JPH07326345A - リチウム二次電池用負極とその製造方法、およびその負極を用いてなるリチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池用負極とその製造方法、およびその負極を用いてなるリチウム二次電池Info
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Abstract
の繰り返しによる劣化の少ないリチウム二次電池用負極
とその製造方法を提供し、優れたリチウム二次電池を提
供することである。 【構成】 Li系の金属層4とカーボン層3との交互の
積層構造を有する粒状物2が集合してなる活物質部1を
有することを特徴とするリチウム二次電池用負極Aとそ
の製造方法であり、さらに該負極Aを備えるリチウム二
次電池である。活物質部は粒状物が互いに結合剤にて結
合されて形成される態様が例示される。粒状物について
は、Li系の金属層とカーボン層とを交互に積層してな
る積層体を粉砕して粒状物を形成する方法、およびこれ
によって得られる粒状物の積層構造が例示される。
Description
し、詳しくは高起電力・大放電容量を有し、充放電に係
るサイクル寿命に優れたリチウム二次電池用負極とその
製造方法、および該負極を用いてなるリチウム二次電池
に関する。
量電池の需要が高まっている。コントラストの高い表示
デバイスや、記憶装置の駆動部等のメカニカルな部分に
おいては、現存するリチウムイオン電池よりさらに高起
電力・高容量のものが要求される。リチウムは、充放電
容量・起電力の面から二次電池負極用の活物質として優
れた素材である。しかし、リチウムは、充電時における
負極上への析出の際に、針状の結晶(デンドライト)と
して成長しやすい性質を有し、該デンドライトが種々の
問題を発生させる。例えば、該デンドライトの成長の仕
方が、成長と欠落とを繰り返すものである場合、この欠
落したLiは、電荷の供給が絶たれるため、充放電に関
係しないものとなる場合が多い。従って、Liは必要以
上に消耗し、充放電サイクル特性は劣化する。また、L
iデンドライトの成長の仕方が、欠落せずに成長を続け
るものである場合、この針状の結晶はついには正極に接
触し、電極間の短絡トラブルを引き起こすことになる。
電容量が大きく、高い起電力で、充放電の繰り返しによ
る劣化の少ないリチウム二次電池負極を提供することで
ある。また、本発明の他の目的は、上記リチウム二次電
池用負極の製造方法を提供することである。また、本発
明のその他の目的は、上記リチウム二次電池用負極を用
いて、充放電容量が大きく、高い起電力で、充放電のサ
イクル寿命に優れたリチウム二次電池を提供することで
ある。
Li拡散能の高い物質とを一体化することによって、負
極において還元された金属Liが活物質部の表面の局部
に集中析出しないことに着目し鋭意研究した結果、カー
ボンとLi系金属とを一体的に、かつ、大きな表面積と
なるように形成して活物質部とすることに成功し、これ
を負極に付与し本発明を完成させた。即ち、本発明のリ
チウム二次電池用負極の要旨は、以下の通りである。 (1) Li系の金属層とカーボン層との交互の積層構造を
有する粒状物が集合してなる活物質部を有することを特
徴とするリチウム二次電池用負極。 (2) 粒状物が、互いに結合剤にて結合されるものである
(1)記載のリチウム二次電池用負極。 (3) 粒状物が、Li系の金属層とカーボン層とを交互に
積層してなる積層体を粉砕して形成されたものである
(1)又は (2)記載のリチウム二次電池用負極。 また、本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、
Li系の金属層とカーボン層とを交互に積層して積層体
を形成し、該積層体を粉砕して粒状物とし、該粒状物を
用いて活物質部を形成することを特徴とするものであ
る。また、本発明のリチウム二次電池は、上記(1) 〜
(3) のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極を備え
ることを特徴とするものである。
以下に図を用いて説明する。図1は、本発明のリチウム
二次電池用負極(以下、「負極」)の一例を、電池の一
部として部分的に拡大し模式的に示す図である。同図に
示すように、本発明の負極Aの構成は、Li系の金属層
4とカーボン層3との交互の積層構造を有する粒状物2
を用いて、活物質部1を形成することを特徴とするもの
である。また、5は電解液、6は粒状物が配置される基
板となる導電体層(電池の構造によっては「集電体層」
ともよばれる。)である。
によって、カーボンとLi系の金属とが負極の活物質部
中に一体的に混在し、しかも粒状物の集合であるから、
充分大きい表面積を有する活物質部となり、以下の作用
を示す。
属リチウムを含んでいるために、炭素のみで負極を構成
しているリチウムイオン電池と比較すると、電極活物質
の単位量あたりで取り込めるリチウムイオンの総量が増
加することになり、大きな放電容量と高い起電力が得ら
れる。カーボン中のリチウムイオンの拡散速度と、金属
リチウムの拡散速度とを比較すると、カーボン中の拡散
速度のほうが大きいため、金属リチウム負極の場合に電
極表面に還元された金属リチウムが析出しがちになる現
象とは異なり、Liが好ましく拡散し、集中的な析出が
抑制される。また、カーボン層間に金属リチウムがある
ために、リチウムイオン電池の場合にみられたような、
イオン挿入で面間隔が拡大し体積が増加する、あるい
は、イオン放出で面間隔が減少し体積が減少する、とい
った形状の変化が小さくなり、負極の劣下を防止でき
る。
は、Li又はLi合金である。Li合金としては、本発
明の目的を達成しうるものである限り特に制限はなく、
例えば、以下のものが挙げられる。Li−M1−Te系
合金。ただしM1は、Ag、Zn、Ca、Al、Mg等
より選ばれる一種の金属または二種以上の合金成分であ
って、その組成比(成分元素の数の比、以下同様)が、
Li:M1:Te=80〜150:1〜20:0.00
1〜2である。Li−M2−Cd系合金。ただしM2
は、Sn、Bi、Pb、In等より選ばれる一種の金属
または二種以上の合金成分であって、その組成比が、L
i:M2:Cd=70〜90:10〜30:10〜30
である。Li−M3−Si系合金。ただしM3は、A
l、Y、Fe、Er等の希土類金属より選ばれる一種の
金属または二種以上の合金成分であって、その組成比
が、Li:M3:Si=5〜7:0.5〜2:1〜2で
ある。Li−In−Zn系合金(組成比Li:In:Z
n=2〜6:0.5〜1.5:0.5〜1.5)。Li
−Ag系合金(組成比Li:Ag=80〜99:1〜2
0) その他、Li6 Hg、Li4 Ba、Li2 Ca、Li5
Pd、Li5 Pt、Li23Sr6 等が例示される。上記
Li合金のなかでも、以下に示すLi合金は、負極のサ
イクル特性や充放電容量、エネルギー密度等の点で好ま
しい。Li−M1−Te系合金における、Li−Ag−
Te合金(組成比Li:Ag:Te=90:10:0.
1)、Li−Zn−Te合金(Li:Zn:Te=9
8:2:0.1)、Li−Ca−Te合金(Li:C
a:Te=98:2:0.1)。Li−M2−Cd系合
金における、Li−Sn−Cd合金(Li:Sn:Cd
=9:2:1)、Li−Bi−Cd合金(Li:Bi:
Cd=4:1:1)、Li−Pb−Cd合金(Li:P
b:Cd=4:1:1)。Li−M3−Si系合金にお
ける、Li−Al−Si合金(Li:Al:Si=9:
5:2)、Li−Y−Si合金(Li:Y:Si=4:
1:1.6)、Li−Fe−Si合金(Li:Fe:S
i=8:1:2)。その他、Li−In−Zn合金(L
i:In:Zn=3:1:1)、Li−Ag合金(L
i:Ag=90:10)。これらの中でも、特にLi−
Ag−Te合金はLiと同様に高い起電力が得られ、L
iと共に最も好ましい負極の活物質材料となる。
鉛、グラファイト、アモルファスカーボン等が例示さ
れ、中でもグラファイトは層構造が発達し、リチウムイ
オンを速やかに取り込むことが可能であるので好ましい
材料である。
層とが交互に積層された構造を有する。粒状物の製造方
法の一例として、上記Li系の金属層とカーボン層とを
交互に積層して積層体を形成し、該積層体を粉砕して該
粒状物とする方法が挙げられる。例えば、Liとカーボ
ンとの積層の場合では、先ず、シリカガラス基板上にカ
ーボンを成膜し、高エネルギー粒子線によって該カーボ
ンの結晶性を高めた後に基板全体を冷却し、Liを成膜
する。次に、カーボンとLiとを交互に、上記と同様に
して成膜を繰り返して多重に積層していく。最後に、得
られた積層体からシリカガラス基板を削除した後、該積
層体を粉砕し上記粒状物を得る。
法としては、スラリー塗布方式、溶射方式、蒸着方式、
CVD方式、PVD方式等が挙げられる。また、Li系
の金属の成膜法としては、真空蒸着、CVD方式等が挙
げられる。
ける、カーボン層の厚み、Li系の金属層の厚み、さら
にはこれらの厚みの互いの比は、特に限定されるもので
はなく、製品や目的に応じて決定すればよい。また、カ
ーボン層同士の厚み、Li系の金属層同士の厚みは、各
々同一である必要はなく、例えば、カーボン層が段階的
に厚みを変化するものであってもよい。さらには、カー
ボン層とLi系の金属層とを積層する際の厚みの組み合
わせを任意に選択してもよい。これら、各層の厚み、厚
みの互いの比、厚みの組み合わせ等は、電流・電圧特性
や充放電の繰り返し特性等に大きな影響を与えるもので
ある。
m程度、好ましくは20μm〜80μm、特に20μm
〜40μmがカーボン層の体積変化による影響が少なく
かつカーボン層へのリチウムイオンの拡散が速やかに起
こるという点で好ましい。Li系の金属層の厚みは、1
0μm〜100μm程度、好ましくは10μm〜70μ
m、特に20μm〜50μmがカーボン部分による拡散
能の向上効果が損なわれずに、しかも、金属リチウムに
よる高容量効果が十分に出現するという点で好ましい。
また、上記のように、Li系の金属層の厚みは、カーボ
ン層の厚みに対する比から決定されることが好ましい。
これらの厚みの比は、カーボン層の厚みを1として、カ
ーボン層の厚み:Li系の金属層の厚み=1:(1〜1
0)程度、好ましくは1:(2〜6)、特に1:(2〜
5)が金属リチウムによる高容量、高起電力をそこなわ
ずに、効率良く電極内部にリチウムイオンを拡散させる
ことができるという点で好ましい。
系の金属層とが各々1層以上あればよいが、Li系の金
属層はむき出しとなるよりも、カーボン層に挟まれた態
様の方がLiデンドライトの成長抑制のためにはより好
ましいので、該積層体の形成段階では、該積層の両最外
層をカーボン層としておくことが好ましい。
該粒状物の平均粒径は、限定はされないが、10μm〜
100μm程度、好ましくは10μm〜60μm、特に
20μm〜40μmが電極を作製した場合の均一性、表
面平滑性、電極液の吸収性の点で好ましい。粒状物が積
層体を粉砕して形成される場合、該積層体の粉砕方法
は、所望の粒径の粒状物が得られる方法であればよく、
公知の粉砕装置等が利用可能である。また、フィルター
等によって、粒状物の粒径を均一化してもよい。
れるが、粒状物がより多く密集し、しかも、各粒状物の
表面が電解液により多く接触するように集合することが
好ましい。該粒状物の集合の態様は、例えば、粒状物と
粒状物とが、直接的に結合してなる集合、結合剤等を介
して間接的に結合してなる集合、これら直接的・間接的
な結合が混在した集合、さらには、粒状物同士の接触・
不接触にかかわらず該粒状物が基板上に多数配置される
集合等が挙げられる。(基板は、単に活物質部を形成す
るための一時的なベースであっても、電池の形成にその
まま用いられる導電体層等の部品であってもよい。)ま
た、粒状物と粒状物との結合や基板上への配置において
は、結合や接触に係る部分以外の部分に、電解液やLi
イオンが浸入しうる間隙を形成することが好ましい。即
ち、活物質部が多孔性となるように粒状物が結合される
ような集合の態様や、上記のような電解液が浸入しうる
間隙にLiイオンの透過を妨げない結合剤や充填剤が充
填されるような集合の態様等が好ましい。かくして、活
物質部の深層まで電解液が浸透し得ることになる。
る方法が容易で好ましい。ポリマー等からなる一般の結
合剤を用いて該粒状物を結合する場合、該結合剤は粒状
物同士の接触部分だけに付着することが好ましい。該結
合剤としては、ポリフッ化ビニリデン、エチレン・プロ
ピレン・ジエン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン
やポリエチレン等の他、公知のものが挙げられる。ま
た、該結合剤が、Liイオンの通過を妨げない性質を有
するものであるならば、粒状物同士の間隙に該結合剤が
充填される態様でもよい。そのような結合剤としては、
ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール等が例
示される。
って、導電体層上に活物質部を形成するには、溶剤等に
よって粒状物と結合剤とをペースト状に混合し、これを
導電体層上に塗布し、乾燥・硬化させる方法等が挙げら
れる。活物質部の厚みは、電池の規模によって異なり、
限定はされないが、通常、30μm〜200μm程度で
ある。活物質部の全体としての形状は、塊状であっても
層状であってもよいが、電解液に対する大面積で均等な
接触のためには層状に設けることが一般的である。
あり、Cu、Alの他、Au、Ag、Ni等が例示され
る。
ことによって、優れたリチウム二次電池を形成すること
ができる。該リチウム二次電池の正極を構成する正極材
としては特に限定されず、通常リチウム二次電池の正極
に使用される正極材が使用でき、例えば、V2 O5 、M
nO2 、LiMn2 O4 、LiCoO2 、LiNi0.5
Co0.5 O2 、LiNiO 2 、Li−Co−P系複合酸
化物(LiCo0.5 P0.5 O2 、LiCo0.4 P0. 6 O
2 、LiCo0.6 P0.4 O2 、LiCo0.3 Ni0.3 P
0.4 O2 、LiCo 0.2 Ni0.2 P0.6 O2 等)、Ti
S2 、MoS2 、MoO3 等を活物質とする正極材が使
用できる。これらのなかでも、二次電池の起電力や充放
電電圧を特に高くすることができるLi−Co−P系複
合酸化物が好適に使用できる。
的にLiを含有するものであるから、上記正極の活物質
としてLiを含有しないもの(V2 O5 、MnO2 、T
iS 2 、MoS2 、MoO3 等)を用いてもよいが、L
iを含有する正極の活物質(LiCoO2 、LiNiO
2 、Li−Co−P系複合酸化物等)を使用すると、前
記負極活物質の量を少なくすることができる。また、上
記正極の活物質には、アセチレンブラック、ケッチェン
ブラック等の導電材料が、またポリテトラフルオロエチ
レン、ポリエチレン等の結着剤が配合される。
せた電解液や固体電解質が使用できる。電解質が液状、
即ち、電解液の場合、この塩類としては、LiCl
O4 、LiBF4 、LiPF6 、LiAsF6 、LiA
lCl4 、Li(CF3 SO2 )2N等が使用でき、エ
チレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチ
ルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、1,
2-ジメトキシエタン、N,N-ジメチルホルムアミド、テト
ラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、2-メチルテトラヒ
ドロフラン、ジエチルエーテルおよびこれらの混合物等
の有機溶媒に溶解させて濃度0.1〜3モル/リットル
に調製して使用される。この電解液は、通常、多孔性ポ
リマーやガラスフィルタのようなセパレータに含浸ある
いは充填させて使用される。電解質が固体電解質の場
合、上記塩類がポリエチレンオキシド、ポリホスファゼ
ン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド等やこれ
らの誘導体、混合物、複合体等に混合されて使用され
る。この固体電解質は、負極と正極とのセパレータを兼
ねる。
説明する。 実施例1 本実施例では、Li−Siからなる多孔性の層をカーボ
ン層上に形成する、リチウム二次電池用負極の具体的な
製造工程を示し、さらにこの負極を用いて作製した円筒
形のリチウム二次電池の一例を示す。
せ、高エネルギー粒子線により該カーボンの結晶性を高
め、ついで基板を冷却しながら、Liを蒸着させた。続
いてカーボン蒸着、高エネルギー粒子線照射、Li蒸着
のサイクルを繰り返し、Li4層、カーボン5層による
9層の積層体を作製した。本実施例では積層体の各層の
厚みの比を変化させ、カーボン層の厚み1に対するLi
層の厚みの比が、4、2、1、0.5、0.25となる
ように5種類のサンプルを作製した。得られた各積層体
を、各々、グローブボックス中で基板から削り取り、乳
ばち中で粉砕し平均粒径40μm程度の粒状物となるま
で十分に砕いた後に、ポリフッ化ビニリデン(PVD
F)のn−メチルピロリドン(NMP)溶液と混合し、
5種類のペーストを得た。得られた各ペーストを導電体
層となる銅箔上に塗布後、真空乾燥器によりNMPを揮
発させ、上記粒状物が互いに結合されてなる活物質部を
有するリチウム二次電池用負極を5種類作製した。
放電の繰り返しに伴い漸次低下するが、ここではカーボ
ン層の厚みとLi層の厚みとの比を変えた上記5種類の
負極について、放電容量の低下の程度がどのように変化
したかを示す。上記実施例1で作製した5種類の負極サ
ンプルを用いて二次電池を作製した。正極にはLi−C
o−P系酸化物を用い、1M−LiClO4 のプロピレ
ンカーボネート(PC)系電解液を用いた。5種類の各
二次電池サンプルについて、その放電容量が充放電初期
の放電容量の80%に低下するまでの充放電の繰り返し
回数は以下に示す通りであった。 サンプル1(1:4 ) 100〔回〕 サンプル2(1:2 ) 200〔回〕 サンプル3(1:1 ) 500〔回〕 サンプル4(1:0.5 ) 650〔回〕 サンプル5(1:0.25) 800〔回〕 ただし、かっこ内の比は、「カーボン層の厚み:Li層
の厚み」である。
種類のサンプルと同様のサンプルを作製し、充放電を1
00サイクル行った後にグローブボックス中で解体し、
電極表面をSEMにより観察したところ、金属リチウム
結晶の析出はほとんど見られなかった。
負極を用いた以外は、実施例1と同様の電池を作製し、
同様の充放電試験を行ったが、30サイクルで充放電不
能となった。又、電池を解体したところ、負極とセパレ
ータの間に多量の金属リチウム結晶の析出が観察され
た。
i系の金属層とカーボン層との交互の積層構造を有する
粒状物が集合してなる活物質部を有するので、大きな放
電容量と高い起電力とを兼ね備えるリチウム二次電池を
形成しうる。さらに、電解液に接する負極全体の表面積
が大きく、カーボンがLiイオンの拡散性に優れている
ので、Liイオンが分散し、デンドライトの成長を抑制
することができる。これによって、充放電の繰り返しに
よる劣化の少ないリチウム二次電池が得られる。また、
本発明による上記リチウム二次電池用負極の製造方法
は、上記粒状物の特徴である積層構造を、容易にしかも
効果的に形成することができ、優れたリチウム二次電池
用負極を形成しうるものである。
池の一部として部分的に拡大し模式的に示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 Li系の金属層とカーボン層との交互の
積層構造を有する粒状物が集合してなる活物質部を有す
ることを特徴とするリチウム二次電池用負極。 - 【請求項2】 粒状物が、互いに結合剤にて結合される
ものである請求項1記載のリチウム二次電池用負極。 - 【請求項3】 粒状物が、Li系の金属層とカーボン層
とを交互に積層してなる積層体を粉砕して形成されたも
のである請求項1又は2記載のリチウム二次電池用負
極。 - 【請求項4】 Li系の金属層とカーボン層とを交互に
積層して積層体を形成し、該積層体を粉砕して粒状物と
し、該粒状物を用いて活物質部を形成することを特徴と
するリチウム二次電池用負極の製造方法。 - 【請求項5】 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウ
ム二次電池用負極を備えることを特徴とするリチウム二
次電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6117895A JPH07326345A (ja) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | リチウム二次電池用負極とその製造方法、およびその負極を用いてなるリチウム二次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6117895A JPH07326345A (ja) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | リチウム二次電池用負極とその製造方法、およびその負極を用いてなるリチウム二次電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07326345A true JPH07326345A (ja) | 1995-12-12 |
Family
ID=14722874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6117895A Pending JPH07326345A (ja) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | リチウム二次電池用負極とその製造方法、およびその負極を用いてなるリチウム二次電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07326345A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1994
- 1994-05-31 JP JP6117895A patent/JPH07326345A/ja active Pending
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