JP5605749B2 - Alloy negative electrode for lithium battery, method for producing the same, and lithium battery - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム多孔体を用いたリチウム電池用合金負極とその製造方法およびリチウム電池に関する。 The present invention relates to an alloy negative electrode for a lithium battery using a porous aluminum body, a method for producing the same, and a lithium battery.
近年、携帯情報端末、電動車両及び家庭用電力貯蔵装置に用いられるリチウムイオン電池等のリチウム二次電池が活発に研究されている。 In recent years, lithium secondary batteries such as lithium ion batteries used for portable information terminals, electric vehicles, and household power storage devices have been actively researched.
このリチウム二次電池の代表的な例の一つとして、Li−Al(負極)/MnO2(正極)リチウム二次電池が非特許文献1に示されている。
Non-patent
しかし、上記のリチウム二次電池は、負極であるLi−Al合金が脆弱であるため、工業的量産を図ることに困難性がある。 However, the lithium secondary battery described above has difficulty in achieving industrial mass production because the Li—Al alloy that is the negative electrode is fragile.
また、放電深度を上げて充放電を行った場合、少ない数の充放電サイクルで大幅な放電容量の劣化を招いていた。例えば、100%の放電深度で充放電を行った場合、そのサイクル寿命は数十サイクル程度が限度であった。このため、通常は、10%程度での放電深度で充放電が行われていた。 Moreover, when charging / discharging was performed by increasing the depth of discharge, a large number of charging / discharging cycles caused significant deterioration of the discharge capacity. For example, when charging / discharging is performed at a discharge depth of 100%, the cycle life is limited to about several tens of cycles. For this reason, charging / discharging is usually performed at a discharge depth of about 10%.
これらの問題点に鑑み、工業的量産に好適であると共に、放電深度を上げて大きな数の充放電サイクルで充放電を行った場合でも、放電容量の劣化を招く恐れがないリチウム電池用合金負極の開発が望まれていた。 In view of these problems, it is suitable for industrial mass production, and even when charging / discharging is performed with a large number of charging / discharging cycles by increasing the depth of discharge, there is no risk of causing deterioration of the discharge capacity. Development of was desired.
上記の課題は、以下に示す本発明に関連する(1)〜(13)の各技術により解決することができる。 Said subject can be solved by each technique of (1)-(13) relevant to this invention shown below.
(1)本発明に関連するリチウム電池用合金負極は、
非水電解液を用いるリチウム電池用合金負極であって、
アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されていることを特徴とする。
(1) The alloy negative electrode for lithium batteries related to the present invention is:
An alloy negative electrode for a lithium battery using a non-aqueous electrolyte,
The aluminum porous body is filled with lithium metal.
本発明者は、上記の課題の解決につき、鋭意検討を行った。その結果、従来の板状体のLi−Al合金に替えて、アルミニウム多孔体中にリチウム金属を充填して作製したLi−Al合金を負極として用いることが有効であることを見出した。 The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that it is effective to use a Li—Al alloy produced by filling lithium metal in a porous aluminum body as a negative electrode instead of the conventional Li—Al alloy having a plate-like body.
即ち、アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されたLi−Al合金負極は、芯となる骨格を有しているため、従来のLi−Al合金負極のような脆弱性がなく、工業的量産に好適である。 In other words, the Li-Al alloy negative electrode filled with lithium metal in the aluminum porous body has a core skeleton, so it is not as brittle as the conventional Li-Al alloy negative electrode, and is suitable for industrial mass production. Is preferred.
また、高い放電深度であっても充分なサイクル寿命を確保することができる。 Moreover, a sufficient cycle life can be ensured even at a high discharge depth.
即ち、本発明者が検討した結果、充放電サイクルに伴って、充電時はAlが膨張し、放電時はAlが収縮し、電極全体の膨張収縮が起こるため、電極界面に割れなどを生じ、微粉化を発生させ、活物質の脱離を招き、これが、放電深度を上げた場合の充放電サイクル特性に悪影響を与えていることが分かった。 In other words, as a result of the study by the present inventors, along with the charge / discharge cycle, Al expands during charging, Al contracts during discharge, and the entire electrode expands and contracts, resulting in cracks at the electrode interface, It was found that micronization occurred and the active material was desorbed, which had an adverse effect on the charge / discharge cycle characteristics when the discharge depth was increased.
これに対して、本発明に関連するアルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されたLi−Al合金負極では、Al濃度が多孔体の骨格から離れるに従い、即ち、多孔体の骨格の中央部ほど薄くなるという濃度勾配が形成されているため、充放電サイクルに伴う膨張収縮の応力が分散して緩和される。この結果、放電深度を上げた場合であっても、電極の割れなどが抑制され、微粉化の発生が抑制され、充分な充放電サイクルを確保することができる On the other hand, in the Li-Al alloy negative electrode in which lithium metal is filled in the aluminum porous body related to the present invention, the Al concentration becomes thinner from the skeleton of the porous body, that is, the thinner the central portion of the skeleton of the porous body. Therefore, the expansion and contraction stress accompanying the charge / discharge cycle is dispersed and relaxed. As a result, even when the depth of discharge is increased, cracking of the electrode and the like are suppressed, generation of pulverization is suppressed, and a sufficient charge / discharge cycle can be ensured.
また、充放電サイクル寿命の低下は、Li金属負極に係わるLiデンドライト成長により、長時間使用した場合に短絡が発生することにも原因があることが分かった。この点、本発明に関連するアルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されたLi−Al合金負極では、このLiデンドライト成長が多孔内に留まるため、短絡によるサイクル寿命の低下が抑制される。 Moreover, it turned out that the fall of charging / discharging cycle life is also caused by a short circuit occurring when used for a long time due to Li dendrite growth related to the Li metal negative electrode. In this regard, in the Li—Al alloy negative electrode in which lithium metal is filled in an aluminum porous body related to the present invention , since this Li dendrite growth stays in the pores, a reduction in cycle life due to a short circuit is suppressed.
(2)また、前記のリチウム電池用合金負極は、
前記アルミニウム多孔体の骨格が、アルミニウムによって形成されていることを特徴とする。
(2) In addition, the alloy negative electrode for lithium battery,
A skeleton of the aluminum porous body is formed of aluminum.
アルミニウム多孔体の骨格自体がアルミニウムによって形成されているため、骨格のみでLi−Al合金を形成することができる。このため、気孔率が高く、より容量密度の大きなリチウム電池用合金負極を提供することができる。 Since the skeleton of the aluminum porous body itself is formed of aluminum, a Li—Al alloy can be formed using only the skeleton. For this reason, the alloy negative electrode for lithium batteries with a high porosity and a larger capacity density can be provided.
(3)また、前記のリチウム電池用合金負極は、
前記アルミニウム多孔体の骨格が、銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる芯材の表面にアルミニウム層が形成されたアルミニウム被覆材によって形成されていることを特徴とする。
(3) The lithium battery alloy negative electrode is
The skeleton of the aluminum porous body is formed by an aluminum coating material in which an aluminum layer is formed on the surface of a core material made of any metal of copper, nickel, and iron.
本発明に関連するリチウム電池用合金負極は、アルミニウム多孔体の骨格の芯材として、銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属が用いられている。これらの金属は、リチウムやアルミニウムと合金化しない一方、機械的強度が高いため、強度に優れた多孔体を形成することができる。このため、これらの金属からなる芯材の表面にアルミニウム層が形成された多孔体は、膨張収縮に対して強いリチウム電池用合金負極を提供することができる。 In the alloy negative electrode for lithium batteries related to the present invention , a metal of copper, nickel, or iron is used as the core material of the skeleton of the porous aluminum body. These metals are not alloyed with lithium or aluminum, but have high mechanical strength, so that a porous body having excellent strength can be formed. For this reason, the porous body in which the aluminum layer is formed on the surface of the core material made of these metals can provide an alloy negative electrode for a lithium battery that is strong against expansion and contraction.
(4)また、前記のリチウム電池用合金負極は、
前記アルミニウム多孔体の空孔に占める前記リチウム金属の体積の比率が、50%以上100%未満であることを特徴とする。
(4) In addition, the alloy negative electrode for lithium battery,
The ratio of the volume of the lithium metal to the pores of the aluminum porous body is 50% or more and less than 100%.
本発明に関連する技術においては、リチウム金属の体積比率が100%未満であり、Li充填後のアルミニウム多孔体に空孔が残されているため、デンドライトが生成した場合でも、デンドライトは主として空孔内に生成する。このため、デンドライトショートが効果的に抑制される。一方、リチウム金属の体積比率が50%未満になると、リチウム電池用合金負極としての実用的な作用が充分に発揮できない恐れがある。 In the technology related to the present invention , the volume ratio of lithium metal is less than 100%, and pores are left in the aluminum porous body after filling Li. Therefore, even when dendrites are generated, the dendrites are mainly voids. Generate within. For this reason, a dendrite short is suppressed effectively. On the other hand, when the volume ratio of the lithium metal is less than 50%, there is a possibility that the practical action as an alloy negative electrode for a lithium battery cannot be sufficiently exhibited.
(5)また、前記のリチウム電池用合金負極は、
前記アルミニウム多孔体の骨格を形成するアルミニウム、または前記アルミニウム被覆材のアルミニウム層の表面の酸素量が、3.1質量%以下であることを特徴とする。
(5) In addition, the alloy negative electrode for lithium battery,
The amount of oxygen on the surface of aluminum forming the skeleton of the aluminum porous body or the aluminum layer of the aluminum covering material is 3.1% by mass or less.
本発明に関連するリチウム電池用合金負極のアルミニウム多孔体は、アルミニウム多孔体の骨格を形成するアルミニウム、あるいは前記アルミニウム被覆材のアルミニウム層の表面の酸素量が、3.1質量%以下であるため、これまでにない一層容量密度が大きい電池用合金負極を提供することができる。 Since the aluminum porous body of the alloy negative electrode for lithium batteries related to the present invention has an aluminum content of 3.1% by mass or less on the surface of aluminum forming the skeleton of the aluminum porous body or the aluminum layer of the aluminum coating material. Thus, an alloy negative electrode for a battery having a higher capacity density than ever before can be provided.
Alはもともと酸化され易いため、これまで表面の酸素量が充分に少ないアルミニウム多孔体が無かった。例えば特開平8−170126号公報に記載の発泡樹脂の表面に形成させたAlの共晶合金の皮膜の表面にAl粉末を塗着後、非酸化性の雰囲気中で熱処理して作製されたアルミニウム多孔体の場合は、表面に酸化皮膜が生成するため、表面の酸素量が多い。表面の酸素量が多い場合には、充填されたLiが酸素(O2)によって酸化され活物質として機能しないLi2Oに変化してしまうため、大きな容量密度が得られない。また、生成したLi2Oは抵抗層となるため特性が低下する。 Since Al is easily oxidized, there has been no porous aluminum body having a sufficiently small amount of oxygen on the surface. For example, aluminum produced by applying an Al powder on the surface of an eutectic alloy film of Al formed on the surface of a foamed resin described in JP-A-8-170126 and then heat-treating it in a non-oxidizing atmosphere. In the case of a porous body, since an oxide film is formed on the surface, the amount of oxygen on the surface is large. When the amount of oxygen on the surface is large, the filled Li is oxidized by oxygen (O 2 ) and changed to Li 2 O that does not function as an active material, so that a large capacity density cannot be obtained. Moreover, since the produced Li 2 O becomes a resistance layer, the characteristics deteriorate.
このため、本発明者は、酸素量の少ないアルミニウム多孔体を研究し、酸素量3.1質量%以下のアルミニウム多孔体の開発に成功した。 For this reason, the inventor has studied an aluminum porous body having a small amount of oxygen, and has succeeded in developing an aluminum porous body having an oxygen amount of 3.1% by mass or less.
本発明に関連する技術は、このようなアルミニウム多孔体を用いることを特徴としており、表面の酸素量が3.1質量%以下のアルミニウム多孔体を用いるため、一層容量密度が大きいリチウム電池用合金負極が得られる。 The technology related to the present invention is characterized by using such an aluminum porous body, and since an aluminum porous body having a surface oxygen content of 3.1% by mass or less is used, an alloy for lithium batteries having a higher capacity density. A negative electrode is obtained.
ここで、本発明に関連するリチウム電池用合金負極の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。製造方法の第一段階では、連通孔を有するアルミニウム多孔体を製造し、第二段階では、そのアルミニウム多孔体にLi金属を充填する。 Here, the manufacturing method of the alloy negative electrode for lithium batteries relevant to this invention is demonstrated in detail, referring drawings. In the first stage of the manufacturing method, an aluminum porous body having communication holes is manufactured, and in the second stage, the aluminum porous body is filled with Li metal.
図1は、その第一段階の概略を示す模式図である。図1(a)は、連通孔を有する樹脂1の断面の一部を示す拡大模式図であり、樹脂1を骨格として孔が形成されている様子を示している。図1(b)は、連通孔を有する樹脂1の表面にアルミニウム層2が形成された様子(アルミニウム層被膜樹脂3)を示している。図1(c)は、アルミニウム層被膜樹脂3から樹脂1を熱分解させて消失させた後の様子(アルミニウム多孔体4)を示している。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of the first stage. FIG. 1A is an enlarged schematic view showing a part of a cross section of the
図2は、アルミニウム層被膜樹脂3から、樹脂1を熱分解して消失させる工程を示す。アルミニウム層被膜樹脂3及び正極5を溶融塩6に浸漬し、アルミニウム層2をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保つ。溶融塩中に浸漬してアルミニウム層2をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保つことにより、アルミニウム層2の酸化が抑制される。なお、正極5には、溶融塩に不溶性を示せば適宜選択することができるが、たとえば、白金、チタンなどからなる電極が用いられる。
FIG. 2 shows a process of thermally decomposing the
この状態で、樹脂1の分解温度以上に溶融塩6を加熱すると、アルミニウム層被膜樹脂3のうち樹脂1のみが分解して消失する。その結果、アルミニウム多孔体4が得られる。この方法により製造されたアルミニウム多孔体4は、製造法の特質上、中空糸状である。この点において、特開2002−371327で開示するようなアルミニウム発泡体の構造とは異なっている。なお、樹脂1を分解させるに際しては、アルミニウムの溶融を防ぐため、加熱温度はアルミニウムの融点以下とする。具体的には、アルミニウムの融点である660℃以下で加熱することが好ましい。
In this state, when the molten salt 6 is heated to a temperature equal to or higher than the decomposition temperature of the
本発明に関連する技術における樹脂には、アルミニウムの融点以下の温度で熱分解するものであれば、任意の樹脂を選択できる。たとえば、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン等がある。なかでも、発泡ウレタンは、気孔率が高いし、熱分解しやすい素材であるので、発泡ウレタンが本発明に関連する技術の製造方法に用いる樹脂として好ましい。また、樹脂の気孔率は80%〜98%、気孔径は50μm〜500μm程度のものが好ましい。樹脂は、連通孔を有することが好ましい。これにより、閉気孔が無いアルミニウム多孔体が得られる。 As the resin in the technique related to the present invention, any resin can be selected as long as it thermally decomposes at a temperature not higher than the melting point of aluminum. For example, there are polyurethane, polypropylene, polyethylene and the like. Among these, urethane foam is a material having a high porosity and is easily thermally decomposed, and therefore, urethane foam is preferable as a resin used in the manufacturing method of the technology related to the present invention. The resin preferably has a porosity of 80% to 98% and a pore diameter of about 50 μm to 500 μm. The resin preferably has a communication hole. Thereby, the aluminum porous body without a closed pore is obtained.
以上に説明したアルミニウム多孔体の表面のアルミニウムは、酸素量が極めて低く、EDX分析の析出限界である3.1質量%以下であった。また、連通孔は有するが閉気孔が無く、さらに共晶合金などを用いないため、アルミニウムのみから構成されている。 The aluminum on the surface of the porous aluminum body described above had an extremely low oxygen content and was 3.1% by mass or less, which is the precipitation limit of EDX analysis. In addition, since it has communication holes but no closed pores and does not use a eutectic alloy or the like, it is made of only aluminum.
次に、第二段階として、アルミニウム多孔体4に、Li金属を充填する。充填するための方法は特に限定されず、例えば、含入による方法や真空蒸着法、電気メッキ法などの公知の方法を用いることができる。 Next, as a second stage, the aluminum porous body 4 is filled with Li metal. The method for filling is not particularly limited, and for example, a known method such as a method by inclusion, a vacuum deposition method, or an electroplating method can be used.
(6)また、前記のリチウム電池用合金負極は、
前記アルミニウム多孔体が、連通孔を有し、閉気孔を有さず、
さらにアルミニウムのみからなることを特徴とする。
(6) Moreover, the alloy negative electrode for lithium batteries described above is
The aluminum porous body has communication holes, no closed pores,
Furthermore, it consists only of aluminum.
従来のアルミニウム多孔体、例えば、特開2002−371327号公報に記載のAlを溶融させた状態で発泡剤を加えて発泡させたアルミニウム多孔体には閉気孔が多く存在する。また、前記した特開平8−170126号公報に記載のアルミニウム多孔体は、共晶金属であるためBi、Caその他のAl以外の金属を含有する。このように、閉気孔が多く存在する場合には、充分な量のLiを充填することができないため、大きな容量密度が得られない。また、Al以外の金属を含有するため、Li−Al合金の負極としての機能が低下する。 A conventional aluminum porous body, for example, an aluminum porous body foamed by adding a foaming agent in a molten state of Al described in JP-A-2002-371327 has many closed pores. Moreover, since the aluminum porous body described in JP-A-8-170126 is a eutectic metal, it contains Bi, Ca and other metals other than Al. Thus, when there are many closed pores, a sufficient amount of Li cannot be filled, so that a large capacity density cannot be obtained. Moreover, since it contains metals other than Al, the function as a negative electrode of a Li-Al alloy falls.
一方、本発明に関連するリチウム電池用合金負極においては充分な量のLi金属を充填できるため、一層容量密度が大きいリチウム電池用合金負極が得られる。また、アルミニウム多孔体がアルミニウムのみからなるため、負極としての機能を充分に発揮させることができる。 On the other hand, since the lithium battery alloy negative electrode related to the present invention can be filled with a sufficient amount of Li metal, a lithium battery alloy negative electrode having a higher capacity density can be obtained. Further, since the aluminum porous body is made of only aluminum, the function as the negative electrode can be sufficiently exhibited.
(7)本発明に関連するリチウム電池は、
前記(1)〜(6)に記載のリチウム電池用合金負極を備えることを特徴とする。
(7) The lithium battery related to the present invention is
It comprises the alloy negative electrode for lithium battery as described in said (1)-(6).
本発明に関連するリチウム電池は、前記の特徴を備えるリチウム電池用合金を負極としているため、容量密度が大きく、充放電サイクル特性が優れたリチウム電池を提供することができる。 Since the lithium battery related to the present invention uses the lithium battery alloy having the above characteristics as the negative electrode, it can provide a lithium battery having a large capacity density and excellent charge / discharge cycle characteristics.
(8)本発明に関連するリチウム電池用合金負極の製造方法は、
連通孔を有する樹脂の表面にアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、
前記樹脂を溶融塩に浸漬した状態で、前記アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保ちながら前記樹脂をアルミニウムの融点以下の温度に加熱して、前記樹脂を加熱分解してアルミニウム多孔体を作製するアルミニウム多孔体作製工程と、
前記アルミニウム多孔体にリチウム金属を充填するリチウム金属充填工程と
を有することを特徴とする。
(8) A method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery related to the present invention,
An aluminum layer forming step of forming an aluminum layer on the surface of the resin having communication holes;
In a state where the resin is immersed in the molten salt, the resin is heated to a temperature below the melting point of aluminum while maintaining the aluminum layer at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum, and the resin is thermally decomposed to form porous aluminum. An aluminum porous body manufacturing process for manufacturing a body;
A lithium metal filling step of filling the aluminum porous body with lithium metal.
本発明に関連するリチウム電池用合金負極の製造方法によれば、前記したようにアルミニウム層の表面の酸素量が3.1質量%以下であり、連通孔を有し、閉気孔を有さず、さらにアルミニウムのみからなるアルミニウム多孔体を用いた容量密度が大きく、微粉化とデンドライトショートの抑制効果の高いリチウム電池用合金負極を提供することができる。 According to the method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery related to the present invention, as described above, the amount of oxygen on the surface of the aluminum layer is 3.1% by mass or less, has communication holes, and does not have closed pores. Furthermore, it is possible to provide an alloy negative electrode for a lithium battery having a large capacity density using an aluminum porous body made of only aluminum and having a high effect of suppressing pulverization and dendrite short.
(9)本発明に関連するリチウム電池用合金負極の製造方法は、
連通孔を有する樹脂の表面に銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる金属層を形成する金属層形成工程と、
前記金属層の表面にアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、
前記樹脂を溶融塩に浸漬した状態で、前記アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保ちながら前記樹脂をアルミニウムの融点以下の温度に加熱して、前記樹脂を加熱分解してアルミニウム多孔体を作製するアルミニウム多孔体作製工程と、
前記アルミニウム多孔体にリチウム金属を充填するリチウム金属充填工程と
を有することを特徴とする。
(9) A method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery related to the present invention is as follows:
A metal layer forming step of forming a metal layer made of one of copper, nickel, and iron on the surface of the resin having communication holes;
An aluminum layer forming step of forming an aluminum layer on the surface of the metal layer;
In a state where the resin is immersed in the molten salt, the resin is heated to a temperature below the melting point of aluminum while maintaining the aluminum layer at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum, and the resin is thermally decomposed to form porous aluminum. An aluminum porous body manufacturing process for manufacturing a body;
A lithium metal filling step of filling the aluminum porous body with lithium metal.
本発明に関連するリチウム電池用合金負極の製造方法によれば、前記したようにアルミニウム層の表面の酸素量が3.1質量%以下であり、連通孔を有し、閉気孔を有さないアルミニウム多孔体を用いた容量密度が大きく、充放電サイクルに優れたリチウム電池用合金負極を提供することができ、さらに、アルミニウム多孔体に銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる金属を骨格としているため、強度に強いリチウム電池用合金負極を提供することができる。 According to the method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery related to the present invention, as described above, the amount of oxygen on the surface of the aluminum layer is 3.1% by mass or less, has communication holes, and does not have closed pores. A lithium battery alloy negative electrode with a large capacity density using an aluminum porous body and excellent charge / discharge cycle can be provided, and a metal made of copper, nickel, or iron is used as the skeleton of the aluminum porous body. Therefore, it is possible to provide a lithium battery alloy negative electrode having high strength.
(10)また、前記のリチウム電池用合金負極の製造方法は、
前記アルミニウム層の形成方法が、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザアブレーション法又はプラズマCVD法であることを特徴とする。
(10) Moreover, the manufacturing method of the said alloy negative electrode for lithium batteries is as follows.
The method for forming the aluminum layer is a vacuum deposition method, a sputtering method, a laser ablation method, or a plasma CVD method.
真空蒸着法では、例えば、原料のアルミニウム金属に電子ビームを照射してアルミニウム金属を溶融・蒸発させ、連通孔を有する樹脂体の樹脂表面にアルミニウム金属を付着させることにより、アルミニウム金属層を形成することができる。スパッタリング法では、例えば、アルミニウム金属のターゲットにプラズマ照射してアルミニウム金属を気化させ、連通孔を有する樹脂体の樹脂表面にアルミニウム合金を付着させることにより、アルミニウム金属層を形成することができる。レーザアブレーション法では、例えば、レーザ照射によりアルミニウム金属を溶融・蒸発させ、連通孔を有する樹脂体の樹脂表面にアルミニウム金属を付着させることにより、アルミニウム金属層を形成することができる。プラズマCVD法では、原料であるアルミニウム化合物に高周波を印加することによってプラズマ化させ、連通孔を有する樹脂の表面に付着させることにより、アルミニウム金属層を形成することができる。 In the vacuum deposition method, for example, an aluminum metal layer is formed by irradiating an aluminum beam as a raw material with an electron beam to melt and evaporate the aluminum metal and adhere the aluminum metal to the resin surface of the resin body having communication holes. be able to. In the sputtering method, for example, an aluminum metal target can be vaporized by plasma irradiation on an aluminum metal target, and an aluminum alloy is adhered to the resin surface of a resin body having communication holes, whereby an aluminum metal layer can be formed. In the laser ablation method, for example, an aluminum metal layer can be formed by melting and evaporating aluminum metal by laser irradiation and attaching the aluminum metal to the resin surface of the resin body having the communication holes. In the plasma CVD method, an aluminum metal layer can be formed by applying a high frequency to an aluminum compound as a raw material to form a plasma and attaching it to the surface of a resin having communication holes.
(11)また、前記のリチウム電池用合金負極の製造方法は、
前記アルミニウム層の形成方法が、前記樹脂の表面を導電化処理した後、アルミニウムをめっきするめっき法であることを特徴とする。
(11) Moreover, the manufacturing method of the said alloy negative electrode for lithium batteries is as follows.
The method for forming the aluminum layer is a plating method in which aluminum is plated after the surface of the resin is subjected to a conductive treatment.
(12)また、本発明に関連するリチウム電池用合金負極の製造方法は、
前記アルミニウム層の形成方法が、前記金属層の表面にアルミニウムをめっきするめっき法であることを特徴とする。
(12) Moreover, the manufacturing method of the alloy negative electrode for lithium batteries relevant to this invention is as follows.
The method for forming the aluminum layer is a plating method for plating aluminum on the surface of the metal layer.
水溶液中でアルミニウムをめっきすることは、実用上ほとんど不可能であるため、溶融塩中でアルミニウムをめっきする溶融塩電解めっきが行われる。この場合において、予め樹脂の表面を導電化処理した後に、溶融塩中でアルミニウムをめっきすることが好ましい。 Since it is practically impossible to plate aluminum in an aqueous solution, molten salt electroplating in which aluminum is plated in molten salt is performed. In this case, it is preferable to plate aluminum in a molten salt after conducting a conductive treatment on the surface of the resin in advance.
ここで用いる溶融塩は、樹脂を加熱分解する工程で用いられることになる溶融塩と同じであっても、異なっていてもよい。具体的には、塩化カリウム、塩化アルミニウム、塩化ナトリウム等の溶融塩が使用される。また、2成分以上の塩を使用し、共晶溶融塩として使用してもよい。共晶溶融塩にした場合、溶融温度が低下するので好ましい。この溶融塩中には、少なくともアルミニウムイオンが含まれている必要がある。 The molten salt used here may be the same as or different from the molten salt to be used in the step of thermally decomposing the resin. Specifically, molten salts such as potassium chloride, aluminum chloride, and sodium chloride are used. Further, a salt of two or more components may be used and used as a eutectic molten salt. The eutectic molten salt is preferable because the melting temperature is lowered. This molten salt needs to contain at least aluminum ions.
(13)また、前記のリチウム電池用合金負極の製造方法は、
前記アルミニウム層の形成方法が、前記樹脂の表面または前記金属層の表面にアルミニウムペーストを塗布する塗布法であることを特徴とする。
(13) Moreover, the manufacturing method of the said alloy negative electrode for lithium batteries is as follows.
The method for forming the aluminum layer is a coating method in which an aluminum paste is applied to the surface of the resin or the surface of the metal layer.
樹脂の表面にアルミニウムペーストを塗布する場合において、そのアルミニウムペーストは、たとえば、アルミニウム粉末、結着剤(バインダー樹脂)及び有機溶剤が混合されたものである。具体的には、アルミニウムペーストを樹脂の表面に塗布した後、加熱して有機溶剤及びバインダー樹脂を消失させるとともに、アルミニウムペーストを焼結させる。焼結時の加熱は、一段階でおこなっても複数回に分けておこなっても良い。例えば、アルミニウムペーストを塗布した後に低温で加熱して有機溶剤を消失させた後、溶融塩中に浸漬して加熱することにより、樹脂の分解と同時にアルミニウムペーストの焼結を行っても良い。 When an aluminum paste is applied to the surface of the resin, the aluminum paste is, for example, a mixture of aluminum powder, a binder (binder resin), and an organic solvent. Specifically, after the aluminum paste is applied to the surface of the resin, it is heated to eliminate the organic solvent and the binder resin, and the aluminum paste is sintered. Heating at the time of sintering may be performed in one step or in multiple steps. For example, the aluminum paste may be sintered at the same time as the resin decomposition by applying aluminum paste and heating at a low temperature to eliminate the organic solvent and then immersing in molten salt and heating.
本発明は、上記した(1)〜(13)の各技術に基づいてなされたものである。The present invention has been made based on the above-described techniques (1) to (13).
(1)即ち、本発明に係るリチウム電池用合金負極は、(1) That is, the alloy negative electrode for a lithium battery according to the present invention is
非水電解液を用いるリチウム電池用合金負極であって、An alloy negative electrode for a lithium battery using a non-aqueous electrolyte,
アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されており、The aluminum porous body is filled with lithium metal,
前記アルミニウム多孔体の骨格が、銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる芯材の表面にアルミニウム層が形成されたアルミニウム被覆材によって形成されていることを特徴とする。The skeleton of the aluminum porous body is formed by an aluminum coating material in which an aluminum layer is formed on the surface of a core material made of any metal of copper, nickel, and iron.
(2)また、本発明に係るリチウム電池用合金負極は、(2) Moreover, the alloy negative electrode for lithium batteries according to the present invention comprises:
非水電解液を用いるリチウム電池用合金負極であって、An alloy negative electrode for a lithium battery using a non-aqueous electrolyte,
アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されており、The aluminum porous body is filled with lithium metal,
前記アルミニウム多孔体の骨格が、アルミニウムによって、または銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる芯材の表面にアルミニウム層が形成されたアルミニウム被覆材によって形成され、The skeleton of the porous aluminum body is formed of aluminum or an aluminum covering material in which an aluminum layer is formed on the surface of a core material made of copper, nickel, or iron,
前記アルミニウム多孔体の骨格を形成するアルミニウム、または前記アルミニウム被覆材のアルミニウム層の表面の酸素量が、3.1質量%以下であることを特徴とする。The amount of oxygen on the surface of aluminum forming the skeleton of the aluminum porous body or the aluminum layer of the aluminum covering material is 3.1% by mass or less.
(3)また、前記のリチウム電池用合金負極は、(3) The lithium battery alloy negative electrode is
前記アルミニウム多孔体の空孔に占める前記リチウム金属の体積の比率が、50%以上100%未満であることを特徴とする。The ratio of the volume of the lithium metal to the pores of the aluminum porous body is 50% or more and less than 100%.
(4)また、前記のリチウム電池用合金負極は、(4) In addition, the alloy negative electrode for lithium battery,
前記アルミニウム多孔体が、連通孔を有し、閉気孔を有さず、The aluminum porous body has communication holes, no closed pores,
さらにアルミニウムのみからなることを特徴とする。Furthermore, it consists only of aluminum.
(5)本発明に係るリチウム電池は、(5) The lithium battery according to the present invention is
前記(1)〜(4)に記載のリチウム電池用合金負極を備えることを特徴とする。It comprises the alloy negative electrode for lithium battery as described in said (1)-(4).
(6)本発明に係るリチウム電池用合金負極の製造方法は、(6) A method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery according to the present invention comprises:
連通孔を有する樹脂の表面にアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、An aluminum layer forming step of forming an aluminum layer on the surface of the resin having communication holes;
前記樹脂を溶融塩に浸漬した状態で、前記アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保ちながら前記樹脂をアルミニウムの融点以下の温度に加熱して、前記樹脂を加熱分解してアルミニウム多孔体を作製するアルミニウム多孔体作製工程と、In a state where the resin is immersed in the molten salt, the resin is heated to a temperature below the melting point of aluminum while maintaining the aluminum layer at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum, and the resin is thermally decomposed to form porous aluminum. An aluminum porous body manufacturing process for manufacturing a body;
前記アルミニウム多孔体にリチウム金属を充填するリチウム金属充填工程とA lithium metal filling step of filling the aluminum porous body with lithium metal;
を有することを特徴とする。It is characterized by having.
(7)本発明に係るリチウム電池用合金負極の製造方法は、(7) A method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery according to the present invention comprises:
連通孔を有する樹脂の表面に銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる金属層を形成する金属層形成工程と、A metal layer forming step of forming a metal layer made of one of copper, nickel, and iron on the surface of the resin having communication holes;
前記金属層の表面にアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、An aluminum layer forming step of forming an aluminum layer on the surface of the metal layer;
前記樹脂を溶融塩に浸漬した状態で、前記アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保ちながら前記樹脂をアルミニウムの融点以下の温度に加熱して、前記樹脂を加熱分解してアルミニウム多孔体を作製するアルミニウム多孔体作製工程と、In a state where the resin is immersed in the molten salt, the resin is heated to a temperature below the melting point of aluminum while maintaining the aluminum layer at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum, and the resin is thermally decomposed to form porous aluminum. An aluminum porous body manufacturing process for manufacturing a body;
前記アルミニウム多孔体にリチウム金属を充填するリチウム金属充填工程とA lithium metal filling step of filling the aluminum porous body with lithium metal;
を有することを特徴とする。It is characterized by having.
(8)また、前記のリチウム電池用合金負極の製造方法は、(8) Moreover, the manufacturing method of the said alloy negative electrode for lithium batteries is as follows.
前記アルミニウム層の形成方法が、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザアブレーション法又はプラズマCVD法であることを特徴とする。The method for forming the aluminum layer is a vacuum deposition method, a sputtering method, a laser ablation method, or a plasma CVD method.
(9)また、前記のリチウム電池用合金負極の製造方法は、(9) Moreover, the manufacturing method of the said alloy negative electrode for lithium batteries is as follows.
前記アルミニウム層の形成方法が、前記樹脂の表面を導電化処理した後、アルミニウムをめっきするめっき法であることを特徴とする。The method for forming the aluminum layer is a plating method in which aluminum is plated after the surface of the resin is subjected to a conductive treatment.
(10)また、本発明のリチウム電池用合金負極の製造方法は、(10) Moreover, the manufacturing method of the alloy negative electrode for lithium batteries of this invention,
前記アルミニウム層の形成方法が、前記金属層の表面にアルミニウムをめっきするめっき法であることを特徴とする。The method for forming the aluminum layer is a plating method for plating aluminum on the surface of the metal layer.
(11)また、前記のリチウム電池用合金負極の製造方法は、(11) Moreover, the manufacturing method of the said alloy negative electrode for lithium batteries is as follows.
前記アルミニウム層の形成方法が、前記樹脂の表面または前記金属層の表面にアルミニウムペーストを塗布する塗布法であることを特徴とする。The method for forming the aluminum layer is a coating method in which an aluminum paste is applied to the surface of the resin or the surface of the metal layer.
本発明によれば、容量密度が大きく、充放電サイクルに優れたリチウム電池用合金負極とその製造方法およびリチウム電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the capacity density is large and can provide the alloy negative electrode for lithium batteries excellent in the charging / discharging cycle, its manufacturing method, and a lithium battery.
以下、本発明をその実施の形態に基づき図面を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on the embodiments.
(実施の形態1)
A.リチウム電池用合金負極
本実施の形態におけるリチウム電池用合金負極は、アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されており、アルミニウム多孔体の骨格は、アルミニウムによって形成されている。そして、本実施の形態におけるリチウム電池用合金負極は、下記の製造方法により製造される(図1参照)。
(Embodiment 1)
A. Lithium battery alloy negative electrode In the lithium battery alloy negative electrode in the present embodiment, an aluminum porous body is filled with lithium metal, and the skeleton of the aluminum porous body is formed of aluminum. And the alloy negative electrode for lithium batteries in this Embodiment is manufactured with the following manufacturing method (refer FIG. 1).
B.リチウム電池用合金負極の製造方法
多孔性の樹脂1には、連通孔を有する発泡樹脂や不織布が用いられ、特に気孔率が80%〜98%、気孔径が50μm〜500μm程度の樹脂が好ましく、発泡ウレタンが好ましく用いられる。
B. Method for Producing Lithium Battery Alloy Negative Electrode As the
以下、リチウム電池用合金負極の製造方法を、アルミニウム層形成工程、アルミニウム多孔体作製工程、およびリチウム金属含入(充填)工程の順に説明する。
(1)アルミニウム層形成工程
真空蒸着、スパッタリング法、レーザアブレーション法若しくはプラズマCVD等の気相法、めっき法、アルミニウムペースト塗布法等により、樹脂1の表面に、アルミニウム層2を、直に形成してアルミニウム層被覆樹脂3を作製する。
Hereinafter, the manufacturing method of the alloy negative electrode for lithium batteries is demonstrated in order of an aluminum layer formation process, an aluminum porous body preparation process, and a lithium metal containing (filling) process.
(1) Aluminum layer forming step The
電解めっきを行うためには、予め樹脂1の表面を導電化処理する。導電化処理には、ニッケル等の導電性金属の無電解めっき、アルミニウム等の蒸着若しくはスパッタリング、又はカーボン等の導電性粒子を含有した導電性塗料の塗布などの任意の方法が選択される。アルミニウムめっきするためのめっき浴には例えばAlCl3−XCl(X:アルカリ金属)−MClx(MはCr、Mn、及び遷移金属元素から選択される添加元素)の多成分系の溶融塩が使用される。溶融塩の中に樹脂1を浸漬し、導電化処理をした樹脂を負極にして電解めっきを行う。
In order to perform electroplating, the surface of the
アルミニウム層の形成は、前記の通り、アルミニウムペーストの塗布によっても行うことができる。アルミニウムペーストは、アルミニウム粉末と結着剤(バインダー樹脂)及び有機溶剤を混合したものであり、樹脂1の表面に所定量のアルミニウムペーストを塗布後、非酸化性雰囲気下で焼結する。
As described above, the aluminum layer can also be formed by applying an aluminum paste. The aluminum paste is a mixture of aluminum powder, a binder (binder resin), and an organic solvent. After applying a predetermined amount of aluminum paste to the surface of the
(2)アルミニウム多孔体作製工程
次に、樹脂1を熱分解させて除去する。図2は溶融塩6の中での多孔性樹脂の分解工程を説明するための模式図である。表面にアルミニウム層を形成した樹脂(すなわち、アルミニウム層被膜樹脂3)をLiCl、KCl、NaCl、AlCl3からなる群より選択される1種以上を含む塩の中で、アルミニウムの融点以下の、好ましくは500℃〜600℃の温度にて加熱して、白金またはチタン製の正極5との間に所定の電圧を印加してアルミニウム層被膜樹脂3のアルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位(Li、K、Naの還元電位より貴な電位)で保って多孔性樹脂1を熱分解させて除去し、図1(c)のアルミニウム多孔体4を作製する。
(2) Aluminum porous body preparation process Next, the
(3)リチウム金属含入(充填)工程
次に、作製したアルミニウム多孔体に所定量のリチウム金属を含入し、リチウムとアルミニウムの合金(Li−Al合金)を生成させてリチウム電池用合金負極を作製する。具体的には、例えばアルミニウム多孔体と所定の厚さのリチウム箔を貼り合わせた後、180℃以上に加熱し、リチウム箔を溶融させてアルミニウム多孔体の空孔に浸透させる。また、180℃以上に加熱したリチウムの溶融浴にアルミニウム多孔体を浸漬させてもよい。なお、含入するリチウム量は、アルミニウム多孔体の空孔に占めるリチウム金属の体積の比率が50%以上100%未満となるように調整される。例えば気孔率が97%のアルミニウム多孔体と厚さがアルミニウム多孔体の1/2のリチウム箔を貼り合わせた場合、空孔に占めるリチウム金属の体積の比率は51.5%になる。
(3) Lithium metal containing (filling) step Next, a predetermined amount of lithium metal is contained in the produced porous aluminum body to produce an alloy of lithium and aluminum (Li-Al alloy), and an alloy negative electrode for a lithium battery. Is made. Specifically, for example, an aluminum porous body and a lithium foil having a predetermined thickness are bonded together, and then heated to 180 ° C. or higher to melt the lithium foil and permeate the pores of the aluminum porous body. Alternatively, the aluminum porous body may be immersed in a molten lithium bath heated to 180 ° C. or higher. The amount of lithium to be included is adjusted so that the ratio of the volume of lithium metal in the pores of the aluminum porous body is 50% or more and less than 100%. For example, when an aluminum porous body having a porosity of 97% and a lithium foil having a thickness of ½ of an aluminum porous body are bonded together, the ratio of the volume of lithium metal in the pores is 51.5%.
C.リチウム電池
このようにして作製されたリチウム電池用合金負極においては、生成させたLi−Al合金にアルミニウムの濃度が骨格の近傍で高く、骨格から離れるに従って低い濃度勾配が生じる。このため、充放電を行った際にLi−Al合金が膨張収縮しても応力緩和がされ易く、微粉化が抑制される。
C. Lithium Battery In the lithium battery alloy negative electrode produced as described above, the concentration of aluminum is high in the vicinity of the skeleton in the produced Li-Al alloy, and a lower concentration gradient is generated as the distance from the skeleton is increased. For this reason, even if the Li—Al alloy expands and contracts during charge and discharge, the stress is easily relaxed and pulverization is suppressed.
また、アルミニウム多孔体の空孔に占めるリチウム金属の体積の比率が50%以上であるため、充分に高い容量密度が確保される一方、100%未満とすることによりLi充填後のアルミニウム多孔体中に空孔が残されているため、リチウムデンドライトが生成した場合でもデンドライトショートが抑制される。 In addition, since the ratio of the volume of lithium metal in the pores of the aluminum porous body is 50% or more, a sufficiently high capacity density is ensured, while in the aluminum porous body after filling Li by setting it to less than 100% As a result, the dendrite short circuit is suppressed even when lithium dendrite is generated.
(実施の形態2)
実施の形態2では、アルミニウム多孔体の骨格は、芯材の表面にアルミニウム層が形成されたアルミニウム被覆材である。また、芯材は、銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなり、連通孔を有する樹脂の表面に炭素粉末を塗布して導電処理をした後、所定の厚さでめっきを施すことにより形成される。
(Embodiment 2)
In
実施の形態2は、アルミニウム多孔体の骨格がアルミニウム被覆材である点を除いて、実施の形態1と同じ要領でリチウム電池用合金負極およびリチウム電池を製造する。 In the second embodiment, an alloy negative electrode for a lithium battery and a lithium battery are manufactured in the same manner as in the first embodiment except that the skeleton of the porous aluminum body is an aluminum coating material.
(実施の形態3)
前記した各実施の形態において、リチウム金属の含入は、アルミニウム多孔体の空孔への浸透に限定されず、アルミニウム多孔体の表面に形成する形態であってもよい。
(Embodiment 3)
In each of the above-described embodiments, the lithium metal inclusion is not limited to the penetration of the porous aluminum body into the pores, but may be formed on the surface of the porous aluminum body.
また、リチウム金属は、単体である必要はなく、他の金属との合金であってもよく、特に、Li−Si(ケイ素)、Li−Sn(スズ)は合金負極として好適である。 Moreover, the lithium metal does not need to be a simple substance, and may be an alloy with another metal. In particular, Li—Si (silicon) and Li—Sn (tin) are suitable as the alloy negative electrode.
このようなLi−SiあるいはLi−Snの合金負極をアルミニウム多孔体に形成する場合、LiとSiまたはSnとの合金層をアルミニウム多孔体の表面に形成してもよく、あるいは、「アルミニウム骨格」や「銅などの芯材の表面に形成されたアルミニウム層」の上に、SiまたはSn金属層を設け、さらに、Li金属層を積層して形成してもよい。 When such a Li—Si or Li—Sn alloy negative electrode is formed in an aluminum porous body, an alloy layer of Li and Si or Sn may be formed on the surface of the aluminum porous body, or “aluminum skeleton” Alternatively, a Si or Sn metal layer may be provided on an “aluminum layer formed on the surface of a core material such as copper”, and a Li metal layer may be further stacked.
(実施例1、2)
実施例1は、骨格がアルミニウムにより形成されたアルミニウム多孔体に、リチウム金属を含入して形成される負極を有するリチウム二次電池である。
(Examples 1 and 2)
Example 1 is a lithium secondary battery having a negative electrode formed by including lithium metal in an aluminum porous body having a skeleton formed of aluminum.
実施例2は、骨格がCu製の芯材の表面にアルミニウム層が形成されアルミニウム被覆材であるアルミニウム多孔体に、リチウム金属を含入して形成される負極を有するリチウム二次電池である。 Example 2 is a lithium secondary battery having a negative electrode formed by including lithium metal in an aluminum porous body that is an aluminum coating material in which an aluminum layer is formed on the surface of a core material having a skeleton made of Cu.
(1)アルミニウム多孔体の作製
実施例1では、気孔率97%、気孔径約300μmのポリウレタンフォームを準備した。このポリウレタンフォームの表面に真空蒸着法により、厚さ約50μmのアルミニウム層を形成した後、温度500℃のLiCl−KCl共晶溶融塩に浸漬し、アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位で30分間保持した。その後大気中で室温まで冷却し、水洗して溶融塩を除去してアルミニウム層を骨格とする厚さ0.5mm、気孔率97%のアルミニウム多孔体を作製した。
(1) Production of porous aluminum body In Example 1, a polyurethane foam having a porosity of 97% and a pore diameter of about 300 μm was prepared. An aluminum layer having a thickness of about 50 μm is formed on the surface of the polyurethane foam by a vacuum deposition method, and then immersed in a LiCl—KCl eutectic molten salt at a temperature of 500 ° C., so that the aluminum layer has a lower potential than the standard electrode potential of aluminum. For 30 minutes. Thereafter, it was cooled to room temperature in the atmosphere, washed with water to remove the molten salt, and a porous aluminum body having a thickness of 0.5 mm and a porosity of 97% having an aluminum layer as a skeleton was produced.
実施例2では、気孔率97%、気孔径約300μmのポリウレタンフォームを準備した。このポリウレタンフォームの表面に炭素粉末を塗布して導電処理をした後、厚さ20μmの銅メッキを施し芯材を形成した。その上に真空蒸着法により、厚さ約50μmのアルミニウムの表層を形成した後、温度500℃のLiCl−KCl共晶溶融塩に浸漬し、アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位で30分間保持した。その後大気中で室温まで冷却し、水洗して溶融塩を除去してCuの芯材の表面にアルミニウムの表層を形成したアルミニウム被覆材を骨格とする厚さ0.5mm、気孔率96%のアルミニウム多孔体を作製した。 In Example 2, a polyurethane foam having a porosity of 97% and a pore diameter of about 300 μm was prepared. After applying carbon powder to the surface of this polyurethane foam and conducting a conductive treatment, copper plating with a thickness of 20 μm was applied to form a core material. A surface layer of aluminum having a thickness of about 50 μm was formed thereon by vacuum deposition, and then immersed in a LiCl—KCl eutectic molten salt at a temperature of 500 ° C., and the aluminum layer was formed at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum. Hold for a minute. Thereafter, it is cooled to room temperature in the atmosphere, washed with water to remove the molten salt, and an aluminum covering material having a surface layer of aluminum formed on the surface of the Cu core material, having a thickness of 0.5 mm and a porosity of 96%. A porous body was produced.
参考例では、孔径が200μm〜500μmであり、気孔率が97%で、厚みが1.0mmの発泡ウレタンフォームを準備した。この発泡ウレタンフォームを、真空蒸着装置内に配置した。アルミニウム金属を溶融・蒸発させる真空蒸着法により、発泡ウレタン樹脂の表面にアルミニウム膜を蒸着させた。その後、大気中で、550℃の熱処理をすることにより、発泡ウレタンフォームを除去した。これにより、参考例であるアルミニウム多孔体を得た。 In the reference example, a foamed urethane foam having a pore diameter of 200 μm to 500 μm, a porosity of 97%, and a thickness of 1.0 mm was prepared. This foamed urethane foam was placed in a vacuum deposition apparatus. An aluminum film was deposited on the surface of the foamed urethane resin by a vacuum deposition method in which aluminum metal was melted and evaporated. Thereafter, the foamed urethane foam was removed by heat treatment at 550 ° C. in the atmosphere. This obtained the aluminum porous body which is a reference example.
(2)アルミニウム多孔体の構造の確認と酸素量の測定
実施例1のアルミニウム多孔体のSEM写真を図3に示す。図3より、アルミニウム多孔体を構成する孔が連通していることが分かった。また、実施例1のアルミニウム多孔体は閉気孔を有しないことが分かった。
(2) Confirmation of structure of porous aluminum body and measurement of oxygen content An SEM photograph of the porous aluminum body of Example 1 is shown in FIG. From FIG. 3, it was found that the pores constituting the aluminum porous body communicated. Moreover, it turned out that the aluminum porous body of Example 1 does not have a closed pore.
実施例1のアルミニウム多孔体の表面について、15kVの加速電圧でEDX分析した。その結果を図4に示す。酸素のピークは観測されなかった。したがって、アルミニウム多孔体の酸素量は、EDXの検出限界以下であることが分かった。ここで、EDXによる検出限界は酸素量3.1質量%であるので、実施例1のアルミニウム多孔体の表面の酸素量は、3.1質量%以下であるといえる。 The surface of the aluminum porous body of Example 1 was subjected to EDX analysis at an acceleration voltage of 15 kV. The result is shown in FIG. No oxygen peak was observed. Therefore, it was found that the oxygen content of the aluminum porous body was below the detection limit of EDX. Here, since the detection limit by EDX is 3.1 mass% of oxygen, it can be said that the oxygen content of the surface of the aluminum porous body of Example 1 is 3.1 mass% or less.
実施例2についても、SEM写真の撮影とEDX分析を行ったが、実施例1と同様の結果であることを確認した。 Regarding Example 2, SEM photography and EDX analysis were performed, and it was confirmed that the result was the same as Example 1.
参考例のアルミニウム多孔体の表面についても、同様な条件でEDX分析した。その結果、酸素のピークが観測され、アルミニウム多孔体の酸素量は少なくとも3.1質量%を超えることが分かった。熱処理する際に、アルミニウム多孔体の表面が酸化したためである。 The surface of the aluminum porous body of the reference example was also subjected to EDX analysis under the same conditions. As a result, an oxygen peak was observed, and it was found that the oxygen content of the aluminum porous body exceeded at least 3.1% by mass. This is because the surface of the aluminum porous body was oxidized during the heat treatment.
なお、この分析で用いた装置は、EDAX社製の「EDAX Phonenix」であり、その型式はHIT22 136−2.5である。 The apparatus used in this analysis is “EDAX Phoenix” manufactured by EDAX, and the model is HIT22 136-2.5.
(3)負極の作製
アルミニウム多孔体に、厚さ350μmのリチウム箔を貼り合わせた後、250℃に加熱してLiを溶融させ、Liを空孔に浸透させた。なお、空孔に占めるリチウム金属の体積の比率は75%である。
(3) Production of negative electrode After a 350 μm-thick lithium foil was bonded to an aluminum porous body, it was heated to 250 ° C. to melt Li, and Li was permeated into the pores. In addition, the ratio of the volume of lithium metal in the vacancies is 75%.
リチウム金属を空孔に浸透させたアルミニウム多孔体を直径15mmの円形に成形してリチウム電池用合金負極を作製した。 A porous aluminum body in which lithium metal was infiltrated into the pores was molded into a circle having a diameter of 15 mm to produce an alloy negative electrode for a lithium battery.
(4)リチウム電池用正極の作製
MnO2(活物質)、アセチレンブラック(導電助剤)、PVDF(バインダー)を所定の比率で混合し、直径が15mm、容量密度が10mAh/cm2のリチウム電池用正極を作製した。
(4) Production of positive electrode for lithium battery MnO 2 (active material), acetylene black (conductive aid), PVDF (binder) are mixed at a predetermined ratio, a lithium battery having a diameter of 15 mm and a capacity density of 10 mAh / cm 2 . A positive electrode was prepared.
(5)リチウム二次電池の作製
次に、負極および正極に用いてリチウム二次電池を作製した。図5は本実施例のリチウム電池の構成を説明するための図である。図5において11はリチウム二次電池、12はリチウム電池用正極、13はセパレーター、14はリチウム電池用合金負極である。
(5) Production of lithium secondary battery Next, a lithium secondary battery was produced using the negative electrode and the positive electrode. FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the lithium battery of this embodiment. In FIG. 5, 11 is a lithium secondary battery, 12 is a positive electrode for a lithium battery, 13 is a separator, and 14 is an alloy negative electrode for a lithium battery.
具体的には、正極12と負極14との間にポリプロピレン製のセパレーター13を挟んで積層し、LiClO4を1モル%溶解させた(1M)プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/ジメトキシエタンの混合液からなる電解液を用いて組立てた。
Specifically, it is composed of a mixed liquid of propylene carbonate / ethylene carbonate / dimethoxyethane in which a
(比較例)
比較例は、Al−Li合金箔の負極を有するリチウム二次電池である。
(Comparative example)
The comparative example is a lithium secondary battery having an Al—Li alloy foil negative electrode.
アルミニウムの比率が50原子%、直径が15mmのAl−Li合金箔を作製してリチウム電池用合金負極とし、この負極と、実施例と同様にして作成されるリチウム電池用正極に用いて、実施例と同様にしてリチウム二次電池を作製した。 An Al—Li alloy foil having an aluminum ratio of 50 atomic% and a diameter of 15 mm was prepared as an alloy negative electrode for a lithium battery, and this negative electrode and a positive electrode for a lithium battery prepared in the same manner as in the examples were used. A lithium secondary battery was produced in the same manner as in the example.
(実施例1、2および比較例のリチウム二次電池の特性評価)
(1)歩留り
実施例1、2の場合、電池の組立における歩留りが100%であるのに対して、比較例の歩留りは約50%と低かった。比較例の場合、このように歩留りが低いのはリチウム電池用合金負極が脆弱で、ハンドリング時に割れや欠けが生じるためである。
(Characteristic evaluation of lithium secondary batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Example)
(1) Yield In the case of Examples 1 and 2, the yield in battery assembly was 100%, whereas the yield in the comparative example was as low as about 50%. In the case of the comparative example, the reason for the low yield is that the lithium battery alloy negative electrode is brittle and cracks and chips occur during handling.
(2)充放電サイクル特性
イ.試験方法
カットオフ電圧を2.0−3.3Vとし、6mA/hと18mA/hの2種類の放電深度で充放電サイクル試験を行い、放電容量が初期の50%以下となるサイクル数を調べた。
(2) Charging / discharging cycle characteristics a. Test method The cut-off voltage is set to 2.0-3.3V, charge / discharge cycle tests are performed at two types of discharge depths of 6 mA / h and 18 mA / h, and the number of cycles in which the discharge capacity is 50% or less of the initial value is examined. It was.
ロ.試験結果
実施例1、2および比較例の試験結果を表1に示す。
B. Test results Table 1 shows the test results of Examples 1 and 2 and the comparative example.
表1より実施例1、2はサイクル特性が優れていることが分かる。実施例のサイクル特性がこのように優れているのは、微粉化とデンドライトショートの抑制効果の高いリチウム電池用合金負極を用いているためである。 From Table 1, it can be seen that Examples 1 and 2 have excellent cycle characteristics. The reason why the cycle characteristics of the examples are excellent in this way is that an alloy negative electrode for a lithium battery having a high effect of suppressing pulverization and dendrite short is used.
また、前記したように、実施例は閉気孔がなく酸素量が少ないアルミニウム多孔体にLiを含入させているため、容量密度が高いリチウム電池用合金負極を有するリチウム二次電池である。 Further, as described above, the embodiment is a lithium secondary battery having a lithium battery alloy negative electrode having a high capacity density because Li is contained in an aluminum porous body having no closed pores and a small amount of oxygen.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said embodiment. Various modifications can be made to the above-described embodiment within the same and equivalent scope as the present invention.
1 樹脂
2 アルミニウム層
3 アルミニウム層被覆樹脂
4 アルミニウム多孔体
5 正極
6 溶融塩
11 リチウム二次電池
12 リチウム電池用正極
13 セパレーター
14 リチウム電池用合金負極
1
DESCRIPTION OF
Claims (12)
アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されており、
前記アルミニウム多孔体の骨格が、銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる芯材の表面にアルミニウム層が形成されたアルミニウム被覆材によって形成されていることを特徴とするリチウム電池用合金負極。 An alloy negative electrode for a lithium battery using a non-aqueous electrolyte,
The aluminum porous body is filled with lithium metal,
An alloy negative electrode for a lithium battery, wherein the skeleton of the porous aluminum body is formed by an aluminum coating material in which an aluminum layer is formed on the surface of a core material made of any metal of copper, nickel, and iron.
アルミニウム多孔体中にリチウム金属が充填されており、
前記アルミニウム多孔体の骨格が、アルミニウムによって、または銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属からなる芯材の表面にアルミニウム層が形成されたアルミニウム被覆材によって形成され、
前記アルミニウム多孔体の骨格を形成するアルミニウム、または前記アルミニウム被覆材のアルミニウム層の表面の酸素量が、3.1質量%以下であることを特徴とするリチウム電池用合金負極。 An alloy negative electrode for a lithium battery using a non-aqueous electrolyte,
The aluminum porous body is filled with lithium metal,
The skeleton of the porous aluminum body is formed of aluminum or an aluminum covering material in which an aluminum layer is formed on the surface of a core material made of copper, nickel, or iron,
An alloy negative electrode for a lithium battery, wherein the amount of oxygen on the surface of aluminum forming the skeleton of the porous aluminum body or the aluminum layer of the aluminum covering material is 3.1% by mass or less.
さらにアルミニウムのみからなることを特徴とする請求項2または請求項4に記載のリチウム電池用合金負極。 The aluminum porous body has communication holes, no closed pores,
Furthermore, it consists only of aluminum, The alloy negative electrode for lithium batteries of Claim 2 or Claim 4 characterized by the above-mentioned.
前記樹脂を溶融塩に浸漬した状態で、前記アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保ちながら前記樹脂をアルミニウムの融点以下の温度に加熱して、前記樹脂を加熱分解してアルミニウム多孔体を作製するアルミニウム多孔体作製工程と、
前記アルミニウム多孔体にリチウム金属を充填するリチウム金属充填工程と
を有することを特徴とするリチウム電池用合金負極の製造方法。 An aluminum layer forming step of forming an aluminum layer on the surface of the resin having communication holes;
In a state where the resin is immersed in the molten salt, the resin is heated to a temperature below the melting point of aluminum while maintaining the aluminum layer at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum, and the resin is thermally decomposed to form porous aluminum. An aluminum porous body manufacturing process for manufacturing a body;
A method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery, comprising: a lithium metal filling step of filling the aluminum porous body with lithium metal.
前記金属層の表面にアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、
前記樹脂を溶融塩に浸漬した状態で、前記アルミニウム層をアルミニウムの標準電極電位より卑な電位に保ちながら前記樹脂をアルミニウムの融点以下の温度に加熱して、前記樹脂を加熱分解してアルミニウム多孔体を作製するアルミニウム多孔体作製工程と、
前記アルミニウム多孔体にリチウム金属を充填するリチウム金属充填工程と
を有することを特徴とするリチウム電池用合金負極の製造方法。 A metal layer forming step of forming a metal layer made of one of copper, nickel, and iron on the surface of the resin having communication holes;
An aluminum layer forming step of forming an aluminum layer on the surface of the metal layer;
In a state where the resin is immersed in the molten salt, the resin is heated to a temperature below the melting point of aluminum while maintaining the aluminum layer at a potential lower than the standard electrode potential of aluminum, and the resin is thermally decomposed to form porous aluminum. An aluminum porous body manufacturing process for manufacturing a body;
A method for producing an alloy negative electrode for a lithium battery, comprising: a lithium metal filling step of filling the aluminum porous body with lithium metal.
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