JP3262019B2 - Method for producing negative electrode material for lithium ion secondary battery - Google Patents

Method for producing negative electrode material for lithium ion secondary battery

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JP3262019B2
JP3262019B2 JP10476197A JP10476197A JP3262019B2 JP 3262019 B2 JP3262019 B2 JP 3262019B2 JP 10476197 A JP10476197 A JP 10476197A JP 10476197 A JP10476197 A JP 10476197A JP 3262019 B2 JP3262019 B2 JP 3262019B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン2
次電池用負極材料の製造方法に関するものであり、さら
に詳しくは放電容量が高く、サイクル特性に優れるリチ
ウム電池用負極材料の製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
The present invention relates to a method for producing a negative electrode material for a secondary battery, and more particularly to a method for producing a negative electrode material for a lithium battery having a high discharge capacity and excellent cycle characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】携帯用の小型電気・電子機器の普及に伴
い、Ni−水素電池やリチウムイオン電池といった新型の
2次電池の開発が盛んになってきている。
2. Description of the Related Art With the spread of portable small electric and electronic devices, new types of secondary batteries such as Ni-hydrogen batteries and lithium ion batteries have been actively developed.

【0003】そのような2次電池の中でリチウムイオン
電池は、リチウムを負極活物質とし、非水溶媒を電解液
に用いる電池である。リチウムが非常に卑な金属である
ため、高電圧を取り出すことができ、エネルギー密度の
高い電池となることから、リチウムイオン電池は、1次
電池として大量に使用されている。
[0003] Among such secondary batteries, a lithium ion battery is a battery using lithium as a negative electrode active material and a non-aqueous solvent as an electrolyte. Since lithium is a very base metal, a high voltage can be obtained and a battery having a high energy density can be obtained. Therefore, a lithium ion battery is widely used as a primary battery.

【0004】したがって、2次電池としてもリチウムイ
オン電池を利用することが期待されている。しかし金属
リチウムを2次電池に適用すると、充放電の繰り返しに
よって負極からリチウムがデンドライト状に成長し、絶
縁体であるセパレータを貫通して正極と短絡するように
なるため、充放電の繰り返しのサイクル寿命が短いとい
う欠点があった。
Therefore, it is expected that a lithium ion battery will be used as a secondary battery. However, when metal lithium is applied to a secondary battery, the repetition of charge and discharge causes lithium to grow in a dendrite shape from the negative electrode, and penetrates the separator, which is an insulator, to short-circuit with the positive electrode. There was a drawback that the life was short.

【0005】このような金属リチウムを負極活物質に用
いた2次電池の問題点を解決する一つの手段として、リ
チウムイオンを吸蔵・放出することのできる炭素質材料
(例、天然黒鉛、人造黒鉛、石油コークス、樹脂焼成
体、炭素繊維、熱分解炭素、カーボンブラック、メソフ
ェーズ小球体、バルクメソフェーズなど) を負極材料と
して用いることが提案された。例えば、特開昭57−2080
79号公報、特開平4−115458号、同5−234584号、同5
−307958号公報など。
As one means for solving the problem of the secondary battery using lithium metal as the negative electrode active material, a carbonaceous material capable of inserting and extracting lithium ions is used.
It has been proposed to use (eg, natural graphite, artificial graphite, petroleum coke, fired resin, carbon fiber, pyrolytic carbon, carbon black, mesophase spherules, bulk mesophase, etc.) as the negative electrode material. For example, JP-A-57-2080
No. 79, JP-A-4-115458, JP-A-5-234584, and JP-A-5-234584
-307958.

【0006】この炭素質材料から負極を構成したリチウ
ムイオン2次電池では、充放電時の負極での反応は、リ
チウムイオン (Li+ ) が炭素 (黒鉛) の層間に出入りす
るだけである。すなわち充電時には、負極の炭素質材料
に電子が送り込まれて炭素は負に帯電し、正極に吸蔵さ
れていたリチウムイオンが脱離して負に帯電した負極の
炭素質材料に吸蔵 (インターカレート) される。逆に、
放電時には負極の炭素質材料に吸蔵されていたリチウム
イオンが脱離 (デインターカレート) して、正極に吸蔵
される。このような機構を用いることで金属リチウムの
負極での析出を防ぐことができ、デンドライトの析出に
よる負極劣化の問題を回避することができる。
In a lithium ion secondary battery comprising a negative electrode made of this carbonaceous material, the reaction at the negative electrode during charging and discharging is such that lithium ions (Li + ) only enter and exit between carbon (graphite) layers. That is, during charging, electrons are sent to the carbonaceous material of the negative electrode, carbon is negatively charged, and lithium ions occluded in the positive electrode are desorbed and occluded in the negatively charged carbonaceous material of the negative electrode (intercalation). Is done. vice versa,
During discharge, lithium ions occluded in the carbonaceous material of the negative electrode are desorbed (deintercalated) and occluded in the positive electrode. By using such a mechanism, precipitation of metallic lithium on the negative electrode can be prevented, and the problem of deterioration of the negative electrode due to precipitation of dendrite can be avoided.

【0007】しかし、上記のような炭素質材料を負極に
用いたリチウム2次電池では、負極でのリチウムイオン
の吸蔵. 放出量が少ないために最初から放電容量が小さ
かったり、あるいはリチウムイオンの吸蔵量の大きい高
結晶性の黒鉛質材料のものは、初期放電容量は高くて
も、充放電の繰り返しにより次第に炭素質の構造 (黒鉛
質構造) の劣化や非水電解液中の溶媒の分解が起こって
1サイクル目のクーロン効率 [( 放電容量/充電容量)
×100 <%>] が極端に低下するため余分な電気量を消
費してしまうという欠点があった。
However, in the lithium secondary battery using the carbonaceous material for the negative electrode as described above, the discharge capacity is small from the beginning due to the small amount of occlusion and release of lithium ions at the negative electrode, or the occlusion of lithium ions. For a large amount of highly crystalline graphite material, even if the initial discharge capacity is high, the deterioration of the carbonaceous structure (graphite structure) and the decomposition of the solvent in the non-aqueous electrolyte gradually occur due to repeated charge and discharge. Coulomb efficiency of the first cycle after happening [(discharge capacity / charge capacity)
× 100 <%>] is extremely reduced, so that an extra amount of electricity is consumed.

【0008】この炭素質材料に代わって金属間化合物を
リチウムイオンのホスト材料に用いる方法が提案され
た。これら金属間化合物にはFeSi2 、YSi2、MoSi2 など
が挙げられ、これを用いることで放電容量は黒鉛系炭素
材料のもつ理論容量372mAh/gを超えるほど向上し、電解
液の反応によって生じる不可逆容量が低下することで1
サイクル目のクーロン効率が向上した。特開平7−2402
01号公報および特開平5−159780号公報参照。
A method has been proposed in which an intermetallic compound is used as a lithium ion host material instead of the carbonaceous material. These intermetallic compounds include FeSi 2 , YSi 2 , MoSi 2, etc., and by using this, the discharge capacity is increased as the theoretical capacity of the graphite-based carbon material exceeds 372 mAh / g, which is caused by the reaction of the electrolyte solution As the irreversible capacity decreases, 1
The coulomb efficiency of the cycle improved. JP-A-7-2402
See No. 01 and JP-A-5-159780.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の第一
の目的は、デンドライトの析出による負極劣化の問題を
回避することができ、従来の金属間化合物材料と同等も
しくはそれ以上の放電容量およびクーロン効率を発揮で
きる負極材料を開発することである。
The first object of the present invention is to avoid the problem of negative electrode deterioration due to the precipitation of dendrite, and to achieve a discharge capacity equal to or higher than that of the conventional intermetallic compound material. And to develop a negative electrode material that can exhibit coulomb efficiency.

【0010】ところで、FeSi2 、YSi2、MoSi2 のような
組成をもつ金属間化合物をリチウムイオン2次電池に適
用したとき、1/10C充電 (10時間で満充電になるような
充電方法) ・1/10C放電としたときの充電・放電容量に
比べて、2C充電(0.5時間で満充電になるような充電方
法) ・2C放電としたときの充電・放電容量は大きく低
下してしまうという問題点が残っている。この原因は充
電反応のとき、リチウムイオンは金属間化合物表面から
侵入し内部拡散を行うが、その拡散速度が遅いためレー
ト特性に問題が生じると考えられる。
By the way, when an intermetallic compound having a composition such as FeSi 2 , YSi 2 , or MoSi 2 is applied to a lithium ion secondary battery, it is charged at 1/10 C (a charging method for fully charging in 10 hours). -Compared to the charge / discharge capacity at 1 / 10C discharge, 2C charge (charging method to fully charge in 0.5 hours)-Charge / discharge capacity at 2C discharge is greatly reduced The problem remains. It is considered that this is because lithium ions intrude from the surface of the intermetallic compound and undergo internal diffusion during the charge reaction, but the diffusion rate is low, which causes a problem in the rate characteristics.

【0011】リチウムイオン2次電池の性能のうち、放
電容量およびサイクル特性などは他電池と同様もしくは
それ以上の性能が得られているにも関わらず、レート特
性(大電流特性) は、Ni−水素電池、Ni−Cd電池などの
水溶液系の2次電池にはほど遠く、このレート特性を改
善することがリチウムイオン2次電池をさらに優れた電
池にするためには必要と言える。
[0011] Among the performances of the lithium ion secondary battery, although the discharge capacity and the cycle characteristics are the same as or better than those of other batteries, the rate characteristics (large current characteristics) are Ni- It is far from aqueous secondary batteries such as hydrogen batteries and Ni-Cd batteries, and it can be said that improving this rate characteristic is necessary to make lithium ion secondary batteries more excellent.

【0012】従って本発明のさらなる目的は、放電容量
および1サイクル目のクーロン効率が従来の金属間化合
物と同様であるが、さらにレート特性にも優れたリチウ
ムイオン2次電池用負極材料の製造方法を提供すること
である。
Accordingly, a further object of the present invention is to provide a method for producing a negative electrode material for a lithium ion secondary battery which has the same discharge capacity and Coulomb efficiency in the first cycle as the conventional intermetallic compound, but also has excellent rate characteristics. It is to provide.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の問題
を解決するため鋭意努力を重ねた結果、化学式、ABx
表される化合物で、AがFe、Mn、Co、Mo、Cr、Nb、V、
Cu、Wから少なくとも1種類以上選ばれた元素と、Bは
Siを必須元素とし、Si、C、Ge、Sn、Pb、Al、Pのうち
1種類以上選ばれた元素で構成されるもののうち、0.5
≦X≦3であるような材料を作製するとき、特に好まし
くは、溶湯状態から100 ℃/sec以上5000℃/sec以下の冷
却速度で凝固させ、50μm 以下の微細な結晶粒を晶出さ
せて、その後、必要により、熱処理を施すことでレート
特性が優れるリチウムイオン2次電池用負極が得られる
ことを知見し、本発明を完成した。また、このような凝
固速度が実現する鋳造方法はアトマイズ法、回転電極法
などが適当であることも見い出した。
The present inventors have SUMMARY OF THE INVENTION As a result of repeated extensive studies to solve the above problem, in the formula, a compound represented by AB x, A is Fe, Mn, Co, Mo, Cr , Nb, V,
B and at least one element selected from Cu and W
Of those composed of at least one element selected from Si, C, Ge, Sn, Pb, Al, and P as an essential element, 0.5
When producing a material satisfying ≦ X ≦ 3, it is particularly preferable to solidify from a molten state at a cooling rate of 100 ° C./sec or more and 5000 ° C./sec or less to crystallize fine crystal grains of 50 μm or less. Then, if necessary, it was found that a negative electrode for a lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics can be obtained by performing heat treatment, and the present invention was completed. Also, casting method such solidification rate can be realized also found that atomizing method, rotational electrode method and the like are suitable.

【0014】すなわち、本発明によれば、リチウムイオ
ンのホストになるための材料として、Fe、Mn、Co、Mo、
Cr、Nb、V、Cu、Wの珪化物が優れている。これらはリ
チウムイオンを吸収し、収納するサイトを持つものであ
る。リチウムイオンの急速な拡散をさらに促すために
は、急冷凝固による微細組織が好ましい。上記のような
100 ℃/sec以上5000℃/sec以下の冷却速度を持つような
凝固方法を行った場合、得られる合金の結晶粒径は非常
に小さくなり、50μm 以下の微細結晶粒を有する急冷凝
固組織となる。通常、原子の金属間化合物内の拡散は粒
内拡散に比して粒界拡散が大きく支配する。リチウムイ
オンもこれに従い、粒界拡散が中心に行われるので、結
晶粒径が小さくなると拡散速度が大きくなり、リチウム
イオン2次電池の負極材料としてこれを適用した場合、
レート特性が優れるようになる。
That is, according to the present invention, Fe , Mn , Co, Mo,
Cr, Nb, V, Cu and W silicides are excellent. These have sites that absorb and store lithium ions. In order to further promote rapid diffusion of lithium ions, a microstructure formed by rapid solidification is preferable. As above
When the solidification method is performed to have a cooling rate of 100 ° C / sec or more and 5000 ° C / sec or less , the crystal grain size of the obtained alloy becomes extremely small, resulting in a rapidly solidified structure having fine crystal grains of 50μm or less. . Normally, diffusion of atoms in an intermetallic compound is dominated by grain boundary diffusion as compared with intragranular diffusion. Lithium ions also follow this, and grain boundary diffusion is performed at the center, so the diffusion rate increases as the crystal grain size decreases, and when this is applied as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery,
The rate characteristics are improved.

【0015】ここに、本発明の要旨とするところは、次
の通りである。 (1)化学式:ABx で表される合金を、溶融状態から100
℃/sec以上5000℃/sec以下の冷却速度で急冷・凝固を行
い、平均結晶粒径を50μm以下とするリチウムイオン2
次電池用負極材料の製造方法。ただし、Aは、Fe、Mn、
Co、Mo、Cr、Nb、V、Cu、およびWから成る群から選ん
だ1種または2種以上の元素、Bは、SiまたはSiの一部
、C、Ge、Sn、Pb、Al、およびPから成る群から選ん
だ1種または2種以上の元素で置換したもの、そして
0.5≦X≦3である。
Here, the gist of the present invention is as follows. (1) The alloy represented by the chemical formula: AB x
Rapid cooling and solidification at a cooling rate of
Lithium ion 2 with an average crystal grain size of 50 μm or less
Method for producing negative electrode material for secondary battery. Where A is Fe , Mn,
One or more elements selected from the group consisting of Co, Mo, Cr, Nb, V, Cu, and W, B is Si or a part of Si
The, C, Ge, Sn, Pb , those that have been substituted Al, and at least one element chosen from the group consisting of P, and
0.5 ≦ X ≦ 3.

【0016】(2)前記急冷・凝固後熱処理を施す請求項
1記載のリチウムイオン2次電池用負極材料の製造方
法。
(2) A heat treatment is performed after the quenching / solidification.
1. Method for producing negative electrode material for lithium ion secondary battery according to 1
Law.

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【0020】[0020]

【0021】かくして、本発明によれば、放電容量と1
サイクル目のクーロン効率とは従来同様であるが、レー
ト特性が向上したリチウムイオン2次電池用負極材料を
得ることができる。
Thus, according to the present invention, the discharge capacity and 1
Although the coulomb efficiency at the cycle is the same as the conventional one, a negative electrode material for a lithium ion secondary battery having improved rate characteristics can be obtained.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明についてさらに詳し
く説明する。まず、本発明の合金を上記のように限定し
た理由について記す。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail. First, the reason for limiting the alloy of the present invention as described above will be described.

【0023】本発明で利用する合金は、化学式:AB x
記される結晶質の化合物である。ここに、AサイトがF
e、Mn、Co、Mo、Cr、Nb、V、Cu、Wの1種または2種
以上の元素、BサイトがSiであるものを基本とする。さ
らに、上記珪化物のSiサイトを、C、Ge、Sn、Pb、Al、
Pの1種または2種以上で一部置換した化合物であって
もよい。
The alloys utilized in the present invention has the formula: A compound of crystalline denoted by AB x. Here, site A is F
One or more elements of e , Mn , Co, Mo, Cr, Nb, V, Cu and W, and the element whose B site is Si are basically used. Further, the Si site of the silicide is changed to C, Ge, Sn, Pb, Al,
It may be a compound partially substituted with one or more kinds of P.

【0024】前述のように、上記珪化物はリチウムイオ
ンを収納するサイトを持ち、負極材料として動作しうる
化合物である。このとき、ABx のX値は 0.5≦X≦3と
する。Xが0.5 未満または3より大きい場合、リチウム
イオン電池用の負極材料として利用したときLiイオンの
収納するサイトが少なくなり放電容量が小さくなる。こ
の傾向はAサイトを占める元素がFe、Mn、Co、Mo、Cr、
Nb、V、Cu、またはWの単体、または上記元素からなる
置換型固溶体であっても同様である。
As described above, the silicide is a compound having a site for storing lithium ions and capable of operating as a negative electrode material. At this time, the X value of AB x is set to 0.5 ≦ X ≦ 3. When X is less than 0.5 or greater than 3, when used as a negative electrode material for a lithium ion battery, the number of sites for storing Li ions is reduced and the discharge capacity is reduced. The tendency is that the elements occupying the A site are Fe , Mn, Co, Mo, Cr,
The same applies to Nb, V, Cu, or W alone or a substitutional solid solution composed of the above elements.

【0025】また、Bサイトを占める元素がSiまたはS
i、C、Ge、Sn、Pb、Al、Pの置換型固溶体であっても
この傾向は同様である。これら元素が置換型の固溶体を
成すとき、その組成比は特に限定しないが、Bサイトの
Si、C、Ge、Sn、Pb、Al、Pの割合はこれらをMとする
と、Si:M=1:0.2 〜1:0が好ましい。
The element occupying the B site is Si or S
This tendency is the same for the substitutional solid solutions of i, C, Ge, Sn, Pb, Al, and P. When these elements form a substitution-type solid solution, the composition ratio thereof is not particularly limited.
The ratio of Si, C, Ge, Sn, Pb, Al, and P is preferably M, where Si: M = 1: 0.2 to 1: 0.

【0026】このように、本発明にかかるABX 化合物組
成は、次の通りである。 化学式: ABx ただし、Aは、Fe、Mn、Co、Mo、Cr、Nb、V、Cu、およ
びWから成る群から選んだ1種または2種以上の元素、
Bは、SiまたはSiの一部を、C、Ge、Sn、Pb、Al、およ
びPから成る群から選んだ1種または2種以上の元素
置換したもの、そして0.5 ≦X≦3である。
[0026] Thus, AB X compounds according to the present invention the composition is as follows. Chemical formula: AB x wherein A is one or more elements selected from the group consisting of Fe , Mn, Co, Mo, Cr, Nb, V, Cu, and W;
B is a portion of Si or Si, C, Ge, Sn, Pb, Al, and selected from the group consisting of P 1 kind or at least two elements
Substituted , and 0.5 ≦ X ≦ 3.

【0027】[0027]

【0028】本発明によれば、上記ABx 化合物から成る
負極材料は急冷凝固組織、さらに要すれば熱処理済みの
組織を有するものとして利用されるが、これは微細組織
とすることでLiイオンの拡散速度を大きくするためであ
る。さらに結晶粒径が50μm以下の組織である。
According to the present onset bright, negative electrode material consisting of the AB x compounds rapidly solidified structure, but is used as having a further if necessary thermally treated tissues, Li ions by the microstructure This is to increase the diffusion speed of the. Further , the structure has a crystal grain size of 50 μm or less.

【0029】次に、本発明にかかるリチウムイオン2次
電池用負極材料の製造方法について説明する。本発明に
かかるリチウムイオン2次電池用負極金属材料は、ま
ず、各合金構成元素の適当な供給源を溶解炉の中などで
実質的に同時に溶解した後、融液状態から100 ℃/sec以
上の冷却速度での急冷・凝固を行うことで製造される。
Next, a method for producing a negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention will be described. The negative electrode metal material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is obtained by first melting an appropriate supply source of each alloying element substantially simultaneously in a melting furnace or the like, and then changing the melted state to 100 ° C./sec or more. It is manufactured by quenching and solidifying at a cooling rate of.

【0030】このときの溶解は、不活性ガス中または真
空中で、アーク溶解、プラズマ溶解、高周波誘導加熱、
抵抗加熱といった適当な方法により行うことができる。
冷却速度100 ℃/sec以上の急冷・凝固は、例えばガスア
トマイズ法、油アトマイズ法、水アトマイズ法、回転電
法、回転ドラム上への鋳込み、水冷などで急冷凝固の
効果をもたらす鋳型への鋳込みなど適宜手段で行うこと
ができる。100℃/sec以上、5000℃/sec以下の冷却速度
を実現できる方法であれば特に制限はない。
The melting at this time is performed by arc melting, plasma melting, high frequency induction heating, in an inert gas or in a vacuum.
It can be performed by an appropriate method such as resistance heating.
Rapid cooling and solidification at a cooling rate of 100 ° C / sec or more include, for example, gas atomizing, oil atomizing, water atomizing, rotating electrode methods, casting on a rotating drum, casting into a mold that provides the effect of rapid solidification by water cooling, etc. It can be performed by appropriate means. There is no particular limitation as long as a cooling rate of 100 ° C./sec or more and 5000 ° C./sec or less can be realized.

【0031】融液からの急冷・凝固時の冷却速度が100
℃/sec未満の時、平均結晶粒径50μmを超えると結晶粒
径が大きくなり、リチウムイオンの拡散速度が小さくな
り、結果として、本発明が目的とするレート特性の優れ
たリチウムイオン2次電池用材料を得ることが困難にな
る。凝固時の冷却速度は、好ましくは1×103 ℃/sec以
上である。
The cooling rate during quenching and solidification from the melt is 100
If the average crystal grain size is less than 50 ° C./sec, the crystal grain size becomes large when the average crystal grain size exceeds 50 μm, and the diffusion rate of lithium ions becomes small. It becomes difficult to obtain materials for use. The cooling rate at the time of solidification is preferably 1 × 10 3 ° C./sec or more.

【0032】本発明のリチウムイオン2次電池用負極金
属間化合物材料は、上記のように急冷凝固によって製造
するため、急冷による歪みが発生することがある。この
ため結晶格子が歪んだ状態になり、格子間でリチウムが
収納されるサイトにも歪みが存在することになり十分に
リチウムが吸蔵できず所定の充電容量が得られないこと
がある。この格子歪みは不活性ガス中または真空中にお
ける熱処理 (歪みとり焼鈍) により除去できる。
Since the negative electrode intermetallic compound material for a lithium ion secondary battery of the present invention is produced by rapid solidification as described above, distortion due to rapid cooling may occur. As a result, the crystal lattice is in a distorted state, and there is also a distortion at the site where lithium is stored between the lattices, so that lithium cannot be occluded sufficiently and a predetermined charge capacity may not be obtained. This lattice strain can be removed by heat treatment (strain relief annealing) in an inert gas or vacuum.

【0033】かかる熱処理は、金属間化合物の固相線未
満の温度で加熱することで行うことができる。この温度
以上では、急冷を行った金属間化合物が溶解した後、徐
冷されてしまい急冷効果が得られなくなる。この温度は
合金組成によって異なるが、DTAなどの熱分析装置を
用いて簡単に求めることができる。歪みを開放するため
の温度は500 ℃以上が実用的な状態では必要であること
を考えると、これらの熱処理温度の好ましい温度は500
℃〜固相線温度である。また時間は長ければ長い程良い
が、経済的な面から考えて好ましくは4〜10時間であ
る。本発明のリチウムイオン2次電池用負極金属間化合
物材料からの負極の製造は、当業者に周知の方法で行う
ことができる。
This heat treatment can be performed by heating at a temperature lower than the solidus of the intermetallic compound. Above this temperature, the quenched intermetallic compound is melted and then slowly cooled, and the quenching effect cannot be obtained. This temperature varies depending on the alloy composition, but can be easily obtained using a thermal analyzer such as DTA. Considering that a temperature of 500 ° C. or higher is necessary in a practical state for releasing strain, a preferable temperature for these heat treatments is 500 ° C.
° C to the solidus temperature. The longer the time, the better, but preferably 4 to 10 hours from the economical point of view. The production of the negative electrode from the negative electrode intermetallic compound material for a lithium ion secondary battery of the present invention can be performed by a method well known to those skilled in the art.

【0034】例えば、本発明の金属間化合物を必要であ
れば不活性雰囲気中で粉砕して粉末化し、得られた粉末
をPVDF、PMMA、PTFEなどのバインダーと混
合し、NMP、DMFなどでバインダーを溶解した後、
必要であればホモジナイザー、ガラスビーズなどを用い
て十分に攪拌しペースト状とする。このペーストを表面
を電解した銅箔などの支持体に塗布し、乾燥した後、プ
レスを施すことにより負極を製造することができる。
For example, if necessary, the intermetallic compound of the present invention is pulverized in an inert atmosphere to obtain a powder, and the obtained powder is mixed with a binder such as PVDF, PMMA, or PTFE, and then mixed with a binder such as NMP or DMF. After dissolving
If necessary, the mixture is sufficiently stirred using a homogenizer, glass beads or the like to form a paste. This paste is applied to a support such as a copper foil having an electrolyzed surface, dried, and then pressed to produce a negative electrode.

【0035】混合するバインダーの重量比は負極の機械
的強度や電極特性の観点から5〜10重量%程度が好まし
い。また、支持体も特に銅箔に限定されるものではな
く、銅、ステンレス、ニッケルなどの薄箔やネット状の
シート、パンチングプレートなど、いずれであっても良
い。
The weight ratio of the binder to be mixed is preferably about 5 to 10% by weight from the viewpoint of the mechanical strength of the negative electrode and the electrode characteristics. Further, the support is not particularly limited to a copper foil, and may be any of a thin foil of copper, stainless steel, nickel, or the like, a net-shaped sheet, a punching plate, and the like.

【0036】このような負極の製造に際して、粉末の最
大粒径は電極の厚みを支配することになる。電極の厚み
は薄いほど良く、電池中に含まれる電池活物質の総面積
を大きくすることができる。これより粉末は100 μm以
下であることが好ましい。また粉末が細かいと反応面積
が増加しレート特性に寄与できるが、一方細かすぎると
酸化などで粉末表面の性状が変化し、リチウムイオンが
侵入しにくくなり従ってレート特性、充放電効率等に悪
影響を及ぼす。従って、好ましい粉末の粒径は5〜100
μm、より好ましくは10〜50μmである。
In producing such a negative electrode, the maximum particle size of the powder determines the thickness of the electrode. The thinner the electrode, the better, and the total area of the battery active material contained in the battery can be increased. Thus, the powder is preferably 100 μm or less. If the powder is too fine, the reaction area increases and it can contribute to the rate characteristics.On the other hand, if the powder is too fine, the properties of the powder surface change due to oxidation and the like, making it difficult for lithium ions to penetrate. Exert. Therefore, the preferred powder particle size is 5-100
μm, more preferably 10 to 50 μm.

【0037】本発明の金属間化合物はリチウムイオン2
次電池用負極に使用されるものであり、そのリチウムイ
オン2次電池の形状などに特に制限はなく、巻き電池
式、角形をはじめ、コイン型、シート型の電池でも構わ
ず、基本構造として負極、正極、セパレータ、電解液、
電解質を含むような構成の電池であれば問題なく使用で
きる。
The intermetallic compound of the present invention is lithium ion 2
It is used as a negative electrode for a secondary battery. The shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and may be a wound battery type, a square type, a coin type, a sheet type, and the like. , Positive electrode, separator, electrolyte,
A battery having a configuration including an electrolyte can be used without any problem.

【0038】ところで、本発明にかかる金属間化合物
は、正極活物質と有機溶媒系電解質と適宜に組み合わせ
て用いることができるが、これらの有機溶媒系電解質や
正極活物質は、リチウム2次電池に通常用いることので
きるものであれば、特にこれを制限するものではない。
Incidentally, the intermetallic compound according to the present invention can be used in an appropriate combination with a positive electrode active material and an organic solvent-based electrolyte. However, these organic solvent-based electrolytes and positive electrode active materials are used in lithium secondary batteries. This is not particularly limited as long as it can be normally used.

【0039】正極活物質としては、例えば、リチウム含
有遷移金属酸化物LiM(1)1-X M(2)XO2 (式中0 Xは0≦
X≦1の範囲の数値であり、式中M(1)、M(2)は遷移金属
を表しを表し、Ba、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、
Al、In、Sn、Sc、Yの少なくとも1種からなる) 、ある
いは LiM(1)2y M(2)y O4 (式中、Yは0≦Y≦1の範囲
の数値であり、式中M(1)、M(2)は遷移金属を表しBa、C
o、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、Sn、Sc、Y
の少なくとも1種からなる) 、遷移金属カルコゲン化
物、バナジウム酸化物 (V2O5、V6O13 、V2O4、V3O8、et
c.) およびそのLi化合物、ニオブ酸化物およびそのLi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、あるいは活性炭、活性炭素繊維等を用い
ることができる。
As the positive electrode active material, for example, a lithium-containing transition metal oxide LiM (1) 1-X M (2) X O 2 (where 0 X is 0 ≦
X is a numerical value in the range of 1 or less, wherein M (1) and M (2) represent transition metals, and Ba, Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn,
Al, In, Sn, Sc, at least one of Y) or LiM (1) 2y M (2) y O 4 (where Y is a numerical value in the range of 0 ≦ Y ≦ 1; M (1) and M (2) represent transition metals Ba, C
o, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al, In, Sn, Sc, Y
, Transition metal chalcogenides, vanadium oxides (V 2 O 5 , V 6 O 13 , V 2 O 4 , V 3 O 8 , et
c.) and its Li compound, niobium oxide and its Li compound, a conjugated polymer using an organic conductive substance, a Chevrel phase compound, or activated carbon or activated carbon fiber.

【0040】正極の作製も当業者に周知の方法で行うこ
とができる。負極と同じくPVDF、PTFEなどのバ
インダーを使用するが、正極物質は導電性を持たないた
め、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどの導
電性を持つものと混合、その後NMPなどの溶媒を投入
してペースト状にする。それをドクターブレード法、ロ
ール成型法などによりアルミ箔などの電極活物質の支持
体に接着し、プレスをすることで電極とすることができ
る。
The preparation of the positive electrode can be performed by a method well known to those skilled in the art. As with the negative electrode, a binder such as PVDF or PTFE is used, but since the positive electrode material does not have conductivity, it is mixed with a conductive material such as acetylene black or Ketjen black, and then a solvent such as NMP is added to paste. Shape. It is bonded to a support of an electrode active material such as an aluminum foil by a doctor blade method, a roll molding method, or the like, and pressed to form an electrode.

【0041】有機溶媒系電解質における有機溶媒として
は、特に制限されるものではないが、例えば、プロピレ
ンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチル
カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボ
ネート、メチルプロピネート、メチルアセテート、メチ
ルホルメート、1,2 −ジメトキシエタン、1,2 −ジエト
キシエタン、γ−ブチルラクタム、1,3 −ジオキソラ
ン、4−メチル−1,3 −ジオキソラン、アニソール、N,
N −ジホルムアミド、ジエチルエーテル、スルホラン、
メチルスルホラン、アセトニトリル、クロロニトリル、
プロピオニトリル、ホウ酸トリメチル、ケイ酸テトラメ
チル、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、N−メチ
ルピロリドン、酢酸エチル、酢酸メチル、蟻酸メチル、
トリメチルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベ
ンゾイル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、
テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、
ジメチルスルホキシド、エチレングリコール、チオフェ
ン、ピロール等の芳香環を含む化合物等の単独もしくは
2種類以上の混合溶媒が使用できる。
The organic solvent in the organic solvent-based electrolyte is not particularly limited. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propionate, methyl acetate, methyl formate , 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyllactam, 1,3-dioxolan, 4-methyl-1,3-dioxolan, anisole, N,
N-diformamide, diethyl ether, sulfolane,
Methylsulfolane, acetonitrile, chloronitrile,
Propionitrile, trimethyl borate, tetramethyl silicate, nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, methyl acetate, methyl formate,
Trimethyl orthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene,
Tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran,
A single solvent or a mixed solvent of two or more compounds such as a compound containing an aromatic ring such as dimethyl sulfoxide, ethylene glycol, thiophene and pyrrole can be used.

【0042】電解質としては従来より公知のものはいず
れも使用することができ、例えばLiClO4、LiBF4 、LiPF
6 、LiAsF6、LiB(C6H5) 、LiCF3SO3、LiCH3SO3、Li(CF3
SO2)2N、LiC4F9SO3 、Li(CF2SO2)2 、LiCl、LiBr、LiI
等のリチウム塩のうち一種または二種以上の混合物を使
用することができる。
As the electrolyte, any of those conventionally known can be used, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF
6, LiAsF 6, LiB (C 6 H 5), LiCF 3 SO 3, LiCH 3 SO 3, Li (CF 3
SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , Li (CF 2 SO 2 ) 2 , LiCl, LiBr, LiI
One or a mixture of two or more of these lithium salts can be used.

【0043】一方、セパレーターは上記の正極・負極の
間に設置した絶縁体としての役割を果たす。その他、電
解液の保持にも大きく寄与するので、ポリプロピレン、
ポリエチレン、またはその両者の混合布、ガラスフィル
ターなどの多孔体が使用される。
On the other hand, the separator plays a role as an insulator provided between the positive electrode and the negative electrode. In addition, since it greatly contributes to the retention of the electrolyte, polypropylene,
A porous material such as polyethylene, a mixed cloth of both, or a glass filter is used.

【0044】[0044]

【実施例】次に、本発明の具体的作用効果を実施例をも
って示す。以下、特に記さない限り%は重量%を表す。
EXAMPLES Next, specific working effects of the present invention will be described with reference to examples. Hereinafter, unless otherwise specified,% means% by weight.

【0045】実施例1 まず、本発明に含まれる組成の合金と比較例として数種
の合金の作製を行った。その合金の組成、試料作製法を
表1および表2に示す。アトマイズ法による試料調整は
ガスアトマイズ法(冷却速度、約 5.0×103 ℃/sec)を
用いて合金を所定の成分に作製した後、歪み取りのため
の熱処理は行わずに、得られた粉末を45〜15μmにふる
いを用いて分級した。
Example 1 First, an alloy having a composition included in the present invention and several alloys were produced as comparative examples. Tables 1 and 2 show the composition of the alloy and the sample preparation method. Sample preparation by the atomization method is as follows. After preparing an alloy into a predetermined component using the gas atomization method (cooling rate, about 5.0 × 10 3 ° C / sec), heat-treating for removing strain is performed, and the obtained powder is removed. Classification was performed using a sieve at 45 to 15 μm.

【0046】充放電試験・レート特性試験 (充電・放電
容量の調査) このようにして調整したリチウムイオン2次電池用金属
粉末にバインダーとしてポリフッ化ビニリデンを10%添
加し、N−メチルピロリドンを黒鉛質粉末に対して10%
添加することで前述のポリフッ化ビニリデンを溶解し
た。これを15分間ほど混練し、実質的に均一なスラリー
を作製した。これを30μmの厚さを持つ電解銅箔にドク
ターブレード法で塗り付け、直径13mmの大きさにポン
チを使用して打ち抜くことで負極電極を得た。
Charge / discharge test / rate characteristic test (investigation of charge / discharge capacity) 10% of polyvinylidene fluoride as a binder was added to the thus-prepared metal powder for a lithium ion secondary battery, and N-methylpyrrolidone was graphite. 10% for powder
By adding, the above-mentioned polyvinylidene fluoride was dissolved. This was kneaded for about 15 minutes to produce a substantially uniform slurry. This was applied to an electrolytic copper foil having a thickness of 30 μm by a doctor blade method, and punched out using a punch to a size of 13 mm to obtain a negative electrode.

【0047】次に、上記電極の単極での電極特性を評価
するために、対極、参照極にリチウム金属を用いた通称
三極式セルを用いた。ルギン管と負極の距離は1mm以
内とし、電流密度特性 (レート特性) の測定時に影響が
でないように考慮した。電解液はエチレンカーボネート
とジメチルエタンの1:1混合溶媒を用い、支持電解質
にはLiPF6(リチウム六フッ化リン) を用い、電解液に対
して1モル溶解した。測定は25℃で行い、グローブボッ
クスのような雰囲気を不活性雰囲気で維持でき、その雰
囲気の露点が−70℃程度であるような条件で行った。
Next, in order to evaluate the electrode characteristics of a single electrode of the above electrode, a so-called triode cell using lithium metal for the counter electrode and the reference electrode was used. The distance between the lugine tube and the negative electrode was set to within 1 mm, and the current density characteristics (rate characteristics) were taken into consideration so as not to affect the measurement. A 1: 1 mixed solvent of ethylene carbonate and dimethylethane was used as an electrolyte, and LiPF 6 (lithium phosphorus hexafluoride) was used as a supporting electrolyte, and 1 mol was dissolved in the electrolyte. The measurement was performed at 25 ° C., and an atmosphere such as a glove box was maintained in an inert atmosphere, and the dew point of the atmosphere was about −70 ° C.

【0048】<充電容量・放電容量測定>上記の三極式
セルを用い、リチウム二次電池用負極材料としての性能
評価を行った。まず、1/10C充電で (10時間で満充電に
なるような条件) 、参照極に対して作用極 (負極) の電
位が0Vになるまで充電を行い、同じ電流値で (1/10C
で) 放電を1.5 Vまで行った。このときの1サイクル目
の充電容量を初期容量値として評価した。この評価で得
られた放電容量が800 mAh/cc (cc:負極体積) 以上を合
格とした。なお、電池の小型化ニーズに鑑み充・放電容
量はmAh/ccで示した。
<Measurement of Charge Capacity / Discharge Capacity> Using the above-mentioned three-electrode cell, the performance as a negative electrode material for a lithium secondary battery was evaluated. First, at 1/10 C charge (conditions for full charge in 10 hours), charge the reference electrode until the potential of the working electrode (negative electrode) becomes 0 V, and charge at the same current value (1/10 C
The discharge was performed up to 1.5 V. The charge capacity in the first cycle at this time was evaluated as an initial capacity value. A discharge capacity of 800 mAh / cc (cc: negative electrode volume) or more obtained in this evaluation was regarded as a pass. The charge / discharge capacity is shown in mAh / cc in view of the need for battery miniaturization.

【0049】<クーロン効率 (充放電効率) 試験>上記
の充電・放電容量で1サイクル目の値を用いて、クーロ
ン効率を求めた。 クーロン効率=放電容量/充電容量×100 (%) これよりクーロン効率90%以上を合格とした。
<Coulomb Efficiency (Charge / Discharge Efficiency) Test> Coulomb efficiency was determined using the value of the first cycle of the above charge / discharge capacity. Coulomb efficiency = discharge capacity / charge capacity × 100 (%) From this, a coulomb efficiency of 90% or more was judged to be acceptable.

【0050】<レート特性試験>2Cで(0.5時間で満充
電になるような条件) 参照極に対して作用極 (負極) の
電位が0Vになるまで充電を行い、同じ電流値で (1/10
Cで) 放電を行った。レート特性が優れている場合は、
このときの放電容量が、1/10のときと大きく変化しな
い。今回、従来の金属間化合物( 例:FeSi2) のそれと比
較して、 放電容量 (2C) /放電容量 (1/10C) ×100 (%) が90%以上を従来例より改善が見られるとして合格とし
た。
<Rate Characteristic Test> At 2C (conditions under which the battery is fully charged in 0.5 hours), the reference electrode is charged until the potential of the working electrode (negative electrode) becomes 0 V, and (1 / Ten
(At C). If the rate characteristics are excellent,
The discharge capacity at this time does not largely change from that at 1/10. In this study, the discharge capacity (2C) / discharge capacity (1 / 10C) x 100 (%) is 90% or more compared to that of the conventional intermetallic compound (eg, FeSi 2 ). Passed.

【0051】以上の試験結果を表1に示す。確かに、化
学式、ABx で表される化合物で、AがFe、Mn、Co、Mo、
Cr、Nb、V、Cu、およびWから成る群から選ばれた1種
または2種以上の元素と、BはSiを必須元素とし、Si、
C、Ge、Sn、Pb、Al、およびPから成る群から選ばれた
1種または2種以上の元素で構成されるもののうち、0.
5 ≦X≦3であるような金属間化合物で、溶融状態から
100 ℃/sec以上、5000℃/sec以下の冷却速度で凝固さ
れ、さらに熱処理を施したものは放電容量が大きく、レ
ート特性に優れていることが分かる。
Table 1 shows the test results. Indeed, formula, a compound represented by AB x, A is Fe, Mn, Co, Mo,
One or more elements selected from the group consisting of Cr, Nb, V, Cu, and W, and B has Si as an essential element, and Si,
Of those composed of one or more elements selected from the group consisting of C, Ge, Sn, Pb, Al, and P, 0.1.
An intermetallic compound such that 5 ≤ X ≤ 3, from the molten state
It can be seen that those solidified at a cooling rate of 100 ° C./sec or more and 5000 ° C./sec or less and further subjected to heat treatment have a large discharge capacity and excellent rate characteristics.

【0052】[0052]

【表1】 [Table 1]

【0053】[0053]

【0054】実施例2 本例では、熱処理の有無による影響を見るために実施例
1を繰り返した。転電極法で得られた粉末もしくはリ
ボン状インゴットは、衝撃粉砕で粉砕を行った後、得ら
れた粉末を45〜15μmで分級した。比較例として通常溶
解法を行った。Al−4%Cu合金を鋳造することで得られ
たインゴットのデンドライトの2次アーム間の距離を測
り、30℃/secの冷却速度をもつと推測される鋳型を使用
して、溶湯状態からこの鋳型に流し込むことによりイン
ゴットを作製、上記インゴットと同様に粉砕分級を行っ
た。
[0054] Example 2 In this Example, Example 1 was repeated in order to see the influence of the presence or absence of heat treatment. Powder or ribbon ingot obtained by rotating electrode method, after pulverized by impact grinding, the resulting powder was classified with a 45~15Myuemu. As a comparative example, a normal dissolution method was performed. Measure the distance between the secondary arms of the ingot dendrite obtained by casting the Al-4% Cu alloy, and use a mold that is assumed to have a cooling rate of 30 ° C / sec. An ingot was prepared by pouring into a mold, and pulverized and classified in the same manner as in the ingot.

【0055】熱処理は、950 ℃×10時間のArガス雰囲気
下での加熱処理によって行った。結果は表にまとめて
示すが、これらも分かるように本発明によれば従来の金
属間化合物の場合と同等あるいはそれ以上の結果が得ら
れた。
The heat treatment was performed by heating at 950 ° C. × 10 hours in an Ar gas atmosphere. The results are summarized in Table 2, and as can be seen, according to the present invention, results equivalent to or better than those of the conventional intermetallic compound were obtained.

【0056】[0056]

【表2】 [Table 2]

【0057】[0057]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかるリチウムイオン2次電池用金属材料を用いれ
ば、放電容量およびクーロン効率の性能が維持でき、さ
らにレート特性に優れているリチウムイオン2次電池を
得ることができる。従って、Ni−水素電池、Ni−Cd電池
の長所を持ち合わせたリチウムイオン2次電池を得るこ
とができる。
As is apparent from the above description, when the metal material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is used, the performance of discharge capacity and Coulomb efficiency can be maintained, and the lithium ion having excellent rate characteristics can be maintained. A secondary battery can be obtained. Therefore, a lithium ion secondary battery having the advantages of a Ni-hydrogen battery and a Ni-Cd battery can be obtained.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿佐部 和孝 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友 金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−294112(JP,A) 特開 平10−223221(JP,A) 特開 平10−125317(JP,A) 特開 平10−162823(JP,A) 特開 平7−130358(JP,A) 特開 平7−249410(JP,A) 特開 平8−153538(JP,A) 特開 平8−153517(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/04 H01M 4/02 H01M 4/58 H01M 10/40 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Kazutaka Asabe 4-5-33 Kitahama, Chuo-ku, Osaka City Sumitomo Metal Industries, Ltd. (56) References JP-A-10-294112 (JP, A) JP 10-223221 (JP, A) JP 10-125317 (JP, A) JP 10-162823 (JP, A) JP 7-130358 (JP, A) JP 7-249410 (JP JP-A 8-153538 (JP, A) JP-A 8-153517 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 4/04 H01M 4/02 H01M 4/58 H01M 10/40

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 化学式:ABx で表される合金を、溶融状
態から100 ℃/sec以上5000℃/sec以下の冷却速度で急冷
・凝固を行い、平均結晶粒径を50μm以下とするリチウ
ムイオン2次電池用負極材料の製造方法。ただし、A
は、Fe、Mn、Co、Mo、Cr、Nb、V、Cu、およびWから成
る群から選んだ1種または2種以上の元素、Bは、Siま
たはSiの一部を、C、Ge、Sn、Pb、Al、およびPから成
る群から選んだ1種または2種以上の元素で置換したも
の、そして 0.5≦X≦3である。
1. An alloy represented by the chemical formula: AB x is rapidly cooled and solidified from a molten state at a cooling rate of 100 ° C./sec or more and 5000 ° C./sec or less, and lithium ions having an average crystal grain size of 50 μm or less are obtained. A method for producing a negative electrode material for a secondary battery. However, A
Is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Mn, Co, Mo, Cr, Nb, V, Cu, and W, B is Si or a part of Si, C, Ge, Substituted with one or more elements selected from the group consisting of Sn, Pb, Al, and P, and 0.5 ≦ X ≦ 3.
【請求項2】 前記急冷・凝固後熱処理を施す請求項1
記載のリチウムイオン2次電池用負極材料の製造方法。
2. A heat treatment after the quenching and solidification.
The method for producing a negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to the above.
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