JP6366160B2 - 2次電池用負極活物質、これを含むリチウム2次電池、およびこれを含むリチウム2次電池用負極の製造方法 - Google Patents

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

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Description

本記載は、リチウム2次電池用負極活物質、これを含むリチウム2次電池、およびこれを含むリチウム2次電池用負極の製造方法に関する。
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伴って、既存のアルカリ水溶液を使用した電池より2倍以上の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。
このようなリチウム2次電池は、リチウムをインターカレーション(intercalation)およびデインターカレーション(deintercalation)することができる正極活物質を含む正極、およびリチウムをインターカレーションおよびデインターカレーションすることができる負極活物質を含む負極を含む電池セルに電解液を注入して使用される。
負極活物質として使用されるケイ素系物質は、リチウムを吸収貯蔵する時、結晶構造が変化してその体積(嵩)が膨張するという問題が発生する。体積の変化は亀裂を招いて活物質粒子の***を起こしたり、活物質と集電体との接触不良などを発生したりするため、電池の充放電サイクル寿命が短くなるという問題点を招く。
このため、ケイ素酸化物に対する研究が行われている。ケイ素酸化物は、ケイ素に比べて電池反応で膨張が少なく、安定した寿命を示すと報告されている。
しかし、ケイ素酸化物特有の低い伝導度および比表面積、そして充放電時に伴う膨張/収縮により、依然として電池性能で安定した寿命を示していない。
本発明は、電池の充放電時の体積変化を防止してサイクル寿命特性を向上させたリチウム2次電池用負極活物質を提供することを目的とする。
また、本発明は、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。
さらに、本発明は、前記負極活物質を含むリチウム2次電池用負極の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態は、下記式(1)で表される第1ケイ素酸化物と、
SiO (1)
(xは0<x<2の数)
下記式(2)で表され、前記第1ケイ素酸化物より粒径が小さい第2ケイ素酸化物、
SiO (2)
(yは0<y<2の数)
を含み、前記粒径はレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において累積体積が90体積%に該当する粒子の平均直径(D90)である、リチウム2次電池用負極活物質であって、
該負極活物質のレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3〜8である、リチウム2次電池用負極活物質を提供する。
前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3.5〜6であってもよい。
前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒径比(D90)は、1.2〜100であってもよい。
前記第1ケイ素酸化物の粒径(D90)は、6〜50μmであってもよく、前記第2ケイ素酸化物の粒径(D90)は、0.5〜5μmであってもよい。
前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の重量比は、1.8〜19であってもよい。
前記第1ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して65〜95重量%含まれてもよく、前記第2ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して5〜35重量%含まれてもよい。
前記第1ケイ素酸化物に対する前記第2ケイ素酸化物の比表面積比は、2〜50であってもよい。
前記第1ケイ素酸化物の比表面積は、1〜5m/gであってもよく、前記第2ケイ素酸化物の比表面積は、10〜50m/gであってもよい。
前記負極活物質の比表面積は、7〜11.5m/gであってもよい。
前記第1ケイ素酸化物の電気伝導度は、1.0×10−2〜1.0×10S/mであってもよく、前記第2ケイ素酸化物の電気伝導度は、1.0×10〜1.0×10S/mであってもよい。
前記負極活物質の電気伝導度は、1.0×10〜1.0×10S/mであってもよい。
前記負極活物質は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物から選択される少なくとも一つの表面にコーティングされるコーティング層をさらに含むことができ、前記コーティング層は、カーボン系物質、金属およびこれらの組み合わせから選択される物質を含むことができる。
本発明の他の一実施形態は、正極と、集電体と、前記集電体の上に形成される負極活物質層を含む負極と、前記正極および前記負極を含浸する電解液と、を含み、前記負極活物質層は、前記負極活物質およびバインダーを含む負極活物質層組成物を含むリチウム2次電池を提供する。
前記バインダーは、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリアリレート、ポリメチルエチルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、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、アクリレイテッドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンおよびこれらの組み合わせから選択される物質を含むことができる。
前記バインダーは、前記負極活物質層組成物総量に対して1〜30重量%含まれてもよく、具体的には5〜15重量%含まれてもよい。
前記負極活物質層組成物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物から選択される少なくとも一つの表面にコーティングされるコーティング層をさらに含むことができる。
前記第1ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して65〜95重量%含まれてもよく、前記第2ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して5〜35重量%含まれてもよい。
本発明のさらに他の一実施形態は、下記式(1)で表される第1ケイ素酸化物と、
SiO (1)
(xは0<x<2の数)
下記式(2)で表され、前記第1ケイ素酸化物よりも粒径が小さい第2ケイ素酸化物、
SiO (2)
(yは0<y<2の数)
を含み、前記粒径はレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において累積体積が90体積%に該当する粒子の平均直径(D90)である負極活物質、およびバインダーを混合して負極活物質層組成物を製造する段階、および
集電体の上に前記負極活物質層組成物を塗布する段階を含み、
該負極活物質のレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3〜8である、リチウム2次電池用負極の製造方法を提供する。
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。
本発明によれば、電池の充放電時の体積変化を防止してサイクル寿命特性を向上させたリチウム2次電池を実現することができる。
本発明の一実施形態によるリチウム2次電池の構造を示す概略図である。 実施例1による負極活物質の粒度分布グラフである。 実施例6による負極活物質の粒度分布グラフである。 比較例3による負極活物質の粒度分布グラフである。
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、後述する特許請求の範囲により定義される。
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、粒径(D90)が異なる2種のケイ素酸化物を含み、具体的には、第1ケイ素酸化物と該第1ケイ素酸化物よりもD90が小さい第2ケイ素酸化物が混合された形態である。
前記第1ケイ素酸化物は、下記式(1)で表され、
SiO (1)
前記第2ケイ素酸化物は、下記式(2)で表され、
SiO (2)
共に非晶質のSiO又はSiOの粒子形態であるか、またはSiO粒子内にSiOおよび/またはSi(例えば、結晶性Si)が分散している複合体(composite)形態を有してもよい。ここで、x、yは、互いに独立に、0<x、y<2の数であり、具体的には0.5<x、y<1.5であることが好ましい。
それぞれの粒子に対して考察すると、前記第1ケイ素酸化物の粒径(D90)は、6〜50μmであってもよく、好ましくは10〜20μmである。また、前記第2ケイ素酸化物の粒径(D90)は、前記第1ケイ素酸化物より小さく、好ましくは0.5〜5μmであり、より好ましくは1〜3μmである。また、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒径比(D90の比)は、1超100以下であってもよく、好ましくは1.2〜100、より好ましくは3.5〜20である。それぞれ前記粒径範囲または粒径比範囲を有する2種のケイ素酸化物が混合された形態を有する場合、大きい粒子の間に小さい粒子が存在する構造を有するようになることによって、電池の充放電時に膨張および収縮に伴う導電経路の***が防止され得、これによって、サイクル寿命特性に優れたリチウム2次電池を実現することができる。
前記粒径(D90)は、レーザー回折散乱法で測定される粒度分布で累積体積が90体積%に該当する粒子の平均直径を意味する。
前記第1ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物総量に対して65〜95重量%含まれてもよく、好ましくは75〜85重量%含まれる。また、前記第2ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物総量に対して5〜35重量%含まれてもよく、好ましくは15〜25重量%含まれる。また、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の重量比は、1.8〜19であってもよく、好ましくは3〜6である。粒径が異なる2種のケイ素酸化物がそれぞれ前記含量範囲または含量比範囲内に混合された形態を有する場合、充放電時に初期容量が減少されず、合剤密度が維持されて電解液含浸性が低下しないため、優れたサイクル寿命特性を得ることができる。
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、比表面積が互いに異なる2種のケイ素酸化物が混合された形態であってもよい。前記比表面積は、BET測定法で測定され得る。
それぞれの粒子に対して考察すると、前記第1ケイ素酸化物の比表面積は、1〜5m/gであってもよく、好ましくは2〜4m/gである。前記第1ケイ素酸化物の比表面積が前記範囲内である場合、電池の充放電時に初期容量が維持され、電池の体積変化が殆どないため、優れたサイクル寿命特性が維持され得る。
また、前記第2ケイ素酸化物の比表面積は、10〜50m/gであってもよく、好ましくは20〜45m/gである。前記第2ケイ素酸化物の比表面積が前記範囲内である場合、前記第1ケイ素酸化物と混合時、バインダー間の相互作用が活発に起きて大きい粒子、つまり、前記第1ケイ素酸化物の膨張および収縮に伴う導電経路の***を防止することができ、微粒子、つまり、前記第2ケイ素酸化物の膨張および収縮によるサイクル寿命特性の減少も防止することができる。
また、前記第1ケイ素酸化物に対する前記第2ケイ素酸化物の比表面積比は、2〜50であってもよく、好ましくは5〜22.5である。前記比表面積比の範囲を有する2種のケイ素酸化物を混合使用する場合、サイクル寿命特性に優れたリチウム2次電池を実現することができる。
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、電気伝導度が互いに異なる2種のケイ素酸化物が混合された形態であってもよい。
それぞれの粒子に対して考察すると、前記第1ケイ素酸化物の電気伝導度は、1.0×10−2〜1.0×10S/mであってもよく、好ましくは5.0×10−2〜5.0×10−1S/mであってもよい。前記第1ケイ素酸化物の電気伝導度が前記範囲内である場合、優れたサイクル寿命特性を維持することができる。
また、前記第2ケイ素酸化物の電気伝導度は、1.0×10〜1.0×10S/mであってもよく、具体的には5.0×10〜5.0×10S/mであってもよい。前記第2ケイ素酸化物の電気伝導度が前記範囲内である場合、前記第1ケイ素酸化物と混合時、バインダー間の相互作用が活発に起きて大きい粒子、つまり、前記第1ケイ素酸化物の膨張および収縮に伴う導電経路の***を防止することができ、微粒子、つまり、前記第2ケイ素酸化物の膨張および収縮によるサイクル寿命特性の減少も防止することができる。
本発明の負極活物質は、前記第1ケイ素酸化物及び前記第2ケイ素酸化物から選択される少なくとも一つの表面にコーティングされるコーティング層をさらに含むことができる。
前記コーティング層は、カーボン系物質、金属およびこれらの組み合わせの中から選択される一つの材料で形成され得る。
前記カーボン系物質は、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、非晶質炭素微分、コークス粉末、メソ相炭素、気相成長炭素繊維、ピッチベース炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維またはこれらの組み合わせを使用することができ、また、スクロース(sucrose)、フェノール樹脂、ナフタレン樹脂、ポリビニルアルコール、フルフリルアルコール(furfuryl alcohol)樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリアミド樹脂、フラン樹脂、セルロース樹脂、スチレン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂、クエン酸、ステアリン酸、ポリフルオロビニリデン、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンモノマー(EPDM)、スルホン化EPDM、デンプン、グルコース、ゼラチン、糖類、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、ポリ塩化ビニル、メソフェーズピッチ、タール、低分子量重質油またはこれらの組み合わせの前駆体から炭化して得られるものを使用することができる。
前記金属は、Al、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag、Snおよびこれらの組み合わせの中から選択される一つであってもよく、粉末または繊維形態の金属であってもよい。
上記で考察したように、一実施形態により粒径、比表面積、電気伝導度などが互いに異なる2種のケイ素酸化物が互いに混合された形態を有する負極活物質は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により粒度分布を測定することができる。
具体的には、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比が3〜8であり、好ましくは3.5〜6である。粒度分布ピークの面積比が前記範囲内である場合、優れたサイクル寿命特性を示すリチウム2次電池を実現することができる。これは微粒子である前記第2ケイ素酸化物とバインダーの間の相互作用が極大化され、微粒子が前記第1ケイ素酸化物の間を連結して膨張および収縮に伴う導電経路の***を防止した結果であり得る。該面積比は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により得られる負極活物質の粒度分布グラフにおいて、前記第2ケイ素酸化物のピークと、前記第1ケイ素酸化物のピークを、ピークデコンボリューションにより分離した後、夫々の積分値を求めて、計算することができる。
また、本発明の一実施形態による負極活物質は、7〜11.5m/gの比表面積であってもよく、好ましくは8〜11m/gである。前記負極活物質が前記範囲内の比表面積を有することによって、リチウム2次電池の優れたサイクル寿命特性を得ることができる。
また、前記負極活物質は、1.0×10〜1.0×10S/mの電気伝導度を有してもよく、好ましくは9.0×10〜9.0×10S/mである。前記負極活物質が前記範囲内の電気伝導度を有することによって、リチウム2次電池の優れたサイクル寿命特性を得ることができる。
本発明の他の一実施形態によれば、前記負極活物質を含むリチウム2次電池用負極を提供する。
前記負極は、集電体および前記集電体の上に形成される負極活物質層を含み、前記負極活物質層は、前記負極活物質およびバインダーを含む。
前記バインダーは、前記負極活物質粒子を互いに良好に付着させ、また前記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、有機系バインダーおよび水系バインダー共に使用され得る。その代表的な例として、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリアリレート、ポリメチルエチルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、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、アクリレイテッドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使用することができるが、これに限定されない。
前記バインダーは、前記負極活物質層組成物総量に対して1〜30重量%含まれてもよく、具体的には5〜15重量%含まれてもよい。前記バインダーが前記範囲内に含まれる場合、粒子間に結着力を付与し、負極活物質構造に安定性を付与する。このような構造的安定性は電池の優れた寿命に大きく寄与する。
前記負極活物質層は、導電材をさらに含むことができる。
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使用することができる。
本発明のさらに他の一実施形態によれば、前記負極活物質を含むリチウム2次電池用負極の製造方法を提供する。
前記負極は、前記第1ケイ素酸化物(SiO)、前記第2ケイ素酸化物(SiO)および前記バインダーを溶媒中で混合して負極活物質層組成物を製造した後、集電体の上に前記負極活物質層組成物を塗布して製造する。
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。
前記負極の製造時に使用される前記第1ケイ素酸化物と前記第2ケイ素酸化物は、それぞれ上述した種類を使用する。これによれば、前記第1ケイ素酸化物と前記第2ケイ素酸化物は、粒径、比表面積、電気伝導度などが互いに異なる範囲を有することができる。
前記第1ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して65〜95重量%で混合されてもよく、好ましくは75〜85重量%で混合される。また、前記第2ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して5〜35重量%で混合されてもよく、好ましくは15〜25重量%で混合される。前記第1ケイ素酸化物と前記第2ケイ素酸化物がそれぞれ前記含量範囲内に混合される場合、リチウムイオンの充放電時に初期容量が減少せず、合剤密度が維持されて電解液含浸性が低下しないため、優れたサイクル寿命特性を得ることができる。
前記負極活物質層組成物は、カーボン系物質、金属およびこれらの組み合わせの中から選択される一つをさらに混合して製造することができ、これから前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の中の少なくとも一つの表面にコーティング層が形成され得る。
前記負極活物質層は、導電材をさらに混合して製造することもできる。
本発明のさらに他の一実施形態は、前記負極を含むリチウム2次電池を提供し、これは図1を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるリチウム2次電池を示す概略図である。
図1を参照すると、本発明の一実施形態によるリチウム2次電池100は、正極114と、正極114と対向する負極112と、正極114と負極112の間に配置されているセパレータ113と、正極114、負極112およびセパレータ113を含浸する電解液(図示せず)とを含む電池セル、前記電池セルを含んでいる電池容器120、および前記電池容器120を密封する密封部材140を含む。
前記負極112は、上述した通りである。
前記正極114は、集電体および前記集電体に形成される正極活物質層を含む。前記正極活物質層は、正極活物質、バインダーおよび選択的に導電材を含む。
前記集電体としては、Al(アルミニウム)を使用することができるが、これに限定されない。
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、下記の化学式のうちのいずれか一つで表される化合物を使用することができる:
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、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、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、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、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、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、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、0<α<2である);LiNi(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0.001≦d≦0.1である);LiNiCoMnGeO(上記式中、0.90≦a≦1.8、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、0.001≦e≦0.1である);LiNiG(上記式中、0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1である);LiCoG(上記式中、0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1である);LiMnG(上記式中、0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1である);LiMn(上記式中、0.90≦a≦1.8、0.001≦b≦0.1である);QO;QS;LiQS;V;LiV;LiIO;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;B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;F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;I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ってもよい。
もちろん、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。このコーティング層は、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およびコーティング元素のヒドロキシカーボネートからなる群より選択される少なくとも一つのコーティング元素化合物を含むことができる。これら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もよい。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、また正極活物質を集電体に良好に付着させる役割を果たし、具体的な例としては、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、アクリレイテッドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどが挙げられるが、これに限定されない。
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、金属繊維などを使用することができ、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。
前記正極114は、活物質、導電材およびバインダー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。
前記電解液は、非水性有機溶媒とリチウム塩を含む。
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、アルコール系および非陽子性溶媒から選択され得る。
前記カーボネート系溶媒としては、例えばジメチルカーボネート(dimethyl carbonate、DMC)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate、DEC)、ジプロピルカーボネート(dipropyl carbonate、DPC)、メチルプロピルカーボネート(methylpropyl carbonate、MPC)、エチルプロピルカーボネート(ethylpropyl carbonate、EPC)、メチルエチルカーボネート(methylethyl carbonate、MEC)、エチルメチルカーボネート(ethylmethyl carbonate、EMC)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate、EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate、PC)、ブチレンカーボネート(butylene carbonate、BC)などが使用され得る。
特に、鎖状カーボネート化合物および環状カーボネート化合物を混合して使用する場合、誘電率を高めると同時に粘性が小さい溶媒に製造されることができてよい。この場合、環状カーボネート化合物および鎖状カーボネート化合物は、約1:1〜1:9の体積比に混合して使用することができる。
また、前記エステル系溶媒としては、例えばメチルアセテート、酢酸エチル、n−プロピルアセテート、ジメチルアセテート、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(decanolide)、バレロラクトン、メバロノラクトン(mevalonolactone)、カプロラクトン(caprolactone)などが使用され得る。前記エーテル溶媒としては、例えばジブチルエーテル、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が使用され得、前記ケトン系溶媒としては、シクロヘキサノンなどが使用され得る。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が使用され得る。
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る。
前記非水性電解液は、エチレンカーボネート、ピロカーボネートなどの過充電防止剤のような添加剤をさらに含むこともできる。
前記リチウム塩は、有機溶媒に溶解され、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。
前記リチウム塩の具体的な例としては、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiN(SO、LiCSO、LiClO、LiAlO、LiAlCl、LiN(C2x+1SO)(CF2y+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ラトボレート(lithiumbis(oxalato)borate;LiBOB)、またはこれらの組み合わせが挙げられる。
前記リチウム塩の濃度は、約0.1M〜約2.0M範囲内で使用することがよい。リチウム塩の濃度が前記範囲に含まれる場合、電解液が適切な伝導度および粘度を有するため、優れた電解液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、単一膜または多層膜であってもよく、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデンまたはこれらの組み合わせにより形成され得る。
<実施例>
以下、本発明の具体的な実施例を提示する。ただし、以下に記載された実施例は、本発明を具体的に例示または説明するためのものに過ぎず、これによって本発明が制限されてはならない。
粒径(D90)が11.4μmであり、比表面積が3.2m/gであり、電気伝導度が6.5×10−2S/mであり、式SiO1.1で表される第1ケイ素酸化物粉末(A)72重量%(負極活物質総量基準)と、粒径(D90)が2.1μmであり、比表面積が39.2m/gであり、電気伝導度が10×10S/mであり、式SiO1.1で表される第2ケイ素酸化物粉末(B)18重量%(負極活物質総量基準)とを混合した。ここに、ポリイミド10重量%(負極活物質総量基準)を添加し、N−メチルピロリドンを混合してスラリー状態の負極活物質層組成物を製造した。前記負極活物質層組成物を厚さ15μmの銅箔にコーティングした後、ローラプレスにより電極を加圧成形して110℃条件で2時間真空乾燥した。乾燥された極板を1.33cm大きさに切断して負極を製造した。
前記負極の対極(counter electrode)としては、金属リチウムを使用してコインタイプの半電池を作製した。この時、電解液としては、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジエチルカーボネート(DEC)の混合体積比が3:2:5であり、LiBF0.2体積%、フルオロエチレンカーボネート(FEC)5体積%である混合溶液に1.15MのLiPFが溶解されたものを使用した。
実施例1で使用した第2ケイ素酸化物粉末(B)の代わりに、粒径(D90)が2.3μmであり、比表面積が30.7m/gであり、電気伝導度が5.3×10S/mであり、式SiO1.1で表される第2ケイ素酸化物粉末(B)を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
実施例1で使用した第2ケイ素酸化物粉末(B)の代わりに、粒径(D90)が1.5μmであり、比表面積が42.3m/gであり、電気伝導度が3.1×10S/mであり、式SiO1.1で表される第2ケイ素酸化物粉末(B)を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
実施例1で使用した第2ケイ素酸化物粉末(B)の代わりに、粒径(D90)が2.9μmであり、比表面積が24.3m/gであり、電気伝導度が5.02×10S/mであり、式SiO1.1で表される第2ケイ素酸化物粉末(B)を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
粒径(D90)が15.1μmであり、比表面積が2.32m/gであり、電気伝導度が3.5×10−2S/mである第1ケイ素酸化物粉末(A)72重量%(負極活物質総量基準)と、粒径(D90)が2.3μmであり、比表面積が30.7m/gであり、電気伝導度が5.3×10S/mであり、式SiO1.1で表される第2ケイ素酸化物粉末(B)18重量%(負極活物質総量基準)とを混合したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
粒径(D90)が19.6μmであり、比表面積が2.10m/gであり、電気伝導度が1.2×10−2S/mである第1ケイ素酸化物粉末(A)72重量%(負極活物質総量基準)と、粒径(D90)が2.3μmであり、比表面積が30.7m/gであり、電気伝導度が5.3×10S/mであり、式SiO1.1で表される第2ケイ素酸化物粉末(B)18重量%(負極活物質総量基準)とを混合したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
〔比較例1〕
実施例1で使用した第2ケイ素酸化物粉末(B)の代わりに、粒径(D90)が5.4μmであり、比表面積が3.3m/gであり、電気伝導度が8.9×10−7S/mであるケイ素酸化物粉末(b)を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
〔比較例2〕
実施例1で使用した第2ケイ素酸化物粉末(B)の代わりに、粒径(D90)が8.1μmであり、比表面積が2.8m/gであり、電気伝導度が8.8×10−7S/mであるケイ素酸化物粉末(b)を使用したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
〔比較例3〕
粒径(D90)が31.9μmであり、比表面積が0.2m/gであり、電気伝導度が2.6×10−7S/mである酸化物粉末(a)72重量%(負極活物質総量基準)と、粒径(D90)が2.3μmであり、比表面積が30.7m/gであり、電気伝導度が5.3×10S/mである酸化物粉末(b)18重量%(負極活物質総量基準)とを混合したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
〔比較例4〕
粒径(D90)が55.3μmであり、比表面積が0.08m/gであり、電気伝導度が1.3×10−7S/mであるケイ素酸化物粉末(a)72重量%(負極活物質総量基準)と、粒径(D90)が2.3μmであり、比表面積が30.7m/gであり、電気伝導度が5.3×10S/mであるケイ素酸化物粉末(b)18重量%(負極活物質総量基準)とを混合したことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
〔比較例5〕
実施例1で第2ケイ素酸化物粉末(B)を使用しなかったことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
〔比較例6〕
実施例1で第1ケイ素酸化物粉末(A)を使用しなったことを除いては、実施例1と同様な方法で半電池を作製した。
前記実施例1〜6および比較例1〜6で使用されたケイ素酸化物粉末の特徴を下記表1−1、1−2に示した。
Figure 0006366160
Figure 0006366160
[評価1:負極活物質の粒度分布グラフの分析]
実施例1〜6および比較例1〜6で製造された負極活物質に対し、レーザー回折散乱式粒度分布測定法で粒度分布を測定して図2〜4に示すようなグラフを得、これからA/B、またはa/bの粒度分布ピークの面積比を求めて下記表2−1、2−2に示した。
Figure 0006366160
Figure 0006366160
図2〜図4は、それぞれ実施例1および6と比較例3による負極活物質の粒度分布グラフである。
図2〜図4および前記表2を参照すると、実施例1〜6の場合、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3〜8の範囲を満足することが分かる。
[評価2:負極活物質の比表面積の分析]
実施例1〜6および比較例1〜6で製造された負極活物質に対し、BET測定法で比表面積を測定してその結果を下記表3−1、3−2に示した。
Figure 0006366160
Figure 0006366160
前記表3から、実施例1〜6の負極活物質の比表面積が7〜11.5m/g範囲を満足して最適化した比表面積を得ることが分かる。
[評価3:負極活物質の電気伝導度の分析]
実施例1〜6および比較例1〜6で製造された負極活物質に対し、4 pin probe粉体抵抗測定法で電気伝導度を測定してその結果を下記表4−1、4−2に示した。
Figure 0006366160
Figure 0006366160
前記表4から、実施例1〜6の負極活物質の電気伝導度が1.0×10〜1.0×10S/m範囲を満足して最適化した電気伝導度を得ることが分かる。
[評価4:リチウム2次電池の充放電特性評価]
前記実施例1〜6および比較例1〜6でそれぞれ作製されたリチウム2次電池の充放電特性を次のような方法で測定してその結果を下記表5に示した。
充電はCCモードで0.05C(1C=1200mAh)で0.005Vまで充電した。
初期効率(%)は、初期充電容量に対する初期放電容量の百分率値である。
容量維持率(%)は、初期放電容量に対する50サイクル時の放電容量の百分率値である。
Figure 0006366160
前記表5から、実施例1〜6が比較例1〜6に比べてサイクル寿命特性に優れていることを確認することができる。
以上で、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
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 (15)

  1. 下記式(1)で表される第1ケイ素酸化物と、
    SiO (1)
    (xは0<x<2の数)
    下記式(2)で表され、前記第1ケイ素酸化物より粒径が小さい第2ケイ素酸化物、
    SiO (2)
    (yは0<y<2の数)
    を含み、前記粒径はレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において累積体積が90体積%に該当する粒子の平均直径(D90)である、リチウム2次電池用負極活物質であって、
    該負極活物質のレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3〜8であり、
    前記第1ケイ素酸化物の比表面積は、2.13.2/gであり、
    前記第2ケイ素酸化物の比表面積は、24.342.3/gであり、
    前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒径(D90)の比は、3.93〜8.52であり、
    前記第1ケイ素酸化物の粒径(D90)は、11.419.6μmであり、
    前記第2ケイ素酸化物の粒径(D90)は、1.52.9μmであり、
    前記第1ケイ素酸化物の電気伝導度は、1.2×10−26.5×10 −2 S/mであり、
    前記第2ケイ素酸化物の電気伝導度は、5.02×10〜3.1×10 S/mである、
    リチウム2次電池用負極活物質。
  2. 前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3.5〜6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。
  3. 前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の重量比は、1.8〜19である、請求項1または2に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  4. 前記第1ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して65〜95重量%含まれ、
    前記第2ケイ素酸化物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物の総量に対して5〜35重量%含まれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  5. 前記第1ケイ素酸化物に対する前記第2ケイ素酸化物の比表面積比は、2〜50である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  6. 前記負極活物質の比表面積は、7〜11.5m/gである、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  7. 前記負極活物質の電気伝導度は、1.0×10〜1.0×10S/mである、請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  8. 前記負極活物質は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物から選択される少なくとも一つの表面に施与されたコーティング層をさらに含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  9. 前記コーティング層は、カーボン系物質、金属およびこれらの組み合わせから選択される物質を含む、請求項8に記載のリチウム2次電池用負極活物質。
  10. 正極と、
    集電体および前記集電体の上に形成される負極活物質層を含む負極と、
    前記正極および前記負極を含浸する電解液とを含み、
    前記負極活物質層は、請求項1〜9のいずれか1項に記載の負極活物質およびバインダーを含む負極活物質層組成物を含む、リチウム2次電池。
  11. 前記バインダーは、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリアリレート、ポリメチルエチルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、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、アクリレイテッドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンおよびこれらの組み合わせから選択される物質を含む、請求項10に記載のリチウム2次電池。
  12. 前記バインダーは、前記負極活物質層組成物総量に対して1〜30重量%含まれる、請求項10又は11に記載のリチウム2次電池。
  13. 前記バインダーは、前記負極活物質層組成物総量に対して5〜15重量%含まれる、請求項12に記載のリチウム2次電池。
  14. 前記負極活物質層組成物は、前記第1ケイ素酸化物および前記第2ケイ素酸化物から選択される少なくとも一つの表面に施与されたコーティング層をさらに含む、請求項10〜13のいずれか1項に記載のリチウム2次電池。
  15. 下記式(1)で表される第1ケイ素酸化物と、
    SiO (1)
    (xは0<x<2の数)
    下記式(2)で表され、前記第1ケイ素酸化物よりも粒径が小さい第2ケイ素酸化物、
    SiO (2)
    (yは0<y<2の数)
    を含み、前記粒径はレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において累積体積が90体積%に該当する粒子の平均直径(D90)である負極活物質、およびバインダーを混合して負極活物質層組成物を製造する段階、および
    集電体の上に前記負極活物質層組成物を塗布する段階を含み、
    該負極活物質のレーザー回折散乱法で測定される粒度分布において、前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒度分布ピークの面積比は、3〜8であり、
    前記第1ケイ素酸化物の比表面積は、2.13.2/gであり、
    前記第2ケイ素酸化物の比表面積は、24.342.3/gであり、
    前記第2ケイ素酸化物に対する前記第1ケイ素酸化物の粒径(D90)の比は、3.93〜8.52であり、
    前記第1ケイ素酸化物の粒径(D90)は、11.419.6μmであり、
    前記第2ケイ素酸化物の粒径(D90)は、1.52.9μmであり、
    前記第1ケイ素酸化物の電気伝導度は、1.2×10−26.5×10 −2 S/mであり、
    前記第2ケイ素酸化物の電気伝導度は、5.02×10〜3.1×10 S/mである、
    リチウム2次電池用負極の製造方法。
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