ま
しい。すなわち、第一物質と第二物質の一部どうしが合
金化されていることが望ましい。合金化される割合は特
に限定されず、第一物質及び第二物質の種類・含有量、
所望の電池特性等に応じて適宜設定すれば良い。例え
ば、第一物質が錫、第二物質が銅である場合は、Sn−
Cu合金が95〜70質量%含有され、錫のみが20質
量%以下含有され、銅のみが5〜20質量%含有される
ようにすれば良い。
なる。複合粉末が鱗片形状をなしていることで、複合粉
末どうしの接続面積が増え、高充填化し、電流の通過が
容易になるとともに、負極集電体とも複合粉末はなじみ
よく接続し、より集電効果を高めることができる。上記
粒子のアスペクト比(直径/厚み)も1を超える範囲内
で最終製品の用途等に応じて適宜設定すれば良い。
ないが、通常はレーザー回折法による粒径で最大38〜
150μm程度(好ましくは20〜105μm)及び平
均3〜45μm程度(好ましくは5〜10μm)とすれ
ば良い。粒子の平均厚みは、鱗片形状であれば限定され
ないが、通常は1μm以下とすれば良い。
比表面積は限定されないが、通常は3000〜2000
0cm2/g程度(5000〜15000cm2/g)と
すれば良い。さらには、界面活性剤及び油脂分の含有量
が通常1質量%以下、特に0.5質量%以下であること
が好ましい。これらの数値範囲に設定すれば、より優れ
た放電特性を効果的に得ることが可能となる。
成しやすい第一物質及びリチウムと化合物を形成しにく
い第二物質とを混合し、メカニカルアロイング処理する
ことにより鱗片形状の粒子からなる複合粉末を製造した
後、当該複合粉末を非酸化性雰囲気下で熱処理すること
により製造することができる。
法をそのまま採用すれば良い。例えば、第一物質及び第
二物質との混合物を機械的接合力により混合・付着を繰
り返しながら複合化(一部合金化)させて実施すること
ができる。使用する装置としては、一般に粉体分野で使
われる混合機、分散機、粉砕機等をそのまま使用するこ
とができる。具体的には、ライカイ機、ボールミル、振
動ミル、アジテ−タ−ミル等が例示される。特に、ネッ
トワ−ク間に存在する電池活物質を主成分とする粉末の
積み重なりを少なくするためには、複合化操作中に重な
り合ったり、凝集したりした粉末を1粒子づつに効率良
く分散させる必要があるので、せん断力を与えることの
できる混合機を用いることが望ましい。上記装置の操作
条件は、特に限定されるものではない。
件は、非酸化性雰囲気下であれば特に限定されない。熱
処理によって、鱗片形状の複合粉末中の表面がリチウム
と化合物を形成しやすい物質及びリチウムと化合物を形
成しにくい物質との合金化を促進することができる。例
えば、第一物質として錫、第二物質として銅を使用する
場合は、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下にて変態
温度以下で複合粉末を250℃以下で熱処理すれば良
い。熱処理時間は、熱処理温度等に応じて適宜設定すれ
ば良い。
て有用である。リチウム電池用負極は、負極材料として
本発明材料を用いるほかは、公知の方法に従えば良い。
例えば、必要に応じて樹脂系バインダー、導電助材等を
配合し、銅箔集電体等の公知の集電体上に電極層を形成
させて一体化すれば負極を作製することができる。さら
に、公知のリチウムイオン電池の電池要素(正極、セパ
レ−タ−、電解液等)を用い、公知のリチウムイオン電
池の組立方法に従ってリチウムイオン電池を製造するこ
とができる。
が、充電・放電のサイクルを繰返す間に、格子の膨張
(錫では約300%)・収縮が生じ、多結晶体に亀裂が
生じて微細化する。
物を形成しにくい物質をリチウムと化合物を形成しやす
い物質と併用して鱗片形状の複合粉末とすることによ
り、充電・放電時における微細化を防止することに成功
した。つまり、複合金属粉末の表面が、リチウムと化合
物を形成しやすい物質及びリチウムと化合物を形成しに
くい物質との混合体となることから、リチウムの吸蔵・
放出は容易になり、しかも体積の膨張と収縮で生じる内
部応力は第二物質(複合粉末における担持体)が吸収緩
和することにより、微粉化を防止するとともに、第一物
質は担持体材料と一部合金化していることから担持体と
の接合も原子レベルで強固になる。以上のことから、本
発明では、リチウムと化合物を形成しやすい物質の微粉
化又は担持体からの脱落が防止でき、安定した長寿命の
充放電サイクル特性が得られる。
形成しやすい物質だけでなく、これとリチウム化合物を
形成しにくい物質とを組み合わせ、これを鱗片形状で適
用することにより、炭素材料と同等のサイクル特性を維
持しつつ、より優れた放電容量(特に電池単位当たりの
放電容量)を発揮することができる。
ころをより詳細に説明する。なお、本発明は、これら実
施例の範囲に限定されるものではない。
業製)と錫粉末を混合し、滑剤としてステアリン酸「F
2000」(新日本理化製)を添加し、フリッチェ製遊
星ボ−ルミルに投入し、メカニカルアロイングすること
により鱗片形状の粒子からなる複合粉末を得た。次い
で、複合粉末をアルゴンガス雰囲気下250℃で60分
間熱処理を行った。熱処理後の複合粉末について、走査
型電子顕微鏡「JSM−5500E」(日本電子製)及
びX線回折分析装置「RigakuRINT2000」
(リガク製)により合金化の有無等を確認した。その結
果を表1に示す。 (2)電極・電池の作製及び評価 ポリビニリデンフルオライド(PVDF)をN−メチル
ピロリドン(NMP)に溶解させたペ−スト10質量
%、複合粉末80質量%及びカ−ボンブラック10質量
%を添加、混合し、スラリ−を調製した。電解銅箔(福
田金属箔粉工業製)に上記スラリ−をのせて、ドクタ−
ブレ−ドでラミネ−トし、シ−ト化した。この作製した
シ−トを10分間、80℃で乾燥させ、NMPを揮発さ
せた後、ロ−ルプレスをして、強固に密着接合させた。
これを1cm2の円形ポンチで抜き取り、これを130
℃で24時間の真空乾燥させて試験電極とした。ドライ
ボックス中で、試験電極をカソ−ドとし、金属リチウム
をアノ−ドとし、1MのLiPF6/エチレンカーボネ
ート(EC)+ジメチルカーボネート(DMC)(E
C:DMC=1:2(体積比))溶液を電解液として用
い、コイン型電池を作製した。
まず、上記電池を、0.25mA/cm2 の定電流で
1.5Vに達するまで充電し、10分間の休止後、0.
25mA/cm2 の定電流で0Vに達するまで放電させ
た。これを1サイクルとして、繰り返して放電容量を調
べた。その結果を表1に示す。
複合粉末を用いた負極では、初期放電容量が高く、しか
も50サイクル後の放電容量も十分保持されていること
から、その実用化が期待できるものである。
よって複合粉末(合金組成Cu6Sn5)を調製した(サ
ンプルA)。一方、同様の組成をもつ粉末を公知のガス
アトマイジング法により製造した(サンプルB)。ま
た、同様の組成をもつ粉末を公知の溶融急冷法により製
造した(サンプルC)。各粉末についてはX線回折分析
により、その結晶構造を確認した。その結果を図1に示
す。図1は、最下部からサンプルA、B、C及びCu3
Sn(不純物相)のチャートをそれぞれ示す。図1によ
れば、サンプルA及びBは単一相から構成されているの
に対し、サンプルCでは不純物相のピークが目立つこと
がかわる。
同様にしてコイン型電池を作製した。この電池を用いて
実施例1と同様にして充放電試験を実施した。その結果
を図2に示す。
ルCは無定形の粉末であり、不純物も含有されることに
起因して所望のサイクル特性が得られず、またサンプル
Bもガスアトマイジング法で製造されているために所望
のサイクル特性が得らない。これに対し、メカニカルア
ロイングによる本発明の鱗片形状の複合粉末は、他の方
法による粉末よりも優れたサイクル特性を発揮すること
がわかる。
結果を示す図である。
である。
Claims (8)
- 【請求項1】リチウムと化合物を形成しやすい第一物質
及びリチウムと化合物を形成しにくい第二物質を含む複
合粉末からなる負極材料であって、当該複合粉末が鱗片
形状の粒子からなることを特徴とするリチウム電池用負
極材料。 - 【請求項2】第一物質が、1)錫、珪素、アルミニウム
及び銀ならびに2)これらの1種又は2種以上含む化合
物から選ばれた少なくとも1種である請求項1記載のリ
チウム電池用負極材料。 - 【請求項3】第二物質が、1)銅、ニッケル及びコバル
トならび2)これらの1種又は2種以上含む化合物の少
なくとも1種である請求項1又は2に記載のリチウム電
池用負極材料。 - 【請求項4】複合粉末の一部が、第一物質と第二物質と
の合金又は金属間化合物である請求項1〜3のいずれか
に記載のリチウム電池用負極材料。 - 【請求項5】複合粉末が、レーザー回折法による粒径で
最大38〜150μm及び平均3〜45μm、BET法
による比表面積3000〜20000cm2/gである
請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム電池用負極材
料。 - 【請求項6】第一物質が錫、第二物質が銅であるSn−
Cu複合粉末中の錫成分が50〜67質量%であり、銅
成分が50〜33質量%である請求項1〜5のいずれか
に記載のリチウム電池用負極材料。 - 【請求項7】Sn−Cu複合粉末中に、Sn−Cu合金
が95〜70質量%含有され、錫のみが20質量%以下
含有され、銅のみが5〜20質量%含有される請求項6
記載のリチウム電池用負極材料。 - 【請求項8】リチウムと化合物を形成しやすい第一物質
及びリチウムと化合物を形成しにくい第二物質とを混合
し、メカニカルアロイング処理することにより鱗片形状
の粒子からなる複合粉末を製造した後、当該複合粉末を
非酸化性雰囲気下で熱処理することを特徴とするリチウ
ム電池用負極材料の製造方法。
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