锂离子二次电池用负极活性物质及其制法以及负极与电池的制作方法_3

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的任何一种粉碎装置均可。还有,使用的原料的大小明显不同时,最初把大 的原料粉碎,然后,投入其余的原料,也可在粉碎的同时进行混合处理。对粉碎的介质也 未作特别限定,可以用锆球等。通过往粉碎装置中加入秤量的起始物质的硅与氧化铜(2)、 或硅与铜与水,边搅拌边粉碎起始物质,可以得到本发明的负极活性物质。还有,也可把 起始原料、粉碎介质及搅拌用溶剂投入粉碎装置进行粉碎。搅拌用溶剂可采用非极性的有 机溶剂。另外,在粉碎装置中放入硅与氧化铜(2)、或硅与铜与水的容器,为了提高得到的 负极活性物质的元素组成比((V(Si+Cu+0))的控制性,采用可以密封的结构。
[0058] 上述粉碎处理时,转数、振动数、处理时间等粉碎处理的适当的条件范围,因原料 投入量、装置型号、粉碎介质等条件而变化,适当设定即可。采用粉碎介质进行粉碎处理 时,在粉碎处理后用筛网等除去粉碎介质,得到本发明的负极活性物质。
[0059] [锂离子二次电池用负极]
[0060] 采用本发明的负极活性物质,通过公知的方法,能够制作锂离子二次电池用负 极。例如,往上述负极活性物质中混合适当的粘合剂(粘结剂),根据需要,混合用于提 高导电性的适当的导电性粉末。往该混合物中加入溶解粘合剂的溶剂,根据需要,用公知 的搅拌机进行充分搅拌,制成浆液状。把含该负极活性物质的浆液,采用刮刀等,于压延 铜箔等的电极基板(集电体)上涂布、干燥后,根据需要,用辊筒压延等进行压密,能够 制成非水电解质二次电池用负极。
[0061] [锂离子二次电池]
[0062] 采用如上述那样制造的负极,可装配成锂离子二次电池,也可制作其它的非水电 解质二次电池。锂离子二次电池,作为基本结构,包含负极、正极、隔膜及非水系的电解 质,采用按上述顺序制作的负极、公知的正极、隔膜及电解质,装配成锂离子二次电池。
[0063] [评价用电池的制造方法]
[0064] 按照本发明得到的锂离子二次电池负极活性物质的性能评价,按以下的顺序进 行。
[0065] 往得到的粉末(负极活性物质)1.0质量份中添加人造石墨(平均粒径D50 = 4 ym)0. 29质量份,制成混合物。再添加宇部兴产(株)制造的聚酰亚胺树脂(商标 名:U-Varnish A、固体成分18质量% ) 3. 12质量份及N-甲基R比略烧酮0. 86质量份,进行 搅拌,得到浆液。该浆液使用50ym的刮刀,于厚度IOum的铜箔(负极集电体)上涂布, 于氮氛围气中、70°C干燥20分钟后,于650°C真空烧成3小时。烧成后用19.6MPa(200kgf/ cm 2)进行加压后,冲裁成I. 5cm2,作为负极成型体。
[0066] 评价用电池按以下顺序制作。作为正极材料,采用LiCoO2作为活性物质,正极 集电体采用铝箔的单层片(宝泉(株)制造)。非水电解质溶液,采用在碳酸乙烯酯、碳酸 二乙酯及碳酸二甲酯的60 : 25 : 15(体积比)混合液中以lmol/L浓度溶解六氟磷酸锂 的非水电解质溶液,隔膜使用厚度50ym的聚乙烯制微多孔质膜,制成硬币型锂离子二次 电池。采用得到的评价用电池,对负极成型体的初次充放电效率及循环特性进行评价。
[0067] [电池容量、循环特性评价方法]
[0068] 把制作的评价用锂离子二次电池于室温放置3小时后,采用充放电装置((株) 北斗电工制造),以0. 3mA的定电流进行充电,使试验电池的电压达到0. 02V,达到0. 02V 后,减少电流,进行充电,使电池电压于0.02V保持一定。然后,在电流值低于IOyA时 终止充电。以0. 3mA定电流进行放电,在电池电压高于3. 8V时终止放电,求出放电容量。
[0069] 以上的充放电试验重复50次,对评价用锂离子二次电池进行50次循环充放电试 验。后述的实施例及比较例的评价结果示于表1。表1中,把1次循环后的放电容量作为 初期放电容量,50次循环后的放电容量相对该初期放电容量之比率,作为50次循环后容 量保持率(%)进行表示。在此,充放电容量,表示负极活性物质每单位质量的容量。还 有,实施例1及比较例1中,也进行了 100次循环充放电试验,其结果也一并示于表1。
[0070] [负极活性物质的元素组成比测定方法]
[0071] 得到的负极活性物质的元素组成比,采用扫描型电子显微镜(Hitachi SU-8000) 及电子显微镜用能量分散型X线分析系统(Thermo Fisher Scientific社制NORAN System 7、NSS312E),按以下的方法进行测定。
[0072] 测定区域为200陳\200 11111,加速电压101^,在试样的不同的10处,测定51、 Cu、0的元素组成比,从得到的10个测定值的平均值计算元素组成比(SiASi+Cu+O)、(0/ (Si+Cu+0)、CuASi+Cu+0))。
[0073] 局部的元素组成比按以下的方法进行测定。
[0074] 对得到的负极活性物质,采用聚束离子束装置(FIB装置),制成厚度IOOnm的试 样。该试样采用STEM-EDX(日立制作所社制造,型号HD-2700),在加速电压200kV的测定 条件下测定局部的元素组成比。
[0075][负极活性物质的X线衍射评价方法]
[0076] 对得到的负极活性物质,采用X线衍射装置(株式会社Rigaku制造,RINT-2000), 在Cu线源(40kV/20mA)的条件下进行测定,进行X线衍射(XRD)的评价,得到X线衍射 图像。
[0077] 从XRD的测定结果算出Si的平均微晶粒径(Dx)时,采用从X线衍射图像得到的 Si相的(111)面的半幅值0,采用Scherrer式D = (K ? A )/(|3 ^cos 0 ),算出微晶粒径 (Dx)。还有,Scherrer式中的D为微晶粒径(nm)、A为测定X线波长(nm)、|3为取决于结 晶的衍射宽度(半幅值、弧度)、 0为衍射角的布拉格(Bragg)角、K为Scherrer常数,该 式中的测定X线波长A为〇? 154nm、Scherrer常数K为0? 9〇
[0078][负极活性物质的X线光电子分光分析评价方法]
[0079] 负极活性物质的X线光电子分光分析评价,作为X线源,采用经单色仪进行单色 化的AlKa线,测定区域为(}>〇.62mm、在光电子的取出角度45°的条件下进行测定。测定 前,试样表面,以硅基板达到IOOnm的深度蚀刻的条件,进行Ar喷涂蚀刻。
[0080] 实施例
[0081] 实施例1
[0082] 平均粒径为5 y m的粒状Si (高纯度化学研宄所制造,纯度99. 9% ) I. 56g与CuO 粉(株式会社Rare Metal lie制造,纯度99. 9质量%,平均粒径lym) 0.44g与直径15mm 的锆球7个,放入粉碎罐(不锈钢制造,容量45cm3)进行密封。把该粉碎罐安装在行星式 球磨机(Fritsch社制、Pulverisette-7)中,以旋转速度600rpm的条件实施3小时粉碎 处理。从粉碎罐的内容物分离锆球,得到负极活性物质。得到的负极活性物质的元素组成 比、XRD的Si (111)峰的半幅值及微晶粒径示于表1,扫描型电子显微镜照片示于图2。从 实施例1~12得到的负极活性物质的XRD图像(图3)中可以确认峰在2 0为44. 8°附 近,表示Cu3Si存在。
[0083] 图4中示出负极活性物质的透射型电子显微镜(STEM)暗视野图像。STEM暗视野 图像中,白色可见的3点(箭头部)的元素组成,用STEM-EDX测定的结果,Cu/Si的摩尔 比为2. 73~3. 27,可以确认已生成Cu3Si。
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