説明

非水電解質二次電池用負極活物質及びそれを用いた非水電解質二次電池

【課題】初期放電容量を高めた非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】負極活物質として、リチウムと反応しない金属を被覆した亜鉛を含む。リチウムと反応しない金属で亜鉛を被覆することにより、空気中の酸素により亜鉛粒子の表面に酸化亜鉛が生成するのを抑制できる。この酸化亜鉛に含まれる酸素は充放電時にO+2Li→Li2Oの反応を生じさせ、この反応が不可逆なため亜鉛粒子の初期放電容量が減少するが、リチウムと反応しない金属で亜鉛を被覆することにより、亜鉛粒子の表面は酸化されず、上記の不可逆反応が起こらない。このため、高い初期放電容量が得られる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、非水電解質二次電池用負極活物質及びそれを用いた非水電解質二次電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
負極活物質に従来用いられている黒鉛(特許文献1)は、化学的耐久性や構造安定性に優れ、リチウムの吸蔵及び放出反応の可逆性も高い。さらに、作動電位が低く、充放電曲線の平坦性にも優れるという利点があり、モバイル機器用の電源等に多く利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−245613
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、黒鉛は、初期放電容量が十分高くないという問題があった。本願発明は、非水電解質二次電池の初期放電容量を高めることを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本願発明の1つの局面による非水電解質二次電池用負極活物質は、リチウムと反応しない金属を被覆した亜鉛を含むことを特徴とする。また、本願発明の1つの局面による非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解質とを備え、前記負極がリチウムと反応しない金属を被覆した亜鉛を含む負極活物質を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本願発明によれば非水電解質二次電池の初期放電容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】セルの概略図
【発明を実施するための形態】
【0008】
本願発明で用いられる非水電解質二次電池用負極活物質は、リチウムと反応しない金属を被覆した亜鉛を含む。亜鉛は負極活物質の総量に対し10〜90質量%含まれていることが好ましい。前記金属は銅又はニッケルであることが好ましい。前記金属は亜鉛の総量に対して0.05〜10.0質量%含まれていることが好ましい。銅又はニッケルの被覆方法としては、弱酸または弱アルカリ水溶液中に亜鉛を混合し、亜鉛表面の酸化亜鉛を除去した後、銅又はニッケル塩水溶液を滴下する方法が好ましい。
【0009】
負極活物質は黒鉛をさらに含むことが好ましい。また、黒鉛が負極活物質の総量に対し10〜90質量%含まれていることが好ましい。
【0010】
本願発明で用いられる正極活物質には、非水電解質二次電池に従来使用されている正極活物質を用いることができる。その例として、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物及びリン酸鉄リチウムが挙げられる。
【0011】
本願発明で用いられる非水電解質には、非水電解質二次電池に従来使用されている非水電解質を用いることができる。その例として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートが挙げられる。
【0012】
本願発明で用いられる非水電解質には、非水電解質二次電池に従来使用されているリチウム塩が含まれる。その例として、ヘキサフルオロリン酸リチウム及びテトラフルオロホウ酸リチウムが挙げられる。
【0013】
ここで、非水電解質とは、非水溶媒に支持塩を溶解させた電解液、又は固体電解質に前記電解液を含有させたものを含む。
【0014】
本願発明の非水電解質二次電池には、必要に応じて従来の非水電解質二次電池に使用されている電池構成部材を使用することができる。
【0015】
以下、本願発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。ただし、本願発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。また、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【実施例】
【0016】
(実施例1)
[亜鉛粒子の被覆処理]
亜鉛粒子の表面の酸化亜鉛を除去するため、水1Lに酢酸を0.5ml添加した水溶液Aに平均粒径が約20μmの亜鉛粒子を35g投入し、1分間混合した。その後、50mlの水にCuSOを1.76g溶解させた水溶液Bを水溶液Aに滴下し2分間混合することで、銅で被覆された亜鉛粒子を得た。亜鉛粒子を被覆している銅の量を定量した結果、亜鉛の総量に対し銅が2質量%含まれていた。このとき銅は亜鉛と固溶体を形成していない。
【0017】
なお、本願では、平均粒子径の測定にレーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所社製SALAD−2000)を、被覆量の測定に原子吸光法(島津製作所製AA−640−13)を用いた。
【0018】
[負極の作製]
得られた亜鉛粒子と、平均粒子径25μmの黒鉛粒子とを、質量比が30:70となるように乳鉢を用いて混合して負極活物質を作製した。得られた負極活物質と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、質量比が90:10となるように混合した。その後、この混合物にN−メチル−2−ピロリドンを加えて混練し、負極合剤スラリーを作製した。
【0019】
得られた負極合剤スラリーを、厚さ10μmの銅箔からなる負極集電体の上に塗布し、これを80℃で乾燥させて電極を作製した。得られた電極を圧延ローラーを用いて圧延した後、切り出し、作用極1を作製した。
【0020】
[セルの作製]
アルゴン雰囲気下で、作用極1、対極2、参照極3、セパレーター4、非水電解液5、及び容器6を用いて図1に示すセルA1を作製した。尚、対極2及び参照極3にはリチウム金属を用いた。セパレーター4には、ポリエチレン製セパレーターを用いた。非水電解液5には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを3:7の体積比で混合させた溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウムを濃度が1モル/リットルとなるように溶解させたものを用いた。容器6にはアルミニウム製ラミネート容器を用いた。なお、作用極1、対極2及び参照極3には、それぞれ集電タブ7が取り付けられている。
【0021】
(実施例2)
CuSOの代わりにNiSOを1.85g用いたこと以外は実施例1と同様にしてセルA2を作製した。なお、被覆処理後の亜鉛粒子を被覆しているニッケルの量を定量した結果、亜鉛の総量に対しニッケルが2質量%含まれていた。
【0022】
(比較例1)
被覆処理がされていない亜鉛粒子を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてセルXを作製した。
【0023】
(比較例2)
黒鉛粒子のみを負極活物質として用いたこと以外は、実施例1と同様にしてセルYを作製した。
【0024】
[充放電試験]
セルA1、A2、X及びYについて、室温で以下の充放電試験を行った。0.75mA/cmの定電流で0V(リチウム金属基準)に達するまで充電した後、1分間休止し、0.25mA/cmの定電流で再度0V(リチウム金属基準)に達するまで充電し、1分間休止し、0.1mA/cmの定電流で再度0V(リチウム金属基準)に達するまで充電した。その後、0.25mA/cmの定電流で1.0V(リチウム金属基準)に達するまで放電した。このときの各セルの初期放電容量を表1に示す。
【0025】
【表1】

【0026】
表1より、リチウムと反応しない金属で被覆した亜鉛を含む負極活物質を備えたセルA1及びA2では、リチウムと反応しない金属で被覆されていない亜鉛を含む負極活物質を備えたセルXと比較して、初期放電容量が高いことが分かる。
【0027】
この理由は以下のように考えられる。リチウムと反応しない金属で亜鉛を被覆していない場合、空気中の酸素により亜鉛粒子の表面に酸化亜鉛が生成する。この酸化亜鉛に含まれる酸素は充放電時にO+2Li→LiOの反応を生じさせ、この反応が不可逆なため亜鉛粒子の初期放電容量が減少する。一方、リチウムと反応しない金属で亜鉛を被覆している場合、亜鉛粒子の表面は酸化されず、上記の不可逆な反応が起こらない。このため、高い初期放電容量が得られる。また、リチウムと反応しない金属が銅又はニッケルである場合、これらの金属は酸化されにくく、また、酸化された場合でも導電性を有することから、負極活物質粒子間および負極活物質粒子と集電体との間の接触抵抗が低減される。このため、高い初期放電容量が得られる。なお、銅又はニッケルが酸化された場合でも、上述の不可逆な反応は起こらない。
【0028】
銅で被覆した亜鉛を含む負極活物質を備えたセルA1は、ニッケルで被覆した亜鉛を含む負極活物質を備えたセルA2と比較して、初期放電容量がさらに高いことが分かる。これは銅の方がニッケルよりも導電性が高いためと考えられる。
【0029】
また、表1より、リチウムと反応しない金属で被覆した亜鉛を含む負極活物質を備えたセルA1及びA2では、黒鉛のみを負極活物質として用いたセルYと比較して、初期放電容量が高いことが分かる。
【0030】
(実施例3〜9)
CuSOの量を0.044g、0.088g、0.44g、0.88g、3.52g、5.28g及び7.04gとしたこと以外は実施例1と同様にしてセルB1〜B7を作製した。なお、被覆処理後の亜鉛粒子を被覆している銅の量を定量した結果、亜鉛の総量に対し銅がそれぞれ0.05,0.1、0.5、1.0、5.0、7.5、10.0質量%含まれていた。
【0031】
セルB1〜B7を用いて上記と同様に充放電試験を行った。その結果を表2に示す。
【0032】
【表2】

【0033】
表2より、銅の被覆量が亜鉛の総量に対し0.05〜10.0質量%であるとき、初期放電容量が高くなることが分かる。また、銅の被覆量が亜鉛の総量に対し0.10〜7.50質量%であるとき、初期放電容量が特に高くなることが分かる。
【0034】
(実施例10〜14)
亜鉛粒子と黒鉛粒子との混合比を質量比で10:90、50:50、65:35、80:20、90:10としたこと以外は実施例1と同様にして試験セルC1〜C5を作製した。
【0035】
セルC1〜C5を用いて上記と同様に充放電試験を行った。その結果を表3に示す。
【0036】
【表3】

【0037】
表3より、負極活物質中に黒鉛が10〜90質量%含まれるとき、初期放電容量が高くなることが分かる。また、負極活物質中に黒鉛が35〜90質量%含まれるとき、初期放電容量が特に高くなることが分かる。
【符号の説明】
【0038】
1・・・作用極
2・・・対極
3・・・参照極
4・・・セパレーター
5・・・非水電解液
6・・・容器
7・・・集電タブ


【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウムと反応しない金属で被覆した亜鉛を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項2】
前記金属が銅又はニッケルであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項3】
前記金属が前記亜鉛の総量に対して0.05〜10.0質量%含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項4】
黒鉛をさらに含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項5】
前記黒鉛が前記負極活物質の総量に対し10〜90質量%含まれていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項6】
正極と、負極と、非水電解質とを備え、前記負極が請求項1〜5のいずれか1項に記載の負極活物質を備えることを特徴とする非水電解質二次電池。


【図1】
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【公開番号】特開2013−51148(P2013−51148A)
【公開日】平成25年3月14日(2013.3.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−189065(P2011−189065)
【出願日】平成23年8月31日(2011.8.31)
【出願人】(000001889)三洋電機株式会社 (18,308)
【Fターム(参考)】