JP3670938B2

JP3670938B2 - リチウム二次電池

Info

Publication number: JP3670938B2
Application number: JP2000218205A
Authority: JP
Inventors: 宜之田村; 正久藤本; 丸男神野; 伸藤谷; 弘雅八木; 洋一堂本; 久樹樽井; 竜司大下; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: JP2002042783A; US6764791B2; US20020034687A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池に関するものであり、詳細には正極及び負極の少なくとも一方の活物質としてＬｉと合金化する金属を用いたリチウム二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
リチウム二次電池は、そのエネルギー密度の大きさから次世代の二次電池として注目されている。リチウム金属を負極活物質として用いると、大きな充放電容量を得ることができるが、充放電に伴ってリチウムの溶解及び析出が生じ、負極においてデンドライトの生成や電極の変形が生じるため、サイクル性能が悪く、実用に耐え得るものはできていない。
【０００３】
このような問題を解決することができる負極活物質として、Ｌｉと合金化する金属を用いたＬｉ合金負極や炭素材料を用いた炭素負極が提案されている。炭素負極は実用化されているが、その理論容量が３７２ｍＡｈ／ｇと低いため、金属リチウム負極に比べ、大幅にエネルギー密度が低下するという欠点がある。また、Ｌｉ合金負極においては、充放電サイクルが進むにつれてＬｉ合金が微粉化するため、サイクル性能が悪いという欠点がある。
【０００４】
サイクル性能を改善するため、例えば特開平１０−３１２８０４号公報では、ロール急冷法などで金属粉を作製し、これを熱処理して得られる均一な単相合金を用いることが提案されている。
【０００５】
しかしながら、この方法で得られた金属粉は、粒径が大きく均一な単相合金であるため、Ｌｉと合金化する際に金属粉間に大きな応力がかかり、活物質が集電体から剥離するという問題があった。また、金属粉が樹枝化することにより活物質が不活性化するという問題があった。これらのことから、このような方法によっても、十分なサイクル特性が得られていない。
【０００６】
本発明の目的は、正極及び負極の少なくとも一方の活物質としてＬｉと合金化する金属を用いたリチウム二次電池において、サイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウム二次電池は、正極と、負極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池であり、正極及び負極の少なくとも一方の活物質としてＬｉと合金化する金属を用い、該金属活物質の上に、ＣＯ ₂ 分子を含む硬質炭素薄膜が設けられていることを特徴としている。
【０００８】
本発明においては、このような薄膜を金属活物質上に設けることにより、金属活物質が充放電により樹枝化したり微粉化したりするのを抑制することができ、金属活物質が集電体から剥離するのを抑制することができる。
【０００９】
本発明において金属活物質上に設けられる薄膜は、上述のように、ＣＯ ₂ 分子を含む硬質炭素薄膜である。Ｌｉイオンと反応しないので、薄膜自身が合金化等することがなく、従って膨張や収縮等を生じることがない。また、Ｌｉイオンが通過するので、金属活物質における電池反応を妨げることがない。また、固体電解質薄膜のようなＬｉイオン導電性を有していないので、薄膜自体が充放電の際に変形することがない。
【００１０】
さらに、本発明において、上記薄膜は、体積抵抗率が１０¹⁰Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。このような良好な電子伝導性を有することにより、集電体としての役目も兼ねさせることができる。
【００１１】
本発明において、上記薄膜は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等により形成することができる。
本発明における上記薄膜としては、例えば、ダイヤモンド状炭素薄膜のような硬質炭素薄膜が挙げられる。このような硬質炭素薄膜は、Ｌｉイオンと反応せず、Ｌｉイオンが通過し、かつＬｉイオン導電性を有しない薄膜である。硬質炭素薄膜としては、ラマン散乱スペクトルにおける１４００ｃｍ^-1付近のピーク強度Ｉｄと１５５０ｃｍ^-1付近のピーク強度Ｉｇとの比（Ｉｄ／Ｉｇ）が０．５〜３．０であるものが好ましい。
【００１２】
また、上述のように、体積抵抗率は１０¹⁰Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。このような良好な導電性を有する硬質炭素薄膜としては、ＣＯ₂分子を含む硬質炭素薄膜が挙げられる。ＣＯ₂分子を含む硬質炭素薄膜は、原料ガスとして、ＣＯ₂と炭化水素の混合ガスを用いたＣＶＤ法により形成することができる。また、硬質炭素薄膜の表面に導電性を付与する場合には、硬質炭素薄膜を形成した後、ＣＯ₂を含むガスで表面処理することにより、硬質炭素薄膜の表面に導電性を付与することができる。
【００１３】
本発明における上記薄膜の厚みは、特に限定されるものではないが、５０〜１０００ｎｍ程度であることが好ましく、さらに好ましくは、１００〜５００ｎｍ程度である。薄膜の厚みが薄くなり過ぎると、金属活物質の集電体からの剥離や金属活物質の樹枝化を抑制するという効果が不十分になる場合があると考えられる。また、薄膜の厚みが厚くなり過ぎると、充放電の際Ｌｉイオンが通過しにくくなり、金属活物質とＬｉイオンとの反応が不十分になる場合があると考えられる。
【００１４】
本発明における金属活物質は、上述のように、Ｌｉと合金化する金属である。Ｌｉと合金化する金属としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｉｎ、及びＭｇから選ばれる少なくとも１種の金属が挙げられる。金属活物質は、一般的なリチウム二次電池の電極のように、金属粉体として用い、結着剤と混合した合剤を集電体上に塗布して電極を形成してもよいが、好ましくは膜状の金属活物質として用いられる。膜状の金属活物質は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより薄膜として形成したものであってもよい。この場合、基板として銅箔などの集電体を用いることにより、そのまま電極として用いることができる。また、膜状の金属活物質として金属箔を用いてもよい。この場合、膜状の金属活物質の両面上に上記薄膜を設けてもよい。膜状の金属活物質として金属箔を用いる場合には、金属箔を集電体として機能させてもよい。
【００１５】
本発明においては、上記薄膜と金属活物質との間に、中間層を形成してもよい。このような中間層を形成する目的としては、薄膜と金属活物質との密着性の向上が挙げられる。このような中間層としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｍｏ、及びＷ並びにこれらの酸化物、窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。中間層の厚みとしては、１０〜５００ｎｍ程度が好ましい。中間層は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などにより形成することができる。
【００１６】
本発明における金属活物質は、正極活物質及び負極活物質のいずれに用いられてもよいが、Ｌｉに対する電位からは一般に負極活物質として用いられることが多いと考えられる。
【００１７】
この場合の正極活物質としては、特に制限されるものではないが、従来からリチウム二次電池の正極活物質として用いられるものを用いることができる。このような正極活物質としては、マンガン、コバルト、ニッケル、バナジウム、及びニオブから選ばれる少なくとも１種を含む金属酸化物等を用いることができる。具体的には、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＣｏ_0.5Ｎｉ_0.5Ｏ₂、ＬｉＮｉ_0.7Ｃｏ_0.2Ｍｎ_0.1Ｏ₂などのリチウム含有遷移金属酸化物や、ＭｎＯ₂などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入・脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
【００１８】
本発明のリチウム二次電池に用いる電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネートと、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。また、前記環状カーボネートと１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒との混合溶媒も例示される。また、電解質の溶質としては、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂)₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂)₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂)(Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₂)、ＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂)₃、ＬｉＣ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂)₃など及びそれらの混合物が例示される。さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、ＬｉＩ、Ｌｉ₃Ｎなどの無機固体電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、イオン導電性を発現させる溶媒としてのＬｉ化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、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なものである。
【００２０】
（実施例１）
〔正極の作製〕
平均粒径１０μｍのＬｉＣｏＯ₂粉末８５重量％と、導電剤としての炭素粉末１０重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン粉末５重量％とを混合し、得られた混合物にＮ−メチルピロリドンを加えて混練してスラリーを作製し、このスラリーを厚さ２０μｍのＡｌ製集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、これを乾燥して正極とした。
【００２１】
〔負極の作製〕
金属活物質としての厚さ１８μｍのＳｎ箔の両面上に、中間層としてのＳｉ薄膜（厚さ２０ｎｍ）を、ＲＦスパッタリング法により、ターゲットＲＦ電力２００Ｗ、基板バイアス電圧−１００Ｖの条件で形成した。この中間層は、Ｓｎ箔の上に直接硬質炭素薄膜を形成すると密着性が良好でないため、密着性を改良する目的で形成するものである。
【００２２】
次に、このＳｉ薄膜の上に、ＣＶＤ法により、硬質炭素薄膜（ダイヤモンド状炭素薄膜）を形成した。硬質炭素薄膜の膜厚は、５０、１００、２００、５００、８００、及び１０００ｎｍとなるようにそれぞれ形成した。薄膜形成条件は、ＣＨ₄ガス流量４０ｓｃｃｍ、ＣＯ₂ガス流量１０ｓｃｃｍ、ＥＣＲプラズマ源マイクロ波電力３３０Ｗ、イオンビーム加速電圧２００Ｖの条件とし、イオンビームＣＶＤ法により硬質炭素薄膜を形成した。
【００２３】
得られた硬質炭素薄膜の体積抵抗率は、いずれの膜厚についても約１０⁹Ω・ｃｍであった。また、得られた硬質炭素薄膜のそれぞれについてラマン散乱スペクトルを測定したところ、１４００ｃｍ^-1付近ピーク強度Ｉｄと１５５０ｃｍ^-1付近のピーク強度Ｉｇとの比（Ｉｄ／Ｉｇ）は約１．１であった。
【００２４】
〔電解液の作製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１モル／リットル溶解させた溶液を調製し、電解液とした。
【００２５】
〔リチウム二次電池の作製〕
上記の正極、負極、及び電解液を用いて、リチウム二次電池を作製した。図１は、作製したリチウム二次電池を示す模式的断面図である。リチウム二次電池は、正極１、負極２、セパレータ３、正極缶４、負極缶５、及びポリプロピレン製絶縁パッキング６から構成されている。セパレータ３としては、ポリエチレン製微多孔膜が用いられている。負極２は、Ｓｎ箔２ａの両面上にＳｉ薄膜を介して硬質炭素薄膜２ｂを形成することにより構成されている。
【００２６】
正極１及び負極２は、セパレータ３を介して対向している。これらは正極缶４及び負極缶５が形成する電池ケース内に収納されている。正極１は正極缶４に接続され、負極２は負極缶５に接続され、二次電池としての充電及び放電が可能な状態となっている。
【００２７】
表１に示すように、膜厚の異なる硬質炭素薄膜を形成した各負極を用いて、本発明電池Ａ１〜Ａ６を作製した。また、比較として、硬質炭素薄膜及び中間層としてのＳｉ薄膜を形成していないＳｎ箔をそのまま負極として用いた比較電池Ｂ１を作製した。
【００２８】
〔充放電サイクル特性の測定〕
上記各電池について、２５℃において２０ｍＡで４．１Ｖまで充電した後、２０ｍＡで２．７５Ｖまで放電する充放電を１サイクルとして、これを１０サイクル繰り返した。サイクル特性として、下式で定義されるサイクル効率（％）を求めた。各電池のサイクル特性を表１に示す。なお、各電池の平均放電電圧はいずれも約３．４Ｖであった。
【００２９】
サイクル効率（％）＝（１０サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から明らかなように、膜状の金属活物質であるＳｎ箔の上に中間層であるＳｉ薄膜を介して硬質炭素薄膜を形成した負極を用いた本発明電池Ａ１〜Ａ６は、硬質炭素薄膜を設けていないＳｎ箔を負極として用いた比較電池Ｂ１に比べ、良好なサイクル特性を示している。
【００３２】
１０サイクル後の各電池を分解したところ、本発明電池Ａ１〜Ａ６においては、負極活物質であるＳｎ箔が若干微粉化されていたものの、充放電前の形状が保持されていた。これに対し、比較電池Ｂ１においては、Ｓｎ箔が完全に微粉化していることが確認された。このことから、本発明に従うことにより、負極活物質の微粉化が抑制されていることが確認され、これによってサイクル特性が向上することが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、正極及び負極の少なくとも一方に活物質としてＬｉと合金化する金属を用いたリチウム二次電池において、サイクル特性に優れたリチウム二次電池とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う実施例で作製したリチウム二次電池を示す模式的断面図。
【符号の説明】
１…正極
２…負極
２ａ…Ｓｎ箔（金属活物質）
２ｂ…硬質炭素薄膜
３…セパレータ
４…正極缶
５…負極缶
６…絶縁パッキング

Claims

正極と、負極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池において、正極及び負極の少なくとも一方の活物質としてＬｉと合金化する金属を用い、該金属活物質の上に、ＣＯ ₂ 分子を含む硬質炭素薄膜が設けられていることを特徴とするリチウム二次電池。
前記硬質炭素薄膜のラマン散乱スペクトルにおける１４００ｃｍ^-1付近のピーク強度Ｉｄと１５５０ｃｍ^-1付近のピーク強度Ｉｇとの比（Ｉｄ／Ｉｇ）が０．５〜３．０であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
前記薄膜の厚みが５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
前記薄膜の体積抵抗率が１０¹⁰Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
前記薄膜と前記金属活物質との間に中間層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
前記中間層が、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｍｏ、及びＷ並びにこれらの酸化物、窒化物及び炭化物から選ばれる少なくとも１種からなり、かつ前記薄膜及び前記金属活物質とは異なる組成から形成されていることを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
前記金属活物質が膜状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
前記膜状の金属活物質の両面上に前記薄膜が設けられていることを特徴とする請求項７に記載のリチウム二次電池。
前記金属活物質が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｉｎ、及びＭｇから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。