[发明专利]电气器件用Si合金负极活性材料

说明书

技术领域

本发明涉及电气器件用Si合金负极活性材料以及使用所述电气器件用Si合金负极活性材料的电气器件。所述电气器件用Si合金负极活性材料以及使用本发明的Si合金负极活性材料的电气器件用作用于车辆例如电动车、燃料电池车和混合电动车的马达的驱动电源或辅助电源的二次电池或电容器等。

背景技术

近年来，为了应对大气污染和全球变暖，存在对于降低二氧化碳量的强烈需求。在汽车工业中，通过引入电动车(EV)和混合电动车(HEV)可获得降低二氧化碳量的高预期，已积极地开发了驱动马达用二次电池等电气器件，这是这些车辆实用化的关键所在。

与移动电话或膝上型个人电脑中使用的消耗品锂离子二次电池相比，马达驱动用二次电池需要具有相当高的输出性能和高能量。因此，所有类型电池中的具有最高理论能量的锂离子二次电池受到关注并且目前正在迅速发展中。

锂离子二次电池通常具有以下结构：在该结构中通过使用粘结剂将正极活性材料等施涂于正极集电体的两表面上而获得的正极以及通过使用粘结剂将负极活性材料等施涂于负极集电体的两表面上而获得的负极隔着电解质层彼此连接，并容纳于电池壳体中。

在充放电循环寿命和成本方面有利的碳/石墨材料至今已被用于锂离子二次电池的负极。然而，由于充放电是通过吸留/释放锂离子进/出具有碳/石墨负极材料的石墨晶体进行，因此，存在难以得到为由最大量锂嵌入化合物LiC₆可得到的理论容量的372mAh/g以上充放电容量的缺点。因此，借助于碳/石墨负极材料难以得到满足实用于车辆的容量和能量密度。

另一方面，由于将与Li合金化的材料用于负极的电池与常规碳/石墨负极材料相比电池在能量密度方面得到改善，因此期望将其作为用于车辆中的负极材料。例如，如反应式(1)所示一摩尔的Si材料吸留和释放4.4mol的锂离子，并且Li₂₂Si₅(＝Li_4.4Si)的理论容量为2100mAh/g。另外，在以每重量Si计算的情况中，得到3200mAh/g(参见实施例1的样品19)的初期容量。

[式1]

然而，在使用负极用与Li合金化的材料的锂离子二次电池时，在负极中充放电时的膨胀-收缩大。例如，在吸留锂离子时石墨材料的体积膨胀为约1.2倍，而Si材料具有由于Si和Li间合金化时从非晶态向晶态转变引起大的体积变化(约4倍)而导致的电极循环寿命降低的问题。另外，由于在Si负极活性材料的情况中容量和循环耐久性具有折衷关系，因此存在难以在保持高容量的同时改进高循环耐久性的问题。

为了解决该问题，已提出了包含具有式Si_xM_yAl_z的非晶合金的锂离子二次电池用负极活性材料(例如，参见专利文献1)。式中，各x、y和z表示原子百分数，x+y+z＝100，x≥55，y＜22，z＞0和M为由Mn、Mo、Nb、W、Ta、F e、Cu、Ti、V、Cr、Ni、Co、Zr和Y中的至少一种形成的金属。公开于专利文献1的发明中，在[0018]段中描述了通过最小化金属M的含量，除了显示高容量之外还显示了良好的循环寿命。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP-T-2009-517850

发明内容

发明要解决的问题

然而，在锂离子二次电池使用公开于专利文献1的具有式：Si_xM_yAl_z的非晶合金的负极的情况中，虽然描述显示良好的循环性能，但初期容量令人不满意。另外，循环性能令人不满意。

因此，本发明的目的是提供用于电气器件，例如Li离子二次电池的负极活性材料(有时简称为负极活性材料)，其显示保持高循环性能和得到高初期容量的良好平衡性。

用于解决问题的方案

本发明人发现通过采用在三元Si-Ti-Zn合金中Si-Ti-Zn组成比包含于特定组成范围的合金可以解决上述问题，并基于该发现完成了本发明。