JP2001266878A - Negative electrode active material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents

Negative electrode active material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery

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JP2001266878A
JP2001266878A JP2000079155A JP2000079155A JP2001266878A JP 2001266878 A JP2001266878 A JP 2001266878A JP 2000079155 A JP2000079155 A JP 2000079155A JP 2000079155 A JP2000079155 A JP 2000079155A JP 2001266878 A JP2001266878 A JP 2001266878A
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secondary battery
lithium ion
silicon
ion secondary
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JP2000079155A
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Japanese (ja)
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Hiromasa Shoji
浩雅 莊司
Takeshi Hamada
健 濱田
Tsutomu Sugiura
勉 杉浦
Taro Kono
太郎 河野
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material for lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery that surpass the performance of lithium ion secondary battery using the current graphite system carbon material. SOLUTION: The negative electrode for lithium ion secondary battery and the lithium ion secondary battery using the same are characterized in that the negative electrode active material contains a silicic particle that contains a compound made from silicon, carbon and boron dispersed minutely at least in the particle.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン二
次電池用負極活物質及びリチウムイオン二次電池に関す
る。
The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】リチウムイオン二次電池は高エネルギー
密度を有するため、移動体通信、携帯用情報端末用電源
として利用され、端末の普及とともにその市場が急速に
伸びている。それに伴い端末機器の特徴である小型、軽
量をさらに追及するため、機器の中で大きな容積を占め
る電池に対し更なる小型、軽量化の性能改善が求められ
ている。
2. Description of the Related Art Lithium ion secondary batteries have a high energy density and are therefore used as power supplies for mobile communication and portable information terminals. The market has been rapidly expanding with the spread of terminals. Along with this, in order to further pursue the small size and light weight, which are the characteristics of the terminal device, there is a demand for a battery occupying a large volume in the device to further improve the performance of the small size and light weight.

【0003】現在、その二次電池に使用されている負極
活物質は、主に黒鉛系炭素質材料であり、電池性能を左
右するキーマテリアルとなっている。しかしながら、そ
の材料中にリチウムを可逆的に挿入・脱離できる量は炭
素6原子に対してリチウム1原子が限界であり、電気容
量にして372mAh/gが炭素材料の充放電に対する
理論的な限界容量である。現行の二次電池はこの限界容
量に近いレベルで使用されているため、今後の飛躍的な
性能改善は期待できない。
At present, the negative electrode active material used in the secondary battery is mainly a graphite-based carbonaceous material, and is a key material that affects battery performance. However, the amount of lithium that can be reversibly inserted and desorbed into the material is limited to 1 atom of lithium to 6 atoms of carbon, and the electric capacity is 372 mAh / g, which is the theoretical limit for charging and discharging of the carbon material. Capacity. Since current secondary batteries are used at a level close to this limit capacity, a dramatic improvement in performance in the future cannot be expected.

【0004】このような状況の下、炭素以外の材料、例
えば合金や無機化合物で372mAh/gを大きく上回
る容量を有する材料の探索が徐々に行われつつある。そ
の中でも特に、錫、ケイ素を含んだ結晶質、非晶質酸化
物材料で1000mAh/gに近い放電容量を発揮する
ことが見い出された(例えば、特開平7−220721
号公報、特開平7−249409号公報、等)。また、
最近ケイ素単体を負極活物質に用いた場合、3000m
Ah/g前後の初期放電容量を示し(第38回電池討論
会、3A16(1997))、ケイ素酸化物を負極活物
質に用いた場合、1500mAh/g前後の初期放電容
量を示して(第38回電池討論会、3A17(199
7))、黒鉛系炭素質材料の限界容量をはるかに超える
放電容量を有することが報告された。しかしながら、い
ずれの材料もその初期放電容量に対して初期充電容量が
大きい、すなわち、充放電時の容量ロスが非常に大きく
(両材料ともに1000mAh/g程度)、サイクル特
性が低い(充放電開始後、数サイクルで容量が半減)こ
とが大きな問題であった。
Under such circumstances, search for materials other than carbon, for example, alloys and inorganic compounds having a capacity much larger than 372 mAh / g is gradually being conducted. Among them, it has been found that a crystalline or amorphous oxide material containing tin and silicon exhibits a discharge capacity close to 1000 mAh / g (see, for example, JP-A-7-220721).
JP, JP-A-7-249409, etc.). Also,
Recently, when silicon simple substance is used for the negative electrode active material, 3000 m
It shows an initial discharge capacity of around Ah / g (38th Battery Symposium, 3A16 (1997)), and shows an initial discharge capacity of around 1500 mAh / g when silicon oxide is used for the negative electrode active material (38th case). Battery Symposium, 3A17 (199
7)), it has been reported that the graphite-based carbonaceous material has a discharge capacity far exceeding the limit capacity. However, each material has a large initial charge capacity with respect to its initial discharge capacity, that is, a very large capacity loss at the time of charge / discharge (both materials are about 1000 mAh / g), and low cycle characteristics (after the start of charge / discharge). However, the capacity was reduced by half in several cycles).

【0005】一方、ケイ素にホウ素を含有せしめた材料
として、一般式SiBnにおいて、nが0.1から3で
あるホウ素化ケイ素合金構造物(特開昭53−1366
30号公報)、nが3.2から6.6の範囲のSiB4
を主とするケイ素のホウ素化合物粉末(特開平8−13
8744号公報)がそれぞれ開示されている。前記合金
構造物ではケイ素本来の黒鉛系炭素質材料をはるかに超
える大きな放電容量を示すものの、合金浴中に集電マト
リックスを含浸して成型する電極であるため、近年実用
化されているリチウムイオン電池にみられるような集電
箔上に活物質粉末をバインダーと共にスラリーにしたも
のを塗布して成型する電極と比較して量産化が困難であ
った。また本合金構造物は膜厚を薄くすることが困難で
あることから、大きな電流密度の下では電極内でのリチ
ウムの拡散が十分に行われずに大きな分極抵抗を引き起
こし、吸蔵したリチウムを十分に引き出すことができな
いため、充放電時の容量ロスが大きくなってしまうなど
可逆性に大きな問題を有していた。一方、後者のSiB
4等を主体とするケイ素のホウ素化合物粉末では、黒鉛
系炭素質材料よりも高い放電容量を得ることが困難であ
った。
On the other hand, as a material containing boron in silicon, a silicon boride alloy structure in which n is 0.1 to 3 in the general formula SiB n (JP-A-53-1366)
No. 30), SiB 4 having n in the range of 3.2 to 6.6.
Boron compound powder containing silicon as the main component (JP-A-8-13)
No. 8744). Although the above-mentioned alloy structure shows a large discharge capacity far exceeding the original graphite-based carbonaceous material of silicon, since it is an electrode formed by impregnating a current collecting matrix in an alloy bath, lithium ion which has been put into practical use in recent years It was difficult to mass-produce compared to an electrode formed by applying a slurry of an active material powder together with a binder on a current collector foil as seen in a battery and forming the slurry. In addition, since it is difficult to reduce the film thickness of this alloy structure, at a large current density, lithium is not sufficiently diffused in the electrode, causing a large polarization resistance, and the absorbed lithium is not sufficiently absorbed. Since it cannot be pulled out, there is a large problem in reversibility such as an increase in capacity loss at the time of charging and discharging. On the other hand, the latter SiB
It was difficult to obtain a higher discharge capacity with a boron compound powder of silicon mainly composed of 4 or the like than with a graphite-based carbonaceous material.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ケイ
素質粉末をリチウムイオン二次電池用負極活物質として
用いた場合に発生する上記の問題点、すなわち、量産化
に不適であること、充放電時に大きな容量ロスを生じ可
逆性が低いこと、サイクル特性が低いこと、および黒鉛
系炭素質材料よりも低い放電容量しか得られないという
問題点を解決し、現行の黒鉛系炭素材料を用いたリチウ
ムイオン二次電池を凌駕する性能を有するリチウムイオ
ン二次電池用負極活物質及び、これを用いたリチウムイ
オン二次電池を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide the above-mentioned problems which occur when silicon powder is used as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, that is, it is unsuitable for mass production. It solves the problems of large reversibility due to large capacity loss during charge and discharge, low cycle characteristics, and the ability to obtain a lower discharge capacity than graphite-based carbonaceous materials. It is an object of the present invention to provide a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery having performance exceeding that of a conventional lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery using the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ケイ素粉
末自体の電気化学特性を基に、ホウ素と炭素を含有させ
たケイ素質粉末を鋭意検討した結果、ある適度な粒度を
有するケイ素粉末に適度の粒度を有する炭化ホウ素(B
4C)を適度な濃度混合し、ある条件で熱処理すること
により、ケイ素質粒子の内部に微細なケイ素と炭素とホ
ウ素との化合物が多数生成し分散する事を見出した。さ
らに、本発明者らは、この様な組織を有するケイ素質粉
末である場合には、ケイ素が本来保有する黒鉛系炭素質
材料をはるかに超える大きな放電容量を保持したまま容
量ロスが大幅に改善され、サイクル特性の良好な優れた
電極特性を発揮することを見い出した。本発明はかかる
知見に基づいて完成されたものである。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies on silicon powder containing boron and carbon based on the electrochemical characteristics of the silicon powder itself. Boron carbide (B
It has been found that by mixing 4C) at an appropriate concentration and heat-treating under certain conditions, a large number of fine compounds of silicon, carbon and boron are generated and dispersed inside the silicon particles. Further, the present inventors have found that when the siliconaceous powder having such a structure is used, the capacity loss is significantly improved while maintaining a large discharge capacity far exceeding the graphite-based carbonaceous material originally possessed by silicon. As a result, it has been found that excellent electrode characteristics with good cycle characteristics are exhibited. The present invention has been completed based on such findings.

【0008】即ち本発明は、 (1) 負極活物質が、ケイ素と炭素とホウ素からなる
化合物を少なくとも粒子内に微細に分散したケイ素質粒
子を含んでなることを特徴とするリチウムイオン二次電
池用負極活物質、(2) 前記ケイ素と炭素とホウ素か
らなる該化合物が主として(C,Si,B)312で表
されることを特徴とする、(1)に記載のリチウムイオ
ン二次電池用負極活物質、(3) 前記負極活物質が、
さらに炭素質粒子を含んでなる(1)または(2)に記
載のリチウムイオン二次電池用負極活物質、である。更
に本発明は、(4) 正極活物質、負極活物質および非
水系電解質を含有するリチウムイオン二次電池におい
て、該負極活物質が(1)〜(3)のいずれか1つに記
載のリチウムイオン二次電池用負極活物質であることを
特徴とするリチウムイオン二次電池、である。
That is, the present invention provides: (1) a lithium ion secondary battery, wherein the negative electrode active material comprises siliconaceous particles in which a compound comprising silicon, carbon, and boron is finely dispersed in at least particles. (2) The lithium ion secondary material according to (1), wherein the compound comprising silicon, carbon, and boron is mainly represented by (C, Si, B) 3 B 12. Negative electrode active material for a battery, (3) the negative electrode active material,
The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to (1) or (2), further comprising carbonaceous particles. Further, the present invention provides (4) a lithium ion secondary battery containing a positive electrode active material, a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, wherein the negative electrode active material is any one of (1) to (3). A lithium ion secondary battery, which is a negative electrode active material for an ion secondary battery.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下に本発明の具体的な内容につ
いて述べる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The specific contents of the present invention will be described below.

【0010】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質はケイ素質粒子を含有している。ここで、本発明で
のケイ素質粒子とは、ケイ素を含有し、かつX線回折に
よりケイ素のピークを認め得るものである。このケイ素
質粒子内部にケイ素と炭素とホウ素からなる化合物が微
細に分散していることによって、リチウムイオン二次電
池用負極活物質として用いた場合に、黒鉛の理論値を越
える高い放電容量を有しながら、90%以上の高い初期
効率、高いサイクル特性を示す。
The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention contains silicon particles. Here, the siliconaceous particles in the present invention are those containing silicon and capable of recognizing a silicon peak by X-ray diffraction. Due to the fine dispersion of the compound composed of silicon, carbon and boron inside the siliconaceous particles, when used as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, it has a high discharge capacity exceeding the theoretical value of graphite. However, it shows high initial efficiency of 90% or more and high cycle characteristics.

【0011】ここで、ケイ素質粒子内部にケイ素と炭素
とホウ素からなる化合物が微細に分散しているとは、1
個のケイ素質粒子中に分散しているケイ素と炭素とホウ
素からなる化合物粒子個々の体積がこのケイ素質粒子の
体積の1/10以下であることである。この体積比は、
好ましくは1/100、さらに好ましくは1/1000
以下であることが望ましい。ケイ素質粒子内部に分散し
ているケイ素と炭素とホウ素からなる化合物個々の体積
がケイ素質粒子の体積の1/10より大きい場合には、
特に初期効率が低くなり、サイクル特性が低下してしま
う恐れがある。
Here, the fact that the compound composed of silicon, carbon and boron is finely dispersed inside the silicon particles is as follows.
The volume of each of the compound particles composed of silicon, carbon, and boron dispersed in each of the silicon particles is 1/10 or less of the volume of the silicon particles. This volume ratio is
Preferably 1/100, more preferably 1/1000
It is desirable that: When the volume of each compound of silicon, carbon, and boron dispersed inside the siliceous particles is larger than 1/10 of the volume of the siliceous particles,
In particular, the initial efficiency may be reduced, and the cycle characteristics may be reduced.

【0012】ケイ素質粒子内部にケイ素と炭素とホウ素
からなる化合物が微細に分散しているケイ素質粒子をリ
チウムイオン二次電池用負極活物質として用いた場合
に、黒鉛の理論値を越える高い放電容量を有しながら、
90%以上の高い初期効率、高いサイクル特性を示す理
由は明らかではないが、以下の様に推定をしている。即
ち、まず本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質
中のケイ素質粉末がリチウムイオンの吸蔵・放出を行う
メカニズムは、錫金属、酸化物に関する報告(J.Electr
ochem. Soc., 144, 6, 2045 (1997))を勘案すれば、基
本的にケイ素質粉末とリチウムとの合金化・脱合金化反
応であると推定され、充放電時に伴って必然的に粒子の
膨張収縮が起こると予測される。ここで、ケイ素質粒子
内部に微細に分散したケイ素と炭素とホウ素からなる化
合物が、リチウムの拡散を高めると共に、充放電に伴う
負極活物質の膨張収縮による粒子の力学的な破壊に対し
て抵抗性を発現するものと推定している。
When a silicon-containing particle in which a compound composed of silicon, carbon and boron is finely dispersed is used as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, a high discharge exceeding the theoretical value of graphite is obtained. While having the capacity
The reason for the high initial efficiency of 90% or more and high cycle characteristics is not clear, but is estimated as follows. That is, the mechanism by which the silicon powder in the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention inserts and releases lithium ions is described in the report on tin metals and oxides (J. Electr.
ochem. Soc., 144, 6, 2045 (1997)), it is presumed that this is basically an alloying / dealloying reaction between silicon powder and lithium. It is expected that the particles will expand and contract. Here, the compound composed of silicon, carbon, and boron finely dispersed inside the siliceous particles enhances the diffusion of lithium and resists mechanical destruction of the particles due to expansion and contraction of the negative electrode active material due to charge and discharge. It is presumed to express sex.

【0013】ケイ素質粒子内に分散しているケイ素と炭
素とホウ素からなる化合物の合計の体積がケイ素質粒子
の体積にしめる割合は、5%以上90%以下であること
が好ましく、さらには10%以上80%以下であること
が好ましい。この割合が5%より少ない場合は、ケイ素
と炭素とホウ素からなる化合物がケイ素質粒子内に微細
に分散していることによる初期効率とサイクル特性の最
善効果は十分認められるものの、ケイ素と炭素とホウ素
からなる化合物の存在量が少ないために、その効果は制
限されたものとなる。また、この割合が90%を越える
場合には、放電容量が低くなり黒鉛系活物質と比較した
場合のメリットが少なくなってしまう。
The ratio of the total volume of the compound comprising silicon, carbon and boron dispersed in the silicon particles to the volume of the silicon particles is preferably 5% or more and 90% or less, more preferably 10% or less. It is preferably at least 80%. When this ratio is less than 5%, the best effect of the initial efficiency and cycle characteristics due to the fine dispersion of the compound comprising silicon, carbon and boron in the siliceous particles is sufficiently recognized, but the silicon and carbon The effect is limited due to the small amount of the boron compound. On the other hand, if this ratio exceeds 90%, the discharge capacity is reduced, and the merit as compared with the graphite-based active material is reduced.

【0014】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質は、ケイ素質粒子中のケイ素と炭素とホウ素からな
る化合物が、主として(C,Si,B)312で表され
る事が好ましい。
In the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention, it is preferable that the compound comprising silicon, carbon and boron in the silicon particles is mainly represented by (C, Si, B) 3 B 12. .

【0015】ケイ素と炭素とホウ素からなる該化合物
が、主として(C,Si,B)312で表される場合に
本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質が良好な
特性を示す理由は明らかではないが、該化合物がケイ素
質粒子の中に良好に微細分散可能であることがその一因
であると考えている。また、(C,Si,B)312
特有の、例えばそれらの結晶構造や電気化学的特性や界
面・表面構造等の構造または性質が寄与している可能性
も考えられる。
When the compound comprising silicon, carbon and boron is mainly represented by (C, Si, B) 3 B 12 , the reason why the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention exhibits good characteristics. Although it is not clear, it is considered that one of the causes is that the compound can be finely dispersed in the siliconaceous particles. It is also conceivable that (C, Si, B) 3 B 12 , for example, its crystal structure, electrochemical properties, interface or surface structure, and other structures or properties contribute to it.

【0016】本発明の負極活物質の粒度に関しては、そ
の粉末の50%累積径(d50)が1〜100μmを満た
すことが望ましく、10〜50μmを満たすことがさら
に望ましい。d50が1μm未満の場合には、小さな粒径
の粉体が多く含まれるためハンドリング性が悪くなる傾
向が認められることや、バインダーや導電剤が多く必要
となり単位体積あたりのエネルギー密度が低下する可能
性があるため好ましくない。一方、d50が100μmを
超える場合には、リチウムが活物質粉末の内部まで拡散
することが困難となる可能性や、現行のリチウムイオン
電池の電極厚みが200μm以下程度であり電極作製が
困難となる可能性があるため好ましくない。
With respect to the particle size of the negative electrode active material of the present invention, the powder preferably has a 50% cumulative diameter (d 50 ) of 1 to 100 μm, more preferably 10 to 50 μm. If d 50 of less than 1μm, the powder of a small particle size often and that handling properties is observed a tendency that deteriorate because it contains the energy density per unit volume required many binders and conductive agent is reduced It is not preferable because there is a possibility. On the other hand, if d 50 exceeds 100 μm, it may be difficult for lithium to diffuse into the active material powder, or the current lithium ion battery has an electrode thickness of about 200 μm or less, making electrode fabrication difficult. It is not preferable because it may become possible.

【0017】本発明の負極活物質の、窒素の脱吸着によ
り算出される比表面積に関しては、100m2/g以下
であることが望ましく、10m2/gであることがさら
に望ましい。この比表面積が100m2/gを超える場
合には、表面積が大きいために初期充電の際に電解質と
の反応を起こして容量ロスを大きくする可能性や、充放
電サイクルの際に材料中に吸蔵したリチウムと電解質中
の溶媒との反応性が高くなって安全性が低下する可能性
があるため好ましくない。
The specific surface area of the negative electrode active material of the present invention calculated by desorption of nitrogen is preferably 100 m 2 / g or less, more preferably 10 m 2 / g. If the specific surface area exceeds 100 m 2 / g, the surface area is large, which may cause a reaction with the electrolyte at the time of initial charging to increase the capacity loss or occlusion in the material during the charge / discharge cycle. The reactivity between the lithium and the solvent in the electrolyte may increase, and the safety may decrease.

【0018】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質としての特性を阻害しない限りでは、本発明のリチ
ウムイオン二次電池用負極活物質中のケイ素質粉末中に
は、ケイ素と炭素とホウ素の化合物以外にも、不純物等
の形であるか別の目的で意図的にであるかを問わず、そ
の存在形態を問わず、他の化合物が存在しても良い。そ
の様な化合物として、炭化ケイ素、ホウ化ケイ素、ケイ
化鉄、ホウ化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミ等が例示され
るが、これらに限定されるものではない。
As long as the characteristics of the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention are not hindered, silicon, carbon and boron are contained in the silicon powder in the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention. In addition to the above compounds, other compounds may be present regardless of the form of the impurities, whether in the form of impurities or the like or intentionally for another purpose. Examples of such compounds include, but are not limited to, silicon carbide, silicon boride, iron silicide, iron boride, silicon oxide, aluminum oxide, and the like.

【0019】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質は、リチウムイオン二次電池用負極活物質としての
特性を阻害しない限りでは、ケイ素と炭素とホウ素から
なる化合物が微細に分散したケイ素質粒子以外の化合物
および粉末を、不純物等の形であるか別の目的で意図的
にであるかを問わず、その存在形態を問わず、含有して
良い。その様な化合物および粉末として、天然黒鉛粉末
等の炭素質粉末、スズ、アルミ、鉄、スズ酸化物等また
はこれらの複合粒子および混合物等が例示されるが、こ
れらに限定されるものではない。
The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is a silicon material in which a compound composed of silicon, carbon and boron is finely dispersed as long as the characteristics of the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery are not impaired. Compounds and powders other than particles may be contained, irrespective of their form, whether in the form of impurities or the like or intentionally for another purpose. Examples of such compounds and powders include, but are not limited to, carbonaceous powders such as natural graphite powders, tin, aluminum, iron, tin oxide and the like, or composite particles and mixtures thereof.

【0020】ここで、本発明のリチウムイオン二次電池
用負極活物質は、粒子内にケイ素と炭素とホウ素との化
合物が微細に分散されている前記ケイ素質粒子と同時に
炭素質粒子を含有している場合には、さらに高いサイク
ル特性を有する。ここで、ケイ素質粉末と炭素質粒子
は、混合されたものであっても、一方が他方の表面や内
部に存在したものであっても良い。炭素質粉末が含有さ
れている場合でも、ケイ素質粒子中のケイ素と炭素とホ
ウ素からなる化合物は、主として(C,Si,B)3
12で表される事が好ましい。
Here, the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention contains carbonaceous particles simultaneously with the siliconaceous particles in which a compound of silicon, carbon and boron is finely dispersed. , It has higher cycle characteristics. Here, the siliconaceous powder and the carbonaceous particles may be mixed, or one may be present on the other surface or inside. Even when the carbonaceous powder is contained, the compound composed of silicon, carbon and boron in the siliconaceous particles is mainly composed of (C, Si, B) 3 B
It is preferably represented by 12 .

【0021】該炭素質粒子又は粉末はリチウムイオン二
次電池用負極活物質または負極用材料として用いた場合
に安全上、電池の製造工程上等で問題が無ければ基本的
にはどの様なものであっても良い。コールタール由来の
人造黒鉛の他に石油タール由来の人造黒鉛、MCMB、
炭素繊維、天然黒鉛、キッシュ黒鉛等またはこれらにホ
ウ素を含有させたもの等が例示されよう。ただし、負極
材料としての特性が低かったり粉体としての性状が好ま
しくないものを用いた場合には、ケイ素質粒子と共存し
たしたとき優れた性能を発揮することが困難となりやす
い。従って、該炭素質粒子は放電容量が300mAh/
g以上、好ましくは330mAh/g以上、初期効率が
85%以上、好ましくは90%以上、また5m2/g以
下、好ましくは3m2/g以下の低い比表面積を有する
ことが望ましい。
When the carbonaceous particles or powder are used as a negative electrode active material or a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, they are basically of any kind as long as there is no problem in the battery manufacturing process or the like. It may be. In addition to artificial coal derived from coal tar, artificial graphite derived from petroleum tar, MCMB,
Examples thereof include carbon fiber, natural graphite, quiche graphite and the like, and those containing boron therein. However, when a material having low characteristics as a negative electrode material or having poor properties as a powder is used, it tends to be difficult to exhibit excellent performance when coexisting with siliconaceous particles. Accordingly, the carbonaceous particles have a discharge capacity of 300 mAh /
g or more, preferably 330 mAh / g or more, and an initial efficiency of 85% or more, preferably 90% or more, and a low specific surface area of 5 m 2 / g or less, preferably 3 m 2 / g or less.

【0022】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質が、前記ケイ素質粒子と同時に炭素質粒子を含有し
ていることによってさらに高いサイクル特性を有する理
由は明らかではない。本発明者らは、充放電時のケイ素
質粒子の膨張収縮を炭素質粉末が吸収する事によって、
集電体上に塗布された電極体としての構造を保持するこ
とに、その原因が有るのではないかと推定している。
It is not clear why the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention has higher cycle characteristics because it contains carbonaceous particles at the same time as the siliconaceous particles. The present inventors, by absorbing the expansion and contraction of the silicon particles during charge and discharge by the carbonaceous powder,
It is presumed that maintaining the structure of the electrode body applied on the current collector may have the cause.

【0023】ケイ素と炭素とホウ素からなり(C,S
i,B)312で表される化合物はX線回折測定により
簡便にその存在が検知される。該化合物は、POWDER DIF
FRACTION FILE (published by JOINT COMMITTEE ON POW
DER DIFFRACTION STANDARDS, 1974)又はVon A. Lipp an
d M. Roder, Z. anorg. Allgem. Chem., vol. 334, 225
(1966)によれば、粉末のX線回折の最強の3本のピーク
は面間隔が0.384nm(相対強度65)と0.26
11nm(相対強度60)と0.2402nm(相対強
度100)の位置に出現し、各々の面指数は(10
2)、(104)、(201)である。
Consisting of silicon, carbon and boron (C, S
i, B) a compound represented by 3 B 12 is conveniently its presence is detected by the X-ray diffraction measurement. The compound is POWDER DIF
FRACTION FILE (published by JOINT COMMITTEE ON POW
DER DIFFRACTION STANDARDS, 1974) or Von A. Lipp an
d M. Roder, Z. anorg. Allgem. Chem., vol. 334, 225
According to (1966), the three strongest peaks in the X-ray diffraction of the powder have a plane spacing of 0.384 nm (relative intensity 65) and 0.26 nm.
It appears at the positions of 11 nm (relative intensity 60) and 0.2402 nm (relative intensity 100).
2), (104) and (201).

【0024】ケイ素と炭素とホウ素の該化合物のケイ素
質粒子内での分布の様子は、該ケイ素質粒子を埋め込み
研磨した上で、EPMA等により元素マッピングを行う
ことにより簡便に知ることが出来る。該ケイ素質粒子の
体積とその中に存在するケイ素と炭素とホウ素の該化合
物個々の体積との比は、研磨面での出現面積の比によっ
て推定することが可能である。また、該ケイ素質粒子内
に分散しているケイ素と炭素とホウ素からなる化合物の
合計の体積がケイ素質粒子の体積にしめる割合も、研磨
面での出現面積の比によって推定することが可能であ
る。
The distribution of the compound of silicon, carbon and boron in the silicon particles can be easily known by embedding and polishing the silicon particles and then performing element mapping by EPMA or the like. The ratio of the volume of the siliceous particles to the volume of each of the silicon, carbon and boron compounds present therein can be estimated by the ratio of the area of appearance on the polished surface. Further, the ratio of the total volume of the compound consisting of silicon, carbon, and boron dispersed in the siliconaceous particles to the volume of the siliconaceous particles can also be estimated from the ratio of the appearance area on the polished surface. .

【0025】さらに、ケイ素と炭素とホウ素からなり
(C,Si,B)312で表される化合物のケイ素質粒
子内での分布の様子は、該ケイ素質粒子を適度に薄片化
した上で、透過電子顕微鏡で観察し、(C,Si,B)
312で表される化合物由来の各回折スポットに対して
暗視野像を撮影することでも知ることが出来る。この場
合の該ケイ素質粒子の体積とその中に存在するケイ素と
炭素とホウ素からなり(C,Si,B)312で表され
る該化合物個々の体積との比は観察している薄片での出
現面積の比によって推定することが可能である。また、
該ケイ素質粒子内に分散しているケイ素と炭素とホウ素
からなり(C,Si,B)312で表される該化合物の
合計の体積が該ケイ素質粒子の体積にしめる割合も、観
察している薄片での出現面積の比より推定することが可
能である。
Further, the distribution of the compound represented by (C, Si, B) 3 B 12 consisting of silicon, carbon and boron in the siliceous particles was determined by appropriately slicing the siliceous particles. And observed with a transmission electron microscope, (C, Si, B)
3 dark-field image can be known also by taking for each diffraction spot from compounds represented by the by B 12. In this case, the ratio between the volume of the siliceous particles and the volume of each of the compounds represented by (C, Si, B) 3 B 12 consisting of silicon, carbon and boron present therein is the flake observed. It can be estimated by the ratio of the appearance area in. Also,
The ratio of the total volume of the compound represented by (C, Si, B) 3 B 12 consisting of silicon, carbon and boron dispersed in the siliconaceous particles to the volume of the siliconaceous particles was also observed. It can be estimated from the ratio of the appearance area in the thin section.

【0026】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質中のケイ素質粉末は、以下に例示の方法によって調
製されるがそれに限られるものではない。例えば、d50
が1〜100μmのケイ素粉末80質量部に対してd50
がケイ素粉末の1/10以下である炭化ホウ素(B
4C)の粉末20質量部を混合し、アルゴン雰囲気下1
200℃〜1250℃まで昇温後、50〜100時間保
持し、その後15℃/分程度の速度で600℃まで急冷
した後、5℃/分程度の速度で室温付近まで冷却する。
熱処理により得られた粉末は、必要に応じて解砕、分級
により粒度を調整する。
The silicon powder in the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is prepared by the following exemplified method, but is not limited thereto. For example, d 50
Is d 50 with respect to 80 parts by mass of silicon powder having a particle size of 1 to 100 μm.
Is 1/10 or less of silicon powder (B)
4 C) 20 parts by mass of the powder were mixed, and the mixture was
After the temperature is raised from 200 ° C. to 1250 ° C., the temperature is maintained for 50 to 100 hours, then rapidly cooled to 600 ° C. at a rate of about 15 ° C./min, and then cooled to about room temperature at a rate of about 5 ° C./min.
The particle size of the powder obtained by the heat treatment is adjusted by crushing and classification as needed.

【0027】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質中のケイ素質粉末の別な製造方法は、例えば以下の
とおりである。d50が数十μmのケイ素粉末75質量部
と同程度の粒径の炭化ホウ素(B4C)の粉末25質量
部を混合し、ボールミルによってメカニカルアロイング
を十分に行い、得られたものを1000℃〜1200℃
でアルゴンガス中で50〜100時間熱処理を行い、そ
の後15℃/分程度の速度で600℃まで急冷した後、
5℃/分程度の速度で室温付近まで冷却する。得られた
物を粉砕し粒度を調製する。
Another method for producing the silicon powder in the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is, for example, as follows. d 50 of a mixture of powders 25 parts by weight of several tens of μm of silicon powder 75 parts by weight and the same degree of particle size of boron carbide (B 4 C), carefully mechanical alloying by ball, those obtained 1000 ° C to 1200 ° C
Heat treatment in argon gas for 50 to 100 hours, and then quenching to 600 ° C. at a rate of about 15 ° C./min.
Cool to near room temperature at a rate of about 5 ° C./min. The obtained product is pulverized to adjust the particle size.

【0028】本発明のリチウムイオン二次電池用負極活
物質中のケイ素質粉末のさらに別な製造方法は、例えば
以下のとおりである。ケイ素粉末75質量部とホウ素粉
末20質量部と炭素粉末5質量部を混合し、これを17
00℃程度以上で溶融し均一な融液とする。次いでその
融液をノズルからアルゴンガス雰囲気中に霧状に吹き出
し、急速冷却して粉末を得る。この様にして得た粉末は
必要に応じて1000℃〜1200℃でアルゴンガス中
で10〜100時間熱処理を行い、その後15℃/分程
度の速度で600℃まで急冷した後、5℃/分程度の速
度で室温付近まで冷却する。
Still another method for producing the silicon powder in the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is, for example, as follows. 75 parts by mass of silicon powder, 20 parts by mass of boron powder and 5 parts by mass of carbon powder were mixed and mixed with 17 parts by mass.
Melts at about 00 ° C or higher to form a uniform melt. Next, the melt is blown out from a nozzle into an argon gas atmosphere in the form of a mist, and rapidly cooled to obtain a powder. The powder thus obtained is optionally heat-treated at 1000 ° C. to 1200 ° C. in argon gas for 10 to 100 hours, and then quenched to 600 ° C. at a rate of about 15 ° C./min. Cool to near room temperature at a moderate rate.

【0029】ここで原料として用いたケイ素粉末は、ケ
イ素以外に種々の元素を不純物或いは他の目的で意図的
に含んでいても良い。例えば、炭素、酸素、水素、窒
素、硫黄、リン、ハロゲン、アルカリ金属、アルカリ土
類金属、遷移金属、Al、Ga、In、Ge、Sn、P
b,Sb、Biなどを少なくとも1種類含んでも良い。
これら元素の総含量は0〜10質量%が好ましい。さら
に0〜5質量%がより好ましい。また、本発明のリチウ
ムイオン二次電池用負極活物質の製造に重要な役割を果
たす炭化ホウ素(B4C)粉末は、ホウ素と炭素以外の
種々の元素を不純物或いは他の目的で意図的に含んでい
ても良い。例えば、酸素、水素、窒素、硫黄、リン、ハ
ロゲン、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、
Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb,Sb、Biなど
を少なくとも1種類含んでも良い。また炭化ホウ素(B
4C)は、その構造に起因して炭素とホウ素のモル比が
正確に1:4にならない場合があるが、本発明のケイ素
質粉末を製造するための原料としては何等問題がない。
The silicon powder used as a raw material here may intentionally contain various elements other than silicon for impurities or other purposes. For example, carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, sulfur, phosphorus, halogen, alkali metal, alkaline earth metal, transition metal, Al, Ga, In, Ge, Sn, P
At least one kind of b, Sb, Bi, etc. may be included.
The total content of these elements is preferably from 0 to 10% by mass. Further, the amount is more preferably 0 to 5% by mass. In addition, the boron carbide (B 4 C) powder that plays an important role in the production of the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention contains boron and carbon other than boron and carbon intentionally for impurities or other purposes. May be included. For example, oxygen, hydrogen, nitrogen, sulfur, phosphorus, halogen, alkali metal, alkaline earth metal, transition metal,
It may include at least one of Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, and the like. Boron carbide (B
4 C), the structure due molar ratio of carbon and boron exactly 1: There may not be 4, there is no any problem as a raw material for producing a siliceous powder of the present invention.

【0030】上で例示した製造方法の中で、ケイ素粉
末、炭化ホウ素粉末、ホウ素粉末、炭素粉末の他に、別
の化合物が少量混入または何か別の目的で意図的に別の
化合物を添加することも、例示した製造方法で得られる
本発明の効果を発現可能な限りは許容される。
In the above-exemplified production method, in addition to silicon powder, boron carbide powder, boron powder and carbon powder, a small amount of another compound is mixed or another compound is intentionally added for some other purpose. This is also acceptable as long as the effects of the present invention obtained by the exemplified manufacturing method can be exhibited.

【0031】混合方法についても試料同士が十分均一に
混ざりあっていればよく、例えば、V−ブレンダー、ニ
ーダー、ボールミルなどを好適に用いることができる
が、特にこれらに限定されるものではない。また焼成後
のケイ素質粉末の粒度、比表面積の調整には工業的に通
常用いられる方法を用いることが可能である。例えば、
粉砕にはボールミル、ピンミル、ディスクミル、インペ
ラーミル、ジェットミル、ローラーミル、スタンプミ
ル、カッティングミル等が、分級には空気分級機、ふる
い等が好適に用いられるが、特にこれらに限定されるも
のではない。
As for the mixing method, it is sufficient that the samples are sufficiently uniformly mixed. For example, a V-blender, a kneader, a ball mill and the like can be suitably used, but the invention is not particularly limited thereto. The particle size and specific surface area of the calcined siliceous powder can be adjusted by methods generally used in industry. For example,
Ball mills, pin mills, disc mills, impeller mills, jet mills, roller mills, stamp mills, cutting mills, etc. are preferably used for pulverization, and air classifiers, sieves, etc. are suitably used for classification, but are not particularly limited thereto. is not.

【0032】得られたケイ素質粉末は、他の化合物また
は粉末と、上述の方法や公知の他の方法により混合また
は複合化して、本発明のリチウムイオン二次電池用負極
活物質とする事も出来る。
The obtained siliconaceous powder may be mixed or complexed with other compounds or powders by the above-mentioned method or other known methods to form the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention. I can do it.

【0033】本発明のリチウムイオン二次電池は、上記
のケイ素質粒子を含有する負極活物質を正極活物質およ
び非水系電解質等と組み合わせてなる。本発明の負極活
物質の成型に関しては、本発明のリチウムイオン二次電
池用負極活物質の性能を十分に引き出し、且つ、賦型性
が高く、化学的、電気化学的に安定であれば何らこれに
制限されるものではないが、例示すれば、本発明のリチ
ウムイオン二次電池用負極活物質にカーボンブラック等
の導電剤を必要に応じて添加し、さらにポリテトラフル
オロエチレン等のフッ素系樹脂の粉末あるいはディスパ
ージョン溶液を添加後、混合、混練する方法がある。ま
た、本発明のリチウムイオン二次電池用負極活物質にカ
ーボンブラック等の導電剤を必要に応じて添加し、ポリ
エチレン、ポリビニルアルコール等の樹脂粉末を添加し
た後、乾式混合物を金型に挿入し、ホットプレスにより
成型する方法もある。さらに、本発明のリチウムイオン
二次電池用負極活物質にカーボンブラック等の導電剤を
必要に応じて添加し、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素
系樹脂粉末あるいはカルボキシメチルセルロース等の水
溶性粘結剤をバインダーにして、N−メチルピロリド
ン、ジメチルホルムアミドあるいは水、アルコール等の
溶媒を用いて混合することによりスラリーを作製し、集
電体上に塗布、乾燥することにより成型することもでき
る。
The lithium ion secondary battery of the present invention is obtained by combining the above-mentioned negative electrode active material containing siliconaceous particles with a positive electrode active material and a non-aqueous electrolyte. Regarding the molding of the negative electrode active material of the present invention, if the performance of the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is sufficiently drawn out, and the shapeability is high, it is chemically and electrochemically stable. Although not limited thereto, for example, a conductive agent such as carbon black may be added to the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention as needed, and a fluorine-based material such as polytetrafluoroethylene may be further added. There is a method of mixing and kneading after adding a resin powder or a dispersion solution. Further, a conductive agent such as carbon black is added to the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention as necessary, and a resin mixture such as polyethylene and polyvinyl alcohol is added. There is also a method of molding by hot pressing. Further, a conductive agent such as carbon black is added as necessary to the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention, and a water-soluble binder such as fluorinated resin powder such as polyvinylidene fluoride or carboxymethyl cellulose is used as a binder. Then, a slurry can be prepared by mixing using a solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide or water, alcohol, etc., applied onto a current collector, and dried to form a slurry.

【0034】本発明のリチウムイオン二次電池に用いら
れる正極活物質と有機溶媒系電解質は、リチウムイオン
二次電池に通常用いることのできるものであれば、特に
これを制限するものではない。
The positive electrode active material and the organic solvent-based electrolyte used in the lithium ion secondary battery of the present invention are not particularly limited as long as they can be generally used for a lithium ion secondary battery.

【0035】本発明のリチウムイオン二次電池に用いら
れる正極活物質としては、例えば、リチウム含有遷移金
属酸化物LiM(1)x2(式中xは0≦x≦1の範囲
の数値であり、式中M(1)は遷移金属を表しCo、N
i、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、
Snの少なくとも一種類からなる)或いはLiM(1)
yM(2)2-y4(式中yは0≦y≦1の範囲の数値で
あり、式中M(1)、M(2)は遷移金属を表しCo、
Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、B、Al、
In、Snの少なくとも一種類からなる)、遷移金属カ
ルコゲン化物(TiS2、NbSe3、等)、バナジウム
酸化物(V25、V613、V24、V38、等)及び
そのLi化合物、一般式MxMo6Ch8-y(式中xは0
≦x≦4、yは0≦y≦1の範囲の数値であり、式中M
は遷移金属をはじめとする金属、Chはカルコゲン元素
を表す)で表されるシェブレル相化合物、或いは活性
炭、活性炭素繊維等を用いることができる。
As the positive electrode active material used in the lithium ion secondary battery of the present invention, for example, a lithium-containing transition metal oxide LiM (1) x O 2 (where x is a numerical value in the range of 0 ≦ x ≦ 1) In the formula, M (1) represents a transition metal, Co, N
i, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al, In,
Sn) or LiM (1)
y M (2) 2-y O 4 (where y is a numerical value in the range of 0 ≦ y ≦ 1, where M (1) and M (2) represent transition metals and Co,
Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, B, Al,
In, consisting of at least one kind of Sn), a transition metal chalcogenide (TiS 2, NbSe 3, etc.), vanadium oxide (V 2 O 5, V 6 O 13, V 2 O 4, V 3 O 8, etc. ) And its Li compound, a general formula M x Mo 6 Ch 8-y (where x is 0
≦ x ≦ 4, y is a numerical value in the range of 0 ≦ y ≦ 1;
Represents a metal such as a transition metal, and Ch represents a chalcogen element), a activated carbon, an activated carbon fiber, or the like.

【0036】有機溶媒系電解質における有機溶媒として
は、特に制限されるものではないが、例えば、プロピレ
ンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカー
ボネート、クロロエチレンカーボネート、ジメチルカー
ボネート、ジエチルカーボネート、1,1−及び1,2
−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−
ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテト
ラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−
1,3−ジオキソラン、アニソール、ジエチルエーテ
ル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、
クロロニトリル、プロピオニトリル、ホウ酸トリメチ
ル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホル
ムアミド、N−メチルピロリドン、酢酸エチル、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−オキサゾリドン、エ
チレングリコール、サルファイト、ジメチルサルファイ
ト等の単独もしくは2種類以上の混合溶媒が使用でき
る。
The organic solvent in the organic solvent-based electrolyte is not particularly limited. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1,1- and 1,1- 2
-Dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-
Butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolan, 4-methyl-
1,3-dioxolan, anisole, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile,
Chloronitrile, propionitrile, trimethyl borate, tetramethyl silicate, nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, trimethyl orthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene, dimethyl sulfoxide, 3 A single solvent such as -methyl-2-oxazolidone, ethylene glycol, sulfite, dimethyl sulfite and the like, or a mixed solvent of two or more thereof can be used.

【0037】電解質としては、従来より公知のものを何
れも使用することができ、例えば、LiClO4、Li
BF4、LiPF6、LiAsF6、LiB(C65)、
LiCl、LiBr、LiCF3SO3、LiCH3
3、Li(CF3SO22N、Li(CF3SO2
3C、Li(CF3CH2OSO22N、Li(CF3CF
2CH2OSO22N、Li(HCF2CF2CH2OS
22N、Li((CF32CHOSO22N、LiB
[C63(CF324等の一種または二種以上の混合
物を挙げることができる。
As the electrolyte, any of conventionally known electrolytes can be used. For example, LiClO 4 , Li
BF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiB (C 6 H 5 ),
LiCl, LiBr, LiCF 3 SO 3 , LiCH 3 S
O 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 2 )
3 C, Li (CF 3 CH 2 OSO 2 ) 2 N, Li (CF 3 CF
2 CH 2 OSO 2 ) 2 N, Li (HCF 2 CF 2 CH 2 OS
O 2 ) 2 N, Li ((CF 3 ) 2 CHOSO 2 ) 2 N, LiB
One or a mixture of two or more such as [C 6 H 3 (CF 3 ) 2 ] 4 can be mentioned.

【0038】以下に本発明のリチウムイオン二次電池用
負極活物質の規定に用いた種々の物性値の測定方法を示
す。
The methods for measuring various physical properties used for defining the negative electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention are described below.

【0039】(1) 50%累積径(d50) 分散された粒子に平行光線を照射した際の回折パターン
を演算することにより粒度分布を解析し、質量の累積が
50%となったところの粒径を50%累積径(d50)と
して求めた。通常、各試料約0.2gを分散媒としての
水20ccに入れ、さらに市販の界面活性剤を2〜3滴
加えたものを用いてセイシン企業社製粒度分布測定装置
LMS−24により測定した。
(1) 50% Cumulative Diameter (d 50 ) The particle size distribution was analyzed by calculating the diffraction pattern when the dispersed particles were irradiated with parallel rays, and the particle size distribution was calculated when the cumulative mass became 50%. The particle size was determined as a 50% cumulative diameter (d 50 ). Usually, about 0.2 g of each sample was placed in 20 cc of water as a dispersion medium, and a drop of a commercially available surfactant was added to the sample, and the particle size was measured with a particle size distribution analyzer LMS-24 manufactured by Seishin Enterprise.

【0040】(2) 比表面積 試料へ窒素を吸着させた際の各窒素分圧に対する吸着量
曲線を基にBET法を用いて解析することにより比表面
積を求めた。通常、各試料1〜2gを用いて、日本ベル
株式会社製BELSORP−36により測定した。
(2) Specific surface area The specific surface area was determined by analyzing using the BET method based on the adsorption curve for each nitrogen partial pressure when nitrogen was adsorbed on the sample. Usually, it measured by BELSORP-36 made from Japan Bell Co., Ltd. using 1-2 g of each sample.

【0041】[0041]

【実施例】以下、実施例で本発明を具体的に説明する。
これらの実施例は本発明をよりよく説明するためのもの
であって、本発明を何ら制限するものではない。
The present invention will be specifically described below with reference to examples.
These examples serve to better illustrate the invention but do not limit it in any way.

【0042】実施例1 ケイ素粉末(純度99%、d50=25μm)に炭化ホウ
素粉末(純度98%、d50=1.5μm)を質量換算で
40%添加してニーダーを用いて十分混合した後、この
混合物をアルゴン気流中1230℃まで昇温しこの温度
で70時間保持し、その後15℃/分程度の速度で60
0℃まで急冷した後、5℃/分程度の速度で室温付近ま
で冷却した。このようにして得られた熱処理物をインペ
ラーミルによって解砕後、空気分級機を用いて粒度調整
することにより、50%累積径(d50)が20μmの粉
末を得た。
Example 1 Boron carbide powder (purity 98%, d 50 = 1.5 μm) was added to silicon powder (purity 99%, d 50 = 25 μm) in an amount of 40% in terms of mass and thoroughly mixed using a kneader. Thereafter, the mixture was heated to 1230 ° C. in an argon stream, kept at this temperature for 70 hours, and then heated at a rate of about 15 ° C./min to 60 ° C.
After rapidly cooling to 0 ° C., it was cooled to around room temperature at a rate of about 5 ° C./min. The heat-treated product thus obtained was crushed by an impeller mill, and the particle size was adjusted using an air classifier to obtain a powder having a 50% cumulative diameter (d 50 ) of 20 μm.

【0043】その粉末の比表面積は0.8m2/gであ
った。この材料をX線回折測定した結果、材料中にケイ
素と炭素とホウ素の化合物(C,Si,B)312が生
成していることが分かった。さらに、得られたケイ素質
粉末を埋込・研磨を行った上で、EPMAで10個程度
分析した。その結果、ケイ素質粒子にはケイ素と炭素と
ホウ素からなる化合物が非常に微細に析出しており、ケ
イ素質粒子中に析出したケイ素と炭素とホウ素の化合物
の粒子の体積はケイ素質粒子の体積の1/100程度以
下であった。
The specific surface area of the powder was 0.8 m 2 / g. As a result of X-ray diffraction measurement of this material, it was found that a compound of silicon, carbon and boron (C, Si, B) 3 B 12 was formed in the material. Furthermore, after embedding and polishing the obtained siliconaceous powder, about 10 pieces were analyzed by EPMA. As a result, the compound composed of silicon, carbon and boron is very finely precipitated in the silicon particles, and the volume of the silicon, carbon and boron compound particles precipitated in the silicon particles is the volume of the silicon particles. Was about 1/100 or less.

【0044】このケイ素質粉末70質量%に対して、導
電剤としてカーボンブラックを20質量%、バインダー
としてポリテトラフルオロエチレン粉末を10質量%加
えて混練し、約0.1mm厚の電極シートを作製し、1
cm角(質量で約21mg)に切り出し(ケイ素材料に
換算して約15mg)、集電体であるCuメッシュに圧
着することにより負極電極を作製した。
With respect to 70% by mass of the silicon powder, 20% by mass of carbon black as a conductive agent and 10% by mass of polytetrafluoroethylene powder as a binder were added and kneaded to prepare an electrode sheet having a thickness of about 0.1 mm. And 1
A negative electrode was prepared by cutting out into a cm square (about 21 mg in mass) (about 15 mg in terms of a silicon material) and pressing it on a Cu mesh as a current collector.

【0045】上記成型電極の単極での電極特性を評価す
るために、対極、参照極にリチウム金属を用いた三極式
セルを用いた。電解液には、エチレンカーボネートとジ
エチルカーボネートの混合溶媒(体積比で1:1混合)
にLiPF6を1mol/lの割合で溶解したものを用
いた。充放電試験に関しては、電位規制の下、充電、放
電共に定電流(0.5mA/cm2)で行なった。電位
範囲は0Vから2.0V(リチウム金属基準)とした。
このような条件で評価した結果、このケイ素質粉末は初
回充電容量が2050mAh/g、初回放電容量が15
20mAh/gであり、高い放電容量を示した。なお、
初期容量ロスは530mAh/gであるが、この530
mAh/gの初期容量ロスの内、約330mAh/gは
導電剤として添加したカーボンブラックおよびバインダ
ーとして添加したポリテトラフルオロエチレン粉末に由
来するので、ケイ素質粉末由来の初期容量ロスは約20
0mAh/gと推定された。また、2回目以後は容量ロ
スがほとんどみられなかった。また2回目以後の充放電
においても放電容量はほとんど変わらず優れたサイクル
特性を示すなど、非常に高い電極性能を有していた。
In order to evaluate the monopolar electrode characteristics of the molded electrode, a three-electrode cell using lithium metal for the counter electrode and the reference electrode was used. In the electrolyte, a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (1: 1 mixture by volume ratio)
Was used in which LiPF 6 was dissolved at a rate of 1 mol / l. Regarding the charge / discharge test, both charging and discharging were performed at a constant current (0.5 mA / cm 2 ) under regulation of potential. The potential range was 0 V to 2.0 V (based on lithium metal).
As a result of the evaluation under these conditions, the silicon-based powder had an initial charge capacity of 2050 mAh / g and an initial discharge capacity of 15
20 mAh / g, indicating a high discharge capacity. In addition,
The initial capacity loss is 530 mAh / g.
Of the initial capacity loss of mAh / g, about 330 mAh / g is derived from carbon black added as a conductive agent and polytetrafluoroethylene powder added as a binder.
It was estimated to be 0 mAh / g. Further, almost no capacity loss was observed after the second time. Also, in the second and subsequent charging and discharging, the discharge capacity was hardly changed, and excellent cycle characteristics were exhibited.

【0046】実施例2 ケイ素粉末(純度99%、d50=25μm)に炭化ホウ
素粉末(純度98%、d50=1.5μm)を質量換算で
20%添加してニーダーを用いて十分混合した後、この
混合物をボールミルによってメカニカルアロイングを十
分に行い、その後、アルゴン気流中1050℃まで昇温
しこの温度で70時間保持し、その後15℃/分程度の
速度で600℃まで急冷した後、5℃/分程度の速度で
室温付近まで冷却した。このようにして得た熱処理物を
インペラーミルによって解砕後、空気分級機を用いて粒
度調整することにより、50%累積径(d50)が23μ
mの粉末を得た。
Example 2 Boron carbide powder (purity 98%, d 50 = 1.5 μm) was added to silicon powder (purity 99%, d 50 = 25 μm) in an amount of 20% in terms of mass, and thoroughly mixed using a kneader. Thereafter, the mixture was sufficiently mechanically alloyed by a ball mill, and then heated to 1050 ° C. in an argon stream, held at this temperature for 70 hours, and then rapidly cooled to 600 ° C. at a rate of about 15 ° C./min. It was cooled to around room temperature at a rate of about 5 ° C./min. The heat-treated product thus obtained was crushed by an impeller mill, and the particle size was adjusted using an air classifier, so that the 50% cumulative diameter (d 50 ) was 23 μm.
m were obtained.

【0047】その粉末の比表面積は0.7m2/gであ
った。この材料をX線回折測定した結果、材料中にケイ
素と炭素とホウ素の化合物(C,Si,B)312が生
成していることが分かった。さらに、得られたケイ素質
粉末を埋込・研磨を行った上で、EPMAで10個程度
分析した。その結果、ケイ素質粒子にはケイ素と炭素と
ホウ素からなる化合物が非常に微細に析出しており、ケ
イ素質粒子中に析出したケイ素と炭素とホウ素の化合物
の粒子の体積はケイ素質粒子の体積の1/200程度以
下であった。
The specific surface area of the powder was 0.7 m 2 / g. As a result of X-ray diffraction measurement of this material, it was found that a compound of silicon, carbon and boron (C, Si, B) 3 B 12 was formed in the material. Furthermore, after embedding and polishing the obtained siliconaceous powder, about 10 pieces were analyzed by EPMA. As a result, the compound composed of silicon, carbon and boron is very finely precipitated in the silicon particles, and the volume of the silicon, carbon and boron compound particles precipitated in the silicon particles is the volume of the silicon particles. Of about 1/200 or less.

【0048】このケイ素質粉末に対して、実施例1と同
様にして電極評価を行った結果、このケイ素質粉末は初
回充電容量が2630mAh/g、初回放電容量が20
30mAh/gであり、高い放電容量を示した。なお、
初期容量ロスは600mAh/gであるが、この600
mAh/gの初期容量ロスの内、約330mAh/gは
導電剤として添加したカーボンブラックおよびバインダ
ーとして添加したポリテトラフルオロエチレン粉末に由
来するので、ケイ素質粉末由来の初期容量ロスは約27
0mAh/gと推定された。また、2回目以後は容量ロ
スがほとんどみられなかった。また2回目以後の充放電
においても放電容量はほとんど変わらず優れたサイクル
特性を示すなど、非常に高い電極性能を有していた。
The silicon powder was evaluated for electrodes in the same manner as in Example 1. As a result, the silicon powder had an initial charge capacity of 2630 mAh / g and an initial discharge capacity of 20.
30 mAh / g, indicating a high discharge capacity. In addition,
The initial capacity loss is 600 mAh / g.
Of the initial capacity loss of mAh / g, about 330 mAh / g is derived from carbon black added as a conductive agent and polytetrafluoroethylene powder added as a binder.
It was estimated to be 0 mAh / g. Further, almost no capacity loss was observed after the second time. Also, in the second and subsequent charging and discharging, the discharge capacity was hardly changed, and excellent cycle characteristics were exhibited.

【0049】実施例3 ケイ素粉末(純度99%、d50=25μm)に炭素粉末
(純度99%、d50=14μm)を質量換算で10%、
ホウ素粉末(純度99%、d50=25μm)を質量換算
で40%添加してニーダーを用いて十分混合した後、こ
れを1700℃程度以上で溶融し均一な融液とし、次い
でその融液をノズルからアルゴンガス雰囲気中に霧状に
吹き出し、急速冷却してケイ素質粉末を得た。得られた
粉末を1050℃℃でアルゴンガス中で70時間熱処理
を行い、その後15℃/分程度の速度で600℃まで急
冷した後、5℃/分程度の速度で室温付近まで冷却し
た。このようにして得られた熱処理物をインペラーミル
によって解砕後、空気分級機を用いて粒度調整すること
により、50%累積径(d50)が21μmの粉末を得
た。
Example 3 A silicon powder (purity 99%, d 50 = 25 μm) was combined with a carbon powder (purity 99%, d 50 = 14 μm) by 10% by mass conversion.
Boron powder (purity 99%, d 50 = 25 μm) was added in an amount of 40% in terms of mass, mixed well using a kneader, and then melted at about 1700 ° C. or more to form a uniform melt. Mist was blown out from the nozzle into an argon gas atmosphere and rapidly cooled to obtain a silicon powder. The obtained powder was heat-treated at 1050 ° C. in an argon gas for 70 hours, then rapidly cooled to 600 ° C. at a rate of about 15 ° C./min, and then cooled to about room temperature at a rate of about 5 ° C./min. The heat-treated product thus obtained was crushed by an impeller mill, and the particle size was adjusted using an air classifier to obtain a powder having a 50% cumulative diameter (d 50 ) of 21 μm.

【0050】その粉末の比表面積は0.7m2/gであ
った。この材料をX線回折測定した結果、材料中にケイ
素と炭素とホウ素の化合物(C,Si,B)312が生
成していることが分かった。さらに、得られたケイ素質
粉末を埋込・研磨を行った上で、EPMAで10個程度
分析した。その結果、ケイ素質粒子にはケイ素と炭素と
ホウ素からなる化合物が非常に微細に析出しており、ケ
イ素質粒子中に析出したケイ素と炭素とホウ素の化合物
の粒子の体積はケイ素質粒子の体積の1/200程度以
下であった。
The specific surface area of the powder was 0.7 m 2 / g. As a result of X-ray diffraction measurement of this material, it was found that a compound of silicon, carbon and boron (C, Si, B) 3 B 12 was formed in the material. Furthermore, after embedding and polishing the obtained siliconaceous powder, about 10 pieces were analyzed by EPMA. As a result, the compound composed of silicon, carbon and boron is very finely precipitated in the silicon particles, and the volume of the silicon, carbon and boron compound particles precipitated in the silicon particles is the volume of the silicon particles. Of about 1/200 or less.

【0051】このケイ素質粉末に対して、実施例1と同
様にして電極評価を行った結果、このケイ素質粉末は初
回充電容量が1960mAh/g、初回放電容量が14
40mAh/gであり、高い放電容量を示した。なお、
初期容量ロスは520mAh/gであるが、この520
mAh/gの初期容量ロスの内、約330mAh/gは
導電剤として添加したカーボンブラックおよびバインダ
ーとして添加したポリテトラフルオロエチレン粉末に由
来するので、ケイ素質粉末由来の初期容量ロスは約19
0mAh/gと推定された。また、2回目以後は容量ロ
スがほとんどみられなかった。また2回目以後の充放電
においても放電容量はほとんど変わらず優れたサイクル
特性を示すなど、非常に高い電極性能を有していた。
The silicon powder was subjected to electrode evaluation in the same manner as in Example 1. As a result, the silicon powder had an initial charge capacity of 1960 mAh / g and an initial discharge capacity of 14
40 mAh / g, indicating a high discharge capacity. In addition,
The initial capacity loss is 520 mAh / g.
Of the initial capacity loss of mAh / g, about 330 mAh / g is derived from carbon black added as a conductive agent and polytetrafluoroethylene powder added as a binder.
It was estimated to be 0 mAh / g. Further, almost no capacity loss was observed after the second time. Also, in the second and subsequent charging and discharging, the discharge capacity was hardly changed, and excellent cycle characteristics were exhibited.

【0052】実施例4 実施例1で得たケイ素質粉末50質量部と平均粒径15
μmの天然黒鉛50質量部を混合し、リチウムイオン二
次電池負極用粉末を得た。
Example 4 50 parts by mass of the silicon powder obtained in Example 1 and an average particle size of 15
50 parts by mass of natural graphite having a particle diameter of 50 μm were mixed to obtain a negative electrode powder for a lithium ion secondary battery.

【0053】得られた粉末電極評価を、この粉末70質
量%に対して、導電剤としてカーボンブラックを20質
量%、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン粉
末を10質量%加えて混練する代わりに、この粉末90
質量%に対してバインダーとしてポリテトラフルオロエ
チレン粉末を10質量%加えて(導電剤を特別に加えず
に)混練し、それ以外は実施例1で行ったのと同じ方法
で行った。その結果、このケイ素質粉末は初回充電容量
が1040mAh/g、初回放電容量が950mAh/
gであり、高い放電容量と高い初期効率を示した。ま
た、2回目以後は容量ロスがほとんどみられなかった。
また2回目以後の充放電においても放電容量はほとんど
変わらず優れたサイクル特性を示すなど、非常に高い電
極性能を有していた。
The evaluation of the obtained powdery electrode was performed by adding 70% by mass of carbon black as a conductive agent and 10% by mass of polytetrafluoroethylene powder as a binder to 70% by mass of the powder, and kneading the mixture. 90
10% by mass of a polytetrafluoroethylene powder as a binder was added to the mass% and kneaded (without adding a conductive agent in particular), and otherwise the same method as in Example 1 was used. As a result, this silicon powder has an initial charge capacity of 1040 mAh / g and an initial discharge capacity of 950 mAh / g.
g, indicating high discharge capacity and high initial efficiency. Further, almost no capacity loss was observed after the second time.
Also, in the second and subsequent charging and discharging, the discharge capacity was hardly changed, and excellent cycle characteristics were exhibited.

【0054】比較例1 ケイ素粉末(純度99%、d50=25μm)をリチウム
二次電池用負極活物質に用いた。この材料を実施例1と
同様の条件で電極評価を行った。その結果、このケイ素
粉末は初回放電容量は2100mAh/gで大きいもの
の、初回充電容量が3730mAh/gで、導電剤とし
て添加したカーボンブラックおよびバインダーとして添
加したポリテトラフルオロエチレン粉末由来の初期容量
ロス分を差し引いたケイ素質粉末の初期容量ロスは13
00mAh/gと非常に大きかった。さらなる充放電の
繰り返しにより、容量ロスは2回目でも800mAh/
gと大きく、その後徐々に低下して7回目でようやく0
mAh/gになった。このためトータルの容量ロスが非
常に大きかった。またサイクルの進行とともに放電容量
は急激に低下して10回目で200mAh/gにまで落
ち込むなど、リチウムイオン二次電池用負極活物質とし
て実用に耐えないものであった。
Comparative Example 1 Silicon powder (purity 99%, d 50 = 25 μm) was used as a negative electrode active material for a lithium secondary battery. This material was subjected to electrode evaluation under the same conditions as in Example 1. As a result, although the initial discharge capacity of this silicon powder was large at 2100 mAh / g, the initial charge capacity was 3730 mAh / g, and the initial capacity loss due to carbon black added as a conductive agent and polytetrafluoroethylene powder added as a binder was increased. The initial capacity loss of the siliconaceous powder from which the
It was as large as 00 mAh / g. By repeating the charge and discharge further, the capacity loss is 800 mAh /
g, then gradually decreased and finally reached 0 at the 7th time
mAh / g. For this reason, the total capacity loss was very large. In addition, the discharge capacity rapidly decreased with the progress of the cycle and dropped to 200 mAh / g at the tenth time, indicating that it was not practically usable as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明のリチウムイオン二次電池用負極
活物質は、黒鉛の理論値を越える放電容量と共に高い初
期効率や高いサイクル特性を有する材料を提供するもの
である。また、このことによって、リチウムイオン二次
電池の軽量化、小型化に寄与するものである。また、本
発明のリチウムイオン二次電池は高いエネルギー密度、
高いサイクル特性を有する電池を提供するものである。
The negative active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention provides a material having a discharge capacity exceeding the theoretical value of graphite, a high initial efficiency and a high cycle characteristic. This also contributes to the weight reduction and size reduction of the lithium ion secondary battery. In addition, the lithium ion secondary battery of the present invention has a high energy density,
An object of the present invention is to provide a battery having high cycle characteristics.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉浦 勉 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 河野 太郎 東京都千代田区大手町2−6−3 新日本 製鐵株式会社内 Fターム(参考) 5H029 AJ03 AJ05 AK02 AK03 AK04 AL01 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 5H050 AA07 AA08 BA17 CA02 CA08 CA09 CA11 CB01 CB07 DA10 EA08 FA17  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tsutomu Sugiura 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Taro Kawano 2-6-3 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo F-term in Nippon Steel Corporation (reference) 5H029 AJ03 AJ05 AK02 AK03 AK04 AL01 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 5H050 AA07 AA08 BA17 CA02 CA08 CA09 CA11 CB01 CB07 DA10 EA08 FA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 負極活物質が、ケイ素と炭素とホウ素か
らなる化合物を少なくとも粒子内に微細に分散したケイ
素質粒子を含んでなることを特徴とするリチウムイオン
二次電池用負極活物質。
1. A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, wherein the negative electrode active material comprises silicon particles in which a compound comprising silicon, carbon and boron is finely dispersed in at least particles.
【請求項2】 前記ケイ素と炭素とホウ素からなる該化
合物が主として(C,Si,B)312で表されること
を特徴とする、請求項1に記載のリチウムイオン二次電
池用負極活物質。
2. The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein said compound comprising silicon, carbon and boron is mainly represented by (C, Si, B) 3 B 12. Active material.
【請求項3】 前記負極活物質が、さらに炭素質粒子を
含んでなる請求項1または2に記載のリチウムイオン二
次電池用負極活物質。
3. The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material further contains carbonaceous particles.
【請求項4】 正極活物質、負極活物質および非水系電
解質を含有するリチウムイオン二次電池において、該負
極活物質が請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウ
ムイオン二次電池用負極活物質であることを特徴とする
リチウムイオン二次電池。
4. A lithium ion secondary battery containing a positive electrode active material, a negative electrode active material and a non-aqueous electrolyte, wherein the negative electrode active material is used for a lithium ion secondary battery according to claim 1. A lithium ion secondary battery, which is a negative electrode active material.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015045387A1 (en) * 2013-09-25 2015-04-02 国立大学法人東京大学 Non-aqueous electrolyte secondary battery
JP2015088475A (en) * 2013-09-25 2015-05-07 国立大学法人 東京大学 Nonaqueous electrolyte secondary battery
US10686223B2 (en) 2013-09-25 2020-06-16 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Nonaqueous electrolyte secondary battery
US11011781B2 (en) 2013-09-25 2021-05-18 The University Of Tokyo Nonaqueous electrolyte secondary battery

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JP2015088475A (en) * 2013-09-25 2015-05-07 国立大学法人 東京大学 Nonaqueous electrolyte secondary battery
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