JP3726958B2

JP3726958B2 - 電池

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Inventors: 幸夫宮木
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極と共に電解質を備え、負極がスズ含有合金粉末を含む電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子技術の進歩に伴い、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、携帯電話、ラップトップコンピューターなどの小型の携帯用電子機器が数多く普及し、それらの小型化および軽量化が図られている。そこで、それらに使用するポータブル電源として、小型かつ軽量で高エネルギー密度を有する電池、特に二次電池の開発が進められている。このような二次電池としては、例えば、黒鉛層間へのリチウムイオンのインターカレーション反応を利用した黒鉛材料、あるいは細孔中へのリチウムイオンのドープ・脱ドープ作用を応用した炭素材料を負極材料として用いたものが開発され、実用化されている。
【０００３】
ところが、近年の携帯用機器の高性能化に伴い、容量に対する要求はさらに強くなり、充放電を繰り返しても容量が劣化しない、すなわち良好な充放電リサイクル特性を有することが求められている。また、機器の使用条件の多様化に伴い、高い負荷まで良好な容量を示す電池の必要性が高まっている。このような特性を得る方法としては、例えば、リチウム金属などの軽金属をそのまま負極材料として用いることが考えられる。しかし、この場合、充電過程において負極に軽金属がデンドライト状に析出しやすくなり、デンドライトの先端で電流密度が非常に高くなってしまうので、電解質の分解などにより充放電サイクル特性が低下したり、デンドライトが過度に成長して正極に達し、内部短絡を引き起こしたりするという問題があった。
【０００４】
そこで、リチウムのデンドライト析出を抑制するために、特定の合金を負極活物質として用い、充電時に負極表面上に析出したリチウムを負極活物質の合金の母材金属と合金化し合金内部に取り込むことが検討されている。このような合金としては、リチウム−鉛（Ｐｂ）合金（例えば、特公平３−５３７４３号公報、特公平５−３４７８７号公報、特公平７−７３０４４号公報、特公平８−１３８６５４号公報を参照）や、ビスマス（Ｂｉ）−スズ（Ｓｎ）−鉛−カドミウム（Ｃｄ）合金（例えば、特公平４−４７４３１号公報、特公平３−６４９８７号公報を参照）が開示されているが、鉛、ビスマス、カドミウムは、近年の地球環境保護の点から使用は好ましくない。
【０００５】
また、環境への問題が非常に少ないケイ素（Ｓｉ）合金を用いる方法も提案されているが（特開平７−３０２５８８号公報、特開平１０−１９９５２４号公報、特開平７−３２６３４２号公報、特開平１０−２５５７６８号公報、特開平１０−３０２７７０号公報参照）、ケイ素合金と有機溶媒との反応が大きいためか、充放電サイクル特性が悪く、実用に供することはできなかった。
【０００６】
さらに、スズ、またはスズ含有合金を用いる方法も提案されている。スズ含有合金としては、例えば、スズとニッケル（Ｎｉ）との合金材料（特公平４−１２５８６号公報、特開平１０−１６２８２３号公報、特開昭１０−３０８２０７号公報参照）、リチウムとアルミニウム（Ａｌ）とスズとの合金材料（特開昭６１−６６３６９号公報参照）、スズと亜鉛（Ｚｎ）との合金材料（特開昭６２−１４５６５０号公報参照）、リン（Ｐ）を１質量％から５５質量％含有するスズ合金材料（特開平８−２７３６０２号公報参照）、Ｃｕ₂ ＮｉＳｎ、Ｍｇ₂ Ｓｎ（特開平１０−２２３２２１号公報参照）、スズと銅（Ｃｕ）との合金材料（特開昭１０−３０８２０７号公報参照）、リチウムを吸蔵するスズ含有相とマンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル、および銅から構成されるリチウムを吸蔵しない相との混合物材料（特開平１１−８６８５４公報参照）が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのスズまたはスズ含有合金を用いた場合においても、容量、充放電サイクル特性および負荷特性の点において十分満足できるものではないという問題があった。その一因としては、これらの材料がリチウムの吸蔵に伴い膨張することが考えられる。例えば、純粋なスズはリチウムが４．４原子合金化すると約３．６倍膨張し、スズ含有合金についてもリチウムを吸蔵すると膨張することが知られている（Electrochimica Acta ４５（１９９９）３１参照）。従来の黒鉛材料を用いた場合でも負極の膨張はあったが、その膨張率に比べスズを用いた場合の膨張率は非常に大きい。スズに比べて、スズ含有合金の膨張率は大きく改善されるが（Journal of the Electrochemical Society １４８（５）Ａ４７１（２００１）参照）、実用的に十分なものではなかった。
【０００８】
なお、特開平６−１８７９７１号公報によれば、充放電サイクル特性を改善するために、空孔率が２０％〜３５％であるリチウムを含む合金粉末を負極とした二次電池が開示されているが、平均電圧および容量が低く、特に携帯用機器で使用する上で必要な容量を得ることができない。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電池容量、充放電サイクル特性、ならびに高負荷での容量を改善することができる電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、スズ含有合金粉末を含む負極合剤層を有し、スズ含有合金粉末は、１次粒子が凝集した２次粒子を含有し、第１回目の充電前において、スズと、アルカリ金属以外の元素とからなり、かつ、スズの含有量は４０原子％以上５０原子％以下であり、負極合剤層の空孔率は、第１回目の充電前において、２５体積％以上６５体積％以下のものである。
【００１１】
本発明による電池では、第１回目の充電前において、スズと、アルカリ金属以外の元素とからなり、スズの含有量が４０原子％以上５０原子％以下のスズ含有合金粉末を用いているので、高い電池容量が得られる。また、負極合剤層の第１回目の充電前における空孔率が２５体積％以上６５体積％以下となっているので、良好な充放電サイクル特性が得られ、高負荷での容量が改善される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構成を表すものであるが、本発明はこの形態に限定されるものではない。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１１の内部に、帯状の正極２１と負極２２とがセパレータ２３を介して巻回された巻回電極体２０を有している。電池缶１１は、例えば、ニッケルの鍍金がされた鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶１１の内部には、巻回電極体２０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板１２、１３がそれぞれ配置されている。
【００１４】
電池缶１１の開放端部には、電池蓋１４と、この電池蓋１４の内側に設けられた安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）１６とが、ガスケット１７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１１の内部は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されている。安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板１５ａが変形して電池蓋１４と巻回電極体２０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子１６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【００１５】
巻回電極体２０は、例えばセンターピン２４を中心にして巻回されている。巻回電極体２０の正極２１にはアルミニウムなどよりなる正極リード２５が接続されており、負極２２にはニッケルなどよりなる負極リード２６が接続されている。正極リード２５は安全弁機構１５に溶接されることにより電池蓋１４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶１１に溶接され電気的に接続されている。
【００１６】
正極２１は、例えば、正極合剤層と正極集電体層とにより構成されており、正極集電体層の両面あるいは片面に正極合剤層が設けられた構造を有している。正極集電体層は、例えば、アルミニウム箔により構成されている。正極合剤層は、正極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料を含んで構成されており、必要に応じて更に、黒鉛などの導電剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤、従来公知の添加剤を含んでいる。
【００１７】
リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料としては、リチウムと、コバルト，ニッケル，マンガンおよび鉄からなる群のうちの少なくとも１種の第１の元素と、酸素（Ｏ）とを含む複合酸化物が好ましい。この複合酸化物は、更に、リチウム以外のアルカリ金属（周期律表の第１（ＩＡ）族）の元素、アルミニウム、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ、鉛、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス、ケイ素、リン、およびホウ素（Ｂ）からなる群のうちの少なくとも１種の第２の元素を含んでいてもよい。第２の元素の含有量は、第１の元素に対してモル比で０ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下の範囲内であることが好ましい。これらの好ましい複合酸化物としては、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＮｉ_xＣｏ_1-xＯ₂（０．２＜ｘ＜１）、ＬｉＮｉ_xＣｏ_yＭｎ_1-x-yＯ₂（０．１＜ｘ、ｙ＜１）、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＭｎ_xＦｅ_1-xＰＯ₄（０＜ｘ＜０．６５）、ＬｉＣｏＰＯ₄などが挙げられる。正極活物質としては、これらの複合酸化物のいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【００１８】
負極２２は、例えば、正極２１と同様に、負極集電体層の両面あるいは片面に負極合剤層がそれぞれ設けられた構造を有している。負極集電体層は、例えば、銅箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。負極合剤層は、負極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料を含んで構成されており、必要に応じて導電剤あるいは結着剤を含んでいる。
【００１９】
特に、この二次電池では、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な負極材料として、スズ含有合金粉末を含んでいる。このスズ含有合金粉末は、第１回目の充電前において、スズと、アルカリ金属以外の第３の元素とからなる。スズ含有合金粉末における第３の元素の含有量は、1０質量％以上７０質量％以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内において高い容量が得られるからである。第３の元素としては、クロム（Ｃｒ）、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群のうちの少なくとも１種が好ましく、中でも、コバルト、鉄、銅、ニッケルからなる群のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００２０】
スズ含有合金粉末の１次粒子の平均粒径は、０．１μｍ以上３５μｍ以下の範囲内であることが好ましい。さらに好ましくは、０．１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内である。また、スズ含有合金粉末は、１次粒子が凝集し、２次粒子を形成してもよい。この場合、１次粒子の平均粒径は０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲内、２次粒径は１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。粒径がこの範囲より小さいと、粒子表面と後述する電解液との間で望ましくない反応が顕著になり、容量および充放電効率が悪化してしまい、粒径がこの範囲より大きいと、リチウムイオンの吸蔵および離脱反応が合金粒子内部で進みにくくなり、容量が低下してしまうからである。所望の粒径とするためには、製造工程において、後述する負極合剤を調製する前にスズ含有合金粉末の分級をすることが好ましい。分級方法としては、例えば、ふるい分け、風力分級機などの乾式分級、遠心沈降機などの湿式分級が挙げられるが、処理量や粒径に応じて使い分けるとよい。なお、粒径測定法としては、光学顕微鏡、電子顕微鏡による観察法、レーザー回折法などがあり、粒子のサイズ域に応じて使い分けるとよい。
【００２１】
スズ含有合金粉末の結晶性は、結晶質でも非晶質でもよい。特に、非晶質もしくは微結晶の集合体が好ましい。ここでいう非晶質もしくは微結晶の集合体とは、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折で得られる回折パターンのピークの半値幅が２θで０．５°以上であり、さらに２θで３０°から６０°にブロードなパターンを示すものである。
【００２２】
なお、電解質との副反応の抑制、あるいは、スズ含有合金粉末の取り扱いの安定性改良などを目的とし、スズ含有合金粉末の表面は、他の化合物、例えば酸化物、有機物、無機物で被覆されていてもよい。
【００２３】
スズ含有合金粉末の製造方法としては、粉末冶金などで用いられている従来の方法を広く用いることができる。例えば、アーク溶解炉、高周波誘導加熱炉などの溶解炉で原料を溶融し冷却した後粉砕する方法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心アトマイズ法などのように溶融金属を急速冷却することで合金粉末を得る方法、単ロール急冷法、双ロール急冷法などの冷却法により溶融金属を固化した後、メカニカルアロイング法などの適切な方法で粉砕して合金粉末を得る方法、が挙げられる。特に、ガスアトマイズ法、メカニカルアロイング法が好ましいが、これらに限定されるものではない。なお、これらの合成および粉砕を行う際は、空気中の酸素による酸化を防ぐために、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス雰囲気下もしくは真空中であることが好ましい。
【００２４】
負極合剤層の導電剤としては、炭素材料が好ましい。負極２２の導電性を向上させると共に、後述する電解液の含浸性も向上させることができるからである。中でも、リチウムを吸蔵および離脱可能なもの、すなわち負極活物質としても機能するものが好ましい。スズ含有合金のみでは対リチウム金属に対する電圧が高く、電池電圧が低くなってしまうが、炭素材料は対リチウム金属に対する電圧が低いので、混合することにより電池電圧を高くすることができるからである。
【００２５】
このような炭素材料としては、例えば、天然黒鉛（鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など）、人工黒鉛、難黒鉛化炭素、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、およびカーボンブラック類（アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の微粒子炭素など）が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。炭素材料の負極合剤層における含有量は、５質量％以上８５質量％以下の範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは８質量％以上７０質量％以下の範囲内である。この範囲よりも含有量が少ないと、負極への電解液の浸透が悪くなり、容量が低下してしまい、この範囲よりも含有量が多いと、スズ含有合金粉末の比率が低すぎて容量が低くなるからである。
【００２６】
負極合剤層は、また、導電剤として例えばポリアセチレン、ポリピロールなどの導電性ポリマーを含んでいてもよい。
【００２７】
負極合剤層における結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、ポリビニルピロリドン、スチレンブタジエンゴム、ポリブタジエンなどのポリマーなどの高分子化合物のいずれか１種または２種以上を含んで構成されており、特に、スチレンブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンのいずれか１種または２種以上が好ましいが、これに限られない。結着剤の負極合剤層における含有量は、１質量％〜３０質量％が好ましく、特に２質量％〜１５質量％が好ましい。
【００２８】
また、負極合剤層は、第１回目の充電前において、２５体積％以上６５体積％以下の空孔率を有することが好ましく、より好ましい空孔率は３０体積％以上５０体積％以下である。第１回目の充電前における空孔率がこの範囲より少ないと、リチウムイオン伝導路として作用する電解液を満たすための空間が少なくなり、負極合剤層内においてリチウムイオンが負極活物質に十分に供給されなくなるからである。また、空孔率がこの範囲より大きいと、電池内部への負極活物質の充填量が低下し、電池容量が低下しまうので、電池としての機能が果たせなくなるからである。スズ含有合金でも充電時にリチウムを吸蔵すると膨張することは以前から指摘されていたが、この二次電池では、充電前の負極２２に十分な空孔を確保することにより、充電時に膨張しても負極２２の内部にリチウムイオン導電に十分なだけの空孔を確保できるようになっている。
【００２９】
なお、本明細書中で、負極合剤層の第１回目の充電前における空孔率とは、負極合剤層を製造した後、負極２２を電池へ組み込む前に測定される空孔率のことをいう。空孔率を電池組み込み後で測定すると、電解液が空孔中に取り込まれ、空孔率の正確な値が得られないからである。例えば、プレスした負極を電池に組み込むのであれば、負極をプレスした後、負極を電池に組み込む前に空孔率を測定する。
【００３０】
また、負極合剤層の空孔率は、負極合剤層の見かけの体積Ｖ２に対する負極合剤層の空孔体積Ｖ１の割合（Ｖ１／Ｖ２）×１００であり、例えば水銀圧入法ポロシメトリーにより測定される。この空孔率は負極集電体層の体積を含まない。通常、負極合剤層は上述のように負極集電体層に塗布されているので、負極集電体層を取り除いて測定するか、あるいは負極集電体層が含まれる状態でＶ１、Ｖ２を測定し、負極集電体層の空孔体積Ｖ３および負極集電体層の見かけの体積Ｖ４を別途測定し、（Ｖ１−Ｖ３）／（Ｖ２−Ｖ４）×１００から求める。
【００３１】
セパレータ２３は、例えば、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルムなどの微孔性ポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。セパレータ２３の材料は、電池の安全性を確保するために、８０℃以上で上記の孔を閉塞して抵抗を上げ、電流を遮断する機能を持つことが好ましく、閉塞温度が９０℃以上１８０℃以下の範囲内であるものが好ましい。
【００３２】
このセパレータ２３には液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒に電解質塩として例えばリチウム塩が溶解されたものである。溶媒としては非水溶媒が好ましく、具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、アニソール、酢酸エステル、プロピオン酸エステルなどの有機溶媒が好ましい。溶媒には、これらの非水溶媒のいずれか１種または２種以上が混合して用いられる。
【００３３】
リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＢ（Ｃ₆Ｈ₅）₄、ＬｉＣＨ₃ＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒなどがあり、これらのうちのいずれか１種または２種以上が混合して用いられる。
【００３４】
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３５】
まず、例えば、正極活物質として上述した複合酸化物と、必要に応じて導電剤および結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散してペースト状の正極合剤スラリーとする。この正極合剤スラリーを正極集電体層に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ローラープレス機などにより圧縮成型して正極合剤層を形成し、正極２１を作製する。
【００３６】
次いで、例えば、負極活物質としてスズ含有合金粉末と、導電剤である炭素材料と、必要に応じて結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散してペースト状の負極合剤スラリーとする。この負極合剤スラリーを負極集電体層に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ローラープレス機などにより所望の空孔率になるよう圧縮成型して負極合剤層を形成し、負極２２を作製する。このとき、ローラープレス機のロール間の調整によって、負極２２の空孔率を調整する。
【００３７】
続いて、正極集電体層から正極リード２５を導出し、負極集電体層から負極リード２６を導出する。そののち、例えば、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を介して積層して巻回し、巻回電極体２０を形成する。巻回電極体２０を形成したのち、正極リード２５の先端部を安全弁機構１５に溶接すると共に、負極リード２６の先端部を電池缶１１に溶接して、巻回電極体２０を一対の絶縁板１２，１３で挟み電池缶１１の内部に収納する。巻回電極体２０を電池缶１１の内部に収納したのち、電解質（例えば電解液）を電池缶１１の内部に注入し、セパレータ２３に含浸させる。そののち、電池缶１１の開口端部に電池蓋１４、安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をガスケット１７を介してかしめることにより固定する。これにより、図１に示した二次電池が形成される。
【００３８】
この二次電池は次のように作用する。
【００３９】
この二次電池では、充電を行うと、例えば正極２１からリチウムイオンが離脱し、セパレータ２３に含浸された電解質を介して負極２２に吸蔵される。また、放電を行うと、例えば負極２２からリチウムイオンが離脱し、セパレータ２３に含浸された電解質を介して正極２１に吸蔵される。ここでは、第１回目の充電前における負極合剤層の空孔率が２５体積％以上６５体積％以下とされているので、負極合剤層中に含まれるスズ含有合金粉末が膨張しても、リチウムイオン伝導路としての空孔が十分に確保され、リチウムイオンが負極活物質に十分に供給される。よって、良好な充放電サイクル特性が得られ、高い容量維持率が得られると共に、高負荷放電を行っても大きな放電エネルギーが得られる。
【００４０】
このように本実施の形態に係る二次電池によれば、第１回目の充電前における負極合剤層の空孔率を２５体積％以上６５体積％以下とするようにしたので、負極活物質としてスズ含有合金粉末を用いても、リチウムイオン伝導路としての空孔を十分に確保することができる。よって、高い放電容量および優れた充放電サイクル特性を得ることができると共に、例えば２．５Ｖの高電位カットオフ条件下において高負荷放電を行っても大きな放電エネルギーが得られる。従って、本実施の形態に係る二次電池によれば、高密度化・高速化した集積回路を備える装置、あるいは電気自動車などの高出力用に用いても、十分な電池特性を得ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態に係る二次電池は、例えば、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ポータブルＣＤ、ミニディスク、ノートパソコン、携帯電話、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、ラジオ、玩具、ゲーム機器、時計、ペースメーカーなどに用いることができる。更に、太陽電池、燃料電池等の発電機と組み合わせることもできる。
【００４２】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について、図１を参照して詳細に説明する。
【００４３】
（実施例１〜７）
スズ含有合金として、表１に示したスズコバルト亜鉛（ＳｎＣｏＺｎ）合金、スズコバルト鉄（ＳｎＣｏＦｅ）合金、スズ鉄クロムアルミニウム（ＳｎＦｅＣｒＡｌ）合金およびスズ鉄ニッケル銅モリブデン（ＳｎＦｅＮｉＣｕＭｏ）合金を次のようにして作製した。まず、表１に示した粉末状の原料を用意し、各原料を表１に示した配合比（原子比）で、合計質量が１５ｇとなるように秤量したのち、これらの粉末について遊星ボールミルを用いてアルゴン雰囲気下で６０時間メカニカルアロイング処理を行い、黒色粉末を得た。その際、ボールと原料とを２０：１の質量比となるように配合し、密閉容器に封入した。次いで、この黒色粉末を目開き２５０μｍのふるいにかけ、スズ含有合金粉末とした。得られたスズ含有合金粉末を二次電子顕微鏡で観察したところ、約１μｍの１次粒子が２次凝集をしていた。また、レーザー回折法により２次粒子の平均粒径を求めたところ、表１に示した結果が得られた。
【００４４】
【表１】

【００４５】
続いて、平均粒子径１０μｍの人造黒鉛４０質量部と、アセチレンブラック５質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン１０質量部と、スズ含有合金粉末４５質量部とを混合して負極合剤を調製し、溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散して負極合剤スラリーとした。負極合剤スラリーを作製したのち、この負極合剤スラリーを厚さ１５μｍの帯状の銅箔よりなる負極集電体層の両面に均一に塗布して乾燥させ、ローラープレス機で圧縮成型して負極合剤層を形成し、負極２２を作製した。その際、ローラープレス機のロール間隔を調整することにより、実施例１〜７で表２に示したように空孔率を変化させた。なお、負極２２の空孔率は、負極２２を真空で乾燥させた後、水銀圧入法ポロシメータにより求めた。
【００４６】
また、正極活物質９１質量部と、導電剤であるグラファイト６質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して正極合剤を調製し、溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散して正極合剤スラリーとした。さらに、この正極合剤スラリーを厚さ２０μｍの帯状のアルミニウム箔よりなる正極集電体層の両面に均一に塗布して乾燥させ、ローラープレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成し、正極２１を作製した。その際、正極活物質を実施例１〜７で表２に示したように変化させた。なお、実施例７においては、ＬｉＮｉ_0.8 Ｃｏ_0.19Ａｌ_0.01 Ｏ₂ とＬｉＦｅＰＯ₄ との質量比を１：１とした。
【００４７】
【表２】

【００４８】
正極２１および負極２２をそれぞれ作製したのち、正極リード２５を正極集電体から導出し、負極リード２６を負極集電体から導出し、各リードに絶縁テープを貼った。
【００４９】
続いて、厚さ２５μｍの微多孔性ポリエチレンフィルムよりなるセパレータ２３を用意し、負極２２、セパレータ２３、正極２１、セパレータ２３の順に積層して多数巻回し、最外周部を接着テープで固定して巻回電極体２０を作製した。
【００５０】
巻回電極体２０を作製したのち、巻回電極体２０を一対の絶縁板１２、１３で挟み、負極リード２６を鉄製の電池缶１１の底部に溶接すると共に、正極リード２５を安全弁機構１５の突起部に溶接して、ニッケルめっきした電池缶１１の内部に巻回電極体２０を収納した。そののち、電池缶１１の内部に電解液を注入した。電解液には、エチレンカーボネート５０体積％と、エチルメチルカーボネート５０体積％とを混合した溶媒に電解質塩としてＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｄｍ³の割合で溶解させたものを用いた。最後に、ガスケット１７を介して電池蓋１４を電池缶１１にかしめ、安全弁機構１５、熱感抵抗素子１６ならびに電池蓋１４を固定した。これにより、実施例１〜７について、外径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの図１に示した円筒型の二次電池を作製した。
【００５１】
得られた二次電池について、充放電サイクル試験および負荷特性試験を行った。得られた結果を表２にそれぞれ示す。
【００５２】
なお、充放電サイクル試験は次のようにして行った。まず、室温で、１Ａの定電流で電池電圧が４．２０Ｖに達するまで行ったのち、４．２０Ｖの定電圧で充電時間の総計が１５時間に達するまで充電を行った。そののち、１Ａの定電流で、電池電圧が２．５Ｖに達するまで放電を行った。１サイクル充放電を行った後、充電時間の総計を５時間とする以外は１サイクル目と同様に充放電を行い、２サイクル目の放電容量を求めた。以降２サイクル目と同様の条件で充放電を繰り返し、１００サイクル目の放電容量を測定して、２サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の割合（サイクル容量維持率）を求めた。その計算式は、サイクル容量維持率＝（１００サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００である。
【００５３】
また、負荷特性試験は次のように行った。まず、充放電サイクル試験の１、２サイクル目と同じ条件で充放電を２サイクル行い、２サイクル目の放電容量を求めた。次いで、２サイクル目と同様の条件下で３サイクル目の充電を行った後、４Ａの定電流で、電池電圧が２．５Ｖに達するまで放電を行い、高負荷放電時（すなわち大電流放電時）の放電容量を測定し、２サイクル目の放電容量に対する３サイクル目の放電容量の比率を求めた。その計算式は、高負荷放電時の容量比率＝（３サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００である。
【００５４】
実施例１〜３に対する比較例１，２として、表２に示したように空孔率を変化させたことを除き、他は実施例１〜３と同様にして二次電池を作製した。また、実施例１〜３に対する比較例３〜５として、表１に示したように２次粒子の平均粒径が３５μｍの酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）、４９μｍのアルミニウム粉末または人造黒鉛を用いたことを除き、他は実施例１〜３と同様にして二次電池を作製した。比較例１〜５についても、実施例１〜３と同様にして充放電サイクル試験および負荷特性試験をそれぞれ行い、容量，サイクル容量維持率および高負荷放電時の容量比率を求めた。得られた結果を表２に示す。
【００５５】
表２から分かるように、実施例１〜７では、容量が２０１０ｍＡｈ以上、サイクル容量維持率が８２％以上、高負荷放電時の容量比率が７５％以上といずれも高い値が得られた。これに対して、空孔率が１０％の比較例１では、サイクル容量維持率が６０％、高負荷放電時の容量比率が５５％と低かった。空孔率が７０％の比較例２では、容量が１７３０ｍＡｈと低かった。また、負極活物質として酸化スズを用いた比較例３では、容量が１８５０ｍＡｈ、サイクル容量維持率が５１％、高負荷放電時の容量比率が５６％と低かった。負極活物質としてアルミニウム粉末を用いた比較例４では、容量が１３１０ｍＡｈ、サイクル容量維持率が４５％、高負荷放電時の容量比率が４５％と極めて低かった。負極活物質として人造黒鉛を用いた比較例５では、容量が１７９０ｍＡｈ、サイクル容量維持率が７０％と低かった。
【００５６】
すなわち、負極合剤層にスズ含有合金粉末を用い、その負極合剤層の第１回目の充電前における空孔率を２５体積％以上６５体積％以下とすれば、高い電池容量を得ることができると共に，充放電サイクル特性および高負荷特性を向上させることができることが分かった。
【００５７】
なお、上記実施例では、スズ含有合金の種類について具体的に例を挙げて説明したが、上記実施の形態において、説明した範囲内であれば他のスズ含有合金を用いても同様の結果を得ることができる。
【００５８】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、本発明は、負極にスズ含有合金粉末を含んでいる電池について広く適用することができ、他の構成は上記実施の形態および実施例で説明した以外のものでもよい。具体的には、電解液に代えて、リチウム塩を含有する電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する高分子化合物にリチウム塩を分散させた固体状の電解質あるいは固体状の無機伝導体などの他の電解質を用いるようにしてもよい。
【００５９】
その際、ゲル状の電解質には、電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子化合物を用いることができる。そのような高分子化合物としては、例えば、ポリビニリデンフルオロライドあるいはビニリデンフルオロライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物，ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物，またはポリアクリロニトリルが挙げられる。中でも、フッ素系高分子化合物は酸化還元の安定性が高いので好ましい。
【００６０】
固体状の電解質には、高分子化合物として、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物，ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物，アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または分子中に共重合させて用いることができる。また、無機伝導体としては、窒化リチウム、ヨウ化リチウムあるいは水酸化リチウムの多結晶、ヨウ化リチウムと三酸化二クロムとの混合物、またはヨウ化リチウムと硫化リチウムと亜硫化二リンとの混合物などを用いることができる。
【００６１】
また、巻回構造を有する円筒型の二次電池に代えて、角型、コイン型、ボタン型、あるいはラミネートフィルムの内部に電極素子が封入されたフィルム型など、他の形状を有する二次電池としてもよい。また、正極と負極とをセパレータを介して積層するなどの他の構造を有する二次電池としてもよい。また、二次電池に限らず、一次電池としてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電池によれば、１次粒子が凝集した２次粒子を含有するスズ含有合金粉末を含み、スズ含有合金粉末におけるスズの含有量を４０原子％以上５０原子％以下とし、かつ、負極合剤層の空孔率を２５体積％以上６５体積％以下とするようにしたので、高い容量を得ることができると共に、リチウムイオン伝導路としての空孔を十分に確保することができ、充放電サイクル特性および高負荷特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１１…電池缶、１２、１３…絶縁板、１４…電池蓋、１５…安全弁機構、１６…熱感抵抗素子、１７…ガスケット、２０…巻回電極体、２１…正極、２２…負極、２３…セパレータ、２４…センターピン、２５…正極リード、２６…負極リード

Claims

正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記負極は、スズ含有合金粉末を含む負極合剤層を有し、
前記スズ含有合金粉末は、１次粒子が凝集した２次粒子を含有し、第１回目の充電前において、スズと、アルカリ金属以外の元素とからなり、かつ、スズの含有量は４０原子％以上５０原子％以下であり、
前記負極合剤層の空孔率は、第１回目の充電前において、２５体積％以上６５体積％以下である
ことを特徴とする電池。
前記スズの含有量は、４９原子％以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記空孔率は、３０体積％以上５０体積％以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記１次粒子の平均粒径は０．１μｍ以上２０μｍ以下であり、前記２次粒子の平均粒径は１０μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記スズ含有合金粉末は、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群のうちの少なくとも１種を、１０質量％以上含有することを特徴とする請求項１記載の電池。
前記負極合剤層は、更に、炭素材料を含むことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記正極は、リチウム（Ｌｉ）と、コバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄からなる群のうちの少なくとも１種とを含む複合酸化物を含有することを特徴とする請求項１記載の電池。