(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記工程を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池用合金の製造方法：
SiまたはZnからなり粒径が０．０１〜４０μｍのＡ相と、該Ａ相の周囲の少なくとも一部を包囲するＢ相とからなる合金であって、該Ｂ相は前記Ａ相を構成するSiまたはZnと長周期型周期律表のIIＡ族、IIIＡ族からIIＢ族までの遷移元素、IIIＢ族、Ｃを除くIVＢ族、およびＶＢ族の元素から選ばれた少なくとも１種の元素との金属間化合物または固溶体である合金を、所定組成の合金原料の溶湯を100 ℃/sec以上の凝固速度で凝固することを含む方法で形成する工程、凝固した合金を、酸水溶液に浸漬する前に、Ｂ相の固相線温度より10℃以上低い温度で熱処理する工程、および得られた合金を酸水溶液に浸漬する工程。
【請求項２】
合金がSiを含み、前記酸水溶液がHF水溶液であるか、または合金がZnを含み、前記酸水溶液がHCl もしくはHNO3の水溶液である、請求項１記載の非水電解質二次電池用合金の製造方法。
【請求項３】
前記酸水溶液が、0.05〜15重量％濃度のHF水溶液、またはそれぞれ0.05〜10重量％濃度のHCl もしくはHNO3水溶液である請求項２記載の非水電解質二次電池用合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Li等のアルカリ金属を多量に吸蔵・放出することができる非水電解質二次電池用合金に関し、より詳しくは、SiおよびZnの少なくとも１種を含む合金を利用した、放電容量が高く、充放電サイクル寿命に優れ、かつ充放電効率の高い非水電解質二次電池を作製することができる、非水電解質二次電池用合金に関する。本発明はまた、この合金の製造方法とこの合金を用いた非水電解質二次電池にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯用の小型電気・電子機器の普及に伴い、小型で高容量の二次電池となる、Liを活物質とする非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
Liは金属の中で最も卑な電位を示すので、Liを負極活物質とする二次電池は、Ni−水素電池等の他の二次電池と比較して、高電圧・高エネルギー密度の電池となる。しかし、金属Liを負極活物質として用いると、充放電の繰り返しにより負極から金属Liがデンドライト状に成長し、絶縁体であるセパレーターを貫通して正極と短絡し、電池として使用できなくなるので、充放電サイクル寿命と安全面に問題があった。
【０００４】
この問題に対処するため、金属Liの代わりに、Liイオンを含む物質を電極に使用し、負極にはLiイオンを吸蔵・放出することができる炭素質材料を用いることにより、リチウム二次電池が実用化された。この電池では、充電中に正極のLi含有化合物 (例、LiCoO2) から溶けだしたLiイオンが負極の炭素質材料の層間にインターカレーションされ、LiC6という化合物を形成することで、負極の炭素質材料にLiイオンが吸蔵される。放電中は、負極のLiC6からLiイオンが放出されて正極に戻る。即ち、充放電中にLiイオンが正極と負極の間を往復するだけであり (そのため、この種の電池はリチウムイオン二次電池と呼ばれるようになった) 、負極でLiが金属として析出しないため、デンドライト成長に起因する上記問題が避けられる。
【０００５】
実用化されたリチウム二次電池の負極に使われている炭素質材料のうち、黒鉛系材料には、容量の上限である理論的放電容量が372 mAh/g (Li の約１／10) と低いという問題がある。非黒鉛系材料も、実用化されている材料では、放電容量は黒鉛系材料よりさらに低くなる。非黒鉛系材料には、例えば600 mAh/g 以上という高い放電容量を示すものが報告されているが、不可逆的容量が大きく、電池設計の段階で大きなロスが出る恐れがある上、充電容量のかなりの部分が放電されないので、充放電効率 (充電容量に対する放電容量の比) が悪いという欠点がある。充放電効率が悪いと、充電に余分な電気量が必要となり、電池のエネルギー効率が悪化する。
【０００６】
そのため、高容量化、高寿命化、高効率化を狙って、炭素質材料の代替として金属間化合物系の材料開発が行われている。例えば、特開平９−63651 号公報に開示されているMg−Ge合金は、恰も炭素質材料のように、Liを結晶格子内に吸蔵・放出することができるホスト材料として機能することが知られている。SiとNiまたはFeとの金属間化合物を負極としたリチウム二次電池は、特開平５−159780号、同７−240201号、同９−63651 号各公報に提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開平９−63651 号公報に開示されている金属間化合物の中には、Mg2Ge, Mg2Pb, AlSbのように非常に高い充電容量を示すものがあるが、それに比べて放電容量は低く、充放電効率が悪いので、必ずしも放電容量の高い非水電解質二次電池を得ることができず、また充電に多量のエネルギーが必要となり、エネルギー効率が悪い。
【０００８】
特開平５−159780号、同７−240201号、同９−63651 号各公報に提案されているSiとNiまたはFeとの金属間化合物を用いた電池は、充放電効率は高いものの、充放電容量それ自体が十分に高くない。
【０００９】
本発明の課題は、Liの吸蔵・放出容量が従来になく大きく、かつ吸蔵水素に対する放出水素の比である放出効率にも優れている合金を提供することである。このような合金を負極材料として用いた非水電解質二次電池は、従来になく大きな放電容量と優れた充放電効率を持つことができるはずである。
【００１０】
本発明者等は、SiがLiと可逆的に金属間化合物(Li22Si5等) を生成・分解することができ、この化合物の生成・分解に伴うLiの吸蔵・放出を非水電解質二次電池に用いた場合の充放電容量は、理論的には4199 mAh/gと、炭素質材の372 mAh/g と比較して遙かに大きいことに着目して、Si相粒子をコアとし、Siを含む金属間化合物または固溶体で包囲した合金粉末からなる、非水電解質二次電池用負極材料とその製造方法を先に提案した (特願平10−253981号) 。
【００１１】
また、ZnもSiと同様に、Liと可逆的に生成・分解する化合物Li22Zn5 等を生成し、前記充放電容量が理論的には1800 mAh/gと炭素質材料より大きく、Zn相をコアとしZn含む金属間化合物または固溶体で包囲した合金粉末を用いた電池は従来の非水電解質二次電池より容量の大きなものになる。
【００１２】
これらの負極材料は、従来にない放電容量の大きさと、優れた充放電サイクル寿命を持つものであるが、充放電効率 (同じ電流値での充電容量に対する放電容量の比として測定される、充電電気量に対する放電電気量の比、クーロン効率、アンペア・アワー効率とも呼ばれる) が不足していることが判明した。
【００１３】
本発明は、本発明者らが先に提案した負極材料の充放電効率を改善することにより、前述した課題を解決することを目指したものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、前記充放電効率を低下させる要因に関して検討した結果、以下の知見を得た。
【００１５】
前述したSi相またはZn相をコアとする前記合金の粉末材料は、Liの吸蔵・放出容量の大きなものを得ようとすると、ガスアトマイズ、ロール急冷法、回転電極法等の急冷凝固法を利用して製造される。従って、得られた合金には急冷歪みがあり、充放電サイクル寿命に悪影響が出る恐れがあるので、急冷歪みを除去する目的で通常は凝固した合金を熱処理する。
【００１６】
急冷凝固と熱処理は真空または不活性ガス雰囲気中で行われるが、工業生産の設備では、程度の多少はあっても、合金粉末の表面が酸化膜に被われることは避けられない。
【００１７】
本発明者らは試みに、Si相をコアとする前記合金について、表面酸化の程度が異なる粉末を用いてリチウム二次電池を作製し、それぞれの充放電効率を調査した。結果は、表面酸化の程度の多い (酸化膜が厚い) サンプルほど同一の充電容量に対する放電容量の値が小さくなった。
【００１８】
表面酸化膜が充放電効率を下げる理由は次のように推定される：
例えば、合金粉末の表面がSiの酸化物であるSiO2で覆われている場合、充電時に先ずSiO2がSiに還元され、還元されたSiがLiと反応して、LiとSiの金属間化合物を生成する。SiO2をSiに還元することに要する電気量は不可逆的な充電容量となり、放電容量に寄与しないので、充放電効率が悪化する。また、表面酸化物が存在すると、粉末同士の接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗も充放電効率の低下に関与するものと考えられる。
【００１９】
従って、上記の合金粉末の表面に生成した酸化膜は除去する必要がある。この点についてさらに検討した結果、この表面酸化膜の除去には酸水溶液に浸漬することが有効であることを見いだした。また、こうして表面酸化膜を除去した合金を非水電解質二次電池に用いた場合、充放電効率の優れた電池となることも確認して、本発明に至った。
【００２０】
ここに、本発明は下記工程を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池用合金の製造方法である。すなわち、SiまたはZnからなり粒径が０．０１〜４０μｍのＡ相と、このＡ相の周囲の少なくとも一部を包囲するＢ相とからなる合金であって、Ｂ相はＡ相を構成するSiまたはZnと長周期型周期律表のIIＡ族、IIIＡ族からIIＢ族までの遷移元素、IIIＢ族、Ｃを除くIVＢ族、およびＶＢ族の元素から選ばれた少なくとも１種の元素との金属間化合物または固溶体である合金を、所定組成の合金原料の溶湯を100 ℃/sec以上の凝固速度で凝固することを含む方法で形成する工程、凝固した合金を、酸水溶液に浸漬する前に、Ｂ相の固相線温度より10℃以上低い温度で熱処理する工程、および得られた合金を酸水溶液に浸漬する工程。
【００２２】
この製造方法は、合金がSiを含み、前記酸水溶液がHF水溶液であるか、または合金がZnを含み、前記酸水溶液がHCl もしくはHNO3の水溶液であることが好ましい。その場合、前記酸水溶液は、0.05〜15重量％濃度のHF水溶液、またはそれぞれ0.05〜10重量％濃度のHCl もしくはHNO3水溶液であることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る上記合金は、Li等のアルカリ金属を可逆的に吸蔵・放出することができ、リチウム二次電池といった非水電解質二次電池の負極材料として有用である。本発明によれば、この合金を負極材料として用いた非水電解質二次電池も提供される。
【００２４】
本発明でいう非水電解質二次電池は、支持電解質を有機溶媒に溶解した非水電解質を用いた二次電池と、高分子電解質やゲル電解質等の非水電解質を用いた二次電池の両者を包含する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の非水電解質二次電池用合金は、SiおよびZnの少なくとも１種の元素を含むＡ相と、このＡ相の周囲の少なくとも一部を包囲するＢ相とからなる合金である。Ｂ相は、SiおよびZnの少なくとも１種の元素を含む金属間化合物または固溶体である。
【００２６】
SiまたはZnを含むコアのＡ相は、前述したように、Li22Si5 やLi22Zn5 等の金属間化合物の生成を通して可逆的にLiを吸蔵・放出することができる。即ち、充電時にはLiと化合して上記化合物を生成し、放電時にはこの化合物が解離してLiを放出する。上記の金属間化合物の化学式からわかるように、SiやZnは非常に多量のLiを吸蔵・放出することができ、非水電解質二次電池にした場合の理論充放電容量が非常に高くなる。
【００２７】
Ａ相は、多量のLiを吸蔵・放出できるSiおよび／またはZnのみから実質的になるものが好ましいが、他の金属および／または非金属元素をさらに含有していてもよい。但し、他の元素の割合は可及的に少ない方が好ましい。
【００２８】
Ａ相によるLiの吸蔵・放出に伴って、Ａ相の体積の膨張・収縮が起こる。この体積変化に起因してＡ相の割れが起こり、Ａ相が微粉化すると、Li吸蔵・放出が阻害されるため、電池の充放電容量が低下し、充放電サイクル寿命の低下につながる。
【００２９】
Ａ相の周囲をＢ相で囲むことによりＡ相が体積変化に対して拘束され、その割れと微粉化が抑制され、充放電サイクル寿命が改善される。コアのＡ相がＢ相で完全に包囲されていても、Liイオンはイオン半径が非常に小さく、Ｂ相の格子間を容易に通り抜けて、コアのＡ相の到達して吸蔵され、逆にコアから電解質に移動して放出される。即ち、Ｂ相は、Liの通過を実質的に妨げずに、Ａ相を体積変化に対して拘束することができる。
【００３０】
Ｂ相は、Ａ相粒子を少なくとも部分的に包囲していればよい。部分的包囲でも、上記拘束が効いていれば、包囲の目的は達成される。特に工業的生産では、すべてのＡ相粒子が完全にＢ相で包囲されたものを製造することは困難な場合があり、又その確認も難しい。
【００３１】
Ｂ相は、SiまたはZnを含む金属間化合物または固溶体の１種もしくは２種以上からなる。Ｂ相が２種以上の物質から構成される場合、その組織は特に制限されない。例えば、ある物質がマトリックスをなし、このマトリックス中に他の物質が分散した組織でもよく、あるいは全ての物質が微細に混ざり合った組織でもよい。
【００３２】
コアのＡ相の周囲をＢ相で包囲する目的は、Ａ相の体積変化を拘束することであるので、原理的には、Ｂ相はSiまたはZnを含む必要はない。しかし、Ａ相とＢ相の密着性が低いと、周囲のＢ相が離脱してしまい、Ａ相を拘束するという目的を達成することができない。密着性を考慮して、Ｂ相には、Ａ相に含まれているのと同じSiまたはZnを含有させる。それにより、同じ原子の相互拡散を通してＡ相とＢ相との密着性が改善される。
【００３３】
SiまたはZnと金属間化合物または固溶体を形成する元素は、特に制限されるものではないが、一般に長周期型周期律表のIIＡ族 (アルカリ土類) 、IIIＡ族からIIＢ族までの遷移元素、IIIＢ族、Ｃを除くIVＢ族、ならびにＶＢ族よりなる群から選ばれた１種以上の元素である。この元素は、IIａ族のMgおよびCa、遷移元素のＹおよび希土類元素、Ti、Ｖ、Nb、Cr、Ｗ、Mn、Fe、Co、Ni、CuおよびCd、IIIＢ族元素のAl、IVＢ族元素のGe、ならびにＶＢ族元素Ｐから選ばれた１種以上の元素であることが好ましい。特に好ましいのは、Mn、Cu、Ti、Fe、Co、Niである。
【００３４】
本発明の合金のＡ相とＢ相の割合は特に制限されないが、Ａ相は５〜99wt％、特に８〜95wt％を占めることが好ましい。Ａ相の割合が多すぎると、Ｂ相が少なすぎて上記拘束が効きにくくなる。Liを吸蔵・放出するＡ相が少なすぎると、Liの吸蔵・放出量、従って電池の充放電容量が低下する。
【００３５】
本発明の合金の粉末粒径は、100 μｍ以下であることが好ましい。粒径が100 μｍを超える粉末を非水電解質二次電池用の負極に用いると、負極の厚さが大きく成りすぎる。粒径はより好ましくは５〜50μｍの範囲である。
【００３６】
この粉末の各粒子中に、コアのＡ相は、１個だけ存在していても、２個以上存在していてもよい。コアのＡ相の粒径も特に制限されないが、0.01〜40μｍ、特に１〜35μｍの大きさであることが好ましい。Ａ相が大きすぎると、Ｂ相による拘束が効きにくくなり、小さすぎると一般にＢ相の割合が大きくなりすぎ、表面酸化がひどくなり、酸化膜の除去で失われる材料の割合が無視できなくなる。
【００３７】
本発明の合金は、前述したように、急冷凝固法により製造した合金を、酸水溶液に浸漬して表面酸化膜を除去することにより製造することができる。以下、この方法について説明する。
【００３８】
原料は、Ａ相とＢ相とからなる合金を構成する元素の混合物である。即ち、Siおよび／またはZnと、他の元素との混合物である。所定組成の合金となるように調整した原料を溶解し、得られた溶湯を急冷すると、包晶反応によって、Ａ相のコアの周囲をＢ相が包囲した合金が得られる。
【００３９】
例えば、合金がSiを含有する場合、Siは他の金属より凝固温度が高いので、Si相が最初に析出してコアのＡ相となり、その周囲にSiを含む金属間化合物または固溶体が析出し、コアを包囲するＢ相となる。従って、原料の合金組成は、Ｂ相となる固溶体又は金属間化合物相に対してSiリッチとする。Znの場合は、逆に他の金属より凝固点が低いが、Znを含む金属間化合物や固溶体は、Zn単体よりさらに凝固点が低い。従って、Znを含有するＢ相よりZnリッチであれば、まずZn相が析出してコアのＡ相となり、次いで凝固点がより低い、Znを含む金属間化合物または固溶体の相がＢ相としてＡ相の周囲に析出する。いずれの場合も、原料中のSiまたはZnと他の元素の割合 (即ち、Ｂ相の金属間化合物または固溶体の化学組成に対してどれだけSiまたはZnを過剰にするか) により、コアのＡ相と周囲のＢ相との割合が決まる。
【００４０】
Ａ相の粒径は凝固速度に依存する。凝固速度が100 ℃/sec未満であると、Ａ相の粒径が大きくなりすぎ、Ｂ相による体積変化への拘束が効きにくくなる。凝固速度が100 ℃/sec以上になると、Ａ相の粒径が小さくなり、後述する熱処理を適切な条件下で行っても、平均粒径が40μｍ以下のＡ相を持つ合金を容易に製造することができる。凝固速度の上限は特に制限されないが、工業的には106 ℃/sec程度がコスト的にも量産技術としての完成度から見ても上限と考えられる。
【００４１】
凝固速度が100 ℃/sec以上になるような冷却方法は、製造技術の完成度、量産性、コスト等を考慮すると、アトマイズ法、ロール急冷法または回転電極法のいずれかが好ましい。アトマイズ法は、ガスアトマイズ法と液体アトマイズ法のいずれも可能であるが、球形に近い粒子が得られるガスアトマイズ法の方が好ましい。なお、いずれの場合も、合金の酸化を防ぐために、溶融および凝固環境を非酸化性の雰囲気に保持する (例、真空または不活性ガス雰囲気中で実施する) ことが好ましい。
【００４２】
ガスアトマイズ法では、所定組成の原料を、通常は真空または不活性雰囲気で高周波誘導溶解炉により溶解する。溶解した溶融物 (溶湯) を、給湯管を介してアトマイズタンク内に滴下する。このタンク内は通常不活性ガス雰囲気に保たれており、生成したアトマイズ粉末の酸化を防ぐようにしている。給湯管の近傍にガスアトマイズノズルが配置され、アトマイズ用ガスがノズルの孔またはスリットから、滴下中の溶湯に向けて噴出される。溶湯は噴出ガスのエネルギーにより四散し、凝固し、粉末化する。生成した粉末状の合金はアトマイズタンクの下部より粉末収納装置にへ導かれ、収納される。
【００４３】
ガスアトマイズ法で生成した粉末の粒径は、滴下中の溶湯に与える噴出ガスのエネルギーが大きくなるほど通常は小さくなる。噴出ガスのエネルギーは、例えばガスの圧力や、ノズルの孔またはスリット大きさや配置により調節できる。また、噴出ガスのエネルギーが同一であれば、単位時間当たりの溶湯の滴下量が少ないほど粉末の粒径は小さくなるのが普通である。溶湯の滴下量は、給湯管の内径や給湯管内の溶湯に加える圧力により調節できる。
【００４４】
ロール急冷法は、所定組成の原料の溶湯を冷却されている回転ロールの外周に薄く注ぎ、ロールによって抜熱して急冷する方法であり、単ロールと双ロールのいずれも使用できる。溶湯は通常はタンディッシュに収容し、その底部のノズルから制御された量で注入される。ロール急冷法による合金の凝固速度は、ロールの回転速度、溶湯の注入量等により制御することができる。
【００４５】
単ロール急冷法の場合、ロールの回転速度は、外周の周速度で１×10-2〜６×102 m/秒の範囲内であることが多い。ロール径は、直径 100〜600 mmのものが比較的よく用いられている。実用的見地からは、ロール直径 400〜600mm 、ロール周速６×10-2〜1.3 ×102 m/秒が好ましい。
【００４６】
ロールにより急冷されて凝固した合金は、箔帯状または／あるいは片状をなしてロールから落下することが多く、これを適当な収納装置に回収する。得られた合金は一般に厚みが非常に薄いので、機械的な粉砕手段 (例、ボールミル、ジェットミル等) で容易に粉末にすることができる。この粉砕も含めて、ロール急冷法も不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
【００４７】
回転電極法で通常よく用いられているプラズマ回転電極法では、10-1〜10-2torr程度に減圧された密閉チャンバー内を利用する。このチャンバーには、所望の組成の合金で構成した陰極とプラズマを発生する陽極とが対向して配置され、通常互いに反対方向に回転できるようにそれぞれ連結軸を介して駆動装置に接続されている。陰極は円筒形状であることが多く、その直径は30〜120 mm程度が普通である。陽極は、通常はタングステン製の電極部と該電極部を収納する銅製ノズルとで構成され、それぞれプラズマ発生時の高温に耐えるように水冷される。
【００４８】
プラズマ発生用のAr、He等の不活性ガスを前記電極部に供給し、陽極／陰極間に電圧を印加して電場を形成し、プラズマを発生させる。プラズマにより陰極は順次溶解して回転により周囲に飛散し、凝固して粉末となる。陽極と陰極の回転数は1000〜5000 rpm程度とすることが多いが、これより高速回転とすることもある。粉末の粒径は、一般に陰極の回転数と直径で決まり、回転数が大きく、直径が小さいと粉末粒径が小さくなる。飛散して凝固した粉末は、チャンバーの下部から回収する。
【００４９】
凝固速度が100 ℃/sec以上の急冷凝固を経て生成した合金は、急冷による歪みがあるため、使用中に微粉化し易い。従って、この急冷歪みを取り除くために熱処理を行うことが好ましい。合金を粉砕する場合には、熱処理は粉砕前と粉砕後のいずれで行ってもよい。熱処理雰囲気は、熱処理中の負極材料の酸化を防止するため、真空または不活性ガス雰囲気といった非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。
【００５０】
熱処理温度は、包囲層であるＢ相を構成する金属間化合物または固溶体の固相線温度より10℃以上低い温度で行う。なお、Ｂ相が２以上の材料で構成される場合には、固相線温度が最も低い金属間化合物または固溶体 (通常はＢ相のマトリックスを形成する相) の固相線温度より10℃以上低温で熱処理を行う。好ましい熱処理温度は、この固相線温度より20℃以上低温である。
【００５１】
熱処理は、急冷歪みの解消に加えて、拡散効果を生じ、Ａ相とＢ相との密着性が向上する。この拡散効果により、通常はコアのＡ相の粒径が大きくなる。熱処理温度が前記固相線温度より高くなると、コアのＡ相の粒径が大きくなりすぎたり、場合によっては粉末の焼結が起こる。熱処理温度の下限に関しては、急冷歪みが除去されれば制限はないが、300 ℃以上が望ましく、500 ℃以上がさらに好ましい。
【００５２】
Ｂ相が２以上の物質から構成される場合、一部の物質が拡散によって消失し、Ｂ相の組織が変化する場合もある。熱処理の時間は特に制限されないが、通常は１時間以上、特に２時間以上とすることが望ましい。
【００５３】
上述したように、急冷凝固、粉砕、熱処理などの合金製造の各工程を非酸化性雰囲気中で実施しても、工業的な操業では合金の表面酸化を完全に防止することは不可能であり、表面酸化膜で被われた合金が得られ、この酸化膜によって非水電解質二次電池の充放電効率が低下する。
【００５４】
本発明によれば、合金を酸水溶液に浸漬して表面酸化膜を除去することにより、充放電効率の低下を避けることができる。この酸処理は、粉砕や熱処理などを全て終了した後で行うことが好ましい。酸水溶液に浸漬した後で粉砕を行うと、粉砕時に酸化膜が形成され、再び酸水溶液への浸漬が必要となることがある。
【００５５】
合金を浸漬する酸水溶液の酸は、特に限定されず、有機酸も使用することができるが、比較的短時間の処理で目的を達成するには、強酸、特に無機強酸を使用することが好ましい。好ましい酸としては、HF、HCl 、HNO3が挙げられる。合金がSiを含む場合に好ましい酸水溶液はHF水溶液である。合金がZnを含む場合に好ましい酸水溶液はHCl もしくはHNO3の水溶液である。
【００５６】
これらの酸水溶液の好ましい濃度は、HF水溶液では0.05〜15重量％、より好ましくは 0.5〜３重量％、HCl およびHNO3水溶液ではそれぞれ0.05〜10重量％、より好ましくは１〜５重量％である。酸濃度が低すぎると、表面酸化膜の除去に長時間を要し、実用的ではない。逆に、酸濃度が高すぎると、酸化膜を除去した後に露出するＡ相と酸が反応し、水素ガスの発生とともにＡ相の量が減少する可能性がある。
【００５７】
酸水溶液に、所望により、上記の好ましい酸から選んだ他の酸、またはH2SO4 、H2O2等といった他の酸もしくは酸化性溶液を１種もしくは２種以上を混合してもよい。また、反応を制御するために、酸水溶液にグリセリン等を混合することも効果的である。
【００５８】
浸漬処理に用いる酸水溶液：合金の重量比は、２：１〜10：１、特に３：１〜６：１の範囲が好ましい。合金に対する酸水溶液の重量比が２より小さいと、酸水溶液中の溶出イオン濃度が高くなりすぎ、浸漬の効果が減ずる。酸水溶液の重量比が高すぎると、酸化膜除去の反応は順調に進むが、生産性が低くなる。
【００５９】
酸水溶液の温度については特に制限するものではないが、温度が高くなりすぎると酸化膜除去の反応が進みすぎ、露出したＡ相の量を減ずる可能性がある。一方、低くなりすぎると、反応が進みにくくなる。好ましい酸水溶液の温度は20℃以上、50℃以下である。浸漬時間は、合金から表面酸化膜が実質的に完全に除去されるように設定する。必要な浸漬時間は、酸水溶液の種類、濃度、温度等の条件によって大きく異なり、数分程度で十分な場合もある。工業的観点からは、浸漬時間が10時間以内、特に１時間以内となるようにすることが好ましい。
【００６０】
酸水溶液に浸漬した合金は、乾燥して保管する。乾燥は100 ℃以下の低温で行うなら、空気中で行ってもよく、もちろん不活性ガス等の非酸化性雰囲気中で行ってもよい。同様に、保管も大気雰囲気と非酸化性雰囲気のいずれでもよい。室温では大気中に放置しても、表面酸化膜の形成はそれほど顕著ではない。保管が長期に及ぶ場合には、非酸化性雰囲気中で保管する方が好ましい。
【００６１】
本発明に従って酸水溶液で浸漬処理した、SiまたはZnを含むコアを持つ前記合金から、当業者には周知の電極の製造方法に従って電極を作製し、これを負極に用いて非水電解質二次電池用負極を製造することができる。
【００６２】
電極を製造するには、本発明の合金の粉末を、適当な結着剤と、必要に応じて導電性向上のために適当な導電剤と、結着剤を溶解する溶媒と混合して、ペースト状またはスラリー状の電極合剤を作製する。電極合剤には、さらにフィラー、分散剤、圧力増強剤その他の各種添加剤の１種もしくは２種以上を添加してもよい。この電極合剤を集電体となる電極基板の片面または両面に塗着し、乾燥した後、ロール圧延、プレス等による圧密化と、所定の大きさへの裁断、打ち抜き等を行って、電極を作製する。
【００６３】
結着剤としては、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂のいずれも使用できる。結着剤の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類；ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE) 、テトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデンもしくはクロロトリフルオロエチレンと他のフッ素化もしくは非フッ素化モノマーとの共重合体といったフッ素化ポリマー；スチレンブタジエンゴム；エチレンとアクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル等のアクリレート系モノマーとの共重合体、もしくはこの共重合体の (Na+) イオン架橋体 (アイオノマー) 、等が挙げられる。カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコールなどの水溶性樹脂も結合剤または増粘剤として使用することができる。
【００６４】
これらの中で本発明の合金と一緒に使用する結着剤として特に好ましいのは、スチレンブタジエンゴム、PVDF、エチレン−アクリレート系モノマー共重合体もしくはその (Na+) イオン架橋体である。
【００６５】
溶媒は、結着剤が溶解するように、結着剤に応じて選択される。例えば、N-メチルピロリドン(NMP) 、ジメチルホルムアミド(DMF) 等の有機溶媒、あるいは水が使用される。
【００６６】
導電剤は必ずしも添加する必要はないが、添加した方が大電流特性が良好となる。導電剤は電子伝導性材料であれば特に制限されない。例えば、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維等といった炭素質材料、Cu、Ni等の金属粉末もしくは金属繊維、ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料が例示される。好ましい導電剤は炭素質材料である。炭素質材料は、その層間にLiイオンを吸蔵することができるので、導電性に加えて、負極の容量にも寄与することができ、また保液性にも富んでいるからである。中でも人造黒鉛、アセチレンブラック、炭素繊維が好ましい。導電剤の添加量は、合金に対して１〜50重量％、特に１〜30重量％が好ましい。
【００６７】
集電体は、非水電解質二次電池の環境下で化学変化を起こさない電子伝導体であれば特に制限されない。例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂、さらには銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケルまたはチタンを被覆した材料などが使用できる。好ましいのは、良導体である銅および銅合金である。集電体の形態は、箔、フィルム、シート、網、有孔板、多孔質体、発泡体、繊維集合体などでよい。厚みは特に制限されないが、１〜500 μｍが普通である。
【００６８】
こうして製造された電極を負極に用いて、非水電解質二次電池を作製する。非水電解質二次電池の代表例はリチウム二次電池であり、本発明に係る合金はリチウム二次電池の負極材料として好適である。
【００６９】
非水電解質二次電池は、基本構造として、負極、正極、セパレータ、非水系の電解質を含んでいる。負極は上記のように本発明に従って製造したものを使用するが、他の正極、セパレータ、電解質については特に制限されず、従来よりリチウム二次電池等の非水電解質二次電池に公知のもの、或いは今後開発される材料を適当に使用すればよい。
【００７０】
リチウム二次電池とする場合、正極は、Li含有遷移金属化合物を正極活物質とするものが好ましい。Li含有遷移金属化合物の例は、LiM1-XM'X O2  または LiM2yM'y O4 (式中、０≦Ｘ, Ｙ≦１、M とM'はそれぞれBa、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、Ｖ、Fe、Zn、Al、In、Sn、Sc、Ｙの少なくとも１種) で示される化合物である。但し、遷移金属カルコゲン化物；バナジウム酸化物およびそのリチウム化合物；ニオブ酸化物およびそのリチウム化合物；有機導電性物質を用いた共役系ポリマー；シェブレル相化合物等の、Liを含有し、または含有しない他の正極材料を用いることも可能である。正極活物質の平均粒径は、特に制限されないが、１〜30μｍの範囲が好ましい。
【００７１】
正極も、上述した負極用の本発明の合金を用いた電極と同じように、活物質の粉末を結着剤や導電剤と一緒にペーストまたはスラリー化して電極合剤を調製し、これを集電体に塗着し、圧密化して裁断するという方法により製造するのが普通である。結着剤、導電剤、集電体は、基本的には負極用に対して上述したのと同様の材料を使用することができる。
【００７２】
結着剤の中で正極用に特に好ましいのはPVDFおよびPTFEである。正極用に特に好ましい導電剤は人造黒鉛およびアセチレンブラックである。導電剤の配合量も基本的には上記と同様であるが、炭素質材料の場合には２〜15重量％の範囲が好ましい。正極用に好ましい集電体の材料はアルミニウムおよびアルミニウム合金である。
【００７３】
リチウム二次電池の場合、一般的な非水電解質は、支持電解質であるリチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液からなる。リチウム塩としては、例えば、LiClO4, LiBF4, LiAlCl4, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiCH3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(CF2SO2)2, LiB(C6H5), LiB10Cl10,低級脂肪族カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、イミド類等が例示され、１種もしくは２種以上を使用することができる。特にLiPF6 を含む電解質が好ましい。
【００７４】
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート類；ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類；ギ酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類；γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類；1,2-ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類；テトラヒドロフラン等の環状エーテル類；その他ジメチルスルホキシド、ジオキソラン類、アミド類、ニトリル類、スルホラン類等の各種の非プロトン性溶媒の１種もしくは２種以上を使用することが好ましい。特に好ましい溶媒は、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合系、およびこれにさらに脂肪族カルボン酸エステルを混合した系である。中でもエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒が好ましい。
【００７５】
溶媒中の支持電解質の濃度は特に制限されないが、通常は 0.2〜２Ｍの範囲、特に 0.5〜1.5 Ｍの範囲が好ましい。
【００７６】
非水電解質は、液体 (溶液) ではなく、固体であってもよい。非水電解質二次電池用の固体電解質は、無機固体電解質と有機固体電解質とに大別される。無機固体電解質には、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などが知られている。中でも、Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, xLi3PO4-(1-x)Li4SiO4, Li2SiS3, Li3PO4-Li2S-SiS2, 硫化リン化合物等が有効である。有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、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、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等や、これらの誘導体、混合物、複合体等のポリマー材料が有効である。
【００７７】
非水電解質には、充放電特性を改善する目的で、他の化合物を添加することができる。かかる化合物として、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n-グライム、ピリジン、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、クラウンエーテル類、第四級アンモニウム塩、エチレングリコールジアルキルエーテル等が例示される。
【００７８】
セパレータは、正極と負極とを電気的に絶縁する絶縁膜としての役割を果たす他、非水電解質の保持にも寄与する。セパレータとしては、大きなイオン透過度と適度の機械的強度を持ち、絶縁性の微多孔質薄膜が用いられる。電池の安全性を高めるため、一定温度以上になると細孔が閉塞して、抵抗を増大させる機能を持つものが好ましい。
【００７９】
耐有機溶剤性と疎水性を考慮して、セパレータにはポリオレフィン系ポリマーまたはガラス繊維から作られた微多孔質シート、不織布、織布等を用いることが多い。セパレータの細孔径は、電極から離脱した材料が透過しないように0.01〜１μｍ程度が好ましい。セパレータの厚みは一般には10〜300 μｍ程度である。その空孔率は通常は30〜80％の範囲が好ましい。
【００８０】
リチウム二次電池の１種として、非水電解液 (非水溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液) を吸収・保持させたポリマー材料を正極合剤と負極合剤に含ませ、セパレータのポリマーにも同様の非水電解液を吸収・保持させて、電池を構成したものがある。この場合の有機電解液を吸収・保持させるポリマー材料としては、特にフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体が好ましい。
【００８１】
非水電解質二次電池の形状は特に制限されず、円筒型、角形、コイン型、ボタン型、シート型、積層型、偏平型、電気自動車用の大型等の何れでもよい。本発明の非水電解質二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いることができるが、用途はこれらに限られるものではない。
【００８２】
本発明の非水電解質二次電池は、負極材料して理論容量の高いコア相を有する前記合金の粉末材料を使用し、Liの吸蔵・放出時の体積変化が抑えられるため、充放電容量が高く、かつ充放電繰り返しのサイクル寿命にも優れている。また、充放電効率を低下させる合金表面の酸化膜が除去されているため、充放電効率も非常に高くなるので、上記のいずれの用途に使用した場合にも、優れた性能を示すことができる。
【００８３】
【実施例】
以下の実施例により本発明を具体的に説明するが、これらは例示であって、本発明を制限するものではない。実施例中、特に指定がなければ、％は重量％である。
【００８４】
【実施例１】
本実施例では、本発明に係るSi基合金を製造し、この合金のLi放出効率を評価するために、この合金を用いて作製した電極の充放電容量を３極式セルで試験した。
【００８５】
＜合金の製造＞
48％Ni−52％Si (以下、Ni52Siと表記する) 合金を構成するように原料を配合し、これを高周波誘導溶解炉を用いてAr雰囲気中で溶融した後、溶湯からArガスアトマイズ法により合金粉末を調製した。
【００８６】
このArガスアトマイズ法の凝固速度については、上記合金粉末を作製するときと同じ条件を用いたArガスアトマイズ法で作製したCu−Al合金粉末のデンドライト二次アーム間の距離を測定する周知の方法で確認した。その結果は 103〜105 ℃/secであり、100 ℃/sec以上であった。
【００８７】
Arガスアトマイズ法で作製したNi52Si合金粉末を分級して、平均粒径30μｍ、最大粒径100 μｍに調整した。分級した合金粉末をAr雰囲気中、Ni−Si金属間化合物の中で固相線温度が最も低いNiSi2 相の固相線温度(966℃) より低温の900 ℃で４時間熱処理した。熱処理後の合金粉末の断面をエッチング後にＳＥＭで観察して合金組織を調べたところ、マトリックスはNiSi2 相であり、その中にSi相が散在し、Si相の周囲にはNiSi相も析出していた。従って、この合金は、Si相をコアとし、その周囲がNiSi相とNiSi2 相とで包囲された組織を有する。Si相の平均粒径 (ＳＥＭ写真で無作為に選んだ100 子のSi相の粒径の平均値) は約12μｍであった。
【００８８】
熱処理した合金粉末に、HF水溶液を用いた酸水溶液浸漬処理を表１に示す種々の条件で施した。HF水溶液の温度は30℃の一定とした。酸処理した合金粉末を真空中60℃で乾燥した。室温まで放冷した後、大気中に取り出し、60時間経過してから、この合金粉末を用いて下記に説明するようにして電極を作製し、Li放出能力を評価した。
【００８９】
別に、ガスアトマイズ法合金粉末と同組成の合金を構成する原料を同様に溶融した後、Ar雰囲気中で鋳型に鋳込み、直径30 mm 、長さ60 mm の鋳塊を得た。この鋳塊を陰極に用いて、プラズマ回転電極法により合金粉末を調製した。上と同様の条件で得たCu−Al合金を用いて、この時の凝固速度を測定したところ、100 ℃/secであった。
【００９０】
このプラズマ回転電極法により作製した合金粉末を分級して、平均粒径30μｍ、最大粒径が100 μｍに調整した。分級した合金粉末に上記と同様の熱処理を施し、同様の要領で合金を調べたところ、ガスアトマイズ法合金粉末と同様の構成の組織であり、Si相の平均粒径は約24μｍであった。
【００９１】
この合金粉末をHF濃度15wt％の酸水溶液に５分間浸漬した後、真空中60℃で乾燥し、室温まで放冷してから大気中に取り出し、60時間経過後に、下記に説明するようにして電極を作製し、Li放出能力を評価した。
【００９２】
＜３極式セル試験＞
合金粉末にその10％のアセチレンブラックと10％のPVDF (ポリフッ化ビニリデン) を添加した後、NMP (N−メチルピロリドン) を適宜加えて混合・攪拌し、スラリーを作製した。
【００９３】
このスラリーを、ドクターブレードを用いて30μｍ厚の電解銅箔に塗着し、乾燥後に13mm径に打ち抜いてプレス加工をし、電極を作製した。この電極の銅箔上の電極合剤の厚みは約100 μｍであった。この合剤に含まれる合金重量を、アルキメデス法で求めた合剤体積と合剤組成および合金の比重から算出した。
【００９４】
この電極を用いて、対極と参照極にそれぞれLi金属を配置し、非水電解質３極式セルを作製した。電解液としては、エチレンカーボネートとジメトキシエタンの体積比で１：１混合溶媒中に支持電解質のLiPF6 を１Ｍ濃度で溶解した非水溶液を使用した。測定は、グローブボックスのような不活性雰囲気を維持できる装置内で、雰囲気露点を約−70℃に保持して、25℃で行った。
【００９５】
まず、1/10充電 (10時間で満充電になる電流値) で、参照極のLiを基準として０Ｖになるまで充電を行い、次いで同じ電流値で２Ｖになるまで放電を行って、この時の１サイクル目の放電容量と、放電容量／充電容量×100 で算出される充放電効率を求めた。結果を、酸水溶液への浸漬処理を行わなかったサンプルでの結果と一緒に表１に併記する。
【００９６】
【表１】
0004465756.tif 000002
【００９７】
表１からわかるように、合金を酸水溶液に浸漬処理せずに、そのまま電極を作製した場合には、Liの充放電効率が75％と低かった。即ち、吸蔵されたLiのうち25％は放出されない不可逆的な吸蔵であった。
【００９８】
一方、本発明に従って酸水溶液で浸漬処理を行うと、放電容量を低下させずに (場合によりやや増大する) 、充放電効率が85％以上に増大した。充放電効率は、酸水溶液の濃度が0.2 ％以上であれば90％以上になった。特に、酸水溶液の濃度が２重量％以上になると、95〜97％という非常に高い充放電効率を得ることができ、Liのほとんどが放出可能な可逆的な吸蔵となった。
【００９９】
【実施例２】
本実施例では、本発明に係るZn基合金を製造し、この合金のLi放出効率を評価するために、この合金を用いて作製した電極の充放電容量を３極式セルで試験した。
【０１００】
合金組成を10％Mg−90％Zn (以下、Mg90Znと表記する) に、Arガスアトマイズ後の熱処理温度を300 ℃に、それぞれ変更して、実施例１と同様に合金粉末を調製し、分級し、熱処理した。
【０１０１】
熱処理後の合金粉末の断面をエッチング後にＳＥＭで観察して合金組織を調べたところ、マトリックスはMgZn11相であり、その中にZn相が散在して析出していた。従って、この合金は、Zn相をコアとし、その周囲がMgZn11相で包囲された組織を有する。Zn相の平均粒径は約５μｍであった。なお、MgZn11の固相線温度は364 ℃であるので、熱処理温度(300℃) はこの固相線温度より低い。
【０１０２】
熱処理したガスアトマイズ法Zn基合金粉末について、酸水溶液としてHCl またはHNO3の水溶液を用いた以外は実施例１と同様に酸水溶液による浸漬処理を行った。この合金粉末を用いて、実施例１と同様に電極の作製と３極式セル試験を実施し、放電容量と充放電効率を求めた。
【０１０３】
別に、ガスアトマイズ法合金粉末と同組成のZn基合金を構成する原料を用いて、実施例１で説明したのと同様の要領でプラズマ回転電極法によるZn基合金粉末を調製し、分級した。この時の凝固速度は100 ℃/secであった。分級した合金粉末にガスアトマイズ法と同様の熱処理を施して、合金を調べたところ、ガスアトマイズ法合金粉末と同様の構成の組織であり、Zn相の平均粒径は約24μｍであった。
【０１０４】
この合金粉末をHCl 濃度10wt％の酸水溶液に５分間浸漬した後、真空中60℃で乾燥し、室温まで放冷してから大気中に取り出し、60時間経過後に、実施例１に記載したようにして電極を作製し、Li放出能力を評価した。
これらの試験結果を、酸水溶液への浸漬処理を行わなかった場合の結果と一緒に表２に示す。
【０１０５】
【表２】
0004465756.tif 000003
【０１０６】
表２からわかるように、Zn基合金の場合も、試験結果は実施例１のSi基合金と同様の傾向を示した。即ち、酸水溶液による浸漬処理を行わないと、充放電効率は80％より低く、不芳であったのに対し、この浸漬処理を施すことにより、放電容量を維持したまま、充放電効率が80％以上に増大し、酸水溶液の濃度が0.5 重量％以上では90％以上の高い充放電効率が得られた。また、酸を塩酸から硝酸に変えても、同様の充放電効率の改善が得られた。
【０１０７】
【実施例３】
表３に示す合金組成となる原料を用いて、実施例１と同様にArガスアトマイズ法により合金粉末を作製し、分級した後、表３に示す温度で熱処理し、酸水溶液での浸漬処理を行った。酸水溶液の浸漬条件は、No.1〜18のSi含有合金では２％HF水溶液中に15分間であり、No. 19〜24のSiを含有しない合金では５％HCl 水溶液中に15分間の条件とした。
【０１０８】
熱処理後の合金粉末の組織を調べたところ、いずれもコアのＡ相がマトリックスのＢ相で包囲されている合金であり、Ａ相はNo.1〜18のSi含有合金ではSi相、No. 19〜24の合金ではZn相であった。このコア相の平均粒径は、いずれの合金についても30μｍ以下と微細であった。Ｂ相を構成する主要な金属間化合物または固溶体とその固相線温度を表３に示す。表３からわかるように、熱処理温度はいずれもこの固相線温度より10℃以上低い温度であった。
【０１０９】
これらの各合金粉末を用いて、実施例１と同様に電極の作製と３極式セル試験を実施し、放電容量と充放電効率を求めた。試験結果を、酸水溶液への浸漬処理を行わなかった場合の結果と一緒に表３に示す。
【０１１０】
【表３】
0004465756.tif 000004
【０１１１】
表３に示すように、いずれの合金系についても、酸水溶液での浸漬処理を行うことにより、放電容量を全く或いはほとんど低下させず、充放電効率を著しく向上させることができた。
【０１１２】
【実施例４】
本実施例では、表１の試験記号Ｅ、表２の試験記号Ｄ、および表３に示した合金の一部 (いずれもArガスアトマイズ法で得た粉末を分級し、熱処理と酸水溶液での浸漬処理を施した本発明に係る合金の粉末；Si含有合金は２％HF水溶液で15分の浸漬処理、Siを含有しない合金は１％HCl 水溶液で15分の浸漬処理) を用いて電極を作製し、これを負極とする非水電解質リチウム二次電池の性能を、次に述べるようにして評価した。
【０１１３】
別に、酸水溶液に浸漬しなかった合金粉末を用いて同様に電池を作製して性能を評価した。
図１に本実施例で作製した円筒型電池の縦断面図を示す。
【０１１４】
この電池では、正極板５および負極板６がセパレータ７を介して複数回渦巻状に巻回されて電池ケース１内に収納されている。そして、上記正極板５からは正極リード5aが引き出されて封口板２に接続され、負極板６からは負極リード6aが引き出されて、電池ケース１の底部に接続されている。８は絶縁リングで、極板群４の上下部にそれぞれ設けられている。３は絶縁パッキンである。
【０１１５】
電池ケースやリード板は、非水電解液に耐性のある電子伝導性の金属または合金を用いることができる。例えば、鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウム等の金属またはそれらの合金が使用できる。電池ケースにはステンレス鋼板、Al−Mn合金板が適しており、正極リードはアルミニウム、負極リードはニッケルが最適である。
【０１１６】
電池ケースに電解液を注入し、封口板でケースを密閉すると電池缶が完成する。このとき、封口板には図示のように安全弁を設置したり、安全素子を設けることができる。安全素子の例は、ヒューズ、バイメタル、ＰＴＣ素子などの過電流防止素子である。また、電池ケースの内圧上昇の対策として、安全弁の他に、電池ケースに切込みを入れる、ガスケットもしくは封口板に亀裂を入れる、リード板との切断、といった手段を講ずることもできる。さらに、充電器に過充電や過放電対策を組み込んだ保護回路を備えるか、独立に接続させてもよい。過充電対策として、電池内圧の上昇により電流を遮断する方式も利用できる。このとき、内圧を挙げる化合物を電極合剤または電解質中に含有させてもよい。内圧を挙げる化合物としては、Li2CO3、LiHCO3、Na2CO3、NaHCO3、CaCO3 、MgCO3 等の炭酸塩が挙げられる。電池ケース、封口板、リード板の溶接には、電気溶接、レーザー溶接、超音波溶接等が利用できる。封口用シール剤として、アスファルト等のシール剤を使用できる。
【０１１７】
負極板は次のようにして作製した。表４に示す合金組成の本発明の合金粉末75％、導電剤のアセチレンブラック20％、結着剤のポリフッ化ビニリデン(PVDF)５％の混合物を脱水N-メチルピロリドン(NMP) 中で攪拌して、スラリーを調製した。このスラリーを、集電体となる厚さ0.015 mmの銅箔の表面の塗着し、乾燥後、ロール圧延し、切断して、厚さ0.2 mm、幅37mm、長さ300 mmの負極板を得た。この負極板中の合金の充填量は約３〜10ｇの範囲であった。
【０１１８】
一方、正極板は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)の粉末85％、導電剤のアセチレンブラック10％、結着剤のPVDF５％の混合物から、上記の負極板と同様にして作製した。但し、正極板の集電体としては負極用の銅箔と同じ厚みのアルミニウム箔を用いた。
【０１１９】
電解液としては、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒に、LiPF6 を1.5 Ｍ濃度で溶解した溶液を使用した。作製した電池は、直径18 mm 、高さ650 mmの円筒型電池であった。
【０１２０】
これらの電池を、100 mAの定電流で4.2 Ｖまで充電した後、100 mAの定電流で３Ｖまで放電し、放電容量と充放電効率 (放電容量／充電容量×100)を求めた。また、同様に作製した別の電池を用いて、100 mAの定電流で電圧4.2 Ｖ、放電終止電圧25Ｖで充放電サイクル試験を行い、１サイクル目の充放電容量を測定するとともに、500 サイクル後の放電容量を測定し、１サイクル目の放電容量に対する500 サイクル目の放電容量の割合(%) をサイクル寿命として求めた。測定は全て25℃で行った。これらの試験結果を表４に示す。
【０１２１】
【表４】
0004465756.tif 000005
【０１２２】
表４からわかるように、本発明のSiまたはZn基前記合金を負極材料とする非水電解質リチウム二次電池は、放電容量、充放電効率、サイクル寿命の全てが良好であった。
【０１２３】
【発明の効果】
ガスアトマイズ法といった急冷凝固法により製造され、最後に酸水溶液による浸漬処理を施した、本発明の非水電解質二次電池用のSiまたはZn基前記合金は、コア相のSi相やZn相のLi吸蔵能力が高く、かつ不可逆的なLi吸蔵の原因となる表面酸化膜が除去されているため、多量のLiを吸蔵して、吸蔵されたLiのほとんどを放出することができる。また、コア相の周囲が拘束されているため、Li吸蔵・放出に基づく体積変化が抑制され、Li吸蔵・放出を繰り返しても、微粉化しにくく、Li吸蔵能力を長期間保持できる。
【０１２４】
そのため、この合金をリチウム二次電池のような非水電解質二次電池の負極材料として使用すると、放電容量が高く、かつ充放電効率が85％以上、好ましくは90％以上という二次電池を作製することができる。充放電効率が高いと、充電に要する電気量が低減し、エネルギー効率の高い電池となる。また、この非水電解質二次電池は、充放電繰り返し寿命にも優れている。従って、本発明によりリチウム二次電池で代表される非水電解質二次電池の性能が著しく向上し、その用途拡大につながるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で作製したリチウム二次電池の構造を示す略式縦断面図である。
【符号の説明】
１：電池ケース、２：封口板、３：絶縁パッキン、４：極板群、５：正極板、６：負極板、７：セパレータ、８：絶縁リング。
【図１】
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