JP6961981B2 - Composite active material for lithium secondary battery and its manufacturing method - Google Patents

Composite active material for lithium secondary battery and its manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、リチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a composite active material for a lithium secondary battery and a method for producing the same.

電子材料の小型軽量化、および、HEVまたはEVの開発の進展に伴い、大容量、高速充放電特性、良好なサイクル特性、かつ安全性に優れた電池の開発の要望は益々増大している。なかでも、リチウムイオン二次電池(リチウム二次電池)が最も有望な電池として注目されている。 With the miniaturization and weight reduction of electronic materials and the progress of development of HEVs or EVs, there is an increasing demand for the development of batteries having a large capacity, high-speed charge / discharge characteristics, good cycle characteristics, and excellent safety. Among them, lithium ion secondary batteries (lithium secondary batteries) are attracting attention as the most promising batteries.

しかしながら、優れた性能を示すリチウム二次電池が開発される前提として、各種性能に優れた負極材料、正極材料、電解液、セパレータ、または集電体などが開発され、且つ、それらの特性を十分に生した電池設計がなされなくてはならない。 However, as a prerequisite for the development of a lithium secondary battery exhibiting excellent performance, a negative electrode material, a positive electrode material, an electrolytic solution, a separator, a current collector, etc. having excellent various performances have been developed, and their characteristics are sufficiently exhibited. The battery design must be made.

なかでも、負極材料は基本的な電池特性を決定するものであるため、充放電容量などの特性がより優れる材料の開発が活発に行われている。例えば、特許文献1では、大充放電容量、高速充放電特性、および良好なサイクル特性を併せ持ったリチウム二次電池の作製が可能なリチウム二次電池用複合活物質、並びに、その製造方法が開示されている。同様に金属元素を添加することで、高い充放電容量を有しながら、タールピッチ由来の炭素質を含ませたリチウム二次電池用複合活物質が開示されている(例えば特許文献2参照)。 Among them, since the negative electrode material determines the basic battery characteristics, the development of materials having more excellent characteristics such as charge / discharge capacity is being actively carried out. For example, Patent Document 1 discloses a composite active material for a lithium secondary battery capable of producing a lithium secondary battery having a large charge / discharge capacity, high-speed charge / discharge characteristics, and good cycle characteristics, and a method for producing the same. Has been done. Similarly, by adding a metal element, a composite active material for a lithium secondary battery containing a carbon substance derived from tar pitch while having a high charge / discharge capacity is disclosed (see, for example, Patent Document 2).

しかし、金属元素を添加したリチウム二次電池用複合活物質は、初回の充放電容量などの特性が優れるが、充放電を繰り返すことによりサイクル寿命が低下し易い問題があった。 However, although the composite active material for a lithium secondary battery to which a metal element is added has excellent characteristics such as initial charge / discharge capacity, there is a problem that the cycle life tends to be shortened by repeating charging / discharging.

近年、電池材料に対する要求特性が非常に高まってきており、サイクル特性に対する要求水準もより一層高まっている。本発明者らは、上述した特許文献1に記載の製造方法に従って、リチウムイオンと化合可能な電池活物質としてシリコンを含むリチウム二次電池用複合活物質を製造して、得られたリチウム二次電池用複合活物質を含む電極材料(例えば、負極材料)のサイクル特性について評価を行ったところ、従来の要求レベルは満たすものの、昨今のより高い要求レベルを満たしておらず、更なる改良が必要であった。 In recent years, the required characteristics for battery materials have become extremely high, and the required levels for cycle characteristics have also increased. The present inventors produced a composite active material for a lithium secondary battery containing silicon as a battery active material capable of combining with lithium ions according to the production method described in Patent Document 1 described above, and obtained the lithium secondary. When the cycle characteristics of electrode materials (for example, negative electrode materials) containing composite active materials for batteries were evaluated, they met the conventional required level, but did not meet the higher required level these days, and further improvement is required. Met.

そのため、ソフトカーボンを含ませた複合活物質により、充放電サイクル寿命を改善した複合活物質も開示されている(例えば特許文献3参照)。電池特性の1つとして、「n回目放電容量(Li脱離量)/n回目充電容量(Li挿入量)」と定義されるクーロン効率がある。このクーロン効率を改善する事で高いレベルのサイクル寿命を維持できると考えられることから、クーロン効率の向上が求められているが、上述した特許文献3にはクーロン効率が記載されていない。 Therefore, a composite active material containing soft carbon to improve the charge / discharge cycle life is also disclosed (see, for example, Patent Document 3). One of the battery characteristics is the Coulomb efficiency defined as "nth discharge capacity (Li desorption amount) / nth charge capacity (Li insertion amount)". Since it is considered that a high level of cycle life can be maintained by improving the coulomb efficiency, it is required to improve the coulomb efficiency, but the above-mentioned Patent Document 3 does not describe the coulomb efficiency.

特許第5227483号公報Japanese Patent No. 5227483 特許第3289231号公報Japanese Patent No. 3289231 特許第4281099号公報Japanese Patent No. 4281099

本発明は、上記実情に鑑みて、高いクーロン効率を持つ電極材料の作製が可能で、かつ、優れたサイクル特性を示すリチウム二次電池の作製が可能なリチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above circumstances, the present invention is a composite active material for a lithium secondary battery capable of producing an electrode material having high Coulomb efficiency and capable of producing a lithium secondary battery exhibiting excellent cycle characteristics, and a composite active material thereof. The subject is to provide a manufacturing method.

本発明者らは、従来技術について鋭意検討を行った結果、以下の構成によって上記課題を解決できることを見出した。
(1)二次電池複合活物質において、該活物質を大気雰囲気下で昇温速度5℃/minで昇温した時の熱分解開始温度が530℃以上であり、平均細孔径10〜40nm、開気孔体積0.06cm/g以下であることを特徴とするリチウム二次電池用複合活物質。
(2)前記活物質において、大気雰囲気下で1000℃までの昇温時における前記活物質の熱分解反応が発熱反応であり、且つその時の最大重量減少が50%以上であることを特徴とする(1)に記載のリチウム二次電池用複合活物質。
(3)前記活物質の熱分解反応において発熱ピークの温度差が150℃以下であることを特徴とする(1)または(2)に記載のリチウム二次電池用複合活物質。
(4)前記活物質のD50が1〜40μm、BET法によるBET比表面積が0.5〜20m/gであることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のリチウム二次電池用複合活物質。
(5)前記活物質のラマン分光における結晶性炭素由来のGバンドとアモルファス炭素由来のDバンドとの比率であるD/Gが1.0以上であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のリチウム二次電池用複合活物質。
(6)SiまたはSi合金、炭素前駆体、必要に応じて黒鉛成分を混合する工程と、造粒・圧密化する工程と、混合物を粉砕および球形化処理して略球状の複合粒子を形成する工程と、該複合粒子を不活性雰囲気中で焼成する工程と炭素前駆体と該複合粒子もしくは焼成粒子とを混合する工程及びその混合物を不活性ガス雰囲気中で加熱することで炭素被覆した焼成粉もしくは炭素被覆した複合粒子を得る工程を含むことを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のリチウム二次電池用複合活物質の製造方法。
(7)(6)で得られた炭素被覆した複合粒子、球形化した複合粒子もしくは焼成粉と炭素前駆体とを不活性雰囲気中で焼成し炭素膜を複合粒子もしくは焼成粒子の内外に被覆する工程を行うことを特徴とする(6)に記載のリチウム二次電池用複合活物質の製造方法。
(8)(1)〜(5)のいずれかに記載のリチウム二次電池複合活物質を含むリチウム二次電池。
As a result of diligent studies on the prior art, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following configurations.
(1) In the secondary battery composite active material, the thermal decomposition start temperature when the active material is heated at a temperature rising rate of 5 ° C./min in an air atmosphere is 530 ° C. or higher, and the average pore diameter is 10 to 40 nm. A composite active material for a lithium secondary battery, characterized in that the volume of open pores is 0.06 cm 3 / g or less.
(2) The active material is characterized in that the thermal decomposition reaction of the active material when the temperature rises to 1000 ° C. in an air atmosphere is an exothermic reaction, and the maximum weight loss at that time is 50% or more. The composite active material for a lithium secondary battery according to (1).
(3) The composite active material for a lithium secondary battery according to (1) or (2), wherein the temperature difference of the exothermic peak in the thermal decomposition reaction of the active material is 150 ° C. or less.
(4) The lithium ion according to any one of (1) to (3), wherein the active material has a D50 of 1 to 40 μm and a BET specific surface area of 0.5 to 20 m 2 / g according to the BET method. Composite active material for next battery.
(5) The D / G, which is the ratio of the G band derived from crystalline carbon to the D band derived from amorphous carbon in Raman spectroscopy of the active material, is 1.0 or more (1) to (4). ), The composite active material for a lithium secondary battery.
(6) A step of mixing Si or Si alloy, a carbon precursor, and a graphite component if necessary, a step of granulating and compacting, and a step of pulverizing and spheroidizing the mixture to form substantially spherical composite particles. A step, a step of calcining the composite particles in an inert atmosphere, a step of mixing the carbon precursor and the composite particles or calcined particles, and a calcined powder coated with carbon by heating the mixture in an inert gas atmosphere. Alternatively, the method for producing a composite active material for a lithium secondary battery according to any one of (1) to (5), which comprises a step of obtaining carbon-coated composite particles.
(7) The carbon-coated composite particles, spherical composite particles or calcined powder obtained in (6) and the carbon precursor are calcined in an inert atmosphere to coat the inside and outside of the composite particles or calcined particles with a carbon film. The method for producing a composite active material for a lithium secondary battery according to (6), wherein the step is performed.
(8) The lithium secondary battery according to any one of (1) to (5). A lithium secondary battery containing the composite active material.

本発明によれば、初回充放電時を繰り返した後でも高いクーロン効率を持つ電極材料の作製が可能で、かつ、優れたサイクル特性を示すリチウム二次電池の作製が可能なリチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, for a lithium secondary battery capable of producing an electrode material having high coulombic efficiency even after repeated initial charging and discharging, and capable of producing a lithium secondary battery exhibiting excellent cycle characteristics. A composite active material and a method for producing the same can be provided.

以下に、本発明のリチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法について詳述する。 Hereinafter, the composite active material for a lithium secondary battery of the present invention and a method for producing the same will be described in detail.

本発明の二次電池複合活物質は、該活物質を大気雰囲気下で昇温速度5℃/minで昇温した時の熱分解開始温度が530℃以上である。 The secondary battery composite active material of the present invention has a thermal decomposition start temperature of 530 ° C. or higher when the active material is heated at a temperature rising rate of 5 ° C./min in an air atmosphere.

本発明では、前記要件を満たすことにより、前記複合粒または焼成粉の周りにある炭素種によって前記複合粒または焼成粉が被覆された構造の二次電池複合活物質なっているため、電解液が直接、前記複合粒または焼成粉と接触しないため、電解液との反応を抑制することができ、その結果、サイクル特性が向上する。 In the present invention, by satisfying the above requirements, the electrolytic solution is a secondary battery composite active material having a structure in which the composite grains or the calcined powder are coated with carbon species around the composite grains or the calcined powder. Since it does not come into direct contact with the composite particles or the calcined powder, the reaction with the electrolytic solution can be suppressed, and as a result, the cycle characteristics are improved.

本発明の二次電池複合活物質は、炭素及びSiを主成分とする組成からなり、空気中では、炭素が空気中の酸素と反応して酸化分解による発熱反応を生じる。この分解温度は、炭素種の種類や構造によって変化するが、前記複合化物の主成分である炭素種である黒鉛は結晶構造を保持しているため、分解開始温度は700℃を超える。一方、前記複合粒または焼成粉を被覆する炭素種としては、分解温度が530℃を超えるような炭素種が良いことを見出し本発明に至った。530℃以下で分解温度する炭素種は、前記複合粒または焼成粉との相互作用が弱い為、電解液との反応を抑制することができない。 The secondary battery composite active material of the present invention has a composition containing carbon and Si as main components, and in air, carbon reacts with oxygen in the air to cause an exothermic reaction due to oxidative decomposition. This decomposition temperature varies depending on the type and structure of the carbon species, but since graphite, which is a carbon species that is the main component of the composite, retains a crystal structure, the decomposition start temperature exceeds 700 ° C. On the other hand, as the carbon species for coating the composite grains or the calcined powder, a carbon species having a decomposition temperature of more than 530 ° C. is preferable, and the present invention has been made. A carbon seed having a decomposition temperature of 530 ° C. or lower cannot suppress the reaction with the electrolytic solution because the interaction with the composite granules or the calcined powder is weak.

被覆する炭素種としては、前記複合粒または焼成粉との相互作用する、アモルファス性の炭素であれば特に限定はなく、例えば後述するハードーカーボン、後述するソフトカーボンなどが挙げられる。 The carbon type to be coated is not particularly limited as long as it is an amorphous carbon that interacts with the composite grains or the calcined powder, and examples thereof include hard carbon described later and soft carbon described later.

また、本発明の二次電池複合活物質は、大気雰囲気下で1000℃までの昇温時における前記活物質の熱分解反応が発熱反応であり、且つその時の最大重量減少が50%以上であることが好ましい。最大重量減少が50%未満では、Si原子を黒鉛で覆うことが出来ない為、複合体の構造を維持することが難しい。 Further, in the secondary battery composite active material of the present invention, the thermal decomposition reaction of the active material when the temperature is raised to 1000 ° C. in the atmospheric atmosphere is an exothermic reaction, and the maximum weight loss at that time is 50% or more. Is preferable. If the maximum weight loss is less than 50%, it is difficult to maintain the structure of the complex because the Si atoms cannot be covered with graphite.

本発明の活物質の熱分解反応において発熱ピークの温度差が150℃以下であることが好ましい。発熱反応温度は、複合化物の主成分である黒鉛以外に、被覆する炭素種の種類や構造によって分解開始温度が変化するが、複合化物の主成分である黒鉛表面に被覆された炭素種は、黒鉛との相互作用すると共に、被覆された炭素種の酸化分解反応時に発生する発熱エネルギーで複合化物の分解が加速し、発熱ピークの温度差が150℃以下になる。発熱ピーク温度が150℃を超える場合には、被覆に用いられるアモルファス性炭素と黒鉛の相互作用が弱く、または、均質に複合粒または焼成粉を被覆していないため、サイクル特性が低下する。 In the thermal decomposition reaction of the active material of the present invention, the temperature difference of the exothermic peak is preferably 150 ° C. or less. The exothermic reaction temperature changes the decomposition start temperature depending on the type and structure of the carbon species to be coated, in addition to graphite, which is the main component of the composite, but the carbon species coated on the graphite surface, which is the main component of the composite, is Along with interacting with graphite, the exothermic energy generated during the oxidative decomposition reaction of the coated carbon species accelerates the decomposition of the composite, and the temperature difference between the exothermic peaks becomes 150 ° C. or less. When the exothermic peak temperature exceeds 150 ° C., the interaction between the amorphous carbon used for coating and graphite is weak, or the composite grains or calcined powder are not uniformly coated, so that the cycle characteristics are deteriorated.

本発明の二次電池複合活物質は、黒鉛構造の表面を炭素で被覆した構造を有していることからラマン分光における結晶性炭素由来のGバンドとアモルファス炭素由来のDバンドとの比率であるD/Gが1.0以上であることが好ましい。 Since the secondary battery composite active material of the present invention has a structure in which the surface of the graphite structure is coated with carbon, it is the ratio of the G band derived from crystalline carbon and the D band derived from amorphous carbon in Raman spectroscopy. The D / G is preferably 1.0 or more.

本発明の二次電池複合活物質は、活物質の性能を引き出すためD50が1〜40μmであることが好ましく、さらに好ましくは2〜20μm、特に好ましくは3〜10μmである。粒子径が小さすぎると粉末のハンドリングや凝集しやすいという観点から1μm以上が好ましい。粒子径が大きくなりすぎると膨張時の集電脱落が起こりやすいため40μm以下であることが好ましい。 The secondary battery composite active material of the present invention preferably has a D50 of 1 to 40 μm, more preferably 2 to 20 μm, and particularly preferably 3 to 10 μm in order to bring out the performance of the active material. If the particle size is too small, it is preferably 1 μm or more from the viewpoint of powder handling and agglutination. If the particle size becomes too large, current collection and dropout during expansion are likely to occur, so the particle size is preferably 40 μm or less.

D90が2〜60μmであることが好ましく、さらに好ましくは3〜40μm、特に好ましくは5〜30μmである。D90が2μm以下では、粉体の凝集が起こりやすくなり、ハンドリングが難しいだけでなく分散性の良い電極を作製することが難しい。特にD90で60μmを超えるような粗大粒子が存在すると、電極スラリーの不均一性や電極への均質な塗工ができないため、サイクル特性等の電池性能が低下する。 D90 is preferably 2 to 60 μm, more preferably 3 to 40 μm, and particularly preferably 5 to 30 μm. When D90 is 2 μm or less, powder agglutination is likely to occur, which makes it difficult not only to handle but also to produce an electrode having good dispersibility. In particular, if coarse particles exceeding 60 μm are present in D90, the non-uniformity of the electrode slurry and uniform coating on the electrodes cannot be performed, so that the battery performance such as cycle characteristics deteriorates.

D50およびD90は、レーザー回折散乱法により測定した累積粒度分布の微粒側から累積50%、累積90%の粒径にそれぞれ該当する。 D50 and D90 correspond to a cumulative 50% and a cumulative 90% particle size from the fine particle side of the cumulative particle size distribution measured by the laser diffraction / scattering method, respectively.

なお、測定に際しては、リチウム二次電池用複合活物質を液体に加えて超音波などを利用しながら激しく混合し、作製した分散液を装置にサンプルとして導入し、測定を行う。液体としては作業上、水やアルコール、低揮発性の有機溶媒を用いることが好ましい。この時、得られる粒度分布図は正規分布を示すことが好ましい。 At the time of measurement, the composite active material for a lithium secondary battery is added to the liquid and vigorously mixed using ultrasonic waves or the like, and the prepared dispersion liquid is introduced into the apparatus as a sample to perform the measurement. As the liquid, it is preferable to use water, alcohol, or a low volatility organic solvent for work. At this time, it is preferable that the obtained particle size distribution map shows a normal distribution.

本発明の二次電池複合活物質は、電解液との反応性を示す指標であることからBET法によるBET比表面積が0.5〜20m/gであることが好ましく、さらに好ましくは0.5〜15m2/g、特に好ましくは1〜10m2/gである。 Since the secondary battery composite active material of the present invention is an index showing the reactivity with the electrolytic solution, the BET specific surface area by the BET method is preferably 0.5 to 20 m 2 / g, and more preferably 0. It is 5 to 15 m2 / g, particularly preferably 1 to 10 m2 / g.

また、平均細孔径は10〜40nmであり、好ましくは10〜30nm、特に好ましくは10〜20nmである。開気孔体積は0.06cm/g以下であり、好ましくは0.04cm/g以下、特に好ましくは0.01cm/g以下である。 The average pore diameter is 10 to 40 nm, preferably 10 to 30 nm, and particularly preferably 10 to 20 nm. Open pore volume is less than 0.06 cm 3 / g, preferably 0.04 cm 3 / g, particularly preferably at most 0.01 cm 3 / g.

平均細孔径、開気孔体積及びBET比表面積をこの範囲とすることによりリチウム二次電池用複合活物質内部への電解液侵入を抑制し、容量維持率、過膨張率を改善できる。 By setting the average pore diameter, the volume of the open pores, and the BET specific surface area within this range, it is possible to suppress the intrusion of the electrolytic solution into the composite active material for the lithium secondary battery, and improve the capacity retention rate and the hyperexpansion rate.

リチウム二次電池用複合活物質の比表面積(BET比表面積)、平均細孔径、開気孔体積の測定方法は、試料を300℃で30分真空乾燥後、窒素吸着多点法で測定する。 The specific surface area (BET specific surface area), average pore diameter, and open pore volume of the composite active material for a lithium secondary battery are measured by vacuum drying the sample at 300 ° C. for 30 minutes and then measuring it by the nitrogen adsorption multipoint method.

リチウム二次電池用複合活物質においては、Si化合物が0.2μm以下の厚みの黒鉛薄層の間に挟まった構造であり、その構造が積層および/または網目状に広がっており、黒鉛薄層がリチウム二次電池用複合活物質粒子の表面付近で湾曲してリチウム二次電池用複合活物質粒子を覆っていることが好ましい。 The composite active material for a lithium secondary battery has a structure in which a Si compound is sandwiched between thin graphite layers having a thickness of 0.2 μm or less, and the structure is laminated and / or spreads like a mesh, and the thin graphite layer. Is curved near the surface of the composite active material particles for the lithium secondary battery to cover the composite active material particles for the lithium secondary battery.

本発明のリチウム二次電池用複合活物質は、SiまたはSi合金(併せて、Si化合物)と炭素質物または炭素質物と黒鉛成分とを含んでなるリチウム二次電池用複合活物質であることが好ましい。 The composite active material for a lithium secondary battery of the present invention may be a composite active material for a lithium secondary battery containing a Si or Si alloy (together, a Si compound) and a carbonaceous substance or a carbonaceous substance and a graphite component. preferable.

Siとは、純度が98重量%程度の汎用グレードの金属シリコン、純度が2〜4Nのケミカルグレードの金属シリコン、塩素化して蒸留精製した4Nより高純度のポリシリコン、単結晶成長法による析出工程を経た超高純度の単結晶シリコン、もしくはそれらに周期表13族もしくは15族元素をドーピングして、p型またはn型としたもの、半導体製造プロセスで発生したウエハの研磨や切断の屑、プロセスで不良となった廃棄ウエハなど、汎用グレードの金属シリコン以上の純度のものであれば特に限定されない。 Si is general-purpose grade metallic silicon with a purity of about 98% by weight, chemical grade metallic silicon with a purity of 2 to 4N, polysilicon with a higher purity than 4N obtained by chlorination and distillation purification, and a precipitation step by the single crystal growth method. Ultra-high-purity single-crystal silicon that has undergone It is not particularly limited as long as it has a purity higher than that of general-purpose grade metallic silicon, such as a waste wafer that has become defective in the above.

Si合金とは、Siが主成分の合金である。前記Si合金において、Si以外に含まれる元素としては、周期表2〜15族の元素の一つ以上が好ましく、合金に含まれる相の融点が900℃以上となる元素の選択および/または添加量が好ましい。 The Si alloy is an alloy containing Si as a main component. In the Si alloy, as the element contained in addition to Si, one or more of the elements of Groups 2 to 15 of the periodic table is preferable, and the selection and / or the amount of the element added at which the melting point of the phase contained in the alloy is 900 ° C. or more. Is preferable.

リチウム二次電池用複合活物質において、Si化合物のD50は0.01〜0.6μmが好ましく、さらに好ましくは0.05〜0.5μmであり、特に好ましくは0.1〜0.4μmである。0.01μmより小さいと、表面酸化による容量や初期効率の低下が激しく、0.6μmより大きいと、リチウム挿入による膨張で割れが激しく生じ、サイクル劣化が激しくなりやすい。 In the composite active material for a lithium secondary battery, the D50 of the Si compound is preferably 0.01 to 0.6 μm, more preferably 0.05 to 0.5 μm, and particularly preferably 0.1 to 0.4 μm. .. If it is smaller than 0.01 μm, the capacity and initial efficiency are severely lowered due to surface oxidation, and if it is larger than 0.6 μm, cracks are severely caused by expansion due to lithium insertion, and cycle deterioration is likely to be severe.

Si化合物のD90は0.01〜1.0μmが好ましく、さらに好ましくは0.05〜0.6μmであり、特に好ましくは0.1〜0.5μmである。 The D90 of the Si compound is preferably 0.01 to 1.0 μm, more preferably 0.05 to 0.6 μm, and particularly preferably 0.1 to 0.5 μm.

なお、D50、D90はレーザー粒度分布計で測定した体積平均の粒子径である。 Note that D50 and D90 are volume average particle diameters measured by a laser particle size distribution meter.

Si化合物のBET法によるBET比表面積は40〜300m/gが好ましく、さらに好ましくは60〜300m/gであり、特に好ましくは60〜200m/gである。 The BET specific surface area of the Si compound by the BET method is preferably 40 to 300 m 2 / g, more preferably 60 to 300 m 2 / g, and particularly preferably 60 to 200 m 2 / g.

炭素質物とは、非晶質もしくは微結晶の炭素物質であり、2000℃を超える熱処理で黒鉛化する易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)と、黒鉛化しにくい難黒鉛化炭素(ハードカーボン)が挙げられる。 The carbonaceous material is an amorphous or microcrystalline carbon substance, and examples thereof include easily graphitized carbon (soft carbon) which is graphitized by heat treatment exceeding 2000 ° C. and non-graphitizable carbon (hard carbon) which is difficult to graphitize. ..

ハードカーボンは、樹脂または樹脂組成物などの前駆体を炭化処理して得ることが好ましい。炭化処理することで、樹脂または樹脂組成物が炭化処理され、リチウムイオン二次電池用炭素材として用いることができる。ハードカーボンの前駆体となる、樹脂又は樹脂組成物としては、高分子化合物など(例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂)が挙げられる。熱硬化性樹脂としては特に限定されず、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂などのフェノール樹脂;ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂;メラミン樹脂;尿素樹脂;アニリン樹脂;シアネート樹脂;フラン樹脂;ケトン樹脂;不飽和ポリエステル樹脂;ウレタン樹脂などが挙げられる。また、これらが種々の成分で変性された変性物を用いることもできる。 Hard carbon is preferably obtained by carbonizing a precursor such as a resin or a resin composition. By carbonizing, the resin or resin composition is carbonized and can be used as a carbon material for a lithium ion secondary battery. Examples of the resin or resin composition that serves as a precursor of hard carbon include polymer compounds (for example, thermosetting resin and thermoplastic resin). The thermosetting resin is not particularly limited, and for example, a phenol resin such as a novolak type phenol resin or a resol type phenol resin; an epoxy resin such as a bisphenol type epoxy resin or a novolak type epoxy resin; a melamine resin; a urea resin; an aniline resin; Examples thereof include cyanate resin; furan resin; ketone resin; unsaturated polyester resin; and urethane resin. Further, modified products obtained by modifying these with various components can also be used.

また、熱可塑性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。 The thermoplastic resin is not particularly limited, and for example, polyethylene, polystyrene, acrylonitrile-styrene (AS) resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polypropylene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene ether, and poly. Examples thereof include butylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyether sulfone, and polyether ether ketone.

これらのうち1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。 One or a combination of two or more of these can be used.

これらの中でも特に好ましいハードカーボンの前駆体は、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂などのフェノール樹脂等が挙げられる。 Among these, particularly preferable precursors of hard carbon include novolak-type phenol resins, phenol resins such as resol-type phenol resins, and the like.

ハードカーボンの前駆体の形状は特に制限されず、粉状、板状、粒状、繊維状、塊状、球状など、あらゆる形状のものが使用可能である。これらの前駆体は、各種成分を混合する際に使用する溶剤に溶解することが好ましい。 The shape of the hard carbon precursor is not particularly limited, and any shape such as powder, plate, granular, fibrous, lump, and spherical can be used. These precursors are preferably dissolved in the solvent used when mixing the various components.

使用されるハードカーボンの前駆体の重量平均分子量としては、リチウム二次電池用複合活物質の効果がより優れる点で1000以上が好ましく、1,000,000以上がより好ましい。 The weight average molecular weight of the precursor of the hard carbon used is preferably 1000 or more, more preferably 1,000,000 or more, in that the effect of the composite active material for a lithium secondary battery is more excellent.

ソフトカーボンは、樹脂または樹脂組成物などの前駆体を炭化処理して得ることが好ましい。炭化処理することで、樹脂または樹脂組成物が炭化され、リチウムイオン二次電池用炭素材として用いることができる。ソフトカーボンの前駆体となる、樹脂又は樹脂組成物としては、特に限定されず、石炭系ピッチ(例えば、コールタールピッチ)、石油系ピッチ、メソフェーズピッチ、コークス、低分子重質油、またはそれらの誘導体などが挙げられ、石炭系ピッチ(例えば、コールタールピッチ)、石油系ピッチ、メソフェーズピッチ、コークス、低分子重質油、またはそれらの誘導体など固体又は液体が好ましい。なかでも、リチウム二次電池用複合活物質の効果がより優れる点で、石炭系ピッチなどの前駆体から得られるソフトカーボンが好ましい。 Soft carbon is preferably obtained by carbonizing a precursor such as a resin or a resin composition. By carbonizing, the resin or resin composition is carbonized and can be used as a carbon material for a lithium ion secondary battery. The resin or resin composition as a precursor of soft carbon is not particularly limited, and is limited to coal-based pitch (for example, coal tar pitch), petroleum-based pitch, mesophase pitch, coke, low-molecular-weight heavy oil, or theirs. Derivatives and the like can be mentioned, with solid or liquids such as coal-based pitches (eg, coal tar pitches), petroleum-based pitches, mesophase pitches, coke, low-molecular-weight heavy oils, or derivatives thereof. Among them, soft carbon obtained from a precursor such as a coal-based pitch is preferable because the effect of the composite active material for a lithium secondary battery is more excellent.

ソフトカーボンの前駆体の形状は特に制限されず、粉状、板状、粒状、繊維状、塊状、球状など、あらゆる形状のものが使用可能である。これらの前駆体は、各種成分を混合する際に使用する溶剤に溶解することもできる。 The shape of the soft carbon precursor is not particularly limited, and any shape such as powder, plate, granular, fibrous, lump, and spherical can be used. These precursors can also be dissolved in the solvent used to mix the various components.

使用されるソフトカーボンの前駆体の重量平均分子量としては、リチウム二次電池用複合活物質の効果がより優れる点で1000以上が好ましく、1,000,000以上がより好ましい。 The weight average molecular weight of the precursor of the soft carbon used is preferably 1000 or more, more preferably 1,000,000 or more, in that the effect of the composite active material for a lithium secondary battery is more excellent.

黒鉛成分としては、天然黒鉛材、人造黒鉛等が挙げられ、その中でも通常グラファイトと呼ばれる天然黒鉛を薄片化した薄片化黒鉛が好ましい。 Examples of the graphite component include natural graphite materials and artificial graphite, and among them, flaky graphite obtained by flaking natural graphite, which is usually called graphite, is preferable.

本明細書においては、薄片化黒鉛とは、グラフェンシートの積層数が400層以下の黒鉛を意図する。なお、グラフェンシートは主にファンデルワールス力によって互いに結合している。 In the present specification, the flaky graphite is intended to be graphite having 400 or less layers of graphene sheets. The graphene sheets are mainly bonded to each other by van der Waals force.

薄片化黒鉛におけるグラフェンシートの積層数は、Si化合物と薄片化黒鉛とがより均一に分散し、リチウム二次電池用複合活物質を用いた電池材料の膨張がより抑制される、および/または、リチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、300層以下が好ましく、200層以下がより好ましく、150層以下がさらに好ましい。取り扱い性の点からは、5層以上が好ましい。 The number of laminated graphene sheets in the flake graphite is such that the Si compound and the flake graphite are more evenly dispersed, the expansion of the battery material using the composite active material for the lithium secondary battery is further suppressed, and / or In terms of more excellent cycle characteristics of the lithium secondary battery, 300 layers or less are preferable, 200 layers or less are more preferable, and 150 layers or less are further preferable. From the viewpoint of handleability, 5 or more layers are preferable.

なお、薄片化黒鉛におけるグラフェンシートの積層数は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定することができる。 The number of graphene sheets laminated in the flaky graphite can be measured using a transmission electron microscope (TEM).

薄片化黒鉛の平均厚みは、リチウム二次電池用複合活物質の効果がより優れる点で、40nm以下が好ましく、22nm以下がより好ましい。下限は特に制限されないが、製造手順が煩雑になることから、通常、4nm以上である場合が多い。 The average thickness of the flaky graphite is preferably 40 nm or less, more preferably 22 nm or less, in that the effect of the composite active material for a lithium secondary battery is more excellent. The lower limit is not particularly limited, but it is usually 4 nm or more in many cases because the manufacturing procedure becomes complicated.

なお、上記平均厚みの測定方法としては、電子顕微鏡(TEM)によって薄片化黒鉛を観察し、薄片化黒鉛中の積層したグラフェンシートの層の厚みを10個以上測定して、その値を算術平均することによって、平均厚みが得られる。 As a method for measuring the average thickness, the thinned graphite is observed with an electron microscope (TEM), the thickness of 10 or more layers of laminated graphene sheets in the thinned graphite is measured, and the values are arithmetically averaged. By doing so, the average thickness can be obtained.

薄片化黒鉛は、黒鉛化合物をその層面間において剥離し薄片化して得られる。 The flaky graphite is obtained by exfoliating the graphite compound between its layer surfaces and flaking it.

薄片化黒鉛としては、例えば、いわゆる膨張黒鉛が挙げられる。 Examples of flaky graphite include so-called expanded graphite.

膨張黒鉛中には、黒鉛が含まれており、例えば、鱗片状黒鉛を濃硫酸や硝酸や過酸化水素水等で処理し、グラフェンシートの隙間にこれら薬液をインターカレートさせ、さらに加熱してインターカレートされた薬液が気化する際にグラフェンシートの隙間を広げることによって得られる。なお、後述するように、膨張黒鉛を出発原料として所定のリチウム二次電池用複合活物質を製造することができる。つまり、リチウム二次電池用複合活物質中の黒鉛成分として、膨張黒鉛を使用することもできる。 Expanded graphite contains graphite. For example, scaly graphite is treated with concentrated sulfuric acid, nitric acid, hydrogen peroxide solution, etc., and these chemicals are intercalated in the gaps between graphene sheets and further heated. It is obtained by widening the gaps in the graphene sheet as the intercalated drug solution evaporates. As will be described later, a predetermined composite active material for a lithium secondary battery can be produced using expanded graphite as a starting material. That is, expanded graphite can also be used as the graphite component in the composite active material for a lithium secondary battery.

また、黒鉛成分として、球形化処理が施された膨張黒鉛も挙げられる。球形化処理の手順は後段で詳述する。なお、後述するように、膨張黒鉛に球形化処理を実施する際には、他の成分(例えば、ハードカーボンの前駆体及びソフトカーボンの前駆体、Si化合物など)と共に、球形化処理が実施されてもよい。 Further, as a graphite component, expanded graphite which has been subjected to a spheroidizing treatment can also be mentioned. The procedure for spheroidization will be described in detail later. As will be described later, when the expanded graphite is subjected to the spheroidizing treatment, the spheroidizing treatment is carried out together with other components (for example, a precursor of hard carbon, a precursor of soft carbon, a Si compound, etc.). You may.

なお、黒鉛成分の比表面積は特に制限されないが、リチウム二次電池用複合活物質の効果がより優れる点で、10m/g以上が好ましく、20m/g以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、製造の手順が煩雑となり、合成が困難な点で、比表面積は200m/g以下が好ましい。 The specific surface area of the graphite component is not particularly limited, but 10 m 2 / g or more is preferable, and 20 m 2 / g or more is more preferable, in that the effect of the composite active material for a lithium secondary battery is more excellent. The upper limit is not particularly limited, but the specific surface area is preferably 200 m 2 / g or less because the manufacturing procedure becomes complicated and synthesis is difficult.

なお、黒鉛成分の比表面積は、窒素吸着によるBET法(JIS Z 8830、一点
法)を用いて測定したものである。
The specific surface area of the graphite component was measured by using the BET method (JIS Z 8830, one-point method) by nitrogen adsorption.

黒鉛成分は、純度99.9重量%以上、若しくは不純物量1000ppm以下であり、S量が0.3重量%以下及び/又はBET法によるBET比表面積が40m/g以下であることが好ましい。純度が99.9重量%よりも少なく、若しくは不純物量が1000ppmよりも多いと、不純物由来のSEI形成による不可逆容量が多くなるため、初回の充電容量に対する放電容量である初回充放電効率が低くなる傾向がある。また、S量が0.3重量%よりも高くなると同様に不可逆容量が高くなるため、初回充放電効率が低くなる。さらに好ましくは、S量が0.1重量%以下が好ましい。黒鉛成分のBET比表面積が40m/gよりも高いと、電解液との反応する面積が多くなるため、初回充放電効率が低くなる。 The graphite component preferably has a purity of 99.9% by weight or more, an impurity amount of 1000 ppm or less, an S amount of 0.3% by weight or less, and / or a BET specific surface area by the BET method of 40 m 2 / g or less. If the purity is less than 99.9% by weight or the amount of impurities is more than 1000 ppm, the irreversible capacity due to the formation of SEI derived from impurities increases, so that the initial charge / discharge efficiency, which is the discharge capacity with respect to the initial charge capacity, becomes low. Tend. Further, when the amount of S is higher than 0.3% by weight, the irreversible capacity is similarly increased, so that the initial charge / discharge efficiency is lowered. More preferably, the amount of S is 0.1% by weight or less. When the BET specific surface area of the graphite component is higher than 40 m 2 / g, the area that reacts with the electrolytic solution becomes large, so that the initial charge / discharge efficiency becomes low.

不純物の測定は、ICP発光分光分析法により、以下の26元素(Al、Ca、Cr、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、V、Zn、Zr、Ag、As、Ba、Be、Cd、Co、Cu、Mo、Pb、Sb、Se、Th、Tl、U)の不純物半定量値により測定する。また、S量は、酸素フラスコ燃焼法で燃焼吸収処理した後、フィルター濾過してイオンクロマトグラフィー(IC)測定により行う。 Impurities were measured by ICP emission spectroscopic analysis of the following 26 elements (Al, Ca, Cr, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, V, Zn, Zr, Ag, As, Ba, Be, Cd. , Co, Cu, Mo, Pb, Sb, Se, Th, Tl, U) by semi-quantitative value of impurities. The amount of S is determined by combustion absorption treatment by an oxygen flask combustion method, filtering by a filter, and ion chromatography (IC) measurement.

本発明のリチウム二次電池用複合活物質において、Si化合物、炭素質物を好ましく含有する際のSi化合物の含有量は10〜80質量部が好ましく、15〜50質量部が特に好ましい。Si化合物の含有量が10質量部未満の場合、従来の黒鉛に比べて十分に大きい容量が得られず、80質量部より大きい場合、サイクル劣化が激しくなりやすい。炭素質物の含有量は90〜10質量部が好ましく、60〜10質量部が特に好ましい。炭素質物の含有量が10質量部未満の場合、炭素質物がSi化合物を覆うことができず、導電パスが不十分となって容量劣化が激しく起こりやすく、90質量部より大きい場合、容量が十分に得られない。 In the composite active material for a lithium secondary battery of the present invention, the content of the Si compound when the Si compound and the carbonaceous material are preferably contained is preferably 10 to 80 parts by mass, and particularly preferably 15 to 50 parts by mass. When the content of the Si compound is less than 10 parts by mass, a sufficiently large capacity cannot be obtained as compared with conventional graphite, and when it is larger than 80 parts by mass, cycle deterioration tends to be severe. The content of the carbonaceous material is preferably 90 to 10 parts by mass, and particularly preferably 60 to 10 parts by mass. If the content of the carbonaceous material is less than 10 parts by mass, the carbonaceous material cannot cover the Si compound, the conductive path is insufficient, and capacity deterioration is likely to occur. If the content is larger than 90 parts by mass, the capacity is sufficient. I can't get it.

Si化合物、炭素質物、黒鉛成分を好ましく含有する際のSi化合物の含有量は、10〜60質量部が好ましく、炭素質物の含有量は5〜60質量部が好ましく、10〜55質量部が特に好ましい。炭素質物の含有量が5質量部未満の場合、炭素質物がSi化合物および黒鉛を覆うことができず、Si化合物と黒鉛との接着が不十分となり、リチウム二次電池用複合活物質粒子の形成が困難となりやすい。また、60質量部より大きい場合、導電性が炭素質物より高い黒鉛の効果が十分に引き出されない。黒鉛成分の含有量は20〜80質量部が好ましく、30〜70質量部が特に好ましい。黒鉛成分の含有量が20質量部未満の場合、炭素質物より高い導電性を有する黒鉛の効果が十分でなく、80質量部より大きい場合、従来の黒鉛に比べて十分に大きい容量が得られない。 The content of the Si compound when the Si compound, the carbonaceous substance, and the graphite component are preferably contained is preferably 10 to 60 parts by mass, the content of the carbonaceous substance is preferably 5 to 60 parts by mass, and particularly 10 to 55 parts by mass. preferable. When the content of the carbonaceous material is less than 5 parts by mass, the carbonaceous material cannot cover the Si compound and graphite, the adhesion between the Si compound and graphite becomes insufficient, and the formation of composite active material particles for a lithium secondary battery is formed. Is likely to be difficult. On the other hand, if it is larger than 60 parts by mass, the effect of graphite having higher conductivity than that of carbonaceous material cannot be sufficiently brought out. The content of the graphite component is preferably 20 to 80 parts by mass, and particularly preferably 30 to 70 parts by mass. When the content of the graphite component is less than 20 parts by mass, the effect of graphite having higher conductivity than the carbonaceous material is not sufficient, and when it is larger than 80 parts by mass, a sufficiently large capacity cannot be obtained as compared with the conventional graphite. ..

次に、本発明のリチウム二次電池用複合活物質の製造方法について説明する。 Next, a method for producing the composite active material for a lithium secondary battery of the present invention will be described.

リチウム二次電池用複合活物質の製造方法は、SiまたはSi合金、炭素前駆体、必要に応じて黒鉛成分を混合する工程と、造粒・圧密化する工程と、混合物を粉砕および球形化処理して略球状の複合粒子を形成する工程と、該複合粒子を不活性雰囲気中で焼成する工程と炭素前駆体と該複合粒子もしくは焼成粉とを混合する工程及びその混合物を不活性雰囲気中で加熱することで炭素被覆した焼成粉もしくは炭素被覆した複合粒子を得る工程を含むものである。 The method for producing a composite active material for a lithium secondary battery includes a step of mixing Si or Si alloy, a carbon precursor, and a graphite component as necessary, a step of granulating and compacting, and a crushing and spheroidizing treatment of the mixture. A step of forming substantially spherical composite particles, a step of calcining the composite particles in an inert atmosphere, a step of mixing the carbon precursor and the composite particles or the calcined powder, and a mixture thereof in an inert atmosphere. It includes a step of obtaining carbon-coated calcined powder or carbon-coated composite particles by heating.

原料であるSi化合物は、D50が0.01〜5μmの粉末を使用することが好ましい。所定の粒子径のSi化合物を得るためには、上述のSi化合物の原料(インゴット、ウエハ、粉末などの状態)を粉砕機で粉砕し、場合によっては分級機を用いる。インゴット、ウエハなどの塊の場合、最初はジョークラッシャー等の粗粉砕機を用いて粉末化することができる。その後、例えば、ボール、ビーズなどの粉砕媒体を運動させ、その運動エネルギーによる衝撃力や摩擦力、圧縮力を利用して被砕物を粉砕するボールミル、媒体撹拌ミルや、ローラによる圧縮力を利用して粉砕を行うローラミルや、被砕物を高速で内張材に衝突もしくは粒子相互に衝突させ、その衝撃による衝撃力によって粉砕を行うジェットミルや、ハンマー、ブレード、ピンなどを固設したローターの回転による衝撃力を利用して被砕物を粉砕するハンマーミル、ピンミル、ディスクミルや、剪断力を利用するコロイドミルや高圧湿式対向衝突式分散機「アルティマイザー」などを用いて微粉砕することができる。 As the raw material Si compound, it is preferable to use a powder having a D50 of 0.01 to 5 μm. In order to obtain a Si compound having a predetermined particle size, the raw material (state of ingot, wafer, powder, etc.) of the above-mentioned Si compound is pulverized by a pulverizer, and in some cases, a classifier is used. In the case of lumps such as ingots and wafers, they can be first pulverized using a coarse crusher such as a jaw crusher. After that, for example, a ball mill, a medium stirring mill, or a roller that uses a crushing medium such as a ball or a bead to crush the crushed material by using the impact force, the frictional force, and the compressive force generated by the kinetic energy. Rotation of a roller mill that crushes objects at high speed, a jet mill that collides with lining materials at high speed or collides with particles, and crushes by the impact force of the impact, and a rotor with hammers, blades, pins, etc. fixed. It can be finely crushed using a hammer mill, pin mill, disc mill that crushes the material to be crushed by using the impact force of the above, a colloid mill that uses the shearing force, and a high-pressure wet facing collision type disperser "Ultimizer". ..

粉砕は、湿式、乾式共に用いることができる。さらに微粉砕するには、例えば、湿式のビーズミルを用い、ビーズの径を段階的に小さくすること等により非常に細かい粒子を得ることができる。また、粉砕後に粒度分布を整えるため、乾式分級や湿式分級もしくはふるい分け分級を用いることができる。乾式分級は、主として気流を用い、分散、分離(細粒子と粗粒子の分離)、捕集(固体と気体の分離)、排出のプロセスが逐次もしくは同時に行われ、粒子相互間の干渉、粒子の形状、気流の乱れ、速度分布、静電気の影響などで分級効率を低下させないように、分級をする前に前処理(水分、分散性、湿度などの調整)を行うか、使用される気流の水分や酸素濃度を調整して行う。乾式で分級機が一体となっているタイプでは、一度に粉砕、分級が行われ、所望の粒度分布とすることが可能となる。 Both wet and dry pulverization can be used. For further fine pulverization, for example, a wet bead mill is used, and the diameter of the beads is gradually reduced to obtain very fine particles. Further, in order to adjust the particle size distribution after pulverization, dry classification, wet classification or sieving classification can be used. Dry classification mainly uses airflow, and the processes of dispersion, separation (separation of fine particles and coarse particles), collection (separation of solid and gas), and discharge are performed sequentially or simultaneously, and interference between particles and particles Pretreatment (adjustment of moisture, dispersibility, humidity, etc.) is performed before classification so that the classification efficiency is not reduced due to the shape, turbulence of airflow, velocity distribution, influence of static electricity, etc., or the moisture content of the airflow used. And adjust the oxygen concentration. In the dry type with an integrated classifier, crushing and classification are performed at once, and it is possible to obtain a desired particle size distribution.

別の所定の粒子径のSi化合物を得る方法としては、プラズマやレーザー等でSi化合物を加熱して蒸発させ、不活性雰囲気中で凝固させて得る方法、ガス原料を用いてCVDやプラズマCVD等で得る方法があり、これらの方法は0.1μm以下の超微粒子を得るのに適している。 As another method for obtaining a Si compound having a predetermined particle size, a method of heating the Si compound with a plasma, a laser, or the like to evaporate it and coagulating it in an inert atmosphere, CVD, plasma CVD, etc. using a gas raw material, etc. These methods are suitable for obtaining ultrafine particles of 0.1 μm or less.

原料の炭素前駆体としては、炭素を主体とする炭素系化合物で、不活性雰囲気中での熱処理により炭素質物になるものであれば特に限定はなく、前記易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、黒鉛化しにくい前記難黒鉛化炭素(ハードカーボン)等が挙げられる。 The carbon precursor of the raw material is not particularly limited as long as it is a carbon-based compound mainly composed of carbon and becomes a carbonaceous substance by heat treatment in an inert atmosphere, and the graphitized carbon (soft carbon) and graphite are not particularly limited. Examples thereof include the non-graphitized carbon (hard carbon) which is difficult to be formed.

原料である黒鉛成分は、天然黒鉛、石油や石炭のピッチを黒鉛化した人造黒鉛等が利用でき、鱗片状、小判状もしくは球状、円柱状もしくはファイバー状等が用いられる。また、それらの黒鉛成分を酸処理、酸化処理した後、熱処理することにより膨張させて黒鉛層間の一部が剥離してアコーディオン状となった膨張黒鉛もしくは膨張黒鉛の粉砕物、または超音波等により層間剥離させたグラフェン等も用いることができる。膨張黒鉛もしくは膨張黒鉛の粉砕物はその他の黒鉛に比べて可とう性に優れており、後述する複合粒子を形成する工程において、粉砕された粒子が再結着して略球状の複合粒子を容易に形成することができる。上記の点で、膨張黒鉛もしくは膨張黒鉛の粉砕物を用いることが好ましい。原料の黒鉛成分は予め混合工程で使用可能な大きさに整えて使用し、混合前の粒子サイズとしては天然黒鉛や人造黒鉛では1〜100μm、膨張黒鉛もしくは膨張黒鉛の粉砕物、グラフェンでは5μm〜5mm程度である。 As the raw material graphite component, natural graphite, artificial graphite obtained by graphitizing the pitch of petroleum or coal, or the like can be used, and scaly, oval or spherical, columnar or fibrous or the like is used. Further, these graphite components are acid-treated and oxidized, and then expanded by heat treatment, and a part of the graphite layers is peeled off to form an accordion-like expanded graphite or a crushed product of expanded graphite, or by ultrasonic waves or the like. Graphene or the like delaminated can also be used. Expanded graphite or a crushed product of expanded graphite is superior in flexibility to other graphites, and in the step of forming composite particles described later, the crushed particles are re-bonded to facilitate substantially spherical composite particles. Can be formed into. In the above points, it is preferable to use expanded graphite or a pulverized product of expanded graphite. The graphite component of the raw material is adjusted to a size that can be used in the mixing process in advance, and the particle size before mixing is 1 to 100 μm for natural graphite or artificial graphite, crushed expanded graphite or expanded graphite, and 5 μm for graphene. It is about 5 mm.

これらのSi化合物、炭素前駆体、さらに必要に応じて黒鉛成分との混合は、炭素前駆体が加熱により軟化、液状化するものである場合は、加熱下でSi化合物、炭素前駆体、さらに必要に応じて黒鉛成分を混練することによって行うことができる。また、炭素前駆体が溶媒に溶解するものである場合には、溶媒にSi化合物、炭素前駆体、さらに必要に応じて黒鉛成分を投入し、炭素前駆体が溶解した溶液中でSi化合物、炭素前駆体、さらに必要に応じて黒鉛成分を分散、混合し、次いで溶媒を除去することで行うことができる。用いる溶媒は、炭素前駆体を溶解できるものであれば特に制限なく使用できる。例えば、炭素前駆体としてピッチ、タール類を用いる場合には、キノリン、ピリジン、トルエン、ベンゼン、テトラヒドロフラン、クレオソート油等が使用でき、ポリ塩化ビニルを用いる場合には、テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、ニトロベンゼン等が使用でき、フェノール樹脂、フラン樹脂を用いる場合には、エタノール、メタノール等が使用できる。 Mixing with these Si compounds, carbon precursors and, if necessary, graphite components, if the carbon precursors are to be softened and liquefied by heating, the Si compounds, carbon precursors and further are required under heating. This can be done by kneading the graphite component according to the above. When the carbon precursor is soluble in a solvent, a Si compound, a carbon precursor, and a graphite component as needed are added to the solvent, and the Si compound and carbon are added to the solution in which the carbon precursor is dissolved. This can be done by dispersing and mixing the precursor and, if necessary, the graphite component and then removing the solvent. The solvent used is not particularly limited as long as it can dissolve the carbon precursor. For example, when pitch and tars are used as carbon precursors, quinoline, pyridine, toluene, benzene, tetrahydrofuran, cleosort oil and the like can be used, and when polyvinyl chloride is used, tetrahydrofuran, cyclohexanone, nitrobenzene and the like can be used. It can be used, and when a phenol resin or a furan resin is used, ethanol, methanol or the like can be used.

混合方法としては、炭素前駆体を加熱軟化させる場合は、混練機(ニーダー)を用いることができる。溶媒を用いる場合は、上述の混練機の他、ナウターミキサー、レーディゲミキサー、ヘンシェルミキサ、ハイスピードミキサー、ホモミキサー等を用いることができる。また、これらの装置でジャケット加熱したり、その後、振動乾燥機、パドルドライヤーなどで溶媒を除去する。 As a mixing method, a kneader can be used when the carbon precursor is heated and softened. When a solvent is used, in addition to the above-mentioned kneader, a Nauter mixer, a Reedige mixer, a Henschel mixer, a high-speed mixer, a homomixer and the like can be used. In addition, the jacket is heated by these devices, and then the solvent is removed by a vibration dryer, a paddle dryer, or the like.

これらの装置で、炭素前駆体を固化、または、溶媒除去の過程における撹拌をある程度の時間続けることで、Si化合物、炭素前駆体、さらに必要に応じて黒鉛成分との混合物は造粒・圧密化される。また、炭素前駆体を固化、または溶媒除去後の混合物をローラーコンパクタ等の圧縮機によって圧縮し、解砕機で粗粉砕することにより、造粒・圧密化することができる。これらの造粒・圧密化物の大きさは、その後の粉砕工程での取り扱いの容易さから0.1〜5mmが好ましい。 By solidifying the carbon precursor or continuing stirring in the process of removing the solvent for a certain period of time with these devices, the Si compound, the carbon precursor, and, if necessary, the mixture with the graphite component are granulated and consolidated. Will be done. Further, the carbon precursor is solidified or the mixture after removing the solvent is compressed by a compressor such as a roller compactor and roughly pulverized by a crusher, whereby granulation and consolidation can be performed. The size of these granulated / consolidated products is preferably 0.1 to 5 mm from the viewpoint of ease of handling in the subsequent pulverization step.

造粒・圧密化の方法は、圧縮力を利用して被砕物を粉砕するボールミル、媒体撹拌ミルや、ローラによる圧縮力を利用して粉砕を行うローラミルや、被砕物を高速で内張材に衝突もしくは粒子相互に衝突させ、その衝撃による衝撃力によって粉砕を行うジェットミルや、ハンマー、ブレード、ピンなどを固設したローターの回転による衝撃力を利用して被砕物を粉砕するハンマーミル、ピンミル、ディスクミル等の乾式の粉砕方法が好ましい。また、粉砕後に粒度分布を整えるため、風力分級、ふるい分け等の乾式分級が用いられる。粉砕機と分級機が一体となっているタイプでは、一度に粉砕、分級が行われ、所望の粒度分布とすることが可能となる。 Granulation and compaction methods include ball mills and medium stirring mills that use compressive force to crush crushed materials, roller mills that crush crushed materials using the compressive force of rollers, and lining materials at high speed. Jet mills that collide with each other or collide with each other and crush by the impact force of the impact, hammer mills and pin mills that crush the crushed material by using the impact force of the rotation of the rotor with fixed hammers, blades, pins, etc. , A dry crushing method such as a disc mill is preferable. Further, in order to adjust the particle size distribution after pulverization, dry classification such as wind power classification and sieving is used. In the type in which the crusher and the classifier are integrated, crushing and classification are performed at once, and a desired particle size distribution can be obtained.

造粒・圧密化した混合物を粉砕及び球形化処理を施す方法としては、上述の粉砕方法により粉砕して粒度を整えた後、専用の球形化装置を通す方法と、上述のジェットミルやローターの回転による衝撃力を利用して被砕物を粉砕する方法を繰り返す、もしくは処理時間を延長することで球形化する方法がある。専用の球形化装置としては、ホソカワミクロン社のファカルティ(登録商標)、ノビルタ(登録商標)、メカノフュージョン(登録商標)、日本コークス工業社のCOMPOSI、奈良機械製作所社のハイブリダイゼーションシステム、アーステクニカ社のクリプトロンオーブ、クリプトロンエディ等が挙げられる。 As a method of crushing and spheroidizing the granulated / consolidated mixture, a method of crushing by the above-mentioned crushing method to adjust the particle size and then passing through a dedicated spheroidizing device, and the above-mentioned jet mill or rotor There is a method of repeating the method of crushing the material to be crushed by utilizing the impact force due to rotation, or a method of making it spherical by extending the processing time. Dedicated spherical devices include Hosokawa Micron's Faculty (registered trademark), Nobilta (registered trademark), Mechanofusion (registered trademark), Nippon Coke Industries, Inc. COMPOSI, Nara Machinery Co., Ltd.'s hybridization system, and EarthTechnica Co., Ltd. Examples include Cryptron Orb and Cryptron Eddie.

上記粉砕および球形化処理を行うことにより、略球状の複合粒子を得ることができる。 By performing the above pulverization and spheroidizing treatment, substantially spherical composite particles can be obtained.

得られた複合粒子は、アルゴンガスや窒素ガス気流中、もしくは真空などで焼成する。焼成温度は300〜1200℃とすることが好ましく、特に好ましくは600〜1200℃である。焼成温度が300℃未満であると、炭素前駆体の未熱分解成分の残存により、複合粒子内部の黒鉛層とSi、及び、複合粒子間の電気抵抗が増大するため、放電容量が低下する傾向にある。一方、焼成温度が1200℃を超える場合、Si化合物と炭素前駆体由来の非晶質炭素や黒鉛成分との反応が起こる可能性が強くなり、放電容量の低下が発生する傾向にある。 The obtained composite particles are calcined in an argon gas or nitrogen gas stream, or in a vacuum. The firing temperature is preferably 300 to 1200 ° C, particularly preferably 600 to 1200 ° C. When the firing temperature is less than 300 ° C., the residual unpyrolyzed component of the carbon precursor increases the electrical resistance between the graphite layer and Si inside the composite particles and the composite particles, so that the discharge capacity tends to decrease. It is in. On the other hand, when the firing temperature exceeds 1200 ° C., there is a strong possibility that the reaction between the Si compound and the amorphous carbon or graphite component derived from the carbon precursor will occur, and the discharge capacity tends to decrease.

また、本発明のリチウム二次電池用複合活物質は、前工程で得られた炭素被覆した複合粒子、球形化した複合粒子もしくは焼成粉と炭素前駆体とを不活性雰囲気中で焼成し炭素膜を複合粒子もしくは焼成粒子の内外に被覆する工程を行い、製造することが好ましい。 Further, in the composite active material for a lithium secondary battery of the present invention, carbon-coated composite particles, spherical composite particles or calcined powder obtained in the previous step and a carbon precursor are fired in an inert atmosphere to form a carbon film. It is preferable to carry out a step of coating the inside and outside of the composite particles or the fired particles to produce the particles.

炭素被覆した複合粒子、球形化した複合粒子もしくは焼成粉と炭素前駆体とを不活性雰囲気中で焼成し炭素膜を複合粒子もしくは焼成粒子の内外に被覆する際には、不活性雰囲気中にメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン等の炭化水素ガスを添加し、加熱する事により、炭素被覆した焼成粉もしくは炭素被覆した複合粒子もしくは炭素被覆した焼成粉の内外に気相でCVD炭素被覆することが好ましい。炭化水素ガスについては、緻密な炭素被覆を行う観点からエチレン、プロピレンが特に好ましい。特に複合粒子もしくは焼成粉に均一に炭素被覆を行うため、焼成中に回転による撹拌が可能なバッチ式や連続式のロータリーキルンで加熱する事が好ましい。ロータリーキルンによる炭化水素ガスを使用した炭素被覆を行う条件としては、温度300〜1200℃とすることが好ましい。温度が300℃未満であると炭素被覆膜の膜質が悪くBET比表面積が高くなることで電解液の浸漬が発生し、サイクル維持率が低下する傾向にある。 When carbon-coated composite particles, spherical composite particles or calcined powder and a carbon precursor are fired in an inert atmosphere to coat the carbon film inside and outside the composite particles or calcined particles, methane is used in the inert atmosphere. , Ethane, ethylene, acetylene, propylene and other hydrocarbon gases are added and heated to coat the inside and outside of carbon-coated calcined powder or carbon-coated composite particles or carbon-coated calcined powder with a vapor phase in a vapor phase. Is preferable. As for the hydrocarbon gas, ethylene and propylene are particularly preferable from the viewpoint of performing a dense carbon coating. In particular, in order to uniformly coat the composite particles or the calcined powder with carbon, it is preferable to heat the composite particles or the calcined powder with a batch type or continuous type rotary kiln that can be stirred by rotation during firing. As a condition for carbon coating using a hydrocarbon gas by a rotary kiln, the temperature is preferably 300 to 1200 ° C. If the temperature is less than 300 ° C., the quality of the carbon coating film is poor and the BET specific surface area is high, so that the electrolytic solution is immersed and the cycle maintenance rate tends to decrease.

また、1分間当たりの炭化水素ガスの流量は、加熱部の容積に対して0.3〜3vol%が好ましい。0.3vol%よりも少ないと炭素被膜の堆積効率が悪く、3vol%よりも高いと炭素被膜の膜質が悪い。 The flow rate of the hydrocarbon gas per minute is preferably 0.3 to 3 vol% with respect to the volume of the heating unit. If it is less than 0.3 vol%, the carbon film deposition efficiency is poor, and if it is higher than 3 vol%, the carbon film quality is poor.

さらに、本発明のリチウム二次電池用複合活物質は、気相で炭素膜を被覆する工程の後、粉砕および球形処理した粉体もしくは焼成粉もしくは炭素被覆した粉体若しくはCVD炭素被覆をした粉体を風力分級する工程を行い、製造することが好ましい。 Further, the composite active material for a lithium secondary battery of the present invention is a powder or calcined powder that has been pulverized and spherically treated, or a carbon-coated powder or a CVD carbon-coated powder after the step of coating the carbon film with the gas phase. It is preferable to carry out a step of classifying the body by wind force to manufacture the body.

風力分級の方法としては、ホソカワミクロン製ATP−50のような風力分級装置に粉体を投入し、ローター回転数、や差圧等の運転条件を調整することで、分級される粉体の粒径を制御することが可能である。 As a method of wind power classification, powder is put into a wind power classification device such as ATP-50 manufactured by Hosokawa Micron, and the particle size of the powder to be classified is adjusted by adjusting the operating conditions such as the rotor rotation speed and the differential pressure. It is possible to control.

本発明のリチウム二次電池用複合活物質は、リチウム二次電池で使用される電池材料(電極材料)に使用されるリチウム二次電池用複合活物質として有用である。 The composite active material for a lithium secondary battery of the present invention is useful as a composite active material for a lithium secondary battery used as a battery material (electrode material) used in a lithium secondary battery.

リチウム二次電池用複合活物質を使用してリチウム二次電池用負極を製造する方法は特に制限されず、公知の方法を使用することができる。 The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery using a composite active material for a lithium secondary battery is not particularly limited, and a known method can be used.

例えば、リチウム二次電池用複合活物質と結着剤とを混合し、溶剤を用いてペースト化し、銅箔上に塗布してリチウム二次電池用負極とすることができる。 For example, a composite active material for a lithium secondary battery and a binder can be mixed, made into a paste using a solvent, and coated on a copper foil to obtain a negative electrode for a lithium secondary battery.

なお、集電体としては銅箔以外に、電池のサイクルがより優れる点で、三次元構造を有する集電体が好ましい。三次元構造を有する集電体の材料としては、例えば、炭素繊維、スポンジ状カーボン(スポンジ状樹脂にカーボンを塗工したもの)、金属などが挙げられる。 As the current collector, in addition to the copper foil, a current collector having a three-dimensional structure is preferable in that the battery cycle is more excellent. Examples of the material of the current collector having the three-dimensional structure include carbon fiber, sponge-like carbon (a sponge-like resin coated with carbon), and metal.

三次元構造を有する集電体(多孔質集電体)としては、金属や炭素の導電体の多孔質体として、平織り金網、エキスパンドメタル、ラス網、金属発泡体、金属織布、金属不織布、炭素繊維織布、または炭素繊維不織布などが挙げられる。 As a current collector having a three-dimensional structure (porous current collector), as a porous body of a metal or carbon conductor, a plain woven wire net, an expanded metal, a lath net, a metal foam, a metal woven cloth, a metal non-woven fabric, etc. Examples thereof include carbon fiber woven fabrics and carbon fiber non-woven fabrics.

使用される結着剤としては、公知の材料を使用でき、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、SBR、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、膠などが用いられる。 As the binder used, known materials can be used, and for example, fluororesins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, SBR, polyethylene, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, polyacrylic acid, glue and the like are used. Be done.

また、溶剤としては、例えば、水、イソプロピルアルコール、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。 Examples of the solvent include water, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide and the like.

なお、ペースト化する際には、上記のように必要に応じて、公知の攪拌機、混合機、混練機、ニーダーなどを用いて攪拌混合してもよい。 When making a paste, as described above, a known stirrer, mixer, kneader, kneader or the like may be used for stirring and mixing, if necessary.

リチウム二次電池用複合活物質を用いて塗工用スラリーを調製する場合、導電材として導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブまたはその混合物を添加することが好ましい。上記工程により得られたリチウム二次電池用複合活物質の形状は、比較的、粒状化(特に、略球形化)している場合が多く、粒子間の接触は点接触となりやすい。この弊害を避けるために、スラリーにカーボンブラック、カーボンナノチューブまたはその混合物を配合する方法が挙げられる。カーボンブラック、カーボンナノチューブまたはその混合物はスラリー溶剤の乾燥時に該リチウム二次電池用複合活物質が接触して形成する毛細管部分に集中的に凝集することが出来るので、サイクルに伴う接点切れ(抵抗増大)を防止することが出来る。 When preparing a coating slurry using a composite active material for a lithium secondary battery, it is preferable to add conductive carbon black, carbon nanotubes or a mixture thereof as a conductive material. The shape of the composite active material for a lithium secondary battery obtained by the above step is often relatively granular (particularly substantially spherical), and the contact between the particles tends to be point contact. In order to avoid this adverse effect, a method of blending carbon black, carbon nanotubes or a mixture thereof in the slurry can be mentioned. Since carbon black, carbon nanotubes, or a mixture thereof can be concentratedly aggregated in the capillary portion formed by contact with the composite active material for the lithium secondary battery when the slurry solvent is dried, the contact is broken (increased resistance) due to the cycle. ) Can be prevented.

カーボンブラック、カーボンナノチューブまたはその混合物の配合量は特に制限されないが、リチウム二次電池用複合活物質100質量部に対して、0.2〜4質量部であることが好ましく、0.5〜2質量部であることがより好ましい。カーボンナノチューブの例としては、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブがある。
(正極)
上記リチウム二次電池用複合活物質を使用して得られる負極を有するリチウム二次電池に使用される正極としては、公知の正極材料を使用した正極を使用することができる。
The blending amount of carbon black, carbon nanotubes or a mixture thereof is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 4 parts by mass and 0.5 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the composite active material for a lithium secondary battery. More preferably, it is by mass. Examples of carbon nanotubes include single-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes.
(Positive electrode)
As the positive electrode used in the lithium secondary battery having the negative electrode obtained by using the composite active material for the lithium secondary battery, a positive electrode using a known positive electrode material can be used.

正極の製造方法としては公知の方法が挙げられ、正極材料と結合剤および導電剤よりなる正極合剤を集電体の表面に塗布する方法などが挙げられる。正極材料(正極活物質)としては、酸化クロム、酸化チタン、酸化コバルト、五酸化バナジウムなどの金属酸化物や、LiCoO、LiNiO、LiNi1−yCo、LiNi1−x−yCoAl、LiMnO、LiMn、LiFeOなどのリチウム金属酸化物、硫化チタン、硫化モリブデンなどの遷移金属のカルコゲン化合物、または、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリピロールなどの導電性を有する共役系高分子物質などが挙げられる。
(電解液)
上記リチウム二次電池用複合活物質を使用して得られる負極を有するリチウム二次電池に使用される電解液としては、公知の電解液を使用することができる。
As a method for producing a positive electrode, a known method can be mentioned, and a method of applying a positive electrode mixture composed of a positive electrode material, a binder and a conductive agent to the surface of a current collector can be mentioned. As the cathode material (cathode active material), chromium oxide, titanium oxide, cobalt oxide, or metal oxides such as vanadium pentoxide, LiCoO 2, LiNiO 2, LiNi 1-y Co y O 2, LiNi 1-x-y Co x Al y O 2, LiMnO 2, LiMn 2 O 4, LiFeO 2 lithium metal oxides such as titanium sulfide, chalcogen compounds of transition metals such as molybdenum sulfide, or polyacetylene, polyparaphenylene, conductive polypyrrole Examples thereof include a conjugated polymer substance having.
(Electrolytic solution)
A known electrolytic solution can be used as the electrolytic solution used in the lithium secondary battery having a negative electrode obtained by using the composite active material for the lithium secondary battery.

例えば、電解液中に含まれる電解質塩として、LiPF、LiBF、LiAsF、LiClO、LiB(C)、LiCl、LiBr、LiCFSO、LiCHSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiN(CFCHOSO、LiN(CFCFOSO、LiN(HCFCFCHOSO、LiN{(CFCHOSO、LiB{C(CF、LiN(SOCF、LiC(SOCF、LiAlCl、LiSiFなどのリチウム塩を用いることができる。特にLiPFおよびLiBFが酸化安定性の点から好ましい。 For example, as an electrolyte salt contained in the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiClO 4, LiB (C 6 H 5), LiCl, LiBr, LiCF 3 SO 3, LiCH 3 SO 3, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 CH 2 OSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 3 OSO 2 ) 2 , LiN (HCF 2 CF 2 CH 2 OSO 2 ) 2 , LiN {(CF 3 ) 2 CHOSO 2 } 2 , LiB {C 6 H 3 (CF 3 ) 2 } 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6, etc. Lithium salts can be used. In particular, LiPF 6 and LiBF 4 are preferable from the viewpoint of oxidation stability.

電解質溶液中の電解質塩濃度は0.1〜5モル/リットルが好ましく、0.5〜3モル/リットルがより好ましい。 The electrolyte salt concentration in the electrolyte solution is preferably 0.1 to 5 mol / liter, more preferably 0.5 to 3 mol / liter.

電解液で使用される溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート、1,1−または1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソフラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、アニソール、ジエチルエーテルなどのエーテル、スルホラン、メチルスルホランなどのチオエーテル、アセトニトリル、クロロニトリル、プロピオニトリルなどのニトリル、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、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、ジメチルスルホキシド、3−メチル−2−オキサゾリン、エチレングリコール、ジメチルサルファイトなどの非プロトン性有機溶媒を用いることができる。 Examples of the solvent used in the electrolytic solution include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate, 1,1- or 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran and 2 -Methyl tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, 1,3-dioxofuran, 4-methyl-1,3-dioxolane, anisole, ethers such as diethyl ether, sulfolanes, thioethers such as methyl sulfolane, acetonitrile, chloronitrile, propionitrile, etc. Nitrile, trimethyl borate, tetramethyl silicate, nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, trimethylolthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene, dimethylsulfoxide, 3-methyl-2- Aprotonic organic solvents such as oxazoline, ethylene glycol and dimethylsulfite can be used.

なお、電解液の代わりに、高分子固体電解質、高分子ゲル電解質などの高分子電解質を使用してもよい。高分子固体電解質または高分子ゲル電解質のマトリクスを構成する高分子化合物としては、ポリエチレンオキサイドやその架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのメタクリレート系高分子化合物、ポリアクリレートなどのアクリレート系高分子化合物、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)やビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系高分子化合物が好ましい。これらを混合して使用することもできる。酸化還元安定性などの観点から、PVDFやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系高分子化合物が特に好ましい。
(セパレータ)
上記リチウム二次電池用複合活物質を使用して得られる負極を有するリチウム二次電池に使用されるセパレータとしては、公知の材料を使用できる。例えば、織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜などが例示される。合成樹脂製微多孔膜が好適であるが、なかでもポリオレフィン系微多孔膜が、膜厚、膜強度、膜抵抗などの点から好適である。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜などである。
Instead of the electrolytic solution, a polymer electrolyte such as a polymer solid electrolyte or a polymer gel electrolyte may be used. Examples of the polymer compound constituting the matrix of the polymer solid electrolyte or the polymer gel electrolyte include ether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and its crosslinked product, methacrylate-based polymer compounds such as polymethacrylate, and acrylate-based compounds such as polyacrylate. Polymer compounds, fluoropolymer compounds such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer are preferred. These can also be mixed and used. From the viewpoint of redox stability and the like, fluoropolymer compounds such as PVDF and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer are particularly preferable.
(Separator)
A known material can be used as the separator used in the lithium secondary battery having a negative electrode obtained by using the composite active material for the lithium secondary battery. Examples thereof include woven fabrics, non-woven fabrics, and microporous membranes made of synthetic resins. A microporous membrane made of synthetic resin is preferable, and among them, a polyolefin-based microporous membrane is preferable in terms of film thickness, membrane strength, membrane resistance, and the like. Specifically, it is a microporous membrane made of polyethylene and polypropylene, or a microporous membrane made of a composite thereof.

リチウム二次電池は、上述した負極、正極、セパレータ、電解液、その他電池構成要素(例えば、集電体、ガスケット、封口板、ケースなど)を用いて、常法にしたがって円筒型、角型あるいはボタン型などの形態を有することができる。 The lithium secondary battery uses the above-mentioned negative electrode, positive electrode, separator, electrolyte, and other battery components (for example, current collector, gasket, sealing plate, case, etc.) and is cylindrical, square, or according to a conventional method. It can have a form such as a button type.

本発明のリチウム二次電池用複合活物質を含むリチウム二次電池は、充放電を20回繰り返した際のクーロン効率が、他のリチウム二次電池用複合活物質を用いたリチウム二次電池より高いものである。より具体的には市販の人造黒鉛と比較して99%以上である。クーロン効率は充放電サイクルを繰り返すことで徐々に増加し20回程度から一定になる傾向があり、長期のサイクル維持率を反映するために20回目でのクーロン効率を確認する。 The lithium secondary battery containing the composite active material for a lithium secondary battery of the present invention has a Coulomb efficiency when charging and discharging are repeated 20 times, as compared with a lithium secondary battery using another composite active material for a lithium secondary battery. It's expensive. More specifically, it is 99% or more as compared with commercially available artificial graphite. The coulomb efficiency tends to gradually increase by repeating the charge / discharge cycle and become constant from about 20 times, and the coulomb efficiency at the 20th time is confirmed in order to reflect the long-term cycle maintenance rate.

本発明のリチウム二次電池は、各種携帯電子機器に用いられ、特にノート型パソコン、ノート型ワープロ、パームトップ(ポケット)パソコン、携帯電話、携帯ファックス、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオカメラ、携帯テレビ、ポータブルCD、ポータブルMD、電動髭剃り機、電子手帳、トランシーバー、電動工具、ラジオ、テープレコーダー、デジタルカメラ、携帯コピー機、携帯ゲーム機などに用いることができる。また、さらに、電気自動車、ハイブリッド自動車、自動販売機、電動カート、ロードレベリング用蓄電システム、家庭用蓄電器、分散型電力貯蔵機システム(据置型電化製品に内蔵)、非常時電力供給システムなどの二次電池として用いることもできる。 The lithium secondary battery of the present invention is used in various portable electronic devices, and in particular, a notebook computer, a notebook word processor, a palm top (pocket) computer, a mobile phone, a mobile fax, a mobile printer, a headphone stereo, a video camera, and a portable television. , Portable CD, Portable MD, Electric Shaving Machine, Electronic Notebook, Transceiver, Electric Tool, Radio, Tape Recorder, Digital Camera, Portable Copy Machine, Portable Game Machine, etc. In addition, there are two types of vehicles such as electric vehicles, hybrid vehicles, vending machines, electric carts, power storage systems for road leveling, household power storage, distributed power storage systems (built into stationary electrical appliances), and emergency power supply systems. It can also be used as a secondary battery.

本発明の実施例1で製造したシリコン系リチウム二次電池用複合活物質のTG−DTA曲線である。It is a TG-DTA curve of the composite active material for a silicon-based lithium secondary battery produced in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1で製造したシリコン系リチウム二次電池用複合活物質のラマン分光スペクトルである。It is a Raman spectroscopic spectrum of the composite active material for a silicon-based lithium secondary battery produced in Example 1 of this invention. 本発明の参考例1で製造したシリコン系リチウム二次電池用複合活物質のTG−DTA曲線である。It is a TG-DTA curve of the composite active material for a silicon-based lithium secondary battery manufactured in Reference Example 1 of this invention. 本発明の参考例1で製造したシリコン系リチウム二次電池用複合活物質のラマン分光スペクトルである。It is a Raman spectroscopic spectrum of a composite active material for a silicon-based lithium secondary battery manufactured in Reference Example 1 of the present invention.

以下、実施例により、本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<実施例1>
(膨張黒鉛の調製)
平均粒子径1mmの鱗片状天然黒鉛を硫酸9質量部、硝酸1質量部の混酸に室温で1時間浸漬後、No3ガラスフィルターで混酸を除去して酸処理黒鉛を得た。さらに酸処理黒鉛を水洗後、乾燥した。乾燥した酸処理黒鉛5gを蒸留水100g中で攪拌し、1時間後にpHを測定したところ、pHは6.7であった。乾燥した酸処理黒鉛を850℃に設定した窒素雰囲気下の縦型電気炉に投入し、膨張黒鉛を得た。膨張黒鉛の嵩密度は0.002g/cm、比表面積は45m/gであった。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
<Example 1>
(Preparation of expanded graphite)
A scaly natural graphite having an average particle diameter of 1 mm was immersed in a mixed acid of 9 parts by mass of sulfuric acid and 1 part by mass of nitric acid at room temperature for 1 hour, and then the mixed acid was removed with a No. 3 glass filter to obtain acid-treated graphite. Further, the acid-treated graphite was washed with water and then dried. When 5 g of the dried acid-treated graphite was stirred in 100 g of distilled water and the pH was measured 1 hour later, the pH was 6.7. The dried acid-treated graphite was put into a vertical electric furnace under a nitrogen atmosphere set at 850 ° C. to obtain expanded graphite. The bulk density of expanded graphite was 0.002 g / cm 3 , and the specific surface area was 45 m 2 / g.

(混合工程)
D50が7μmのケミカルグレードの金属Si(純度3N)をエタノールに21重量%混合し、直径0.3mmのジルコニアビーズを用いた微粉砕を6時間行い、D50が0.3μm、乾燥時のBET比表面積が100m/gの超微粒子Siスラリーを得た。
(Mixing process)
21% by weight of chemical grade metallic Si (purity 3N) having a D50 of 7 μm was mixed with ethanol, and fine pulverization using zirconia beads having a diameter of 0.3 mm was performed for 6 hours. An ultrafine Si slurry having a surface area of 100 m 2 / g was obtained.

粒子径0.3mm((200)面方向の幅)、厚み10μmの酸処理した天然黒鉛を振動粉末供給器に入れ、12L/分の流量の窒素ガスに乗せて電気ヒーターで850℃に加熱した長さ1m、内径20mmのムライト管に通し、端面から大気に放出し、亜硫酸等のガスを上部に排気、下部に膨張黒鉛をステンレス容器で捕集した。膨張黒鉛の(200)面方向の幅は0.3mmで元の黒鉛の値を保っていたが、厚みは2.4mmと240倍に膨張し、外観はコイル状であり、SEM観察で黒鉛層が剥離し、アコーディオン状であることが確認された。 Acid-treated natural graphite having a particle size of 0.3 mm (width in the direction of the (200) plane) and a thickness of 10 μm was placed in a vibrating powder feeder, placed on nitrogen gas at a flow rate of 12 L / min, and heated to 850 ° C. with an electric heater. It was passed through a Murite tube having a length of 1 m and an inner diameter of 20 mm, and was released into the atmosphere from the end face, gas such as sulfurous acid was exhausted to the upper part, and expanded graphite was collected in the lower part in a stainless steel container. The width of the expanded graphite in the (200) plane direction was 0.3 mm, which was the same as that of the original graphite, but the thickness was 2.4 mm, which expanded 240 times, and the appearance was coiled. Was peeled off, and it was confirmed that it was accordion-like.

上記超微粒子Siスラリーを1049g、上記膨張黒鉛を300g、レゾール型のフェノール樹脂(重量平均分子量(Mw)=370)を125g、エタノール5Lを撹拌容器に入れ、インラインミキサーで22分混合撹拌した。その後、混合液をロータリーエバポレーターに移し、回転しながら温浴で40℃に加熱し、アスピレータで真空に引き、溶媒を除去した。その後、ドラフト中でバットに広げて排気しながら2時間乾燥し、目開き2mmのメッシュを通し、さらに1日間乾燥して、混合乾燥物(軽装かさ密度212g/L)を得た。 1049 g of the ultrafine Si slurry, 300 g of the expanded graphite, 125 g of a resole-type phenol resin (weight average molecular weight (Mw) = 370), and 5 L of ethanol were placed in a stirring container, and the mixture was mixed and stirred with an in-line mixer for 22 minutes. Then, the mixed solution was transferred to a rotary evaporator, heated to 40 ° C. in a warm bath while rotating, and evacuated by an aspirator to remove the solvent. Then, it was spread on a vat in a draft and dried for 2 hours while being exhausted, passed through a mesh having a mesh size of 2 mm, and dried for another day to obtain a mixed dry product (light bulk density 212 g / L).

(プレス工程)
この混合乾燥物を3本ロールミルに2回通し、目開き1mmの篩を通し、軽装かさ密度391g/Lに造粒・圧密化した。
(Press process)
This mixed dried product was passed through a three-roll mill twice, passed through a sieve having an opening of 1 mm, and granulated and compacted to a light bulk density of 391 g / L.

(球形化工程)
次に、この造粒・圧密化物をニューパワーミルに入れて水冷しながら、21000rpmで300秒粉砕し、同時に球形化し、軽装かさ密度452g/Lの略球状複合粉末を得た。
(Spheroidization process)
Next, this granulated / consolidated product was placed in a new power mill and pulverized at 21000 rpm for 300 seconds while being water-cooled, and at the same time sphericalized to obtain a substantially spherical composite powder having a light bulk density of 452 g / L.

(焼成工程)
得られた粉末を石英ボートに入れて、管状炉で窒素ガスを流しながら、最高温度900℃で1時間焼成する事でフェノール樹脂の炭化を同時に行った。これにより、黒鉛成分の含有量60質量部、Si含有量30質量部、炭素質物10質量部(フェノール樹脂由来のハードカーボン含有量)からなる略球状焼成粉を得た。
(Baking process)
The obtained powder was placed in a quartz boat and calcined at a maximum temperature of 900 ° C. for 1 hour while flowing nitrogen gas in a tubular furnace to simultaneously carbonize the phenol resin. As a result, a substantially spherical calcined powder having a graphite component content of 60 parts by mass, a Si content of 30 parts by mass, and a carbonaceous substance of 10 parts by mass (hard carbon content derived from phenol resin) was obtained.

その後、目開き45μmのメッシュを通し、軽装かさ密度466g/L、D50が22.0μm、BET比表面積:65m/gの略球状焼成粉を得た。 Then, a substantially spherical calcined powder having a light bulk density of 466 g / L, a D50 of 22.0 μm, and a BET specific surface area of 65 m 2 / g was obtained through a mesh having an opening of 45 μm.

(コールタールピッチによる炭素被覆)
得られた略球状焼成粉150gとコールタールピッチ118gをボールミルにより混合した後、キノリン150gを加え、10分間撹拌した後、以下の方法を用い焼成を行い、被覆を行った。
(Carbon coating with coal tar pitch)
After mixing 150 g of the obtained substantially spherical calcined powder and 118 g of coal tar pitch with a ball mill, 150 g of quinoline was added, and the mixture was stirred for 10 minutes, and then calcined and coated by the following method.

(焼成)
窒素を流しながら(4L/min)、昇温速度を5℃/minとし、混合物を600℃で2時間加熱することで、コールタールピッチをソフトカーボンへ変性させた。これにより、黒鉛成分の含有量60質量部、Si含有量30質量部、炭素質物40質量部(フェノール樹脂由来のハードカーボンの含有量10質量部、コールタールピッチ由来のソフトカーボンの含有量30質量部)からなるシリコン系リチウム二次電池用複合活物質を得た。
(Baking)
The coal tar pitch was denatured into soft carbon by heating the mixture at 600 ° C. for 2 hours at a heating rate of 5 ° C./min while flowing nitrogen (4 L / min). As a result, the content of graphite component is 60 parts by mass, the content of Si is 30 parts by mass, and the content of carbonaceous material is 40 parts by mass (content of hard carbon derived from phenol resin is 10 parts by mass, content of soft carbon derived from coal tar pitch is 30 parts by mass). Part) was obtained as a composite active material for a silicon-based lithium secondary battery.

(解砕・篩)
得られたシリコン系リチウム二次電池用複合活物質をスタンプミルにて解砕した後にボールミルによって粉砕し、目開き45μmのメッシュを通し、軽装かさ密度405g/L、D50が15.9μmの粉砕粉を得た。
(Crushing / sieving)
The obtained composite active material for a silicon-based lithium secondary battery is crushed by a stamp mill, crushed by a ball mill, passed through a mesh having a mesh size of 45 μm, and crushed powder having a light bulk density of 405 g / L and a D50 of 15.9 μm. Got

(気相コートによる炭素被覆)
コールタールピッチによる炭素被覆された粉砕粉100gを高砂工業製バッチ式ロータリーキルンTRB−0−1Eに投入し、昇温速度は200℃/hr、エチレン2L/min、窒素8L/minを流しながら900℃1時間の加熱によるCVD炭素被覆を行った。CVD炭素被覆による重量増加量は同一バッチ内3か所測定して平均17%、標準偏差4.0であった。これにより、黒鉛成分の含有量60質量部、Si含有量30質量部、炭素質物59質量部(フェノール樹脂由来のハードカーボンの含有量10質量部、コールタールピッチ由来のソフトカーボンの含有量32質量部、CVD炭素被膜17質量部)からなるシリコン系リチウム二次電池用複合活物質を得た。
(Carbon coating with vapor phase coat)
100 g of carbon-coated crushed powder produced by coal tar pitch was put into a batch rotary kiln TRB-0-1E manufactured by Takasago Industry Co., Ltd. CVD carbon coating was performed by heating for 1 hour. The amount of weight increase due to CVD carbon coating was 17% on average and 4.0 standard deviation measured at three locations in the same batch. As a result, the content of graphite component is 60 parts by mass, the content of Si is 30 parts by mass, and the content of carbonaceous material is 59 parts by mass (content of hard carbon derived from phenol resin is 10 parts by mass, content of soft carbon derived from coal tar pitch is 32 parts by mass). A composite active material for a silicon-based lithium secondary battery was obtained, which consisted of 17 parts by mass of a CVD carbon film).

その物性は以下の通りである。粒度分布D50:8.0μm、D90:15.8μm、BET比表面積:4.9m/g、開気孔体積:0.02cm/g、形状:略球状。 Its physical characteristics are as follows. Particle size distribution D50: 8.0 μm, D90: 15.8 μm, BET specific surface area: 4.9 m 2 / g, open pore volume: 0.02 cm 3 / g, shape: substantially spherical.

大気中での熱分析結果を図1に示す。熱分析装置は、ブルカー・エイエックスTG−DTA2020SAを用い、試料約5mgをAlパンに入れ、雰囲気ガスAirを50ml/min.の速度で流通させながら、昇温速度5℃/min.の条件での標準試料であるAlに対する熱挙動変化を調べた。分解開始温度は、減量開始前後で接線を引き、交点の温度を分解開始温度と定義し求めた。その結果、分解開始温度は、 605℃、657℃の二つで、その差分温度は52℃であった。1000℃までの最大重量減少は77.1%であった。 The results of thermal analysis in the atmosphere are shown in FIG. As a thermal analyzer, Bruker AX TG-DTA2020SA was used, about 5 mg of a sample was placed in an Al 2 O 3 pan, and 50 ml / min of atmospheric gas Air was added. The temperature rise rate was 5 ° C./min. The change in thermal behavior with respect to Al 2 O 3 which is a standard sample under the above conditions was investigated. The decomposition start temperature was determined by drawing a tangent line before and after the start of weight loss and defining the temperature at the intersection as the decomposition start temperature. As a result, the decomposition start temperature was 605 ° C and 657 ° C, and the difference temperature was 52 ° C. The maximum weight loss up to 1000 ° C. was 77.1%.

また、ラマン分光測定スペクトルを図2に示す。ラマン分光装置は日本分光製NRS−5100を用い、レーザー波長532nm、レーザー強度1.7mWレーザーを用い、グレーチングで1800l/mm、露出時間100秒で積算2回で測定した。ラマン分光測定からもとめられる欠陥量(Dバンド/Gバンド比)は1.15であった。 The Raman spectroscopic measurement spectrum is shown in FIG. The Raman spectroscope used an NRS-5100 manufactured by Nippon Spectroscopy, a laser wavelength of 532 nm, a laser intensity of 1.7 mW, and a grating of 1800 l / mm, an exposure time of 100 seconds, and a total of two measurements. The amount of defects (D band / G band ratio) determined from Raman spectroscopy was 1.15.

また、上記(コールタールピッチによる被覆)を実施する前の略球形の混合物のBET比表面積が63.3m/gであり、得られた略球形のシリコン系リチウム二次電池用複合活物質のBET比表面積が1.5m/gであり、BET比表面積が大きく低下している点からも、黒鉛成分およびSiが炭素質物であるソフトカーボン、CVD炭素被膜で覆われた構造をとっていることが分かる。 Further, the BET specific surface area of the substantially spherical mixture before carrying out the above (coating with coal tar pitch) was 63.3 m 2 / g, and the obtained substantially spherical composite active material for a silicon-based lithium secondary battery was obtained. The BET specific surface area is 1.5 m 2 / g, and the BET specific surface area is significantly reduced. Therefore, the structure is covered with soft carbon and a CVD carbon film in which the graphite component and Si are carbonaceous substances. You can see that.

(リチウム二次電池用負極の作製)
得られたシリコン系リチウム二次電池用複合活物質95.5重量%(固形分全量中の含有量。以下同じ。)に対して、導電助剤としてTimcal製スーパーC65を0.5重量%と、バインダとして和光純薬工業製CLPを4重量%、水とを混合して負極合剤含有スラリーを調製した。
(Manufacturing of negative electrode for lithium secondary battery)
To 95.5% by weight of the obtained composite active material for a silicon-based lithium secondary battery (content in the total solid content; the same applies hereinafter), 0.5% by weight of Super C65 manufactured by Timcal as a conductive auxiliary agent was added. , 4% by weight of CLP manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was mixed with water as a binder to prepare a slurry containing a negative electrode mixture.

得られたスラリーを、アプリケータを用いて固形分塗布量が4.9mg/cmになるように厚みが18μmの銅箔に塗布し、110℃で真空乾燥機にて2時間乾燥した。乾燥後、14mmφの円形に打ち抜き、圧力3t/cmの条件で一軸プレスし、さらに真空下、110℃で2時間熱処理して、厚みが24μmの負極合剤層を形成したリチウムイオン二次電池用負極を得た。 The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 18 μm using an applicator so that the amount of solid content applied was 4.9 mg / cm 2, and dried at 110 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer. After drying, the lithium ion secondary battery is punched into a circular shape of 14 mmφ , uniaxially pressed under the condition of a pressure of 3 t / cm 2 , and further heat-treated at 110 ° C. for 2 hours under vacuum to form a negative electrode mixture layer having a thickness of 24 μm. Negative electrode for use was obtained.

「評価用セルの作製」
評価用セルは、グローブボックス中でスクリューセルに上記負極、24mmφのポリプロピレン製セパレータ、21mmφのガラスフィルター、18mmφで厚み0.2mmの金属リチウムおよびその基材のステンレス箔を、各々、電解液にディップしたのち、この順に積層し、最後に蓋をねじ込み作製した。電解液はエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1対1の混合溶媒とし、添加剤はFEC(フルオロエチレンカーボネイト)とし、LiPFを1.2vol/Lの濃度になるように溶解させたものを使用した。評価用セルは、さらにシリカゲルを入れた密閉ガラス容器に入れて、シリコンゴムの蓋を通した電極を充放電装置に接続した。
"Preparation of evaluation cell"
In the glove box, the negative electrode, the polypropylene separator of 24 mmφ, the glass filter of 21 mmφ, the metallic lithium of 18 mmφ and the thickness of 0.2 mm, and the stainless steel foil of the base material are dipped into the electrolytic solution in the screw cell in the glove box. Then, they were laminated in this order, and finally the lid was screwed in to prepare. The electrolytic solution used was a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1, the additive was FEC (fluoroethylene carbonate), and LiPF 6 was dissolved to a concentration of 1.2 vol / L. bottom. The evaluation cell was further placed in a closed glass container containing silica gel, and an electrode passed through a silicon rubber lid was connected to the charging / discharging device.

評価用セルは25℃の恒温室にて、サイクル試験した。充電は、2.2mAの定電流で0.01Vまで充電後、0.01Vの定電圧で電流値が0.2mAになるまで行った。また放電は、2.2mAの定電流で1.5Vの電圧値まで行った。初回放電容量と初期充放電効率は、初回充放電試験の結果とした。また、サイクル特性は、前記充放電条件にて20回充放電試験した後の放電容量を初回の放電容量と比較し、その容量維持率として評価した。
<参考例1>
(膨張黒鉛の調製)
実施例1と同様の方法に膨張黒鉛を調製した。
(混合工程)
D50が7μmのケミカルグレードの金属Si(純度3N)をエタノールに21重量%混合し、直径0.3mmのジルコニアビーズを用いた微粉砕を6時間行い、D50が0.3μm、乾燥時のBET比表面積が100m/gの超微粒子Siスラリーを得た。
The evaluation cell was cycle tested in a thermostatic chamber at 25 ° C. Charging was carried out at a constant current of 2.2 mA to 0.01 V, and then at a constant voltage of 0.01 V until the current value reached 0.2 mA. The discharge was performed with a constant current of 2.2 mA up to a voltage value of 1.5 V. The initial discharge capacity and the initial charge / discharge efficiency are the results of the initial charge / discharge test. In addition, the cycle characteristics were evaluated as the capacity retention rate by comparing the discharge capacity after the charge / discharge test 20 times under the charge / discharge conditions with the initial discharge capacity.
<Reference example 1>
(Preparation of expanded graphite)
Expanded graphite was prepared in the same manner as in Example 1.
(Mixing process)
21% by weight of chemical grade metallic Si (purity 3N) having a D50 of 7 μm was mixed with ethanol, and fine pulverization using zirconia beads having a diameter of 0.3 mm was performed for 6 hours. An ultrafine Si slurry having a surface area of 100 m 2 / g was obtained.

粒子径0.3mm((200)面方向の幅)、厚み10μmの酸処理した天然黒鉛を振動粉末供給器に入れ、12L/分の流量の窒素ガスに乗せて電気ヒーターで850℃に加熱した長さ1m、内径20mmのムライト管に通し、端面から大気に放出し、亜硫酸等のガスを上部に排気、下部に膨張黒鉛をステンレス容器で捕集した。膨張黒鉛の(200)面方向の幅は0.3mmで元の黒鉛の値を保っていたが、厚みは2.4mmと240倍に膨張し、外観はコイル状であり、SEM観察で黒鉛層が剥離し、アコーディオン状であることが確認された。 Acid-treated natural graphite having a particle size of 0.3 mm (width in the direction of the (200) plane) and a thickness of 10 μm was placed in a vibrating powder feeder, placed on nitrogen gas at a flow rate of 12 L / min, and heated to 850 ° C. with an electric heater. It was passed through a Murite tube having a length of 1 m and an inner diameter of 20 mm, and was released into the atmosphere from the end face, gas such as sulfurous acid was exhausted to the upper part, and expanded graphite was collected in the lower part in a stainless steel container. The width of the expanded graphite in the (200) plane direction was 0.3 mm, which was the same as that of the original graphite, but the thickness was 2.4 mm, which expanded 240 times, and the appearance was coiled. Was peeled off, and it was confirmed that it was accordion-like.

上記超微粒子Siスラリーを1049g、上記膨張黒鉛を300g、レゾール型のフェノール樹脂(重量平均分子量(Mw)=370)を125g、エタノール5Lを撹拌容器に入れ、インラインミキサーで22分混合撹拌した。その後、混合液をロータリーエバポレーターに移し、回転しながら温浴で40℃に加熱し、アスピレータで真空に引き、溶媒を除去した。その後、ドラフト中でバットに広げて排気しながら2時間乾燥し、目開き2mmのメッシュを通し、さらに1日間乾燥して、混合乾燥物(軽装かさ密度235g/L)を得た。 1049 g of the ultrafine Si slurry, 300 g of the expanded graphite, 125 g of a resole-type phenol resin (weight average molecular weight (Mw) = 370), and 5 L of ethanol were placed in a stirring container, and the mixture was mixed and stirred with an in-line mixer for 22 minutes. Then, the mixed solution was transferred to a rotary evaporator, heated to 40 ° C. in a warm bath while rotating, and evacuated by an aspirator to remove the solvent. Then, it was spread on a vat in a draft and dried for 2 hours while being exhausted, passed through a mesh having a mesh size of 2 mm, and dried for another day to obtain a mixed dry matter (light bulk density 235 g / L).

(プレス工程)
この混合乾燥物を3本ロールミルに2回通し、目開き1mmの篩を通し、軽装かさ密度467g/Lに造粒・圧密化した。
(Press process)
This mixed dried product was passed through a three-roll mill twice, passed through a sieve having an opening of 1 mm, and granulated and compacted to a light bulk density of 467 g / L.

(球形化工程)
次に、この造粒・圧密化物をニューパワーミルに入れて水冷しながら、21000rpmで300秒粉砕し、同時に球形化し、軽装かさ密度422g/Lの略球状複合粉末を得た。
(Spheroidization process)
Next, this granulated / consolidated product was placed in a new power mill and pulverized at 21000 rpm for 300 seconds while being water-cooled, and at the same time sphericalized to obtain a substantially spherical composite powder having a light bulk density of 422 g / L.

(焼成工程)
得られた粉末を石英ボートに入れて、管状炉で窒素ガスを流しながら、最高温度900℃で1時間焼成する事でフェノール樹脂の炭化を同時に行った。これにより、黒鉛成分の含有量60質量部、Si含有量30質量部、炭素質物10質量部(フェノール樹脂由来のハードカーボン含有量)からなる略球状焼成粉を得た。
(Baking process)
The obtained powder was placed in a quartz boat and calcined at a maximum temperature of 900 ° C. for 1 hour while flowing nitrogen gas in a tubular furnace to simultaneously carbonize the phenol resin. As a result, a substantially spherical calcined powder having a graphite component content of 60 parts by mass, a Si content of 30 parts by mass, and a carbonaceous substance of 10 parts by mass (hard carbon content derived from phenol resin) was obtained.

その後、目開き45μmのメッシュを通し、軽装かさ密度599g/L、D50が20.0μm、BET比表面積:64m/gの略球状焼成粉を得た。
(コールタールピッチによる炭素被覆)
得られた略球状焼成粉150gとコールタールピッチ118gをボールミルにより混合した後、キノリン150gを加え、10分間撹拌した後、以下の方法を用い焼成を行い、被覆を行った。
Then, a substantially spherical calcined powder having a light bulk density of 599 g / L, a D50 of 20.0 μm, and a BET specific surface area of 64 m 2 / g was obtained through a mesh having an opening of 45 μm.
(Carbon coating with coal tar pitch)
After mixing 150 g of the obtained substantially spherical calcined powder and 118 g of coal tar pitch with a ball mill, 150 g of quinoline was added, and the mixture was stirred for 10 minutes, and then calcined and coated by the following method.

(焼成)
窒素を流しながら(4L/min)、昇温速度を5℃/minとし、混合物を600℃で2時間加熱することで、コールタールピッチをソフトカーボンへ変性させた。これにより、黒鉛成分の含有量60質量部、Si含有量30質量部、炭素質物40質量部(フェノール樹脂由来のハードカーボンの含有量10質量部、コールタールピッチ由来のソフトカーボンの含有量30質量部)からなるシリコン系リチウム二次電池用複合活物質を得た。
(Baking)
The coal tar pitch was denatured into soft carbon by heating the mixture at 600 ° C. for 2 hours at a heating rate of 5 ° C./min while flowing nitrogen (4 L / min). As a result, the content of graphite component is 60 parts by mass, the content of Si is 30 parts by mass, and the content of carbonaceous material is 40 parts by mass (content of hard carbon derived from phenol resin is 10 parts by mass, content of soft carbon derived from coal tar pitch is 30 parts by mass). Part) was obtained as a composite active material for a silicon-based lithium secondary battery.

(解砕・篩)
得られたシリコン系リチウム二次電池用複合活物質をスタンプミルにて解砕した後にボールミルによって粉砕し、目開き45μmのメッシュを通し、軽装かさ密度462g/L、D50が15.9μmの粉砕粉を得た。
(Crushing / sieving)
The obtained composite active material for a silicon-based lithium secondary battery is crushed by a stamp mill, crushed by a ball mill, passed through a mesh having a mesh size of 45 μm, and crushed powder having a light bulk density of 462 g / L and a D50 of 15.9 μm. Got

その物性は以下の通りである。粒度分布D50:5.7μm、D90:10.6μm、BET比表面積:25.6m/g、開気孔体積:0.04cm/g、形状:略球状。 Its physical characteristics are as follows. Particle size distribution D50: 5.7 μm, D90: 10.6 μm, BET specific surface area: 25.6 m 2 / g, open pore volume: 0.04 cm 3 / g, shape: substantially spherical.

大気中での熱分析結果を図3に示す。熱分析装置は、ブルカー・エイエックスTG−DTA2020SAを用い、試料約5mgをAlパンに入れ、雰囲気ガスAirを50ml/min.の速度で流通させながら、昇温速度5℃/min.の条件での標準試料であるAlに対する熱挙動変化を調べた。分解開始温度は、減量開始前後で接線を引き、交点の温度を分解開始温度と定義し求めた。その結果、分解開始温度は、 506℃、666℃の二つで、その差分温度は16052℃であった。1000℃までの最大重量減少は79.0%であった。 The results of thermal analysis in the atmosphere are shown in FIG. As a thermal analyzer, Bruker AX TG-DTA2020SA was used, about 5 mg of a sample was placed in an Al 2 O 3 pan, and 50 ml / min of atmospheric gas Air was added. The temperature rise rate was 5 ° C./min. The change in thermal behavior with respect to Al 2 O 3 which is a standard sample under the above conditions was investigated. The decomposition start temperature was determined by drawing a tangent line before and after the start of weight loss and defining the temperature at the intersection as the decomposition start temperature. As a result, the decomposition start temperature was 506 ° C and 666 ° C, and the difference temperature was 16052 ° C. The maximum weight loss up to 1000 ° C. was 79.0%.

また、ラマン分光測定スペクトルを図4に示す。ラマン分光装置は日本分光製NRS−5100を用い、レーザー波長532nm、レーザー強度5.7mWレーザーを用い、グレーチングで1800l/mm、露出時間50秒で積算2回で測定した。ラマン分光測定からもとめられる欠陥量(Dバンド/Gバンド比)は0.4であった。 The Raman spectroscopic measurement spectrum is shown in FIG. The Raman spectroscope used NRS-5100 manufactured by Nippon Spectroscopy, a laser wavelength of 532 nm, a laser intensity of 5.7 mW, and a grating of 1800 l / mm, an exposure time of 50 seconds, and a total of two measurements. The amount of defects (D band / G band ratio) determined from Raman spectroscopy was 0.4.

(リチウム二次電池用負極の作製)
得られたシリコン系リチウム二次電池用複合活物質95.5重量%(固形分全量中の含有量。以下同じ。)に対して、導電助剤としてTimcal製スーパーC65を0.5重量%と、バインダとして和光純薬工業製CLPを4重量%、水とを混合して負極合剤含有スラリーを調製した。
(Manufacturing of negative electrode for lithium secondary battery)
To 95.5% by weight of the obtained composite active material for a silicon-based lithium secondary battery (content in the total solid content; the same applies hereinafter), 0.5% by weight of Super C65 manufactured by Timcal as a conductive auxiliary agent was added. , 4% by weight of CLP manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was mixed with water as a binder to prepare a slurry containing a negative electrode mixture.

得られたスラリーを、アプリケータを用いて固形分塗布量が1.6mg/cmになるように厚みが18μmの銅箔に塗布し、110℃で真空乾燥機にて2時間乾燥した。乾燥後、14mmφの円形に打ち抜き、圧力3t/cmの条件で一軸プレスし、さらに真空下、110℃で2時間熱処理して、厚みが15μmの負極合剤層を形成したリチウムイオン二次電池用負極を得た。 The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 18 μm using an applicator so that the amount of solid content applied was 1.6 mg / cm 2, and dried at 110 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer. After drying, the lithium ion secondary battery is punched into a circular shape of 14 mmφ , uniaxially pressed under the condition of a pressure of 3 t / cm 2 , and further heat-treated at 110 ° C. for 2 hours under vacuum to form a negative electrode mixture layer having a thickness of 15 μm. Negative electrode for use was obtained.

「評価用セルの作製」
評価用セルは、グローブボックス中でスクリューセルに上記負極、24mmφのポリプロピレン製セパレータ、21mmφのガラスフィルター、18mmφで厚み0.2mmの金属リチウムおよびその基材のステンレス箔を、各々、電解液にディップしたのち、この順に積層し、最後に蓋をねじ込み作製した。電解液はエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1対1の混合溶媒とし、添加剤はFEC(フルオロエチレンカーボネイト)とし、LiPFを1.2vol/Lの濃度になるように溶解させたものを使用した。評価用セルは、さらにシリカゲルを入れた密閉ガラス容器に入れて、シリコンゴムの蓋を通した電極を充放電装置に接続した。
"Preparation of evaluation cell"
In the glove box, the negative electrode, the polypropylene separator of 24 mmφ, the glass filter of 21 mmφ, the metallic lithium of 18 mmφ and the thickness of 0.2 mm, and the stainless steel foil of the base material are dipped into the electrolytic solution in the screw cell in the glove box. Then, they were laminated in this order, and finally the lid was screwed in to prepare. The electrolytic solution used was a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1, the additive was FEC (fluoroethylene carbonate), and LiPF 6 was dissolved to a concentration of 1.2 vol / L. bottom. The evaluation cell was further placed in a closed glass container containing silica gel, and an electrode passed through a silicon rubber lid was connected to the charging / discharging device.

評価用セルは25℃の恒温室にて、サイクル試験した。充電は、0.34mAの定電流で0.01Vまで充電後、0.01Vの定電圧で電流値が0.2mAになるまで行った。また放電は、0.34mAの定電流で1.5Vの電圧値まで行った。初回放電容量と初期充放電効率は、初回充放電試験の結果とした。また、サイクル特性は、前記充放電条件にて20回充放電試験した後の放電容量を初回の放電容量と比較し、その容量維持率として評価した。 The evaluation cell was cycle tested in a thermostatic chamber at 25 ° C. Charging was carried out at a constant current of 0.34 mA to 0.01 V, and then at a constant voltage of 0.01 V until the current value reached 0.2 mA. The discharge was performed with a constant current of 0.34 mA up to a voltage value of 1.5 V. The initial discharge capacity and the initial charge / discharge efficiency are the results of the initial charge / discharge test. In addition, the cycle characteristics were evaluated as the capacity retention rate by comparing the discharge capacity after the charge / discharge test 20 times under the charge / discharge conditions with the initial discharge capacity.

Claims (7)

次電池複合活物質において、該活物質を大気雰囲気下で昇温速度5℃/minで昇温した時の熱分解開始温度が530℃以上であり、平均細孔径10〜40nm、開気孔体積0.06cm/g以下であることを特徴とするリチウム二次電池用複合活物質。 In the secondary battery composite active material, the thermal decomposition start temperature when the active material is heated at a temperature rising rate of 5 ° C./min in an air atmosphere is 530 ° C. or higher, the average pore diameter is 10 to 40 nm, and the volume of open pores is open. A composite active material for a lithium secondary battery, characterized in that it is 0.06 cm 3 / g or less. 前記活物質が大気雰囲気下で1000℃までの昇温時における前記活物質の熱分解反応が発熱反応であり、且つその時の最大重量減少が50%以上であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用複合活物質。 The first aspect of the present invention is that the thermal decomposition reaction of the active material when the temperature of the active material is raised to 1000 ° C. in an air atmosphere is an exothermic reaction, and the maximum weight loss at that time is 50% or more. The above-mentioned composite active material for a lithium secondary battery. 前記活物質の熱分解反応において発熱ピークの温度差が150℃以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池用複合活物質。 The composite active material for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the temperature difference of the exothermic peak is 150 ° C. or less in the thermal decomposition reaction of the active material. 前記活物質のD50が1〜40μm、BET法によるBET比表面積が0.5〜20m/gであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム二次電池用複合活物質。 The composite activity for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the active material has a D50 of 1 to 40 μm and a BET specific surface area according to the BET method is 0.5 to 20 m 2 / g. material. 前記活物質のラマン分光における結晶性炭素由来のGバンドが2つ以上からなり、且つアモルファス炭素由来のDバンドとの比率であるD/Gが1.0以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム二次電池用複合活物質。 The claim is characterized in that the G band derived from crystalline carbon in Raman spectroscopy of the active material is composed of two or more , and the D / G which is the ratio with the D band derived from amorphous carbon is 1.0 or more. The composite active material for a lithium secondary battery according to any one of 1 to 4. SiまたはSi合金、炭素前駆体、必要に応じて黒鉛成分を混合する工程と、造粒・圧密化する工程と、混合物を粉砕および球形化処理して略球状の複合粒子を
形成する工程と、該複合粒子を不活性雰囲気中で焼成する工程と炭素前駆体と該複合粒子もしくは焼成粒子とを混合する工程及びその混合物を不活性雰囲気中で加熱することで炭素被覆した焼成粉もしくは炭素被覆した複合粒子を得る工程、得られた炭素被覆した複合粒子、球形化した複合粒子もしくは焼成粉と炭素前駆体とを不活性雰囲気中で焼成し炭素膜を複合粒子もしくは焼成粒子の内外に気相でCVD炭素被覆する工程を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム二次電池用複合活物質の製造方法。
A step of mixing Si or Si alloy, a carbon precursor, and a graphite component as necessary, a step of granulating and compacting, and a step of pulverizing and spheroidizing the mixture to form substantially spherical composite particles. A step of calcining the composite particles in an inert atmosphere, a step of mixing the carbon precursor with the composite particles or calcined particles, and heating the mixture in an inert atmosphere to carbon-coated calcined powder or carbon-coated. Step of obtaining composite particles, obtained carbon-coated composite particles, spherical composite particles or calcined powder and carbon precursor are calcined in an inert atmosphere, and a carbon film is vaporized inside and outside the composite particles or calcined particles. method for producing a composite active material for lithium secondary battery according to claim 1, the step of CVD carbon coating, characterized in containing Mukoto.
請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム二次電池複合活物質を含むリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5. A lithium secondary battery containing the composite active material.
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