JP6076772B2 - 蓄電デバイス用Si系合金負極材料およびそれを用いた電極 - Google Patents
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Description
また、Siなどの親リチウム相の少なくとも一部を金属間化合物で包囲した材料は、溶融後の凝固プロセス中に親リチウム相と金属間化合物が形成されるため、工業的に好ましいプロセスといえるが、それだけでは十分な充放電サイクル特性が得られないといった問題がある。
請求項1の手段では、充放電時にリチウムイオンの移動が伴う蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料であって、前記Si系合金からなる負極材料が、SiからなるSi主要相とSiとSi以外の一種以上の元素からなる化合物相を有し、前記化合物相が、SiとCuからなるSi X Cu Y (X<Y)化合物相を含んでなる相を有し、前記Si主要相のSi結晶子サイズが30nm以下であり、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料である。
電デバイス用Si系合金負極材料の化学成分の制御に加えて、Si相が結晶子サイズ30nm以下に、またSiとCuの化合物相の結晶子サイズが、40nm以下とすることで、Siへのリチウムの吸蔵・放出時の体積膨張により生じる応力の緩和、Siの微粉化による電気的孤立を防ぐ役割を果たし、優れた充放電サイクル特性が得られる。
Fe、Ni、Nb、Pd、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snといった添加元素を一種以上、合計量が0.05at.%〜5at.%含有し、結晶子サイズを制御することで、化合物相が微細Si相の周囲を取り囲み、Siの微粉化、Siへのリチウムの吸蔵・放出時の体積膨張により生じる応力を緩和し、電極の崩壊、Siの電気的孤立を防ぐ役割を果たす。
デバイス用Si系合金負極材料を提供できる極めて優れた効果を奏するものである。
リチウムイオン二次電池の充放電容量はリチウムの移動量で決まってくる。リチウムを多量に吸蔵・放出できる物質が求められている。そこで、負極材料にはリチウム金属を使用すれば一番効率が良いのだが、充放電に伴うデンドライドの形成により引き起こされる電池の発火など安全性に問題がある。そこで、現在はリチウムをより多く吸蔵・放出できる合金の研究が進んでおり、それら合金の中でもSiは多量にリチウムを吸蔵・放出できる物質として有望視されている。そのため、合金相の主要相としてSiを採用する。
イオン二次電池特性の改善が見込まれる。SiはSi相サイズが大きすぎると、内部のSi相までリチウムと反応せずに、Siのリチウムと反応しやすい表層から膨張し、亀裂が生じ、次に内部の未反応Si相が膨張し、また亀裂が生じるといったことを繰り返すSiの微粉化が引き起こされる。これにより、電極からSiが剥離・脱落したり、Siが集電体との接触を保てなくなることで、サイクルに伴う充放電容量の急激な低下が起こる。このことから、微分化が起こらないサイズまで微細組織にする必要があり、前記リチウムイオン二次電池用負極材料のSi相の結晶子サイズを30nm以下に制御するのが好ましい。より好ましくは、25nm以下であることが望ましい。特に、好ましくは10nm以下であることが望ましい。
できる。または、粉末X線回折を用いることによって確認することができる。X線源として波長1.54059ÅのCuKα線を用い、2θ=20度〜80度の範囲で測定を行う。得られる回折スペクトルにおいては、結晶子サイズが小さくなるにつれて、比較的ブロードな回折ピークが観測される。粉末X線回折分析で得られるピークの半値幅から、Scherrerの式を用いて求めることができる(D(Å)=(K×λ)/(β×cosθ)D:結晶子の大きさ、K:Scherrerの定数、λ:使用X線管球の波長、β:結晶子の大きさによる回折線の拡がり、θ:回折角)。
になる。SiとCuの金属間化合物の結晶子サイズを小さくすることで、金属間化合物の降伏応力を高めることや延性、靭性の向上が期待ができるため、膨張等の影響を受けた際に、亀裂の発生等を抑制し、良好なイオン伝導性、電子伝導性を確保できる。また、金属間化合物の結晶子サイズが小さくなることで大きな粒子よりもSi相とより大きな比表面積で接触し、Si相の体積膨張収縮による応力を効率良く吸収・緩和することが可能になる。さらに、Si相とより大きな比表面積で接触することで、リチウムイオン伝導性や電子伝導性パスが増え、よりスムーズな充放電反応を行うことが期待される。そのため、結晶子サイズを40nm以下に制御するのが好ましい。より好ましくは、20nm以下であることが望ましい。特に、好ましくは10nm以下であることが望ましい。
できる。または、粉末X線回折を用いることによって確認することができる。X線源として波長1.54059ÅのCuKα線を用い、2θ=20度〜80度の範囲で測定を行う。得られる回折スペクトルにおいては、結晶子サイズが小さくなるにつれて、比較的ブロードな回折ピークが観測される。粉末X線回折分析で得られるピークの半値幅から、Scherrerの式を用いて求めることができる(D(Å)=(K×λ)/(β×cosθ)D:結晶子の大きさ、K:Scherrerの定数、λ:使用X線管球の波長、β:結晶子の大きさによる回折線の拡がり、θ:回折角)。金属間化合物の結晶子サイズの制御については、原料粉末を溶解した後の凝固時の冷却速度の制御によって可能である。製造方法としては、水アトマイズ、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、遠心アトマイズ等があるが、この限りではない。また、上記プロセスで冷却効果が不十分な場合、メカニカルミリング等を行うことも可能である。ミリング方法としては、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ、振動ミル等があるが、この限りではない。
30〜80at.%含む場合、微細なSi相とSiCu3 相がより細かく共存した形でバランス良く晶出し、蓄電デバイス用Si系負荷材料として適した容量設計が可能になる。また、Cu量において、より好ましい範囲は31〜60at.%、さらに好ましくは32〜40at.%である。
Siと共晶合金を形成し微細Si相が得られること、Siよりも導電性がよく柔軟な金属間化合物を形成するCr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snといった添加元素を一種以上を更に含有させることができる。これらの添加により金属間化合物の結晶子サイズを制御することで、化合物相が微細Si相の周囲を取り囲み、Siの微粉化、Siへのリチウムの吸蔵・放出時の体積膨張により生じる応力を緩和し、電極の崩壊、Siの電気的孤立を防ぐ役割を果たす。
また、上記リチウムイオン二次電池負極材料を用いた電極において、結合性に優れるポリイミド系バインダーを含むことで、Cu等の集電体との密着性を高め、高容量を保持したまま、充放電サイクル特性を改善する効果が期待される。
表1〜2に示す組成のリチウムイオン二次電池用負極材料粉末を、以下に述べる水アト
マイズ、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、遠心アトマイズ等により作製した。単ロール急冷法である液体急冷法については、所定組成の原料を底部に細孔を設けた石英管内に入れ、Ar雰囲気中で高周波溶解して溶湯を形成し、この溶湯を回転する銅ロールの表面に出湯した後、銅ロールによる急冷効果によりSi相の結晶子サイズの微細化を図った急冷リボンを作製した。その後、作製した急冷リボンをジルコニア製あるいはSUS304製、SUJ2製のポット容器内にジルコニアボールあるいはSUS304ボール、SUJ2ボールとともにAr雰囲気中にて密閉し、粒子状に加工することを目的としたミリングを行った。ミリングに関しては、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ、振動ミル等が挙げられる。
上記負極の単極での電極性能を評価するために、対極にリチウム金属を用いた、いわゆ
る二極式コイン型セルを用いた。まず、負極活物質(Si−Cuなど)、導電材料(アセチレンブラック)を電子天秤で秤量し、分散液(N−メチルピロリドン)と共に混合スラリー状態とした後、集電体(Cu等)上に均一に塗布した。塗布後、真空乾燥機で減圧乾燥し溶媒を蒸発させた後、必要に応じてロールプレスした後、コインセルにあった形状に打ち抜いた。対極のリチウムも同様に金属リチウム箔をコインセルにあった形状に打ち抜いた。
サイズも30nm以下の条件を満足し、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下の条件を満足するため、本発明条件を満たしている。例えば、No.4では、Si主要相とSiとCuを含み、Siの結晶子サイズは5nmであり、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満たしている。かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが33nmであり、40nm以下の条件を満足する。上記のように本発明条件を満たし、放電容量が1174mAh/g、50サイクル後の放電容量維持率が80%と充放電容量とサイクル寿命のいずれも良好な特性を示した。
iの結晶子サイズは11nmであり、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満し、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが34nmであり、化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満足するため、本発明条件を満たしている。加えて、0.01at.%Cr、0.01at.%Ti、0.12at.%V、0.03at.%Mn、0.02at.%Fe、0.01at.%Ni、0.01at.%Nb、0.14at.%Zn、0.16at.%Al、0.11at.%Co、0.08at.%Bi、0.02at.%In、0.01at.%Sb、0.03at.%Snを含んでいる。上記のように本発明条件を満たし、放電容量が1137mAh/g、50サイクル後の放電容量維持率が74%と充放電容量とサイクル寿命のいずれも良好な特性を示した。
Claims (3)
- 充放電時にリチウムイオンの移動が伴う蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料で
あって、前記Si系合金からなる負極材料が、SiからなるSi主要相とSiとSi以外の一種以上の元素からなる化合物相を有し、前記化合物相が、SiとCuからなるSi X Cu Y (X<Y)化合物相を含んでなる相を有し、前記Si主要相のSi結晶子サイズが30nm以下であり、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料。 - 請求項1に記載した蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料において、前記合金中
のCu含有量が30〜80at.%であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料。 - 請求項1〜2に記載した蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料の前記化合物相に
、Cr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、合計含有量が0.05at.%〜5at.%であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料。
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