JP2009289417A - リチウムイオン二次電池用負極、およびそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 初回放電容量、および100サイクル後のサイクル特性の両方で良好な特性を同時に得ることのできる、リチウムイオン二次電池用負極を提供する。
【解決手段】 リチウムイオン二次電池の負極の活物質粒子4を、ケイ素1、ケイ素−金属間化合物2および炭素3からなり、かつ互いに粒径が異なる少なくとも2種類の複合粒子4a,4bをともに有する構成とする。ここで複合粒子4a,4bのうち、粒径の小さな第1の複合粒子4aの粒径D95が2μmないし30μmであって、かつ粒径の大きな第2の複合粒子4bの粒径D5が第1の複合粒子の粒径D95よりも大きくなるように構成し、また2種類の粒径の複合粒子4a,4bの炭素含有量を互いに異なるものとする。さらに粒径の大きな第2の複合粒子4bが50重量部ないし80重量部の割合とする。
【選択図】 図1
Description
ケイ素とニッケルとを重量比1:5の割合で混合し、1500℃、13.3Paにて溶融、急冷させて、ケイ素とニッケルの金属間化合物であるケイ素−ニッケル合金の粉末を作製した。次いでこの粉末をさらに粉砕して微細な粒状体として、同様に微細な粒状体としたケイ素単体と混合し、1000℃、0.01Pa以下の高温低圧雰囲気にて焼結させてケイ素とケイ素−ニッケル合金の複合粒子とした。この複合粒子をさらに粉砕し、分級処理を行って、相対的に粒径の小さな粒子と粒径の大きな粒子とを作製した。このうち粒径の小さな第1の複合粒子にはグラファイト50重量部を混合して100重量部とし、また粒径の大きな第2の複合粒子にはグラファイト10重量部を混合して同様に100重量部とした。これらの混合材料を900℃の窒素雰囲気にてそれぞれ焼結し、ケイ素とケイ素−ニッケル合金、炭素の三者からなる2種類の粒径の複合粒子をそれぞれ作製した。
作製した実施例1の5台のラミネート型のリチウムイオン二次電池に対して、まず定格である4.2Vまでのフル充電を行い、次いで2.7Vまでの放電を行い、このときの放電容量を測定した。この放電容量が実施例1の電池における初回放電容量、即ち充放電容量である。次いで各電池に対して4.2Vまで充電、2.7Vまで放電の1Cレートによる100回の充放電の繰り返しを行って、その100サイクル後の放電容量を測定した。なお1Cレートとは、電池に定格の電流において充電および放電を各1時間ずつかけて行う充放電の方法である。従って1Cレートの場合は1サイクルの充放電に2時間かかることになる。ここで初回放電容量に対する100サイクル後の放電容量の比率を計算し、これをサイクル特性とした。実施例1のこれら5台の電池における、初回放電容量およびサイクル特性の評価結果のそれぞれの平均値を表1に示す。
比較例として、ケイ素、ケイ素−金属間化合物、炭素の三者からなる負極活物質を用いずに、グラファイト(炭素)のみ、およびケイ素のみを負極活物質として用い、実施例1と同一の形状寸法のリチウムイオン二次電池を各5台ずつ作製し、それぞれ比較例1、比較例2とした。この比較例1、2の各5台の電池における、初回放電容量およびサイクル特性の評価結果のそれぞれの平均値を表1に示す。比較例1のように負極活物質として炭素のみを用いたリチウムイオン二次電池では、Li原子の吸蔵、放出による負極活物質の体積変化が小さいので良好なサイクル特性が得られるが、代わりに初回放電容量は小さくなる。一方、比較例2のように負極活物質としてケイ素のみを用いた場合は逆の特性となり、初回放電容量は十分に大きいものの、サイクル特性は極端に低くなる。なお比較例1、2では粒径の小さな第1の複合粒子は存在せず、第2の複合粒子の粒径D5はいずれも10μmとしている。
実施例1の負極活物質を構成する活物質粒子である、粒径の異なる2種類の複合粒子の粒径(平均粒子径)をそれぞれ変えてリチウムイオン二次電池を作製し、各々実施例2〜5および比較例3〜6とした。作製した電池は実施例、比較例ともに5台ずつである。このうち前記実施例1も含めた実施例2、1、3〜5では、粒径の小さな第1の複合粒子の粒径D95が各々順番に2μm、5μm、10μm、20μm、30μmであり、また粒径の大きな第2の複合粒子の粒径D5は各々順番に4μm、10μm、20μm、40μm、40μmである。一方、比較例3〜6では、粒径の小さな第1の複合粒子の粒径D95が各々順番に1.2μm、40μm、10μm、15μmであり、また粒径の大きな第2の複合粒子の粒径D5は各々順番に1.5μm、60μm、10μm、10μmである。負極活物質の粒径以外の条件は前記実施例1の場合と同一である。作製した各電池について実施例1と同じ評価を行った。実施例2〜5および比較例3〜6の各5台の電池における、初回放電容量およびサイクル特性の評価結果のそれぞれの平均値を表1に示す。
次に実施例1の負極活物質を構成する活物質粒子である、粒径の異なる2種類の複合粒子の炭素含有量をそれぞれ変えてリチウムイオン二次電池を作製し、各々実施例6〜10および比較例7〜10とした。作製した電池は実施例、比較例ともに5台ずつである。このうち前記実施例1も含めた比較例7、実施例6、1、7、比較例8では、粒径の小さな第1の複合粒子の炭素含有量は重量比で各々順番に20%、30%、50%、80%、90%の割合であり、また粒径の大きな第2の複合粒子の炭素含有量はいずれも重量比が10%の割合で一定である。一方、前記実施例1も含めた比較例9、実施例8、1、9、10、比較例10では、粒径の小さな第1の複合粒子の炭素含有量はいずれも重量比が50%の割合で一定であり、また粒径の大きな第2の複合粒子の炭素含有量は重量比で各々順番に3%、5%、10%、20%、30%、40%の割合である。作製した各電池について実施例1と同じ評価を行った。実施例6〜10および比較例7〜10の各5台の電池における、初回放電容量およびサイクル特性の評価結果のそれぞれの平均値を表1に示す。
さらに実施例1の負極活物質を構成する活物質粒子である、粒径の異なる2種類の複合粒子の含有量をそれぞれ変えてリチウムイオン二次電池を作製し、各々実施例11〜13および比較例11〜18とした。作製した電池は実施例、比較例ともに5台ずつである。このうち前記実施例1も含めた比較例11〜15、実施例11〜13、1、比較例16〜18では、粒径の小さな第1の複合粒子の割合は重量比で各々順番に100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、5%、0%であり、また粒径の大きな第2の複合粒子の割合は重量比で各々順番に0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%、100%である。各試料での第1の複合粒子と第2の複合粒子との含有量の合計はいずれも100%である。作製した各電池について実施例1と同じ評価を行った。実施例11〜13および比較例11〜18の各5台の電池における、初回放電容量およびサイクル特性の評価結果のそれぞれの平均値を表1に示す。
さらに実施例1の負極活物質を構成する活物質粒子である、粒径の異なる2種類の複合粒子に含まれるケイ素−金属間化合物を構成する金属を変化させてリチウムイオン二次電池を作製し、各々実施例14〜16および比較例19、20とした。作製した電池は実施例、比較例ともに5台ずつである。このうち前記実施例1も含めた実施例1、14〜16、比較例19〜20において、ケイ素と金属間化合物を形成する金属は、各々順番にニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)である。作製した各電池について実施例1と同じ評価を行った。実施例14〜16および比較例19、20の各5台の電池における、初回放電容量およびサイクル特性の評価結果のそれぞれの平均値を表1に示す。
2 ケイ素−金属間化合物
3 炭素
4 負極の活物質粒子
4a,4b 複合粒子
5 負極活物質
6 負極集電体
7 負極
8 正極活物質
9 正極集電体
10 正極
11 セパレータ
12 外装フィルム
13 負極リードタブ
14 正極リードタブ
Claims (7)
- リチウムイオン導電性の非水電解質を有するリチウムイオン二次電池に用いられる負極であって、
前記負極は集電体および負極活物質を有していて、
前記負極活物質はケイ素、ケイ素−金属間化合物、および炭素のいずれをも含む複合粒子を有しており、
前記複合粒子は少なくとも第1の粒子群および第2の粒子群を有しており、
前記第1の粒子群に属する複合粒子の粒度分布において、レーザ回折・散乱法により測定される平均粒子径が大なる側から体積比で5%の範囲の複合粒子を除外した、前記第1の粒子群に属する残余の複合粒子の平均粒子径の範囲が2μmないし30μmであって、
前記第2の粒子群に属する複合粒子の粒度分布において、前記方法により測定される平均粒子径が大なる側から体積比で95%の範囲の複合粒子を除外した、前記第2の粒子群に属する残余の複合粒子の平均粒子径が、前記第1の粒子群に属する前記残余の複合粒子の平均粒子径よりも大であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。 - 前記第1の粒子群に属する複合粒子における炭素含有量が、前記第1の粒子群に属する複合粒子100重量部に対して30重量部ないし80重量部であり、
前記第2の粒子群に属する複合粒子における炭素含有量が、前記第2の粒子群に属する複合粒子100重量部に対して5重量部ないし30重量部であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。 - 前記複合粒子のうち、前記第2の粒子群に属する複合粒子の総和が、前記複合粒子100重量部に対して50重量部ないし80重量部であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記負極活物質が、前記複合粒子と熱硬化性樹脂との混合物を含み、前記複合粒子どうしの間、および前記複合粒子と前記集電体とが、前記熱硬化性樹脂によって互いに結着していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記ケイ素−金属間化合物が少なくともケイ素−遷移金属化合物を含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記ケイ素−遷移金属化合物が少なくともケイ素−ニッケル化合物を含むことを特徴とする請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の前記負極を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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