JP2013165057A - リチウム2次電池用負極活物質、その製造方法およびこれを含むリチウム2次電池 - Google Patents

リチウム2次電池用負極活物質、その製造方法およびこれを含むリチウム2次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、2次電池を高容量に製造しながら寿命特性を向上させることができるリチウム2次電池用負極活物質、その製造方法、およびこれを含むリチウム2次電池を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態によるリチウム2次電池用負極活物質は、シリコン(Si)相および酸素(O)相を有するシリコンオキシド粒子を含み、前記シリコンオキシド粒子は、粒子の表面から粒子の中心に行くほど前記シリコン(Si)相の原子%が減少し、前記酸素(O)相の原子%が増加する濃度勾配を有し、前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、前記シリコンオキシド粒子の粒径の2〜20%である。
【選択図】図1

Description

本発明は、リチウム2次電池用負極活物質、その製造方法およびこれを含むリチウム2次電池に関する。
最近の携帯用小型電子機器の電源として脚光を浴びているリチウム2次電池は、有機電解液を使用することによって、既存のアルカリ水溶液を使用した電池より2倍以上高い放電電圧を示し、その結果、高いエネルギー密度を示す電池である。
リチウム2次電池の正極活物質としては、LiCoO、LiMn、LiNi1−xCo(0<x<1)などのようにリチウムイオンのインターカレーションが可能な構造を有するリチウムと遷移金属とからなる酸化物が主に使用される。
負極活物質としては、リチウムのインターカレーションおよびデインターカレーションが可能な人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボンを含む多様な形態の炭素系材料が適用されてきた。最近は安定性およびより高容量の要求に応じてSiのような非炭素系負極活物質に対する研究が行われている。
本発明は、リチウム2次電池の高容量および寿命特性を向上させることができるリチウム2次電池用負極活物質を提供することを目的とする。
本発明はまた、前記負極活物質を製造する方法を提供することを目的とする。
本発明はさらに、前記負極活物質を含むリチウム2次電池を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態は、シリコン(Si)相および酸素(O)相を有するシリコンオキシド粒子を含み、前記シリコンオキシド粒子は、粒子の表面から粒子の中心に行くほど前記シリコン(Si)相の原子%が減少し、前記酸素(O)相の原子%が増加する濃度勾配を有し、前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、前記シリコンオキシド粒子の粒径の2〜20%であるリチウム2次電池用負極活物質を提供する。
前記シリコンオキシド粒子の表面での前記シリコン(Si)相の原子%は、前記シリコンオキシド粒子の表面での前記酸素(O)相の原子%よりも高く形成され得る。
前記シリコンオキシド粒子の表面からの深さによる前記シリコン(Si)相の原子%のグラフにおいて、前記シリコンオキシド粒子の表面から前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さまでのシリコン(Si)相の原子%の積分値は、5,000〜40,000nm・原子%であってもよい。
前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとのの間の距離は、前記シリコンオキシド粒子の粒径の6〜12%であってもよい。
前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとのの間の距離は、100〜1000nmであってもよい。
前記シリコンオキシド粒子は、結晶性シリコン(Si)および非結晶性シリコン酸化物を含み、前記結晶性シリコン(Si)の濃度は、前記シリコンオキシド粒子の表面に行くほど増加することができる。
前記シリコンオキシド粒子は、空隙を含むことができる。
前記シリコンオキシド粒子は、10〜500m/gの比表面積を有することができる。
前記シリコンオキシド粒子は、SiOx(xは、0.5〜1.5である)で表され得る。
前記負極活物質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族〜16族元素、遷移金属、希土類元素およびこれらの組み合わせから選択された一つをさらに含むことができる。
前記シリコンオキシド粒子は、0.1〜100μmの平均粒径を有することができる。
本発明の他の一実施形態は、前記負極活物質を含む負極;正極活物質を含む正極;および非水電解質を含むリチウム2次電池を提供する。
本発明のさらに他の一実施形態は、ケイ素酸化物を不活性雰囲気で熱処理して結晶性シリコン(Si)相およびシリコン酸化物相を含むシリコンオキシド粒子を製造する段階;前記シリコンオキシド粒子を第1溶媒に分散させて混合溶液を製造する段階;および前記混合溶液にエッチャントを添加する段階を含むリチウム2次電池用負極活物質の製造方法を提供する。
前記シリコンオキシド粒子は、SiO粉末を含むことができる。
前記熱処理は、800〜1300℃の温度で行われ得る。
前記第1溶媒は、水溶液を含むことができる。
前記シリコンオキシド粒子および前記エッチャントのモル比は、10:1〜1:10であってもよい。
前記エッチャントは、0.05〜5ml/分の流量で前記混合溶液に添加され得る。
前記エッチャントは、酸または少なくとも一つのF原子を含有する物質を含むことができる。
前記エッチャントは、エッチャント物質および第2溶媒を含むエッチャント溶液を含むことができ、前記第1溶媒および前記第2溶媒の総体積と前記エッチャント物質の体積との体積比は、1:1〜30:1であってもよい。
前記エッチャント溶液は、少なくとも一つのF原子を有し、0.5〜12M濃度を有するエッチャント物質を含む第1溶液、または前記第1溶液のエッチング速度と同一なエッチング速度を有する第2溶液を含むことができる。
その他本発明の実施形態の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。
本発明の負極活物質は、リチウム2次電池を高容量に製造しながら寿命特性を向上させることができる。
図1は、本発明の一実施形態によるリチウム2次電池を概略的に示した図面である。 図2Aは、実施例で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 図2Bは、実施例で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 図2Cは、実施例で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 図3Aは、比較例で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 図3Bは、比較例で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 図3Cは、比較例で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真である。 図4は、比較例で製造されたシリコンオキシド粒子についてのXPS分析グラフである。 図5は、比較例で製造されたシリコンオキシド粒子についてのXPS分析グラフである。 図6は、実施例で製造されたシリコンオキシド粒子についてのXPS分析グラフである。 図7は、実施例で製造されたシリコンオキシド粒子についてのXPS分析グラフである。 図8は、比較例で製造されたシリコンオキシド粒子について、表面でからシリコン(Si)相の濃度が55原子%になる深さまでのシリコン(Si)相の原子%濃度の積分値を計算した面積を示すXPS分析グラフである。 図9は、実施例で製造されたシリコンオキシド粒子について、表面でからシリコン(Si)相の濃度が55原子%になる深さまでのシリコン(Si)相の原子%濃度の積分値を計算した面積を示すXPS分析グラフである。 図10は、実施例および比較例によるリチウム2次電池のサイクル容量グラフである。
以下、本発明の実施形態を詳しく説明する。ただし、これは例示として提示されるもので、本発明は、これによって制限されず、特許請求の範囲の記載により定義される。
本発明の一実施形態によるリチウム2次電池用負極活物質は、シリコン(Si)相および酸素(O)相を有するシリコンオキシド粒子を含むことができる。
前記シリコンオキシド粒子は、粒子の表面で粒子の中心に行くほど前記シリコン(Si)相の原子%が減少し、前記酸素(O)相の原子%が増加する濃度勾配を有することができる。
前記シリコンオキシド粒子は、具体的には、結晶性シリコン(Si)および非結晶性シリコン酸化物を含むことができる。
前記シリコンオキシド粒子は、表面から粒子内部の中心に行くにしたがって前記シリコン(Si)相と前記酸素(O)相との濃度勾配を形成し、表面側に行くほど前記シリコン(Si)相の濃度が高い。具体的には、表面側に行くほど前記結晶性シリコン(Si)の濃度が高まる。
前記シリコンオキシド粒子の表面からの深さに対する前記シリコン(Si)相の原子%のグラフにおいて、深さが0である表面から前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さまでのシリコン(Si)相の原子%の積分値は、5,000〜40,000nm・原子%であってよい。
前記シリコンオキシド粒子の表面からの深さによる特定元素の濃度は、例えば、X線光電子分光法(X−ray photoelectron spectroscopy、XPS)により測定され得る。
前記シリコンオキシド粒子は、表面におけるシリコン(Si)相、例えば、結晶性シリコン(Si)の濃度が高く、粒子中心に行くほど濃度が減少する濃度勾配を有するようになる。この時、前記シリコン(Si)相の濃度勾配が緩やかでシリコン(Si)相の濃度が表面から中心に行くほど徐々に減少するようになると、前記に定義された積分値が大きくなり、シリコン(Si)相の濃度勾配が急激でシリコン(Si)相の濃度が表面から中心に行くほど急激に減少するようになると、前記に定義された積分値が小さくなるようになる。
前記シリコンオキシド粒子は、相対的に前記積分値が大きい。これは、粒子の表面から粒子の中心に向かう方向にシリコン(Si)相の原子%濃度勾配が緩やかであることを意味し、また、粒子内部の深くまでシリコン(Si)相が豊富に形成されることを意味する。
本発明の一実施形態において、前記55原子%でのシリコン(Si)相の濃度勾配グラフの積分面積は、約5,000〜約40,000nm・原子%であってよい。
本発明の他の一実施形態において、前記55原子%三角形の面積は、約5,000〜約38,000nm・原子%であってよい。
前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、前記シリコンオキシド粒子の粒径の2〜20%であってよく、具体的には6〜12%であってよい。シリコンオキシド粒子の粒径は、例えば、エタノール溶媒にシリコンオキシド粒子の粉末試料を少量分散させて、粒度分析器(Mastersizer 2000)に投入することにより分析することができる。
前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、100〜1,000nmであってよく、具体的には300〜600nmであってよい。
前記シリコンオキシド粒子は、前記シリコンオキシド粒子に含まれているSiOのようなシリコン酸化物がリチウムとの反応を難しくする抵抗体の役割を果たして負極の性能を低下させる得るため、粒子の表面でシリコン酸化物の濃度を低めてリチウムとの反応性を向上させて抵抗を低め、これによってリチウム2次電池の電気化学的特性を向上させることができる。
前記シリコンオキシド粒子を含む負極活物質は、シリコン酸化物系として高容量を実現しながらも、リチウム2次電池の寿命特性を改善することができる。
前記のように粒子の表面側に行くほどシリコン(Si)相が酸素(O)相より豊富な相を有するので、シリコンオキシド粒子をエッチングしてSiOのようなシリコン酸化物を表面側に行くほどより多く除去することによって、本発明の負極活物質に用いるシリコンオキシド粒子を製造することができる。前記シリコンオキシド粒子の製造方法については後述する。前記のようにエッチングによりSiOのようなシリコン酸化物が除去された部分は、粒子内部で空隙を形成することができる。
前記シリコンオキシド粒子は、10〜500m/gの比表面積を有することができる。
前記シリコンオキシド粒子は、SiOxのx値が0.5〜約1.5であってよく、具体的には0.6〜0.95であってよく、より具体的には0.7〜約0.9であってよい。前記シリコンオキシド粒子がシリコン(Si)相の含量を前記範囲で含む場合、容量と効率について適当な向上を期待することができる。
前記負極活物質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族〜16族元素、遷移金属、希土類元素およびこれらの組み合わせから選択された一つ(但しSiではない)をさらに含むことができ、これらの具体的な元素としては、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Ti、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Poまたはこれらの組み合わせが挙げられる。
前記シリコンオキシド粒子は、0.1〜100μmの平均粒径を有することができる。
次に、前記シリコンオキシド粒子を製造する方法について説明する。
前記シリコンオキシド粒子は、ケイ素酸化物を不活性雰囲気で熱処理して結晶性シリコン(Si)相およびシリコン酸化物相を含むシリコンオキシド粒子を製造する段階;前記シリコンオキシド粒子を第1溶媒に分散させて混合溶液を製造する段階;および前記混合溶液にエッチャントを約0.1〜約5ml/分の流量で添加する段階を含むことができる。
前記方法で製造する場合、前述のような濃度勾配を有するシリコンオキシド粒子を形成することができる。
本発明の一実施形態において、まずSiO粉末を使用してAr雰囲気下で熱処理して結晶性シリコン(Si)相およびシリコン酸化物相を含むシリコンオキシド粒子を製造することができる。前記熱処理温度は、約800〜約1300℃で行うことができる。前記熱処理時間は、約30分〜約10時間行うことができる。
次に、前記シリコンオキシド粒子を第1溶媒に分散させて混合溶液を準備する。前記第1溶媒は、例えば、水を含む混合溶媒を使用して、前記混合溶液を水溶液として準備することができる。
前記混合溶液にエッチャントを添加して前記シリコンオキシド粒子をエッチングすることができる。本発明の一実施形態において、前記混合溶液中の前記シリコンオキシド粒子および前記エッチャントのモル比が10:1〜1:10になるように、具体的には2:1〜1:2になるようにエッチャントを添加する。前記範囲内の重量比になるように前記シリコンオキシド粒子および前記エッチャントの含量を調節して使用することによって濃度勾配の程度を調節することができる。
前記混合溶液に約0.05〜約5ml/分の流量でエッチャントを添加することができる。具体的には、前記混合溶液に約0.5〜約2ml/分の流量でエッチャントを添加することができる。また、前記混合溶液に約0.1〜約5ml/分の流量でエッチャントを添加することもできる。前記範囲の重量比になるようにエッチャントの含量を調節して使用することによって濃度勾配の程度を調節することができる。
前記のように濃度勾配の程度を調節して前述したように粒子内部の深くまでエッチングされて豊富なシリコン(Si)相を形成することができる。
前記エッチャントには、通常知られているエッチング液に使用される物質が制限なしに使用され得、例えば、硝酸、硫酸などのような酸を使用することができ、またはHF、NHF、NHHFなどのようなF原子を含有した物質を使用することができる。本発明の一実施形態において、エッチャントとして前記F原子を含有する物質を使用することにより、エッチング工程をより迅速に行うことができる。
前記エッチャントとしては、エッチャント物質および第2溶媒を含むエッチャント溶液を使用することができる。前記第2溶媒は、例えば、水を含む混合溶媒を使用することができる。
この時、前記第1溶媒および前記第2溶媒の総体積と前記エッチャント物質の体積との体積比は、1:1〜30:1であってよい。
前記エッチャント物質の濃度は、適当なエッチング速度を実現することができるように決定され得る。
具体的には、前記エッチャント溶液は、少なくとも一つのF原子を有し、0.5〜12M濃度を有するエッチャント物質を含む第1溶液、または前記第1溶液のエッチング速度と同一なエッチング速度を有する第2溶液を使用することができる。一般に、酸溶液を使用する場合、F原子を含む化合物溶液を使用する場合のようなエッチング速度よび効果を得るために、より高濃度の溶液を使用することができる。
前記混合溶液中の溶媒に対して前記含量比を有するように定められた含量のエッチャント添加完了後、約5分〜約30分間そのまま放置してエッチング反応をさらに行うことができる。
本発明のさらに他の実施形態において、前記本発明による前記負極活物質を含む負極;正極活物質を含む正極;および非水電解液を含むリチウム2次電池を提供する。
リチウム2次電池は、使用するセパレータと電解質の種類に応じてリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、およびリチウムポリマー電池に分類され、形態に応じて円筒型、角型、コイン型、パウチ型などに分類され、サイズに応じてバルクタイプと薄膜タイプとに分類され得る。これら電池の構造と製造方法は当該分野に広く知られているため、詳細な説明は省略する。
図1は、本発明の一実施形態によるリチウム2次電池の分解斜視図である。図1を参照すれば、前記リチウム2次電池100は、円筒型であって、負極112、正極114、前記負極112と正極114との間に配置されたセパレータ113、前記負極112、正極114およびセパレータ113に含浸された電解質(図示せず)、電池容器120、そして前記電池容器120を封入する封入部材140を主な部分として構成されている。このようなリチウム2次電池100は、負極112、正極114およびセパレータ113を順次に積層した後にスパイラル状に巻き取られた状態に電池容器120に収納して構成される。
前記負極は、集電体および前記集電体の上に形成された負極活物質層を含み、前記負極活物質層は、負極活物質を含む。前記負極活物質は、前述したとおりである。前記負極活物質層はまた、バインダーを含み、選択的に導電材をさらに含むことができる。
前記バインダーは、負極活物質粒子を互いに良好に付着させ、また負極活物質を電流集電体に良好に付着させる役割を果たし、その代表的な例としてポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化されたポリ塩化ビニル、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリル化スチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであって、構成される電池において、化学変化を招かない電子伝導性材料であれば如何なるものでも使用可能であり、その例として天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維などの炭素系物質;銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維などの金属系物質;ポリフェニレン誘導体などの導電性ポリマー;またはこれらの混合物を含む導電性材料を挙げることができる。
前記集電体としては、銅箔、ニッケル箔、ステレンス鋼箔、チタニウム箔、ニッケル発泡体(foam)、銅発泡体、伝導性金属がコーティングされたポリマー基材、またはこれらの組み合わせを使用することができる。
前記正極は、電流集電体およびこの電流集電体に形成される正極活物質層を含む。
前記正極活物質としては、リチウムの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションが可能な化合物(リチエイテッドインターカレーション化合物)を使用することができる。具体的には、コバルト、マンガン、ニッケルまたはこれらの組み合わせの金属とリチウムとの複合酸化物のうちの1種以上を使用することができ、その具体的な例としては、下記化学式のうちのいずれか一つで表される化合物を挙げることができる。Li1−b(上記式中、0.90≦a≦1.8および0≦b≦0.5である);Li1−b2−c(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、および0≦c≦0.05である);LiE2−b4−c(上記式中、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05である);LiNi1−b−cCoα(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05および0<α≦2である);LiNi1−b−cCo2−αα(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05および0<α<2である);LiNi1−b−cCo2−α(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05および0<α<2である);LiNi1−b−cMnα(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05および0<α≦2である);LiNi1−b−cMn2−αα(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05および0<α<2である);LiNi1−b−cMn2−α(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05および0<α<2である);LiNi(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5および0.001≦d≦0.1である);LiNiCoMn(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5および0.001≦e≦0.1である);LiNiG(上記式中、0.90≦a≦1.8および0.001≦b≦0.1である);LiCoG(上記式中、0.90≦a≦1.8および0.001≦b≦0.1である);
LiMnG(上記式中、0.90≦a≦1.8および0.001≦b≦0.1である);LiMn(上記式中、0.90≦a≦1.8および0.001≦b≦0.1である);QO;QS;LiQS;V;LiV;LiTO;LiNiVO;Li(3−f)(PO(0≦f≦2);Li(3−f)Fe(PO(0≦f≦2);およびLiFePO
前記化学式中、Aは、Ni、Co、Mnまたはこれらの組み合わせであり;Rは、Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素またはこれらの組み合わせであり;Dは、O、F、S、Pまたはこれらの組み合わせであり;Eは、Co、Mnまたはこれらの組み合わせであり;Zは、F、S、Pまたはこれらの組み合わせであり;Gは、Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、Vまたはこれらの組み合わせであり;Qは、Ti、Mo、Mnまたはこれらの組み合わせであり;Tは、Cr、V、Fe、Sc、Yまたはこれらの組み合わせであり;Jは、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cuまたはこれらの組み合わせである。
当然のことながら、この化合物表面にコーティング層を有するものを使用することもでき、または前記化合物とコーティング層を有する化合物を混合して使用することもできる。前記コーティング層は、コーティング元素化合物であって、コーティング元素のオキシド、ヒドロキシド、コーティング元素のオキシヒドロキシド、コーティング元素のオキシカーボネートまたはコーティング元素のヒドロキシカーボネートを含むことができる。これらのコーティング層をなす化合物は、非晶質または結晶質であってよい。前記コーティング層に含まれるコーティング元素としては、Mg、Al、Co、K、Na、Ca、Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、B、As、Zrまたはこれらの混合物を使用することができる。コーティング層形成工程は、前記化合物にこのような元素を使用して正極活物質の物性に悪影響を与えない方法(例えば、スプレーコーティング、浸漬法)などでコーティングすることができれば如何なるコーティング方法を用いてもよく、これについては当該分野に務める者によく理解され得る内容であるため、詳しい説明は省略する。
前記正極活物質層はまた、バインダーおよび導電材を含む。
前記バインダーは、正極活物質粒子を互いに良好に付着させ、また正極活物質を電流集電体に良好に付着させる役割を果たし、その代表的な例としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化されたポリ塩化ビニル、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリル化スチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであって、構成される電池において、化学変化を招かない電子伝導性材料であれば如何なるものでも使用可能であり、その例として天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末、金属繊維などを挙げることができ、また、ポリフェニレン誘導体などの導電性材料を1種または1種以上を混合して使用することができる。
前記電流集電体としては、アルミニウム(Al)を使用することができるが、これに限定されない。
前記負極と前記正極は、それぞれ活物質、導電材および結着剤を溶媒中で混合して活物質組成物を製造し、この組成物を電流集電体に塗布して製造する。このような電極製造方法は、当該分野に広く知られた内容であるため、本明細書で詳細な説明は省略する。前記溶媒としては、N−メチルピロリドンなどを使用することができるが、これに限定されない。
前記電解質は、非水性有機溶媒とリチウム塩とを含む。
前記非水性有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動することができる媒質の役割を果たす。
前記非水性有機溶媒としては、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系または非陽子性溶媒を使用することができる。前記カーボネート系溶媒としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などを使用することができ、前記エステル系溶媒としては、メチルアセテート、エチルアセテート、n−プロピルアセテート、メチルプロピオン酸塩、エチルプロピオン酸塩、γ−ブチロラクトン、デカノライド、バレロラクトン、メバロノラクトン、カプロラクトンなどを使用することができる。前記エーテル系溶媒としては、ジブチルエーテル、テトラグライム、ジグライム、ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどを使用することができ、前記ケトン系溶媒としては、シクロヘキサノンなどを使用することができる。また前記アルコール系溶媒としては、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどを使用することができ、前記非陽子性溶媒としては、R−CN(Rは、C2〜C20の直鎖状、分枝状または環構造の炭化水素基であり、二重結合、芳香環またはエーテル結合を含むことができる)などのニトリル類、ジメチルホルムアミドなどのアミド類、1,3−ジオキソランなどのジオキソラン類、スルホラン類などを使用することができる。
前記非水性有機溶媒は、単独でまたは一つ以上混合して使用することができ、一つ以上混合して使用する場合の混合比率は、目的とする電池性能に応じて適切に調節することができ、これは当業者には広く理解され得る。
また、前記カーボネート系溶媒の場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを混合して使用するのがよい。この場合、電解液の性能を考慮すると、環状カーボネートと鎖状カーボネートは、約1:1〜約1:9の体積比で混合して使用するのが好ましい。
前記非水性有機溶媒は、前記カーボネート系溶媒に前記芳香族炭化水素系有機溶媒をさらに含むこともできる。この時、前記カーボネート系溶媒と前記芳香族炭化水素系有機溶媒は、約1:1〜約30:1の体積比で混合され得る。
前記芳香族炭化水素系有機溶媒としては、下記化学式1の芳香族炭化水素系化合物を使用することができる。
[化学式1]
(前記化学式1中、R〜Rは、それぞれ独立的に、水素、ハロゲン、C1〜C10のアルキル基、C1〜C10のハロアルキル基またはこれらの組み合わせである。)
前記芳香族炭化水素系有機溶媒は、ベンゼン、フルオロベンゼン、1,2−ジフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、1,4−ジフルオロベンゼン、1,2,3−トリフルオロベンゼン、1,2,4−トリフルオロベンゼン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン、1,2,3−トリクロロベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼン、ヨードベンゼン、1,2−ジヨードベンゼン、1,3−ジヨードベンゼン、1,4−ジヨードベンゼン、1,2,3−トリヨードベンゼン、1,2,4−トリヨードベンゼン、トルエン、フルオロトルエン、2,3−ジフルオロトルエン、2,4−ジフルオロトルエン、2,5−ジフルオロトルエン、2,3,4−トリフルオロトルエン、2,3,5−トリフルオロトルエン、クロロトルエン、2,3−ジクロロトルエン、2,4−ジクロロトルエン、2,5−ジクロロトルエン、2,3,4−トリクロロトルエン、2,3,5−トリクロロトルエン、ヨードトルエン、2,3−ジヨードトルエン、2,4−ジヨードトルエン、2,5−ジヨードトルエン、2,3,4−トリヨードトルエン、2,3,5−トリヨードトルエン、キシレンまたはこれらの組み合わせを使用することができる。
前記非水性電解質は、電池寿命を向上させるためにビニレンカーボネートまたは下記化学式2のエチレンカーボネート系化合物をさらに含むこともできる。
[化学式2]
前記化学式2中、RおよびRは、それぞれ独立的に、水素、ハロゲン基、シアノ基(CN)、ニトロ基(NO)またはC1〜C5のフルオロアルキル基であり、前記RとRのうちの少なくとも一つは、ハロゲン基、シアノ基(CN)、ニトロ基(NO)またはC1〜C5のフルオロアルキル基である。
前記エチレンカーボネート系化合物の代表的な例としては、ジフルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ジクロロエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、ジブロモエチレンカーボネート、ニトロエチレンカーボネート、シアノエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートなどが挙げられる。前記ビニレンカーボネートまたは前記エチレンカーボネート系化合物をさらに使用する場合、その使用量を適切に調節して寿命を向上させることができる。
前記リチウム塩は、前記非水性有機溶媒に溶解されて、電池内でリチウムイオンの供給源として作用して基本的なリチウム2次電池の作動を可能にし、正極と負極との間のリチウムイオンの移動を促進する役割を果たす物質である。前記リチウム塩の代表的な例としては、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiCSO、LiClO、LiAlO、LiAlCl、LiN(C2x+1SO)(C2y+1SO)(ここで、xおよびyは、自然数である)、LiCl、LiI、LiB(C(リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)またはこれらの組み合わせが挙げられ、これらを支持電解塩として含む。前記リチウム塩の濃度は、約0.1〜約2.0M範囲内で使用するのが好ましい。リチウム塩の濃度が前記範囲に含まれる場合、電解質が適切な電導度および粘度を有するため、優れた電解質性能を示すことができ、リチウムイオンが効果的に移動することができる。
前記セパレータ113は、負極112と正極114とを分離し、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、リチウム電池で通常使用されるものであればすべて使用可能である。つまり、電解質のイオン移動に対して低抵抗であると共に、電解液含湿能力に優れたものを使用することができる。例えば、ガラス繊維、ポリエステル、テフロン(登録商標)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)またはこれらの組み合わせの中から選択されたものが挙げられ、不織布形態または織布形態のいずれであってもよい。例えば、リチウムイオン電池には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのようなポリオレフィン系高分子セパレータが主に使用され、耐熱性または機械的強度の確保のためにセラミック成分または高分子物質が含まれているコーティングされたセパレータが使用されることもでき、選択的に断層または多層構造で使用され得る。
以下、本発明の実施例および比較例を記載する。かかる下記実施例は本発明の一実施例に過ぎず、本発明は下記実施例に限定されない。
(負極活物質の製造)
〔実施例1〕
SiO粉末を1000℃およびAr雰囲気下で1時間熱処理を行った。前記熱処理した粉末100gをエタノール40体積%水溶液350mLに分散させた。300rpmの速度に撹拌しながら1ml/分の流量で49体積%HF溶液50mLを添加した。添加完了後、そのまま放置して追加的に30分間反応させた。反応完了後、減圧ろ過装置を利用して5Lの蒸溜水を透過させて粉末を洗浄してシリコンオキシド粒子粉末を得た。
〔実施例2〕
前記49体積%HF水溶液100mLを添加したことを除いては、実施例1と同様な方法でシリコンオキシド粒子粉末を得た。
〔実施例3〕
前記49体積%HF水溶液200mLを添加したことを除いては、実施例1と同様な方法でシリコンオキシド粒子粉末を得た。
〔実施例4〕
前記HF水溶液の添加流量を0.5ml/分にしたことを除いては、実施例1と同様な方法でシリコンオキシド粒子粉末を得た。
〔実施例5〕
前記HF水溶液の添加流量を2.0ml/分にしたことを除いては、実施例1と同様な方法でシリコンオキシド粒子粉末を得た。
〔比較例1〕
SiO粉末を1000℃およびAr雰囲気下で1時間熱処理を行ってシリコンオキシド粒子粉末を得た。
〔比較例2〕
SiO粉末を1000℃およびAr雰囲気下で1時間熱処理を行った。前記熱処理した粉末100gをエタノール40体積%水溶液350mLに分散させた。49体積%HF水溶液50mLを一度に添加した。添加後、30分間反応させた。反応完了後、減圧ろ過装置を利用して5Lの蒸溜水を透過させて粉末を洗浄してシリコンオキシド粒子粉末を得た。
(評価1):シリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)測定
図2A〜図2Cは、実施例1で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真であり、それぞれ明視野像、暗視野像および高分解能イメージである。
図3A〜図3Cは、比較例1で製造されたシリコンオキシド粒子の透過電子顕微鏡(TEM)写真であり、それぞれ明視野像、暗視野像および高分解能イメージである。
図2および図3を参照すると、比較例1のシリコンオキシド粒子に対する図3Bでは、明るい白色で現れたシリコン(Si)粒子が粒子全体に均一に現れている反面、実施例1のシリコンオキシド粒子に対する図2Bでは、明るい白色で現れたシリコン(Si)粒子が表面に集中していることを確認することができる。つまり、実施例1のシリコンオキシド粒子は、表面のシリコン(Si)相濃度が高いことが分かる。
(評価2):シリコンオキシド粒子のX線光電子分光法(XPS)測定
実施例1〜5と比較例1および2で製造された各シリコンオキシド粒子についてX線光電子分光法(XPS)を実施して、シリコン(Si)相および酸素(O)相についてのXPS測定結果から、粒子の表面で粒子の中心に向かう深さに応じたシリコン(Si)相の原子%濃度および酸素(O)相の原子%濃度のグラフを得た。
[XPS分析条件]
−分析機器:ESCA 250 spectrometer
−分析チャンバー内の圧力:8*10−10mbar
−使用放射線:monochromatic Alkα
−X線の活性エネルギー:1486.8eV
−分析面積:500μm
−XPS分析の表面層の大略的な厚さ:約5nm
−深さ条件:Arイオンビームスパッタリング3keV)により深さプロファイルを得る。SiOに対して決定される前記スパッタリング速度は10nm/minである。
図4および図5は、それぞれ比較例1および2で製造されたシリコンオキシド粒子についてのXPS分析グラフであり、図6および図7は、それぞれ実施例2および5で製造されたシリコンオキシド粒子についてのXPS分析グラフである。
図4を参照すると、比較例1の場合、表面が酸化されて表面に酸素が非常に豊富な相が形成されていることを確認することができる。図5、図6および図7を参照すると、比較例2のシリコンオキシド粒子は、表面からシリコンオキシドが急激にエッチングされて、その結果、表面から中心に行くほどシリコン(Si)含量が急激に減るプロファイルを示すことに反して、実施例2および実施例5のシリコンオキシド粒子は、表面から中心に行くほどより緩やかな濃度勾配を形成したことをよく示す。
図8および図9は、それぞれ比較例2および実施例2で製造されたシリコンオキシド粒子について、表面からシリコン(Si)相の濃度が55原子%になる深さまでのシリコン(Si)相の原子%濃度の積分値を計算した面積を示すXPS分析グラフである。
図8を参照すると、比較例2のシリコンオキシド粒子はシリコン(Si)相の濃度が55原子%である深さがほぼ70nm程度であることが分かり、この結果を用いて表面から70nm深さまでシリコン(Si)相の濃度の積分値を計算して下記表1に示した。
図9を参照すると、実施例2のシリコンオキシド粒子はシリコン(Si)相の濃度が55原子%である深さがほぼ420nm程度であることが分かり、この結果を用いて表面から420nm深さまでシリコン(Si)相の濃度の積分値を計算して下記表1に示した。
前記図8および図9と同様な方法で実施例1および3〜5と比較例1に対して得られた積分値を下記表1に記載した。
(評価3):容量特性の評価
実施例1〜5、比較例1および2により製造されたシリコンオキシド粒子粉末をリチウム2次電池用負極活物質を使用して、2016コイン型半電池を製造した。極板組成は、活物質:導電材:バインダー=80:10:10(重量比)にし、導電材にはデンカブラックを使用し、バインダーにはポリイミドを使用し、溶媒としてはN−メチル−2−ピロリドンを使用して、極板を製作した。対極としては、リチウム金属を使用し、中間にセパレ−タ−を挿入して電解液を注入しシーリングして電池を完成させた。電解液としては、EC(エチレンカーボネート)/EMC(エチルメチルカーボネート)/DMC(ジメチルカーボネート)=3/3/4(体積比)を使用し、これにはフルオロエチレンカーボネート(FEC)添加剤が5体積%含まれている。
前記各リチウム2次電池を25℃で、0.05C率、0.05V〜1.4Vにて最初のサイクルの充放電を行って、前記各リチウム2次電池についての最初のサイクルの充電量を下記表2に記載した。
(評価4):サイクル寿命特性の評価
前記各リチウム2次電池を25℃で、0.5Cにて充放電を50回実施しながらサイクル寿命特性を評価して図10に示し、最初のサイクルに対する効率を計算して下記表2に示した。
したがって、本発明のリチウム2次電池用負極活物質を用いることにより、2次電池を高容量に製造しながら寿命特性を向上させることができる。
100…リチウム2次電池
112…負極
113…セパレータ
114…正極
120…電池容器
140…封入部材

Claims (21)

  1. シリコン(Si)相および酸素(O)相を有するシリコンオキシド粒子を含み、
    前記シリコンオキシド粒子は、粒子の表面から粒子の中心に行くほど前記シリコン(Si)相の原子%が減少し、前記酸素(O)相の原子%が増加する濃度勾配を有し、
    前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、前記シリコンオキシド粒子の粒径の2〜20%である、
    リチウム2次電池用負極活物質。
  2. 前記シリコンオキシド粒子の表面での前記シリコン(Si)相の原子%は、前記シリコンオキシド粒子の表面での前記酸素(O)相の原子%よりも高い、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  3. 前記シリコンオキシド粒子の表面からの深さによる前記シリコン(Si)相の原子%のグラフにおいて、
    前記シリコンオキシド粒子の表面から前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さまでのシリコン(Si)相の原子%の積分値は、5,000〜40,000nm・原子%である、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  4. 前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、前記シリコンオキシド粒子の粒径の6〜12%である、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  5. 前記シリコンオキシド粒子の表面と前記シリコン(Si)相の原子%が55原子%である深さとの間の距離は、100〜1000nmである、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  6. 前記シリコンオキシド粒子は、結晶性シリコン(Si)および非結晶性シリコン酸化物を含み、
    前記結晶性シリコン(Si)の濃度は、前記シリコンオキシド粒子の表面に行くほど増加する、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  7. 前記シリコンオキシド粒子は、空隙を含む、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  8. 前記シリコンオキシド粒子は、10〜500m/gの比表面積を有する、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  9. 前記シリコンオキシド粒子は、SiOx(xは、0.5〜1.5である)で表される、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  10. 前記負極活物質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族〜16族元素、遷移金属、希土類元素およびこれらの組み合わせから選択された一つをさらに含む、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  11. 前記シリコンオキシド粒子は、0.1〜100μmの平均粒径を有する、請求項1に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  12. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の負極活物質を含む負極;
    正極活物質を含む正極;および
    非水電解質
    を含む、リチウム2次電池。
  13. ケイ素酸化物を不活性雰囲気で熱処理して結晶性シリコン(Si)相およびシリコン酸化物相を含むシリコンオキシド粒子を製造する段階;
    前記シリコンオキシド粒子を第1溶媒に分散させて混合溶液を製造する段階;および
    前記混合溶液にエッチャントを添加する段階
    を含む、リチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  14. 前記シリコンオキシド粒子は、SiO粉末を含む、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  15. 前記熱処理は、800〜1300℃の温度で行われる、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  16. 前記第1溶媒は、水溶液を含む、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  17. 前記シリコンオキシド粒子および前記エッチャントのモル比は、10:1〜1:10である、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  18. 前記エッチャントは、0.05〜5ml/分の流量で前記混合溶液に添加される、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  19. 前記エッチャントは、酸または少なくとも一つのF原子を含有する物質を含む、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  20. 前記エッチャントは、エッチャント物質および第2溶媒を含むエッチャント溶液を含み、
    前記第1溶媒および前記第2溶媒の総体積と前記エッチャント物質の体積との体積比は、1:1〜30:1である、請求項13に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
  21. 前記エッチャント溶液は、少なくとも一つのF原子を有し、0.5〜12M濃度を有するエッチャント物質を含む第1溶液、または前記第1溶液のエッチング速度と同一なエッチング速度を有する第2溶液を含む、請求項20に記載のリチウム2次電池用負極活物質の製造方法。
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