JP2012146479A - リチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、導電性物質は、1×103S/cm以上の導電率を有し、電解質層は、無機固体電解質を含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
【選択図】なし
Description
これに対し、スズ、アルミニウム、ケイ素又はインジウムを負極に用いた全固体リチウム電池が開発されている(特許文献2参照)。
しかしながら、スズ及びケイ素は導電性が低いために、特許文献2に記載の負極合材と、硫化リチウム−五硫化二リンからなる固体電解質を用いた電池では、充電挙動が不安定であった。その結果、充放電の可逆効率が低くなるという欠点があった。
一方、アルミニウム及びインジウムは、理論容量が炭素の理論容量と比較してそれほど高くないという欠点があった。
1.負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、前記負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、前記負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、前記導電性物質は、1×103S/cm以上の導電率を有し、前記電解質層は、無機固体電解質を含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
2.負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、前記負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、前記負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、前記導電性物質は、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン、亜鉛のうち、少なくとも1つを構成元素とし、
前記電解質層は、無機固体電解質を含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
3.負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、前記負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、前記負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、前記負極材料の圧縮粉体は、1.0×10−7S/cm以上の導電率を有し、前記電解質層は、無機固体電解質を含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
4.前記導電性物質がニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び鉛のうち、少なくとも1つを構成元素とする1又は3記載のリチウムイオン電池。
5.前記導電性物質に、前記導電性物質と異なるリン、ホウ素及びクロムの少なくとも1つを添加した1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
6.前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子がシリコン及びスズのうち、少なくとも1つを構成元素とする1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
7.前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子の平均粒径が0.01〜200μmである1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
8.前記固体電解質が硫化物系固体電解質である1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
9.前記負極材料が、前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子を、前記導電性物質のイオンを含有するめっき浴中で無電解めっきすることにより得られる、1〜8のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
以下、本発明のリチウムイオン電池を構成する材料について説明する。
負極層は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子、及びこの負極活物質粒子の表面に付着した導電性物質からなる負極材料と固体電解質を含有する。
(1)リチウムイオン電池用負極活物質粒子
本発明で使用するリチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上である。理論容量が800mAh/g以上であることにより、エネルギー密度が大きなリチウムイオン電池を得ることができる。理論容量は、好ましくは1500mAh/g以上である。理論容量が1500mAh/g以上であると、より高エネルギー密度であるリチウム電池が得られる。
ここで、リチウムイオン電池用負極活物質粒子の平均粒子径は、走査型電子顕微鏡観察、透過型電子顕微鏡観察およびレーザー回折式粒度分布測定法によって測定する。
本発明で使用する導電性物質は、1×103S/cm以上の導電率を有する。導電性物質の導電率が1×103S/cm以上であれば、固体電解質を用いた電池の充電挙動が安定化し、充放電の可逆効率を向上させることが出来る。導電性物質の導電率は、好ましくは1×105S/cm以上である。
添加物質の添加量は、導電性物質と添加物質の重量比で、99.99:0.01〜85:15の割合であることが好ましい。添加物質の割合が0.01重量%未満である場合、及び15重量%を超える場合は、導電性物質の力学強度が向上しないおそれがある。
本発明の負極材料は、上述したリチウムイオン電池用負極活物質粒子の表面に導電性物質が付着した形態を有する粒子である。
付着の形態は特に限定はなく、どのような形態でもよい。例えば、導電性物質が被膜層として負極活物質粒子の全面又は一部を被覆していてもよく、電性物質が粒子形状で負極活物質に接合していてもよい。
湿式めっき法としては、無電解めっき法、電気めっき法が採用でき、乾式めっき法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、PVD法等が採用できる。これらの各方法の具体的な条件については特に限定はなく、目的とする導電性物質が所望の付着状態となるように、常法に従って適宜条件を選定すればよい。
一例として、無電解めっき法により、負極活物質粒子であるシリコン粒子やスズ粒子に、導電性物質であるニッケルを付着させた例について説明する。
はじめに、ニッケルのめっき浴を用意する。めっき浴には、硫酸ニッケル、ロシェル塩等を含有させるのがよい。また、シリコン粒子やスズ粒子を懸濁させることが可能な撹拌手段を設けることが好ましい。
めっき速度を制御する点から、めっき浴のpHを13以下、めっき浴におけるシリコン粒子やスズ粒子の濃度を1〜1000g/L程度、硫酸ニッケルの濃度は1mg/L〜20g/L程度、めっき浴の温度を室温から90℃にすることが好ましい。
上記のめっき浴にて負極活物質粒子にニッケルをめっきする。その後、常法にて洗浄、乾燥して負極材料を得ることができる。
尚、ニッケルの変わりに、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、ルテニウム、ベリリウムモリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン、亜鉛を用いてもよい。
ここで、負極材料の圧縮粉体とは、負極材料を圧縮したものを意味する。
また、負極材料の圧縮粉体の導電率は、負極材料を圧縮しつつ負極材料の抵抗を測定し、抵抗値が一定になったときの、負極材料の圧縮粉体の導電率を意味する。
本発明において、負極層は負極材料と固体電解質を含有する。負極層における負極材料と固体電解質の混合比(質量比)は95:5〜30:70であることが好ましく、特に、85:15〜40:60であることが好ましい。
尚、負極層は、負極材料と固体電解質のみからなっていてもよく、他の部材、例えば、導電助剤、結着剤、他の負極活物質等を含有していてもよい。
また、Li2O−B2O3−P2O5系、Li2O−B2O3−ZnO系、Li2O−Al2O3−SiO2−P2O5−TiO2系の酸化物系非晶質固体電解質、Li2S−P2S5系、LiI−Li2S−P2S5系、Li3PO4−Li2S−Si2S系等の硫化物系非晶質固体電解質、及び、これらを結晶化させた結晶性固体電解質や、LiPO4−Li2S−SiS等のような金属酸化物と硫化物が混合された非晶質電解質、及びこれらを結晶化させた電解質等も好ましい。
硫化物系固体電解質は、硫黄、リン及びリチウムのみからなるものの他、Al、B、Si、Ge等を含む他の物質を含んでいてもよい。
原材料としては、硫化リチウム(Li2S)と五硫化二燐(P2S5)、又は硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄、さらには硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び/又は単体硫黄から生成するリチウムイオン伝導性無機固体物質が挙げられる。
尚、イオン伝導性の観点からは、結晶性の固体電解質が好ましい。
さらに、溶剤を用いてスラリーを作製した場合、0.01μm未満にまで微粒化したものを分散すると、表面活性の高さから、再凝集を起こしやすくなる。
一方、平均粒子径が50μmを越えると、上述した負極材料と混合して負極層を形成する際、負極材料の粒子径に比べて大きくなるため、リチウムイオンの導電パスは形成できるものの、活物質間の距離が遠くなり活物質間での電子伝導パスが阻害されるおそれがある。その結果、電池としての内部抵抗が高くなり、充放電特性に悪影響を与える場合がある。
レーザー回折式粒度分布測定装置がMalvern Instruments Ltd社製マスターサイザー2000である場合の測定例は以下の通りである。
まず、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン(和光純薬製、製品名:特級)110mlを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール(和光純薬製、特級)を6%添加する。ここで、トルエンに分散剤を添加するのは、固体電解質含有組成物内の「凝集している固体電解質粒子」を一次粒子にする(分散させる)ためではなく、測定する固体電解質含有組成物内の固体電解質粒子が凝集しないようにするためである。
上記混合物を十分混合した後、固体電解質含有組成物を添加して粒子径を測定する。固体電解質含有組成物の添加量は、マスターサイザー2000で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内(10〜20%)に収まるように加減して加える。この範囲を超えると多重散乱が発生し、正確な粒子径分布を求めることができなくなるおそれがある。また、この範囲より少ないとSN比が悪くなり、正確な測定ができないおそれがある。マスターサイザー2000では、固体電解質含有組成物の添加量に基き、レーザー散乱強度が表示されるので、上記レーザー散乱強度に入る添加量を見つけるとよい。
固体電解質含有組成物の添加量は組成物の濃度によって最適量は異なるが、概ね10μL〜200μL程度である。
電解質層は、特に限定はなく、本技術分野において公知の電解質が使用できる。具体例としては、上述した負極層で使用する固体電解質と同様なものが挙げられる。
正極層は、正極活物質、又は正極活物質と無機固体電解質からなる合材からなる層が使用できる。正極活物質と無機固体電解質の混合の割合について、正極活物質は、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質と正極活物質の総量に対して、20〜90質量%の範囲で混合されることが好ましい。
また、酸化物系では、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4、LiMn2O4)、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)や、ニッケル−マンガン系酸化物(LiNi0.5Mn0.5O2)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム系複合酸化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン系複合酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2)等が使用できる。
特に単体硫黄や硫化リチウムの使用が好適である。
これらの物質は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。尚、上記、硫化物系と酸化物系を混合して用いることも可能である。
尚、上記の他にはセレン化ニオブ(NbSe3)が使用できる。
リチウム金属層の形成は、リチウム金属箔を正極層、又は負極層に貼り付けることで形成してもよく、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、PVD法等でリチウム金属層を形成してもよい。
例えば、負極層にリチウム金属箔を貼り付けることで、正極にリチウム供給源を形成する必要がなくなる。
また、接合面にイオン伝導性を有する活物質や、イオン伝導性を阻害しない接着物質を介して接合してもよい。接合においては、固体電解質の結晶構造が変化しない範囲で加熱融着してもよい。
実施例1、実施例2及び比較例1について説明する。尚、無電解めっきによる負極材料の調製を除き、以下のリチウム電池を構成する正極層、負極層、電解質層等の電池部材及びリチウム電池の製造は、全て露点−40℃以下のドライルーム中、又はグローブボックス内で行った。
(1)固体電解質の調製
固体電解質は以下の方法で得た。国際公開WO2005/40039号に記載された方法に従い製造された高純度Li2S0.6508g(0.01417mol)と、P2S5(アルドリッチ製)1.3492g(0.00607mol)をよく混合し、混合粉末をアルミナ製ポットに投入し完全密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付けた。はじめに、出発原料を十分に混合するために数分間低速回転(85rpm)でミリングを行った。その後、徐々に回転数を上げ370rpmとし、20時間メカニカルミリングを行った。
X線測定により、得られた粉末がガラス化していることを確認した。次に、この粉末を300℃で2時間熱処理して固体電解質を得た。
イオン伝導度を交流インピーダンス法(測定周波数100Hz〜15MHz)により測定したところ、室温で1.0×10−3S/cmであった。
0.2M硫酸50mLに硫酸ニッケル六水和物(Wako)0.070gを溶解させ、めっき液を調製した。目開き26μmのふるいにかけたケイ素(Si)粉末(Wako、理論容量:4200mAh/g)0.140gをめっき液中に投入し、回転子を入れ常温にてマグネチックスターラーにて500rpmで撹拌した。
還元剤である水素化ホウ素ナトリウム(Wako)0.50gを、純水50mlに溶解させ、この水素化ホウ素ナトリウム水溶液を上記めっき液中に加えて3分間撹拌を続けた。
終了後、吸引ろ過し残留物を純水で洗浄した。常温で12時間真空乾燥して、Ni/Si負極材料を調製した。
尚、ふるい分けしたケイ素粉末の平均粒子径をレーザー回折式粒度分布測定装置(シスメックス社製、型番:マスターサイザー2000)で測定した結果、13μmであった。
例えば、Niが被覆されたSi粒子の圧縮粉体の導電率は6.3×10−5S/cmである。
Niが被覆されたSi粒子の圧縮粉体の導電率の測定方法を図1〜3に示す。
図1に示すように、底部が加圧手段2となっているステンレス製の円筒容器1(直径1cm、高さ6cm)に、Niが被覆されたSi粒子の粉体(Niコートした粉末3)2gを入れ(図2)、円筒容器1の上部及び下部から加圧手段2,2’により圧力をかけつつ、2端子法によりNiコートした粉末3の抵抗を測定する(図3)。
Niコートした粉末3の抵抗値が一定になるまで加圧する。また、このときの圧縮粉体の厚みを測定する。
その上で、下記式(1)に従い、導電率を求めた。
式(1)
σ=L/(R・S)
σ:導電率(S/cm)
L:圧縮粉体の厚み(cm)
R:抵抗値(Ω)
S:円筒容器の断面積(cm2)
(a)負極合材
負極材料(負極活物質)として、上記(2)で調製したNi/Si負極材料を用いた。この負極材料と上記(1)で調製した固体電解質を質量比70:30で混合しこれを負極層の材料(負極合材)とした。
硫黄(Aldrich、純度99.998%)0.500gと炭素(ライオン、ケッチェンブラック(KB)EC600JD)0.214gを乳鉢で混合した後、硫黄炭素の混合物を密閉性のステンレス容器に入れ、電気炉にて加熱処理した。加熱条件は室温から10℃/分にて150℃まで昇温し、150℃で6時間保持した後、300℃まで10℃/分で昇温し、2.75時間保持、その後自然冷却した。
得られた硫黄と炭素の複合体と上記(1)で調製した固体電解質粉末を、質量比50:50で混合し、遊星型ボールミル(フリッチュ製:型番P−7)でアルゴン中、室温(25℃)にて、回転速度を370rpmとし、5時間メカニカルミリング処理することで正極合材とした。
上記(1)で調製した固体電解質60mgを直径10mmのセラミック製の円筒に投入し、加圧成型して電解質層(電解質シート)とし、さらに上記で調整した正極合材を6.9mg投入し加圧成型した。正極合材とは反対側から上記負極合材5.0mg投入しさらに加圧成型した。リチウム源として、リチウム箔(本庄金属製)1.81mgを負極合材側に貼合し加圧成型することで、四層構造のリチウムイオン電池を作製した。
(1)無電解めっきによる負極材料(Ni−P/Si)の調製
0.2M硫酸(Wako)50mLに硫酸ニッケル六水和物(Wako)0.070gを溶解させ、さらに錯化剤であるクエン酸ナトリウム二水和物(Wako)0.014gを溶解させることにより、めっき液を調製した。
実施例1と同様に、目開き26μmのふるいにかけたSi粉末(Wako、平均粒子径:13μm)0.140gめっき液に投入し、回転子を入れ、マグネチックスターラーで500rpmの速度で撹拌しながら70℃まで加熱した。
リン源である次亜リン酸ナトリウム一水和物(Wako)0.05gを純水30mLに溶解させ、次亜リン酸ナトリウム水溶液を調製した。また、還元剤である水素化ホウ素ナトリウム(Wako)0.05gを、純水20mLに溶解させ、水素化ホウ素ナトリウム水溶液を調製した。次亜リン酸ナトリウム水溶液と水素化ホウ素ナトリウム水溶液をそれぞれ上記めっき液中に加え、70℃で1時間撹拌を続けた。
終了後、吸引ろ過し残留物を純水で洗浄し、常温で12時間真空乾燥して、Ni−P/Si負極材料を調製した。
例えば、Ni−Pが被覆されたSi粒子の圧縮粉体の導電率は6.3×10−7S/cmである。
尚、Ni−Pが被覆されたSi粒子の圧縮粉体の導電率の測定方法は、Niが被覆されたSi粒子の圧縮粉体の導電率の測定方法と同じである。
正極合材は実施例1と同じものを用いた。
負極活物質として上記(1)で調製したNi−P/Si負極材料を用いた。この負極材料と実施例1と同じ固体電解質を質量比70:30で混合し、これを負極合材とした。
上記実施例1(1)で調製した固体電解質60mgを直径10mmのセラミック製の円筒に投入し、加圧成型して電解質層(電解質シート)とし、さらに上記正極合材を6.9mg投入し加圧成型した。正極合材とは反対側から上記(1)で調製した負極合材4.3mg投入しさらに加圧成型した。リチウム源として、リチウム箔(本庄金属製)2.1gを負極合材側に貼合し加圧成型することで、四層構造のリチウムイオン電池を作製した。
・リチウムイオン電池の作製
正極合材は実施例1と同じものを用いた。
負極活物質として目開き26μmのふるいにかけたSi粉末を用いた。この負極活物質と上記実施例1(1)で調製した固体電解質を質量比70:30で混合しこれを負極合材とした。
上記実施例1(1)で調製した固体電解質60mgを直径10mmのセラミック製の円筒に投入し、加圧成型して電解質層(電解質シート)とし、さらに上記で調製した正極合材を6.9mg投入し加圧成型した。正極合材とは反対側から上記負極合材4.3mg投入しさらに加圧成型した。リチウム源として、リチウム箔(本庄金属製)2.1gを負極合材側に貼合し加圧成型することで、四層構造のリチウムイオン電池を作製した。
具体的に、リチウムイオン電池を充放電速度0.1Cで電圧が0.6Vになるまで放電し、その後、0.2Cで2.65Vまで定電流(CC)充電し、その電圧で電流が50.93μA/cm2となるまで定電圧(CV)充電した。このときの負極活物質当りの充電容量Q1(mAh/g)を求めた。引き続き、0.2Cで電圧が0.6Vになるまで放電し、負極活物質当りの放電容量Q2(mAh/g)を求めた。この充放電容量より可逆効率Q2/Q1を算出した。
表1に充電容量Q1、放電容量Q2、可逆効率Q2/Q1を示す。
2 加圧手段
3 NiコートしたSi粉末
Claims (9)
- 負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、
前記負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、
前記負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、
前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、
前記導電性物質は、1×103S/cm以上の導電率を有し、
前記電解質層は、無機固体電解質を含む
ことを特徴とするリチウムイオン電池。 - 負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、
前記負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、
前記負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、
前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、
前記導電性物質は、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン、亜鉛のうち、少なくとも1つを構成元素とし、
前記電解質層は、無機固体電解質を含む
ことを特徴とするリチウムイオン電池。 - 負極層と電解質層と正極層を有するリチウムイオン電池であって、
前記負極層は、負極材料と固体電解質とを含み、
前記負極材料は、リチウムイオン電池用負極活物質粒子とこのリチウムイオン電池用負極活物質粒子表面に付着した導電性物質とを有し、
前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子は、理論容量が800mAh/g以上であり、
前記負極材料の圧縮粉体は、1.0×10−7S/cm以上の導電率を有し、
前記電解質層は、無機固体電解質を含む
ことを特徴とするリチウムイオン電池。 - 前記導電性物質がニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び鉛のうち、少なくとも1つを構成元素とする請求項1又は3記載のリチウムイオン電池。
- 前記導電性物質に、前記導電性物質と異なるリン、ホウ素及びクロムの少なくとも1つを添加した請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
- 前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子がシリコン及びスズのうち、少なくとも1つを構成元素とする請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
- 前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子の平均粒径が0.01〜200μmである請求項1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
- 前記固体電解質が硫化物系固体電解質である請求項1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
- 前記負極材料が、前記リチウムイオン電池用負極活物質粒子を、前記導電性物質のイオンを含有するめっき浴中で無電解めっきすることにより得られる、請求項1〜8のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
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