JP5146652B2 - リチウムイオン二次電池用合金負極、その製造方法及びそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
リチウムイオン二次電池用合金負極、その製造方法及びそれを用いたリチウムイオン二次電池 Download PDFInfo
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Description
ところで、一般的には、リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体からなる黒鉛材料が主流であった。ところが、前記黒鉛材料は、例えば、単位質量当りの理論容量が372mAh/g であり、比重も2.25g/cm3と小さいので、単位体積当り容量は837mAh/cm3と小さいため、電池の高容量化が難しいという課題があった。
この解決策として、充電に際して、電気化学的にリチウムと合金化するアルミニウム、シリコン、スズなどを負極材料として用いたリチウム二次電池が報告されている(例えば、非特許文献1参照。)。これらのうち、特に、シリコンは、理論容量が大きく高容量の電池用負極として有望であり、これを負極活物質とする種々の二次電池が提案されている(例えば、特許文献1、2、非特許文献2参照。)。しかしながら、これらの合金負極では、電極活物質である合金自体が、充放電により大きな体積変化を生じ、活物質粒子の割れ、又は微粉化された活物質と集電体との接触不良等を起こすため、集電特性が悪化することから、十分なサイクル特性が得られないという問題がある。
1.リチウムイオン二次電池用合金負極
本発明のリチウムイオン二次電池用合金負極は、負極活物質としてルテニウムで被覆したケイ素を用いてなるリチウムイオン二次電池用合金負極であって、前記ルテニウムで被覆したケイ素は、ルテニウムを、全量に対し0.1〜25質量%含有することを特徴とする。
さらに、上記合金負極において、ルテニウムは、ケイ素粒子間ではクッションの働きをするものと考えられる。すなわち、ルテニウムも電極反応によりわずかに体積変化するので、ケイ素粒子による大きな体積変化で生じる応力を緩和する働きをする。
なお、ケイ素に被覆する金属としたは、ルテニウム以外に、鉄、コバルト又はニッケルでも上記と同じような効果が得られる。
本発明のリチウムイオン二次電池用合金負極の製造方法としては、特に限定されるものではなく、従来から行われているリチウムイオン二次電池用の合金負極の製造方法を採用することができる。例えば、所望割合のルテニウムで被覆したケイ素粉末を、所望割合の導電補助材及び所望割合のバインダと混合した後、混合物を圧延によりシート電極を形成する方法、混合物に適当な溶剤を加えてペースト状にして、銅等の金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して電極形成したりする方法、或いはガスデポジション法により、集電体上にルテニウムで被覆したケイ素粉末からなる電極を形成する方法等が挙げられるが、この中で、特に、ガスデポジション法により、集電体上にルテニウムで被覆したケイ素粉末が堆積された電極を形成する方法が好ましい。
ここで、上記集電体としては、圧延銅箔などの銅箔等の一般に用いられている銅系材料を使用することができるが、必要に応じて、ニッケル、ステンレス、モリブデン、タングステン、及びタンタルなど他の集電体材料を用いることができる。
ここで、ケイ素に対するルテニウム源の添加割合を所定の値に調整することによって、所定のルテニウム含有割合を有するルテニウムで被覆したケイ素の粉末を得ることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記リチウムイオン二次電池用合金負極と、リチウム吸蔵可能な酸化物からなる正極と、非水系電解質とから構成されるものである。これにより、高容量でサイクル特性の良好なリチウムイオン二次電池が得られる。
[充放電特性の評価方法]
三極式ビーカーセルを用いて、対極及び参照極として金属リチウム板((株)レアメタリック製、厚さ1mm、純度99.9%)、電解液として1MのLiClO4支持塩とするプロピレンカーボネート(PC)溶液((株)キシダ化学製)を用いた。電解液の温度としては、30℃とした。なお、充放電測定装置(計測器センター(株)製、BS2506)により、電流値0.05mAで、0.005〜3.4Vvs.Li/Li+の電位幅で充放電を繰り返し、1000回までのサイクル特性を評価した。
まず、下記の[無電解めっき法によるルテニウム被覆ケイ素粉末の合成方法]により、ルテニウム被覆ケイ素粉末を作製し、下記の[ガスデポジション法による負極の作製方法]により、ルテニウム被覆ケイ素負極を作製した。
塩化ルテニウム水和物(RuCl3・nH2O、n:1〜3、キシダ化学製、品番:020−68602)0.2gを、100mlの水に溶解させ、これに、ケイ素粉末(和光純薬製、品番:191−05582、平均粒径:1μm)0.125gを添加した。次いで、十分に攪拌し、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4、和光純薬製、品番:192−01472)0.5gを添加し、その後、ろ過してルテニウムで被覆したケイ素の粉末を合成した。得られたルテニウム被覆ケイ素粉末の定量分析をしてルテニウムの含有割合を求めた。ルテニウムの含有割合は、6.25質量%であった。なお、SEM観察により、被覆厚みを調べたところ、約0.5μmであった。
集電体基板として、圧延銅箔(ニラコ製、厚さ20μm、純度99%)を、アセトン脱脂し、次に硝酸による酸洗を行い、水洗後、再度アセトンで超音波洗浄したものを用いた。この集電体基板をチャンバー中に取り付け、集電体基板上にメタルマスクをおき、6mmφの円形電極を形成した。ガスデポジションは、基板/ノズル間距離を10mm、ノズル径0.8mmに設定して、アルゴンガスをキャリアーガス(0.6MPa)として用いて、約50mgのルテニウム被覆ケイ素粉末を吐出させて、負極を作製した。
[ルテニウム被覆ケイ素粉末の合成]において、塩化ルテニウム水和物0.64gを溶解して、ルテニウム被覆ケイ素粉末のルテニウムの含有割合が20.0質量%となるようにしたこと以外は、実施例1と同様にして得られた負極を用いて、上記[充放電特性の評価方法]により、1サイクル目と、500サイクル目の放電容量を求めた。結果を表1に示す。
[ルテニウム被覆ケイ素粉末の合成]において、塩化ルテニウム水和物0.1gを溶解して、ルテニウム被覆ケイ素粉末のルテニウムの含有割合が3.85質量%となるようにしたこと以外は、実施例1と同様にして得られた負極を用いて、上記[充放電特性の評価方法]により、1サイクル目と、500サイクル目の放電容量を求めた。結果を表1に示す。
[無電解めっき法によるルテニウム被覆ケイ素粉末の合成方法]において、塩化ルテニウム水和物を水に溶解させた後に、KOH1.12gを添加して、pHを12に調整し、アルカリ性に保持した後に還元剤を添加したこと以外は、実施例1と同様にして得られた負極を用いて、上記[充放電特性の評価方法]により、1サイクル目と、500サイクル目の放電容量を求めた。結果を表1に示す。
[ガスデポジション法による負極の作製方法]において、負極活物質として、ルテニウム被覆ケイ素粉末の代わりに、ケイ素粉末を用いたことこと以外は、実施例1と同様にして得られた負極を用いて、上記[充放電特性の評価方法]により、1サイクル目と、500サイクル目の放電容量を求めた。結果を表1に示す。なお、図1は、放電容量のサイクル依存性を表す図である。
[ルテニウム被覆ケイ素粉末の合成]において、塩化ルテニウム水和物0.91gを溶解して、ルテニウム被覆ケイ素粉末のルテニウムの含有割合が28.5質量%となるようにしたこと以外は、実施例1と同様にして得られた負極を用いて、上記[充放電特性の評価方法]により、1サイクル目と、500サイクル目の放電容量を求めた。結果を表1に示す。
また、実施例3では、充放電の初期には放電容量が高く、かつ500サイクル目においても高い放電容量を示している。また、実施例4では、充放電の初期には放電容量が高く、かつ500サイクル目においても770mAh/gと特に高い放電容量を示している。
Claims (6)
- 負極活物質としてルテニウムで被覆したケイ素を用いてなるリチウムイオン二次電池用合金負極であって、前記ルテニウムで被覆したケイ素は、ルテニウムを全量に対し0.1〜25質量%含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用合金負極。
- 前記ルテニウムで被覆したケイ素は、無電解めっき法により製造したもの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合金負極。
- ガスデポジション法により、集電体上にルテニウムで被覆したケイ素粉末が堆積された電極を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用合金負極の製造方法。
- 前記ガスデポジション法は、表面を洗浄した集電体基板上に、ノズルから、窒素ガス又は希ガスからなるキャリアーガスとともに、ルテニウムで被覆したケイ素粉末を吐出させることを特徴とする請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用合金負極の製造方法。
- 前記ルテニウムで被覆したケイ素粉末は、無電解めっき法により、塩化ルテニウム水溶液中にケイ素粉末を添加し、次いで還元剤を添加してケイ素粉末の表面上にルテニウムを析出させたものであることを特徴とする請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用合金負極の製造方法。
- 請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用合金負極と、リチウム吸蔵可能な酸化物からなる正極と、非水系電解質とから構成されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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