JP4855696B2 - リチウムイオン二次電池用負極材料およびその製造方法ならびにリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
[1]アスペクト比が5以下である塊状黒鉛質物の表面の少なくとも一部に、SiO 2 が付着し、さらに、前記塊状黒鉛質物および前記SiO 2 の表面の少なくとも一部に、Siが付着していることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料。
[2]アスペクト比が5以下である塊状黒鉛質物の表面の少なくとも一部に、SiO 2 をメカノケミカル処理で付着した後、前記塊状黒鉛質物および前記SiO 2 の表面の少なくとも一部に、Siを気相法で付着することを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料の製造方法。
[3]上記[1]に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
[4]上記[3]に記載のリチウムイオン二次電池用負極を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
本発明の負極材料は、塊状黒鉛質物の表面の少なくとも一部に、リチウムと合金化しない金属化合物が付着し、さらに、前記塊状黒鉛質物および前記金属化合物の表面の少なくとも一部に、リチウムと合金化可能な金属が付着した複合型の負極材料である。ここで、前記金属化合物は、前記塊状黒鉛質物の平均粒径よりも小さな平均粒径を有することが好ましい。リチウムと合金化しない金属化合物はメカノケミカル処理で付着することが好ましく、前記リチウムと合金化可能な金属は気相法で付着することが好ましい。
上記負極材料を構成するリチウムと合金化しない金属化合物としては、金属の酸化物、窒化物、炭化物、水酸化物などいかなる化合物でもよいが、酸化物が特に好ましい。例としては、SiO2やSnO2などが挙げられ、粒径が小さく、入手も容易なSiO2が特に好ましい。
上記負極材料を構成するリチウムと合金化可能な金属としては、Al、Pb、Zn、Sn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Ag、Si、B、Au、Pt、Pd、Sb、Ge、Niなどを挙げることができ、好ましくはSi、Snであり、特に好ましくはSiである。また、前記リチウムと合金化可能な金属としては、該金属の2種以上の合金であってもよい。該合金中に、前記金属以外の元素が含有されていてもよく、酸化物や窒化物を形成していてもよい。また、前記金属は非晶質のものまたは非晶質のものを含むことが好ましい。金属が非晶質であると充電時の膨張が軽減される。そのため、非晶質シリコンを含む金属が最も好ましい。
上記負極材料を構成する黒鉛質物は、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵・放出できて塊状である黒鉛質物であればよく、特に限定されない。
本発明の負極材料の製造方法としては、前記塊状黒鉛質物の表面の少なくとも一部に、リチウムと合金化しない金属化合物が付着し、さらに、前記塊状黒鉛質物および前記金属化合物の表面の少なくとも一部にリチウムと合金化可能な金属が付着した構造が得られる方法であればいかなる方法を用いてもよいが、本発明の効果を最大限に発現する方法を以下に例示する。ここで、前記金属化合物は、前記塊状黒鉛質物の平均粒径よりも小さな平均粒径を有することが好ましい。
リチウムイオン二次電池の負極を構成する負極材料として、上述した本発明の負極材料以外に公知の負極材料や導電性材料を混合して用いることができる。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズ小球体の黒鉛質物、メソフェーズ炭素繊維の黒鉛質物、メソフェーズ焼成体の黒鉛質物などの各種負極材料や、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、気相成長炭素繊維などの導電性材料を混合して用いることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池に使用される正極材(正極活物質)としては、リチウム化合物が用いられるが、充分な量のリチウムを吸蔵/脱離し得るものを選択することが好ましい。例えば、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物、その他のリチウム含有化合物、一般式MxMo6S8−Y(式中Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、Mは少なくとも一種の遷移金属を表す)で表されるシュブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。前記バナジウム酸化物としては、V2O5、V6O13、V2O4、V3O8で示されるものなどを用いることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解質としては、通常の非水電解液に使用される電解質塩である、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)、LiCl、LiBr、LiCF3SO3、LiCH3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3CH2OSO2)2、LiN(CF3CF2OSO2)2、LiN(HCF2CF2CH2OSO2)2、LiN((CF3)2CHOSO2)2、LiB[{C6H3(CF3)2}]4、LiAlCl4 、LiSiF6などのリチウム塩を用いることができる。酸化安定性の点からは、特に、LiPF6、LiBF4が好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレータを使用することもできる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述した構成の、黒鉛質物を含有する負極、正極および非水電解質を、例えば、負極、非水電解質、正極の順で積層し、電池の外装材内に収容することで構成される。さらに、負極と正極の外側に非水電解質を配するようにしてもよい。
[負極材料の作製]
鱗片状天然黒鉛を球状に加工した黒鉛粉末((株)中越黒鉛工業所製、WF-025、平均粒径25μm)に、0.5質量%に相当する気相シリカ(「AEROSIL50」、日本アエロジル(株)製、平均粒径30nm))を加え、得られた混合物を乾式粉体複合化装置(メカノフュージョンシステム、ホソカワミクロン(株)製)を用いて、回転ドラムの周速20m/秒、処理時間60分、回転ドラムと内部部材との距離5mmの条件で、圧縮力、剪断力を繰り返し付与し、メカノケミカル処理して、前記黒鉛粉末表面に気相シリカが分散して付着した複合材料を製造した。
上記方法により作製した負極材料に4質量%の結合剤ポリフッ化ビニリデンを混合し、さらに、溶剤N−メチルピロリドンを加え、有機溶剤系負極合剤ペーストを作製した。これを銅箔上に均一な厚さに塗布し、さらに真空中90℃で溶剤を揮発させて乾燥した。次に、この銅箔上に塗布された負極合剤をハンドプレスによって加圧した。さらに直径15.5mmの円形状に打抜くことで、集電体銅箔(厚み16μm)に密着した負極合剤層(厚み50μm)からなる作用電極(負極)を作製した。
リチウム金属箔をニッケルネットに押付け、直径15.5mmの円形状に打抜いて、ニッケルネットからなる集電体と、該集電体に密着したリチウム金属箔(厚み0.5mm)からなる対極(正極)を作製した。
エチレンカーボネート33vol%−メチルエチルカーボネート67vol%の混合溶剤に、LiPF6を1mol/lとなる濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。得られた非水電解液をポリプロピレン多孔質体(厚み20μm)に含浸させ、電解液が含浸したセパレータを作製した。
評価電池として図1に示すボタン型二次電池を作製した。
回路電圧が0mVに達するまで0.9mAの定電流充電を行った後、回路電圧が0mVに達した時点で定電圧充電に切替え、さらに電流値が20μAになるその間の通電量から充電容量を求めた。その後、120分間休止した。次に0.9mAの電流値で回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行い、この間の通電量から放電容量を求めた。これを第1サイクルとした。次式(1)から初期充放電効率を計算した。なおこの試験では、リチウムイオンを負極材料に吸蔵する過程を充電、負極材料からリチウムイオンが脱離する過程を放電とした。
×100 ・・・(1)
[サイクル特性]
引き続き、回路電圧が0mVに達するまで4.0mAの定電流充電を行った後、回路電圧が0mVに達した時点で定電圧充電に切替え、さらに電流値が20μAになるまで充電を続けた後、120分間休止した。次に4.0mAの電流値で回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行った。この充放電を100回繰返し、得られた放電容量から、次式(2)を用いてサイクル特性を計算した。
〔実施例2〕
上記実施例1において、鱗片状黒鉛を球状に加工したものに替えて、メソフェーズ小球体(JFEケミカル(株)製、KMFC)を3000℃で6時間かけて黒鉛化したもの(平均粒径20μm)を用いる以外は、実施例1と同様に負極合剤の調製、負極の作製、リチウムイオン二次電池の作製および電池の評価を行った。前記負極材料の特性と評価結果を同じく下表1に示した。
実施例1において、メカノケミカル処理による気相シリカの黒鉛質物への付着を実施しない以外は、実施例1と同様に負極合剤の調製、負極の作製、リチウムイオン二次電池の作製および電池の評価を行った。前記負極材料の特性と評価結果を同じく下表1に示した。
実施例1において、鱗片状黒鉛を球状に加工したものに替えて、鱗片状天然黒鉛((株)中越黒鉛工業所製、BF15A、平均粒径15μm)を用いる以外は、実施例1と同様に負極合剤の調製、負極の作製、リチウムイオン二次電池の作製および電池の評価を行った。前記負極材料の特性と評価結果を同じく下表1に示した。
2 作用電極
3 外装缶
4 対極
5 電解質溶液含浸セパレータ
6 絶縁ガスケット
7a、7b 集電体
Claims (4)
- アスペクト比が5以下である塊状黒鉛質物の表面の少なくとも一部に、SiO 2 が付着し、さらに、前記塊状黒鉛質物および前記SiO 2 の表面の少なくとも一部に、Siが付着していることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料。
- アスペクト比が5以下である塊状黒鉛質物の表面の少なくとも一部に、SiO 2 をメカノケミカル処理で付着した後、前記塊状黒鉛質物および前記SiO 2 の表面の少なくとも一部に、Siを気相法で付着することを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料の製造方法。
- 請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用負極を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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