JP2004311428A - Electrode material for lithium secondary battery, electrode structure with the electrode material and secondary battery with the electrode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコンを主成分とする粒子の粉末からなるリチウム二次電池用の電極材料、該電極材料を有する電極構造体、該電極構造体を有する二次電池に関する。 The present invention relates to an electrode material for a lithium secondary battery comprising a powder of particles containing silicon as a main component, an electrode structure having the electrode material, and a secondary battery having the electrode structure.
最近、大気中に含まれるCO2ガス量が増加しつつある為、温室効果により地球の温暖化が生じる可能性が指摘されている。火力発電所は化石燃料などを燃焼させて得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換しているが、燃焼によりCO2ガスを多量に排出するため新たな火力発電所は、建設することが難しくなってきている。したがって、火力発電所などの発電機にて作られた電力の有効利用として、余剰電力である夜間電力を一般家庭等に設置した二次電池に蓄えて、これを電力消費量が多い昼間に使用して負荷を平準化する、いわゆるロードレベリングが提案されている。 Recently, since the amount of CO 2 gas contained in the atmosphere is increasing, it has been pointed out that global warming may occur due to the greenhouse effect. Thermal power plants convert thermal energy obtained by burning fossil fuels and the like into electric energy. However, it is difficult to construct a new thermal power plant because a large amount of CO 2 gas is emitted by combustion. ing. Therefore, as an effective use of power generated by generators such as thermal power plants, surplus nighttime power is stored in secondary batteries installed in ordinary households and used during daytime when power consumption is high. A so-called load leveling has been proposed.
また、COx、NOx、炭化水素などを含む大気汚染にかかわる物質を排出しないという特徴を有する電気自動車用途では、高エネルギー密度の二次電池の開発が期待されている。さらに、ブック型パーソナルコンピューター、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant)等のポータブル機器の電源用途では、小型、軽量で高性能な二次電池の開発が急務になっている。 In addition, in electric vehicle applications that do not emit substances related to air pollution including CO x , NO x , and hydrocarbons, development of secondary batteries with high energy density is expected. Furthermore, in the power supply application of portable devices such as a book-type personal computer, a video camera, a digital camera, a mobile phone, and a PDA (Personal Digital Assistant), there is an urgent need to develop a small, lightweight, and high-performance secondary battery.
このような小型、軽量で高性能な二次電池としては、充電時の反応で、リチウムイオンを層間からデインターカレートするリチウムインターカレーション化合物を正極物質に、リチウムイオンを炭素原子で形成される六員環網状平面の層間にインターカレートできる黒鉛に代表されるカーボン材料を負極物質に用いた、ロッキングチェアー型のいわゆる“リチムイオン電池”の開発が進み、実用化されて一般的に使用されている。 Such a small, lightweight and high-performance secondary battery is formed by using a lithium intercalation compound that deintercalates lithium ions from the interlayer in the reaction during charging as a positive electrode material and lithium ions as carbon atoms. The so-called "lithium ion battery" of the rocking chair type using a carbon material typified by graphite that can be intercalated between layers of a six-membered ring network plane as the negative electrode material has been developed and put into practical use and generally used. ing.
しかし、この“リチウムイオン電池”では、カーボン材料で構成される負極は理論的には炭素原子当たり最大1/6のリチウム原子しかインターカレートできないため、金属リチウムを負極物質に使用したときのリチウム一次電池に匹敵する高エネルギー密度の二次電池は実現できない。 However, in this "lithium ion battery", the negative electrode composed of a carbon material can theoretically intercalate only a maximum of 1/6 lithium atoms per carbon atom. A secondary battery with a high energy density comparable to a primary battery cannot be realized.
もし、充電時に“リチウムイオン電池”のカーボンからなる負極に理論量以上のリチウム量をインターカレートしようとした場合あるいは高電流密度の条件で充電した場合には、カーボン負極表面にリチウム金属がデンドライト(樹枝)状に成長し、最終的に充放電サイクルの繰り返しで負極と正極間の内部短絡に至る可能性があり、黒鉛負極の理論容量を越える“リチウムイオン電池”では十分なサイクル寿命が得られていない。 If, during charging, an attempt is made to intercalate a stoichiometric amount of lithium into the negative electrode made of carbon in a “lithium ion battery” or if the battery is charged under conditions of high current density, lithium metal is dendritic on the surface of the carbon negative electrode. It grows in a (dendritic) shape and may eventually lead to an internal short circuit between the negative electrode and the positive electrode due to repeated charge / discharge cycles. A "lithium-ion battery" exceeding the theoretical capacity of the graphite negative electrode has sufficient cycle life. Not been.
一方、金属リチウムを負極に用いる高容量のリチウム二次電池が高エネルギー密度を示す二次電池として注目されているが、実用化に至っていない。 On the other hand, a high-capacity lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode has attracted attention as a secondary battery having a high energy density, but has not been put to practical use.
その理由は、充放電のサイクル寿命が極めて短いためである。充放電のサイクル寿命が極めて短い主原因としては、金属リチウムが電解液中の水分などの不純物や有機溶媒と反応して絶縁膜が形成されたり、金属リチウム箔表面が平坦でなく電界が集中する箇所があり、これが原因で充放電の繰り返しによってリチウム金属がデンドライト状に成長し、負極と正極間の内部短絡を引き起こし寿命に至ることにあると、考えられている。 The reason is that the charge / discharge cycle life is extremely short. The main cause of the extremely short charge / discharge cycle life is that metallic lithium reacts with impurities such as moisture in the electrolyte and organic solvents to form an insulating film, or the surface of the metallic lithium foil is not flat and the electric field concentrates It is considered that there is a point, and as a result, lithium metal grows in a dendrite shape due to repetition of charge / discharge, causing an internal short circuit between the negative electrode and the positive electrode to reach a life.
上述の金属リチウム負極を用いた二次電池の問題点である、金属リチウムと電解液中の水分や有機溶媒との反応進行を抑えるために、負極にリチウムとアルミニウムなどからなるリチウム合金を用いる方法が提案されている。 A method of using a lithium alloy composed of lithium, aluminum, or the like for the negative electrode in order to suppress the progress of the reaction between lithium metal and water or an organic solvent in the electrolytic solution, which is a problem of a secondary battery using the above-described metal lithium anode. Has been proposed.
しかしながら、この場合、リチウム合金が硬いためにスパイラル状に巻くことができないのでスパイラル円筒形電池の作製ができないこと、サイクル寿命が充分に延びないこと、金属リチウムを負極に用いた電池に匹敵するエネルギー密度は充分に得られないこと、などの理由から広範囲な実用化には至っていないのが現状である。 However, in this case, since the lithium alloy is hard and cannot be wound in a spiral shape, a spiral cylindrical battery cannot be manufactured, the cycle life cannot be sufficiently extended, and the energy is comparable to that of a battery using metallic lithium for the negative electrode. At present, it has not been put to practical use in a wide range because of insufficient density and the like.
ところで、以上のような問題を解決するため、従来、シリコンやスズ元素からなるリチウム二次電池用負極を用いた二次電池として、米国特許6051340、米国特許5795679、米国特許6432585、特開平11−283627号公報、特開2000−311681号公報、特WO00/17949が提案されている。 By the way, in order to solve the above-mentioned problems, conventionally, as a secondary battery using a negative electrode for a lithium secondary battery made of silicon or tin, US Pat. No. 6,051,340, US Pat. No. 5,795,679, US Pat. No. 283627, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-31681, and WO00 / 17949 have been proposed.
ここで、米国特許6051340では、リチウムと合金化しない金属材料の集電体上にシリコンやスズのリチウムと合金化する金属と、ニッケルや銅のリチウムと合金化しない金属から形成された電極層を形成した負極を用いたリチウム二次電池を提案している。 Here, in U.S. Pat. No. 6,051,340, an electrode layer formed of a metal that alloys with lithium of silicon or tin and a metal that does not alloy with lithium of nickel or copper are formed on a current collector made of a metal material that does not alloy with lithium. A lithium secondary battery using the formed negative electrode has been proposed.
また、米国特許5795679ではニッケルや銅等の元素と、スズ等の元素との合金粉末から形成された負極を用いたリチウム二次電池を、米国特許6432585では電極材料層が平均粒径0.5〜60μmのシリコンやスズから成る粒子を35重量%以上含有し、空隙率が0.10〜0.86で、密度が1.00〜6.56g/cm3の負極を用いたリチウム二次電池を提案している。 U.S. Pat. No. 5,795,679 discloses a lithium secondary battery using a negative electrode formed from an alloy powder of an element such as nickel or copper and an element such as tin. In U.S. Pat. No. 6,432,585, an electrode material layer has an average particle diameter of 0.5. Lithium secondary battery using a negative electrode having a particle size of silicon or tin of 35 to 60 μm in an amount of 35% by weight or more, a porosity of 0.10 to 0.86, and a density of 1.00 to 6.56 g / cm 3 Has been proposed.
また、特開平11−283627号公報では非晶質相を有するシリコンやスズを有した負極を用いたリチウム二次電池を、特開2000−311681号公報では非化学量論組成の非晶質スズ−遷移金属合金粒子からなる負極を用いたリチウム二次電池を、特WO00/17949では非化学量論組成の非晶質シリコン−遷移金属合金粒子からなる負極を用いたリチウム二次電池を提案している。 JP-A-11-283627 discloses a lithium secondary battery using a negative electrode having silicon or tin having an amorphous phase, and JP-A-2000-31681 discloses an amorphous tin having a non-stoichiometric composition. -A lithium secondary battery using a negative electrode composed of transition metal alloy particles is proposed. In WO00 / 17949, a lithium secondary battery using a negative electrode composed of non-stoichiometric amorphous silicon-transition metal alloy particles is proposed. ing.
しかし、上記の各提案によるリチウム二次電池では、1回目のリチウム挿入に伴う電気量に対するリチウム放出に伴う電気量の効率が黒鉛負極と同等の性能までは得られておらず、効率のさらなる向上が期待されていた。また、上記提案のリチウム二次電池の電極は黒鉛電極より抵抗が高いことから、抵抗の低減が望まれていた。 However, in the lithium secondary batteries according to the above proposals, the efficiency of the amount of electricity associated with the release of lithium with respect to the amount of electricity associated with the first lithium insertion has not been obtained to the same level as that of the graphite anode, and the efficiency has been further improved. Was expected. Further, since the electrode of the lithium secondary battery proposed above has a higher resistance than the graphite electrode, it has been desired to reduce the resistance.
また、特開2000−215887号公報では、ベンゼン等の熱分解の化学蒸着処理法により、リチウム合金を形成可能な金属または半金属、特にシリコン粒子表面に炭素層を形成して導電性を向上させることで、リチウムとの合金化時の体積膨張を抑制して電極の破壊を防ぎ、高容量で充放電効率の高いリチウム二次電池が提案されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-21587, a metal layer or a metalloid capable of forming a lithium alloy, particularly, a carbon layer is formed on the surface of silicon particles by a chemical vapor deposition method of thermal decomposition such as benzene to improve conductivity. Thus, a lithium secondary battery having a high capacity and a high charge / discharge efficiency has been proposed, by suppressing volume expansion upon alloying with lithium to prevent electrode destruction.
しかし、このリチウム二次電池においては、シリコンとリチウムの化合物としてのLi4.4Siから計算される理論的蓄電容量が4200mAh/gであるのに対し、1000mAh/gを超える電気量のリチウム挿入脱離を可能とする電極性能には至っておらず、高容量で、かつ長寿命の負極の開発が望まれている。 However, in this lithium secondary battery, while the theoretical storage capacity calculated from Li 4.4 Si as a compound of silicon and lithium is 4200 mAh / g, lithium insertion of an electric quantity exceeding 1000 mAh / g is performed. The electrode performance that does not allow desorption is not attained, and the development of a high-capacity and long-life negative electrode is desired.
そこで、本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、充電・放電を繰り返すことによる容量低下が少なく、かつ充放電サイクル寿命が向上したリチウム二次電池用の電極材料、該電極材料を有する電極構造体、該電極構造体を有する二次電池を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, an electrode material for a lithium secondary battery having a small capacity reduction due to repeated charge and discharge, and an improved charge / discharge cycle life, and the electrode material. An object of the present invention is to provide an electrode structure having the above, and a secondary battery having the electrode structure.
本発明は、シリコンを主成分とする平均粒径が0.02μm〜5μm以下の合金の粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料であって、前記合金の結晶子サイズが2nm以上500nm以下であり、かつシリコン相中に少なくともスズを含む金属間化合物が分散していることを特徴とするものである(第一発明)。 The present invention is an electrode material for a lithium secondary battery comprising particles of an alloy having silicon as a main component and having an average particle size of 0.02 μm to 5 μm, wherein the crystallite size of the alloy is 2 nm or more and 500 nm or less. And an intermetallic compound containing at least tin is dispersed in a silicon phase (first invention).
また本発明は、シリコンを主成分とする平均粒径が0.02μm〜5μm以下の合金の粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料であって、前記合金の結晶子サイズが2nm以上500nm以下であり、シリコン相中に、少なくともアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛のいずれかを含む1種類以上の金属間化合物が分散していることを特徴とするものである(第二発明)。 The present invention also provides an electrode material for a lithium secondary battery comprising particles of an alloy having silicon as a main component and having an average particle size of 0.02 μm to 5 μm, wherein the crystallite size of the alloy is 2 nm or more and 500 nm or less. Wherein at least one intermetallic compound containing at least one of aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth and lead is dispersed in the silicon phase (second invention). .
本発明のように、シリコンを主成分とする平均粒径が0.02μm〜5μm以下の合金の結晶子サイズが2nm以上500nm以下であり、かつシリコン相中に少なくともスズを含む金属間化合物、或は少なくともアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛のいずれかを含む1種類以上の金属間化合物が分散している電極材料により電極構造体を構成し、この電極構造体を負極に用いてリチウム二次電池を構成することによって、充電・放電を繰り返すことによる容量低下が少なく、かつ充放電サイクル寿命が向上した高容量の二次電池を作製することができる。 As in the present invention, an alloy containing silicon as a main component and having an average particle size of 0.02 μm to 5 μm or less has a crystallite size of 2 nm or more and 500 nm or less, and an intermetallic compound containing at least tin in a silicon phase, or Is composed of an electrode material in which at least one kind of intermetallic compound containing at least one of aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth and lead is dispersed, and this electrode structure is used as a negative electrode to form a lithium electrode. By configuring a secondary battery, a high-capacity secondary battery in which a decrease in capacity due to repeated charging and discharging is small and in which a charge / discharge cycle life is improved can be manufactured.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明者らは、これまでにシリコンにスズや銅を添加して、シリコン元素を50重量%以上含有する合金化した粒子の平均粒径が0.1μm以上2.5μm以下である微粉末を用いることで、高容量なリチウム二次電池を作製できることを見出してきた。 The present inventors have prepared a fine powder in which tin or copper has been added to silicon and the average particle diameter of alloyed particles containing silicon element of 50% by weight or more is 0.1 μm or more and 2.5 μm or less. It has been found that a high-capacity lithium secondary battery can be manufactured by using the same.
そして今回、結晶子サイズが2nm以上500nm以下であるシリコン相中にスズを含む金属間化合物、或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛のいずれかを含む1種類以上の金属間化合物が分散していることを特徴とする電極材料において、さらに充電/放電を繰り返すことによる容量低下が少なく、充放電サイクル寿命を向上できることを見出し本発明に至った。 And this time, an intermetallic compound containing tin or one or more intermetallic compounds containing any of aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, and lead are dispersed in a silicon phase having a crystallite size of 2 nm or more and 500 nm or less. The present invention has been found that, in the electrode material characterized in that the charge / discharge cycle is repeated, the capacity is not reduced by repeated charge / discharge.
図1は、本発明に係る電極構造体を構成する電極材料の粒子の模式断面図であり、同図において、103は本発明に係るシリコンを主成分とする電極材料(活物質)の粒子である。ここで、この電極材料粒子103の平均粒径は0.02μm〜5μm以下であり、またこの電極材料粒子103は、シリコン相106と、スズ、或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛から選ばれる元素を含む金属間化合物107から構成されている。
FIG. 1 is a schematic sectional view of particles of an electrode material constituting an electrode structure according to the present invention. In FIG. 1,
つまり、本発明の電極材料103は、結晶子サイズが2nm以上500nm以下であるシリコン相106中に、スズを含む金属間化合物107、或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛から選ばれる元素を含む金属間化合物107が分散していることを特徴とするものである。ここで、金属間化合物107のみならず、それに加えてさらにスズ、或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛から選ばれる元素が金属単体で存在していても構わない。
That is, in the
なお、本明細書における“シリコン相106中に金属間化合物107が分散している”状態とは、粉末粒子がシリコン相106と金属間化合物107の相に分離した偏析の状態で形成されているのではなく、粉末粒子の主成分がシリコンからなっており、その中に金属間化合物107が混在している状態であることを意味している。また、このような状態は、透過電子顕微鏡や制限視野電子線回折で観察することができる。 In this specification, the state in which “the intermetallic compound 107 is dispersed in the silicon phase 106” means that the powder particles are formed in a segregated state in which the powder particles are separated into the silicon phase 106 and the intermetallic compound 107. Rather, it means that the main component of the powder particles is silicon, and the intermetallic compound 107 is mixed therein. Such a state can be observed with a transmission electron microscope or a selected area electron beam diffraction.
ここで、スズと金属間化合物を形成する元素としては、銅、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、バナジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニア、イットリウム、ランタン、セレン、マグネシウム、銀が好ましく、中でも銅、ニッケル、コバルトが好ましい。そして、これらは、スズとCu41Sn11、Cu10Sn3、Cu5Sn4、Cu5Sn、Cu3Sn、Ni3Sn4、Ni3Sn2、Ni3Sn、Co3Sn2、CoSn2、CoSn、Fe5Sn3、Fe3Sn2、FeSn2、FeSn、Mn3Sn、Mn2Sn、MnSn2、Sn3V2、SnV3、Mo3Sn、Mo2Sn3、MoSn2、NbSn2、Nb6Sn5、Nb3Sn、SnTa3、Sn3Ta2、SnTi2、SnTi3、Sn3Ti5、Sn5Ti6、SnZr4、Sn2Zr、Sn3Zr5、Sn2Y、Sn3Y、Sn3Y5、Sn4Y5、Sn10Y11、LaSn、LaSn3、La2Sn3、La3Sn、La3Sn5、La5Sn3、La5Sn4,La11Sn10、Ce3Sn、Ce5Sn3、Ce5Sn4、Ce11Sn10、Ce3Sn5、Ce3Sn7、Ce2Sn5、CeSn3、Mg2Sn、Ag3Sn、Ag7Snなどの金属間化合物を形成する。
Here, as an element forming an intermetallic compound with tin, copper, nickel, cobalt, iron, manganese, vanadium, molybdenum, niobium, tantalum, titanium, zirconia, yttrium, lanthanum, selenium, magnesium, and silver are preferable, among which Copper, nickel and cobalt are preferred. These elements tin and Cu 41 Sn 11, Cu 10 Sn 3,
ところで、シリコンを電極材料に用いた場合、充電/放電に伴うシリコンへのリチウムの挿入/脱離反応時の体積変化が大きいために、シリコンの結晶構造が崩壊して粒子が微粉化して充放電できなくなる。 By the way, when silicon is used as an electrode material, the volume change during the insertion / desorption reaction of lithium into silicon accompanying charging / discharging is large, so that the crystal structure of silicon collapses and particles are pulverized to charge and discharge. become unable.
そこで本発明者らは、これまでに非晶質化したシリコン、或いはシリコン合金の微粉末を用いることによってサイクル寿命を向上させることを見出してきたが、今回は、更にシリコン相中にスズを含む金属間化合物、或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛から選ばれる元素を含む金属間化合物を分散させることでシリコン相中に均一にリチウムを挿入させることができ、サイクル寿命を向上できることを見出した。 Thus, the present inventors have found that the cycle life can be improved by using amorphous silicon or silicon alloy fine powder, but this time, the present invention further includes tin in the silicon phase. By dispersing an intermetallic compound or an intermetallic compound containing an element selected from aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, and lead, lithium can be uniformly inserted into the silicon phase and cycle life can be improved. I found it.
このことの一例としてスズの場合について述べると、スズに対する電気化学的なリチウムの酸化/還元反応(1)の電位E1(Li/Li+)は、シリコンに対する酸化/還元反応(2)の電位E2(Li/Li+)よりも貴である。
(1) Sn+xLi→ LixSn E1(Li/Li+)
(2) Si+xLi→ LixSi E2(Li/Li+)
E1(Li/Li+)>E2(Li/Li+)
Taking tin as an example of this, the potential E1 (Li / Li + ) of the electrochemical lithium oxidation / reduction reaction (1) with respect to tin is equal to the potential E2 of the oxidation / reduction reaction (2) with silicon. It is more noble than (Li / Li + ).
(1) Sn + xLi → Li x Sn E1 (Li / Li + )
(2) Si + xLi → Li x Si E2 (Li / Li + )
E1 (Li / Li + )> E2 (Li / Li + )
ここで、充電に伴うリチウムの挿入反応は貴側の電位から起こるために、リチウムの挿入は、先ずスズで起こって、その後にシリコンで起こると考えられる。従って、シリコン相中に均一にスズを分散させることで、シリコン相中へのリチウムの挿入反応も均一に起こり、さらに均一にシリコン相中にリチウムを取り込むことによってシリコンの結晶構造の崩壊が抑制できる、と考えられる。 Here, since the lithium insertion reaction accompanying charging occurs from the noble potential, it is considered that lithium insertion occurs first in tin and then in silicon. Therefore, by uniformly dispersing tin in the silicon phase, the insertion reaction of lithium into the silicon phase also occurs uniformly, and the collapse of the crystal structure of silicon can be suppressed by more uniformly incorporating lithium into the silicon phase. ,it is conceivable that.
ところで、シリコンとスズの合金粉末を作製する手段として、混合溶融した上でアトマイズ処理により合金化する方法、いわゆるガスアトマイズ法、あるいは水アトマイズ法を用いる方法が工業的に簡便である。しかし、シリコンの融点が1412℃であるのに対し、スズの融点は231.9℃と融点の差が大きいためにシリコン相とスズ相が分離した偏析の状態で形成され易くなる。 By the way, as a means for producing an alloy powder of silicon and tin, a method of mixing and melting and then alloying by an atomizing treatment, that is, a method using a so-called gas atomizing method or a water atomizing method is industrially simple. However, since the melting point of silicon is 1412 ° C., and the melting point of tin is 231.9 ° C., which is a large difference between the melting points, the silicon phase and the tin phase are easily formed in a segregated state.
これを抑制する手段として、第一発明に示すように、スズを含む金属間化合物を用いることが有効である。 As a means for suppressing this, it is effective to use an intermetallic compound containing tin as shown in the first invention.
具体的には、合金を作製する際に、スズとともに、スズと金属間化合物を形成する、銅、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、バナジウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニア、イットリウム、ランタン、セレン、マグネシウム、銀の少なくとも1種類以上の元素を添加する方法が有効である。 Specifically, when producing an alloy, together with tin, to form an intermetallic compound with tin, copper, nickel, cobalt, iron, manganese, vanadium, molybdenum, niobium, tantalum, titanium, zirconia, yttrium, lanthanum, A method of adding at least one element of selenium, magnesium, and silver is effective.
ここで、これらの金属間化合物の融点はスズの融点よりも高いために、シリコンとの融点差を小さくすることができ、シリコン相とスズ合金相を均一に分散できる。なお、金属間化合物を形成することにより、リチウムを取り込んだ時のスズの体積変化を抑制する効果も期待できる。 Here, since the melting point of these intermetallic compounds is higher than the melting point of tin, the difference in melting point with silicon can be reduced, and the silicon phase and the tin alloy phase can be uniformly dispersed. In addition, by forming an intermetallic compound, an effect of suppressing a volume change of tin when lithium is taken in can be expected.
また、アルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛の元素も電気化学的にLiを挿入/脱離することができ、スズと同様にLiの酸化/還元反応の電位はシリコンよりも貴である。さらに、これらの融点は、アルミニウム(660℃)、亜鉛(419.5℃)、インジウム(156.4℃)、アンチモン(630.5℃)、ビスマス(271℃)、鉛(327.4℃)とシリコンに比べて低い。そこで、第二発明に示すように、これらの元素いずれかを含む金属間化合物を形成することによって、シリコンとの融点差を小さくして均一に分散することが出来る。 In addition, elements of aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, and lead can also electrochemically insert / desorb Li, and like tin, the potential of the oxidation / reduction reaction of Li is more noble than silicon. . Furthermore, their melting points are aluminum (660 ° C.), zinc (419.5 ° C.), indium (156.4 ° C.), antimony (630.5 ° C.), bismuth (271 ° C.), and lead (327.4 ° C.). And lower than silicon. Then, as shown in the second invention, by forming an intermetallic compound containing any of these elements, the difference in melting point from silicon can be reduced and uniform dispersion can be achieved.
なお、これらの金属間化合物としては、AlCu、AlCu2、AlCu3、Al2Cu、Al2Cu3、Al2Cu7、Al3Cu7、Al4Cu5、CuZn、CuZn3、CuZn4、Cu5Zn8、Cu2In、Cu4In、Cu7In3、Cu11In9、Cu2Sb、Cu3Sb、Cu4Sb、Cu5Sb、Cu10Sb3、BiNi、Bi3Ni、Bi3Pb7、Pb3Zr5、などが挙げられる。
As these intermetallic compounds, AlCu, AlCu 2, AlCu 3 ,
また、合金中のシリコンの含有率は、リチウム二次電池の負極材料として高蓄電量の性能を発揮するためには、50wt%以上であることが好ましい。さらに、本発明のシリコン合金の一次粒子の平均粒径は、リチウム二次電池の負極材料として、電気化学的にリチウムの挿入脱離反応が均一に速やかに起こるように、0.02〜5.0μmの範囲にあるのが好ましく、0.05〜1.0μmの範囲にあるのがより好ましい。なお、本明細書において“平均粒径”とは、平均一次粒子径(凝集していない状態の平均粒径)を意味する。 In addition, the content of silicon in the alloy is preferably 50 wt% or more in order to exhibit high power storage performance as a negative electrode material of a lithium secondary battery. Further, the average particle size of the primary particles of the silicon alloy of the present invention is from 0.02 to 5.5 so that the lithium insertion and desorption reaction electrochemically occurs uniformly and quickly as a negative electrode material of a lithium secondary battery. It is preferably in the range of 0 μm, more preferably in the range of 0.05 to 1.0 μm. In addition, in this specification, an "average particle size" means an average primary particle size (average particle size in the state where it does not aggregate).
ここで、上記平均粒子径が細かすぎると取り扱いが容易でなくなるし、電極を形成した場合の粒子間の接触面積が増え、接触抵抗が増大するが、上記のような平均粒径の一次粒子の場合、一次粒子を集合させて粒子を大きくすることは取り扱いを容易にし、抵抗の低減につながる。 Here, if the average particle diameter is too small, handling becomes difficult and the contact area between the particles when an electrode is formed increases, and the contact resistance increases. In this case, assembling the primary particles to enlarge the particles facilitates handling and leads to a reduction in resistance.
また、長サイクル寿命の電池を得るためには、粉砕した微粉末の結晶構造は非晶質相を含有することが好ましい。さらに、本発明のリチウム二次電池の負極材料の製造方法にて作製した負極材料の微粉末が非晶質相を含有することで、リチウムとの合金化時に体積膨張が低減できる。 Further, in order to obtain a battery having a long cycle life, the crystal structure of the pulverized fine powder preferably contains an amorphous phase. Furthermore, since the fine powder of the negative electrode material produced by the method for producing a negative electrode material of a lithium secondary battery of the present invention contains an amorphous phase, volume expansion during alloying with lithium can be reduced.
また、非晶質相の割合が多くなると、結晶質であったシャープなX線回折チャートのピークはピークの半価幅が広がり、よりブロードとなる。なお、2θに対する回折強度のX線回折チャートの主ピークの半価幅が、0.1°以上であることが好ましく、0.2°以上であることがより好ましい。 Also, when the proportion of the amorphous phase is increased, the peak of the sharp X-ray diffraction chart which is crystalline has a broader half width of the peak, and becomes broader. The half-value width of the main peak of the X-ray diffraction chart of the diffraction intensity with respect to 2θ is preferably 0.1 ° or more, more preferably 0.2 ° or more.
本発明にて調製された負極材料粉末(シリコンを主成分とする粒子の粉末)の結晶子、特に電極構造体に対して充放電を行なう以前(未使用の状態)での結晶子サイズは2nm以上500nm以下であることが好ましく、2nm以上50nm以下の範囲に制御することがより好ましく、2nm以上30nm以下の範囲に制御することがより好ましい。このように微細な結晶粒のものを用いることによって、充放電時の電気化学反応をより円滑にすることができ、充電容量を向上できる。また、充放電時のリチウムの出入りによって生じる歪みを小さく抑えて、サイクル寿命を伸ばすことが可能になる。 The crystallite size of the negative electrode material powder (powder of particles mainly composed of silicon) prepared according to the present invention, particularly the crystallite size before charging / discharging the electrode structure (unused state) is 2 nm. The thickness is preferably in the range of 2 to 50 nm, more preferably in the range of 2 to 50 nm, and more preferably in the range of 2 to 30 nm. By using such fine crystal grains, the electrochemical reaction at the time of charge and discharge can be made smoother, and the charge capacity can be improved. In addition, it is possible to suppress the distortion caused by the inflow and outflow of lithium during charging and discharging, and to prolong the cycle life.
なお、本発明において、粒子の結晶子サイズとは、線源にCuKαを用いたX線回折曲線のピークの半値幅と回折角から次のScherrerの式を用いて決定したものである。 In the present invention, the crystallite size of the particles is determined from the half-value width and the diffraction angle of the peak of the X-ray diffraction curve using CuKα as the radiation source, using the following Scherrer's formula.
Lc = 0.94λ/(βcosθ) (Scherrerの式)
Lc:結晶子の大きさ
λ:X線ビームの波長
β:ピークの半価幅(ラジアン)
θ:回折線のブラッグ角
Lc = 0.94λ / (βcosθ) (Scherrer's formula)
Lc: crystallite size λ: wavelength of X-ray beam β: half width of peak (radian)
θ: Bragg angle of diffraction line
一方、本発明の電極材料を作製する手段として、
(A)シリコン、スズ或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛、遷移金属などを混合溶融した上でアトマイズ処理により合金化する方法(ガスアトマイズ法、あるいは、水アトマイズ法など)、
(B)シリコン、スズ或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛、遷移金属などを混合溶融して作製したシリコン合金のインゴッドを粉砕する方法、
(C)シリコン粉末、スズ或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛の粉末、遷移金属粉末などを不活性ガス下で粉砕混合しながら合金化する方法(メカニカルアロイング法)、
(D)揮発性の塩化物(或いは他のハロゲン化物)や酸化物などを用いてプラズマ、電子ビーム、レーザー、あるいは誘導加熱により気相から生成する方法、などが挙げられる。
On the other hand, as a means for producing the electrode material of the present invention,
(A) a method of mixing and melting silicon, tin or aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, lead, transition metal and the like and then alloying by atomizing (gas atomizing method, water atomizing method, etc.),
(B) a method of pulverizing an ingot of silicon alloy produced by mixing and melting silicon, tin or aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, lead, transition metal and the like;
(C) a method of alloying while pulverizing and mixing silicon powder, tin or aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, lead powder, transition metal powder and the like under an inert gas (mechanical alloying method);
(D) a method using a volatile chloride (or another halide), an oxide, or the like to generate from a gas phase by plasma, electron beam, laser, or induction heating.
また、これらの合金粉末を機械式に粉砕することにより、更にシリコン相中に均一にスズを含む金属間化合物、或いはアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛のいずれかを含む少なくとも1種類以上の金属間化合物を分散させることが可能になる。 In addition, by mechanically pulverizing these alloy powders, at least one or more of intermetallic compounds containing tin uniformly in the silicon phase, or any one of aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, and lead are further pulverized. Can be dispersed.
ここで、機械式粉砕装置としては、遊星ミル,振動ボールミル,コニカルミル,チューブミル等のボールミルや、アトライタ型,サンドグラインダ型,アニラーミル型,タワーミル型等のメディアミルを用いることができる。上記粉砕メディアとしてのボールの材質は、ジルコニア,ステンレススチール,スチールを用いるのが好ましい。 Here, as the mechanical pulverizer, a ball mill such as a planetary mill, a vibrating ball mill, a conical mill, and a tube mill, and a media mill such as an attritor type, a sand grinder type, an aniler mill type, and a tower mill type can be used. It is preferable to use zirconia, stainless steel, or steel as the material of the ball as the grinding media.
なお、粉砕は、湿式、乾式どちらで行っても良い。湿式粉砕では、溶媒中で粉砕するか、ある量の溶媒を添加して粉砕するが、このような湿式粉砕の場合の溶媒には水、あるいはアルコール、ヘキサン等の有機溶剤を使用できる。アルコールの具体例としては、メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、1−ブチルアルコール、2−ブチルアルコールなどが挙げられる。 The pulverization may be performed by either a wet method or a dry method. In the wet pulverization, pulverization is performed in a solvent or pulverization is performed by adding a certain amount of a solvent. In such a wet pulverization, water or an organic solvent such as alcohol or hexane can be used. Specific examples of the alcohol include methyl alcohol, ethyl alcohol, 1-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, isopropyl alcohol, 1-butyl alcohol, and 2-butyl alcohol.
図2は、本発明の電極構造体の概略断面構造を示したものである。図2の(a)において、102は電極構造体であり、この電極構造体102は、電極材料層101と集電体100とからなり、この電極材料層101は、図2の(b)に示すようにシリコンを主成分とする粒子(活物質)103と、導電補助材104及び結着剤105からなる。なお、図2においては、集電体100上の片面にのみに電極材料層101が設けられているが、電池の形態によっては、集電体100の両面に電極材料層が形成されていてもよい。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional structure of the electrode structure of the present invention. In FIG. 2A,
ここで、上記導電補助材104の含有量は、5重量%以上40重量%以下が好ましく、10重量%以上30重量%以下がより好ましい。上記結着剤105の含有量は、2重量%以上20重量%以下が好ましく、5重量%以上15重量%以下がより好ましい。上記電極材料層101に含まれるシリコンを主成分とする粒子(粉末)103の含有量は、40重量%〜93重量%の範囲が好ましい。
Here, the content of the conductive auxiliary material 104 is preferably 5% by weight or more and 40% by weight or less, more preferably 10% by weight or more and 30% by weight or less. The content of the binder 105 is preferably 2% by weight or more and 20% by weight or less, more preferably 5% by weight or more and 15% by weight or less. The content of the particles (powder) 103 containing silicon as a main component contained in the
また、導電補助材104としては、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどの非晶質炭素や黒鉛構造炭素などの炭素材、ニッケル、銅、銀、チタン、白金、アルミニウム、コバルト、鉄、クロムなどを用いることができるが、特に黒鉛が好ましい。上記導電補助材の形状として好ましくは、球状、フレーク状、フィラメント状、繊維状、スパイク状、針状などから選択される形状を採用することができる。さらに、異なる二種類以上の形状の粉末を採用することにより、電極材料層形成時のパッキング密度を上げて電極構造体102のインピーダンスを低減することができる。
In addition, as the conductive auxiliary material 104, a carbon material such as amorphous carbon such as acetylene black or Ketjen black, graphite structure carbon, nickel, copper, silver, titanium, platinum, aluminum, cobalt, iron, chromium, or the like is used. However, graphite is particularly preferred. As the shape of the conductive auxiliary material, preferably, a shape selected from a sphere, a flake, a filament, a fiber, a spike, a needle and the like can be adopted. Furthermore, by employing powders of two or more different shapes, the packing density at the time of forming the electrode material layer can be increased and the impedance of the
結着剤105の材料としては、ポリビニルアルコール,水溶性エチレン−ビニルアルコールコポリマー,ポリビニルブチラール,ポリエチレングリコール,カルボキシメチルセルロースナトリム,ヒドロキシエチルセルロースなどの水溶性ポリマー、ポリフッ化ビリニデン,フッ化ビリニデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素樹脂、ポリエチレン,ポリプロピレンなどのポリオレフィン、スチレンーブタジエンラバー、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミック酸(ポリアミド前駆体)が挙げられる。 Examples of the material of the binder 105 include water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol, water-soluble ethylene-vinyl alcohol copolymer, polyvinyl butyral, polyethylene glycol, carboxymethyl cellulose sodium, and hydroxyethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene. Examples include fluororesins such as polymers, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, styrene-butadiene rubber, polyamideimide, polyimide, and polyamic acid (polyamide precursor).
中でも、ポリビニルアルコールとカルボキシメチルセルロースナトリムとの併用や、ポリアミドイミド、ポリアミック酸(ポリアミド前駆体)を用いると電極の強度が上がり、充放電サイクル特性の優れた電極を作製することができる。 Among them, when polyvinyl alcohol and carboxymethylcellulose sodium are used together, or when polyamide imide or polyamic acid (polyamide precursor) is used, the strength of the electrode is increased, and an electrode having excellent charge / discharge cycle characteristics can be produced.
また、集電体100は、充電時の電極反応で消費する電流を効率よく供給する、あるいは放電時に発生する電流を集電する役目を担うものであることから、特に電極構造体102を二次電池の負極に適用する場合、集電体100を形成する材料としては、電気伝導度が高く、且つ、電池反応に不活性な材質が望ましい。好ましい材質としては、銅、ニッケル、鉄、ステンレススチール、チタン、白金から選択される一種類以上の金属材料から成るものが挙げられる。より好ましい材料としては安価で電気抵抗の低い銅が用いられる。
In addition, since the
また、集電体100の形状としては、板状であるが、この“板状”とは、厚みについては実用の範囲上で特定されず、厚み約100μm程度もしくはそれ以下のいわゆる“箔”といわれる形態をも包含する。また、板状であって、例えばメッシュ状、スポンジ状、繊維状をなす部材、パンチングメタル、エキスパンドメタル等を採用することもできる。
The shape of the
次に、電極構造体102の作製手順について説明する。
Next, a procedure for manufacturing the
まず、本発明のシリコン合金の粉末に、導電補助材粉末、結着剤105を混合し、適宜結着剤105の溶媒を添加して混練してペーストを調製する。次いで、集電体100に調製したペーストを塗工し、乾燥して電極材料層101を形成した後、プレス処理を施し、電極材料層101の厚みと密度を調整して電極構造体102を形成する。
First, a conductive auxiliary material powder and a binder 105 are mixed with the silicon alloy powder of the present invention, and a solvent for the binder 105 is appropriately added and kneaded to prepare a paste. Next, the prepared paste is applied to the
なお、上記の塗布方法としては、例えばコーター塗布方法、スクリーン印刷法が適用できる。また、溶剤を添加することなく上記主材と導電補助材104と結着剤105を、あるいは結着剤105を混合せずに上記負極材料と導電補助材104のみを、集電体上に加圧成形して、電極材料層101を形成することも可能である。
As the above-mentioned coating method, for example, a coater coating method and a screen printing method can be applied. In addition, the above-mentioned main material, conductive auxiliary material 104 and binder 105 are added without adding a solvent, or only the above-mentioned negative electrode material and conductive auxiliary material 104 are added onto the current collector without mixing binder 105. The
ここで、電極材料層101の密度は、電極材料層101の密度が大き過ぎるとリチウムの挿入時の膨張が大きくなり、集電体100からのはがれが発生することになり、電極材料層101の密度が小さすぎると、電極の抵抗が大きくなるため充放電効率の低下、電池の放電時の電圧降下が大きくなる。このことから、本発明の電極材料層101の密度は、0.8〜2.0g/cm3の範囲であることが好ましく、0.9〜1.5g/cm3の範囲であることがより好ましい。
Here, if the density of the
なお、上記導電補助材104や結着剤105を使用せず、本発明のシリコン合金粒子のみで形成する電極構造体102は、スパッタリング、電子ビーム蒸着、クラスターイオンビーム蒸着等の方法にて、集電体100に直接電極材料層101を形成することによって作製可能である。
Note that the
ただし、電極材料層101の厚みを厚くすると集電体100との界面ではがれが生じやすくなるので、厚い電極構造体102を形成するには向いていない。なお、上記界面でのはがれ防止のためには、集電体100にナノメートルオーダーの金属層もしくは酸化物層あるいは窒化物層を設けて集電体100に凹凸を形成し、界面の密着性を向上させることが好ましい。より具体的な酸化物層あるいは窒化物層としては、シリコンあるいは金属の酸化物層あるいは窒化物層を用いるのが好ましい。
However, if the thickness of the
ところで、本発明に係る二次電池は、上述した特徴を有する電極構造体を用いた負極、電解質及び正極を具備し、リチウムの酸化反応及びリチウムイオンの還元反応を利用したものである。 Incidentally, the secondary battery according to the present invention includes a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode using the electrode structure having the above-described features, and utilizes a lithium oxidation reaction and a lithium ion reduction reaction.
図3は、このような本発明のリチウム二次電池の基本構成を示した図であり、同図において、201は本発明の電極構造体を使用した負極、202はイオン伝導体、203は正極、204は負極端子、205は正極端子、206は電槽(ハウジング)である。 FIG. 3 is a diagram showing a basic configuration of such a lithium secondary battery of the present invention. In FIG. 3, 201 denotes a negative electrode using the electrode structure of the present invention, 202 denotes an ion conductor, and 203 denotes a positive electrode. , 204 is a negative electrode terminal, 205 is a positive electrode terminal, and 206 is a battery case (housing).
ここで、上記二次電池は、イオン伝導体202を負極201と正極203とではさんで積層して電極群を形成し、十分に露点が管理された乾燥空気あるいは乾燥不活性ガス雰囲気下で、この電極群を電槽に挿入した後、各電極201,203と各電極端子204,205とを接続し、電槽を密閉することによって組み立てられる。 Here, in the secondary battery, an ion conductor 202 is laminated between the negative electrode 201 and the positive electrode 203 to form an electrode group, and in a dry air or dry inert gas atmosphere where the dew point is sufficiently controlled, After the electrode group is inserted into the battery case, the electrodes 201 and 203 are connected to the electrode terminals 204 and 205, and the battery case is sealed.
なお、イオン伝導体202として微孔性のプラスチックフィルムに電解液を保持させたものを使用する場合には、負極201と正極203の間に短絡防止のセパレータとして微孔性プラスチックフィルムをはさんで電極群を形成した後、電槽に挿入し、各電極201,203と各電極端子204,205とを接続し、電槽を密閉する前に電解液を注入して電池を組み立てる。 In the case where a material in which an electrolytic solution is held in a microporous plastic film is used as the ion conductor 202, a microporous plastic film is sandwiched between the negative electrode 201 and the positive electrode 203 as a separator for preventing short circuit. After forming the electrode group, it is inserted into a battery case, the electrodes 201 and 203 are connected to the electrode terminals 204 and 205, and an electrolyte is injected before the battery case is sealed to assemble the battery.
本発明の電極材からなる電極構造体を負極に用いるリチウム二次電池は、前記負極の有益な効果で、高い充放電効率と容量及びエネルギー密度を有することになる。 A lithium secondary battery using the electrode structure made of the electrode material of the present invention as a negative electrode has high charge / discharge efficiency, capacity, and energy density due to the beneficial effects of the negative electrode.
ここで、前述した本発明の電極構造体を負極に用いたリチウム二次電池の対極となる正極203は、少なくともリチウムイオン源であり、リチウムイオンのホスト材となる正極材料から成り、好ましくはリチウムイオンのホスト材となる正極材料から形成された層と集電体から成る。さらに該正極材料から形成された層は、リチウムイオンのホスト材となる正極材料と結着剤、場合によってはこれらに導電補助材を加えた材料から成るのが好ましい。 Here, the positive electrode 203 serving as a counter electrode of the lithium secondary battery using the above-described electrode structure of the present invention as a negative electrode is at least a lithium ion source and is made of a positive electrode material serving as a lithium ion host material, and is preferably lithium. It is composed of a current collector and a layer formed from a positive electrode material serving as an ion host material. Further, the layer formed from the positive electrode material is preferably made of a material in which a positive electrode material serving as a host material of lithium ions and a binder, and in some cases, a conductive auxiliary material are added thereto.
本発明のリチウム二次電池に用いるリチウムイオン源でありホスト材となる正極材料としては、リチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属硫化物、リチウム−遷移金属窒化物、リチウム−遷移金属リン酸化物がより好ましい。上記、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、遷移金属リン酸化合物の遷移金属元素としては、例えば、d殻あるいはf殻を有する金属元素であり、Sc,Y,ランタノイド,アクチノイド,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Tc,Re,Fe,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pb,Pt,Cu,Ag,Auが用いられ、特にCo,Ni,Mn,Fe,Cr,Tiが好適に用いられる。 As the positive electrode material which is a lithium ion source and a host material used in the lithium secondary battery of the present invention, lithium-transition metal oxide, lithium-transition metal sulfide, lithium-transition metal nitride, lithium-transition metal phosphorylation Are more preferred. The transition metal element of the transition metal oxide, transition metal sulfide, transition metal nitride, and transition metal phosphate compound is, for example, a metal element having a d-shell or an f-shell, and is Sc, Y, a lanthanoid, an actinoid. , Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pb, Pt, Cu, Ag, and Au are used. In particular, Co, Ni, Mn, Fe, Cr, and Ti are preferably used.
なお、上記正極活物質の形状が粉末である場合には、結着剤を用いるか、焼結あるいは蒸着させて正極活物質層を集電体上に形成して正極を作製する。また、上記正極活物質粉の導電性が低い場合には、前記電極構造体の活物質層の形成と同様に、導電補助材を混合することが適宜必要になる。上記導電補助材並びに結着剤としては、前述した本発明の電極構造体102に用いるものが同様に使用できる。
When the shape of the positive electrode active material is a powder, a positive electrode is manufactured by using a binder or by sintering or vapor deposition to form a positive electrode active material layer on a current collector. When the conductivity of the positive electrode active material powder is low, it is necessary to appropriately mix a conductive auxiliary material in the same manner as in the formation of the active material layer of the electrode structure. As the conductive auxiliary material and the binder, those used for the above-described
ここで、上記正極に用いる集電体材料としては、電気伝導度が高く、且つ、電池反応に不活性な材質であるアルミニウム、チタン、ニッケル、白金が好ましく、具体的には、ニッケル、ステンレス、チタン、アルミニウムが好ましく、中でもアルミニウムが安価で電気伝導性が高いのでより好ましい。また、集電体の形状としては、板状であるが、この“板状”とは、厚みについては実用の範囲上で特定されず、厚み約100μm程度もしくはそれ以下のいわゆる“箔”といわれる形態をも包含する。また、板状であって、例えばメッシュ状、スポンジ状、繊維状をなす部材、パンチングメタル、エキスパンドメタル等を採用することもできる。 Here, as the current collector material used for the positive electrode, aluminum, titanium, nickel, and platinum, which are materials having high electric conductivity and inert to a battery reaction, are preferable. Specifically, nickel, stainless steel, Titanium and aluminum are preferred, and aluminum is more preferred because of its low cost and high electrical conductivity. The shape of the current collector is a plate shape, but the “plate shape” is not specified in the practical range of the thickness, and is called a “foil” having a thickness of about 100 μm or less. Also encompasses forms. In addition, a plate-shaped member such as a mesh, a sponge, or a fiber, a punched metal, an expanded metal, or the like may be used.
また、本発明のリチウム二次電池のイオン伝導体202には、電解液(電解質を溶媒に溶解させて調製した電解質溶液)を保持させたセパレータ、固体電解質、電解液を高分子ゲルなどでゲル化した固形化電解質、高分子ゲルと固体電解質の複合体、などのリチウムイオンの伝導体が使用できる。ここで、このイオン伝導体202の導電率は、25℃における値として、1×10−3S/cm以上であることが好ましく、5×10−3S/cm以上であることがより好ましい。 In addition, the ion conductor 202 of the lithium secondary battery of the present invention has a separator holding an electrolytic solution (an electrolytic solution prepared by dissolving an electrolyte in a solvent), a solid electrolyte, and a polymer gel or the like. A lithium ion conductor such as a solidified electrolyte, a composite of a polymer gel and a solid electrolyte, or the like can be used. Here, the conductivity of the ion conductor 202 as a value at 25 ° C. is preferably 1 × 10 −3 S / cm or more, more preferably 5 × 10 −3 S / cm or more.
なお、電解質としては、例えば、リチウムイオン(Li+)とルイス酸イオン(BF4 −,PF6 −,AsF6 −,ClO4 −,CF3SO3 −,BPh4 −(Ph:フェニル基))からなる塩、及びこれらの混合塩、が挙げられる。上記塩は、減圧下で加熱したりして、十分な脱水と脱酸素を行なっておくことが望ましい。 As the electrolyte, for example, lithium ion (Li + ) and Lewis acid ion (BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − , ClO 4 − , CF 3 SO 3 − , BPh 4 − (Ph: phenyl group) ) And mixed salts thereof. It is desirable that the salt is sufficiently dehydrated and deoxidized by heating under reduced pressure.
さらに電解質の溶媒としては、例えば、アセトニトリル、ベンゾニトリル、プロピレンカーボネイト、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、エチルメチルカーボネート、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、ジクロロエタン、ジエトキシエタン、1,2−ジメトキシエタン、クロロベンゼン、γ−ブチロラクトン、ジオキソラン、スルホラン、ニトロメタン、ジメチルサルファイド、ジメチルサルオキシド、ギ酸メチル、3−メチル−2−オキダゾリジノン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−プロピルシドノン、二酸化イオウ、塩化ホスホリル、塩化チオニル、塩化スルフリル、又は、これらの混合液が使用できる。 Further, as a solvent for the electrolyte, for example, acetonitrile, benzonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethylformamide, tetrahydrofuran, nitrobenzene, dichloroethane, diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, Chlorobenzene, γ-butyrolactone, dioxolane, sulfolane, nitromethane, dimethylsulfide, dimethylsulfoxide, methyl formate, 3-methyl-2-oxidazolidinone, 2-methyltetrahydrofuran, 3-propylsidone, sulfur dioxide, phosphoryl chloride, thionyl chloride, Sulfuryl chloride or a mixture thereof can be used.
なお、上記溶媒は、例えば、活性アルミナ、モレキュラーシーブ、五酸化リン、塩化カルシウムなどで脱水するか、溶媒によっては、不活性ガス中のアルカリ金属共存下で蒸留して不純物除去と脱水をも行なうのがよい。 The solvent is, for example, dehydrated with activated alumina, molecular sieve, phosphorus pentoxide, calcium chloride, or the like, or, depending on the solvent, is also subjected to impurity removal and dehydration by distillation in the presence of an alkali metal in an inert gas. Is good.
また電解液の漏洩を防止するために、固体電解質もしくは固形化電解質を使用するのが好ましい。固体電解質としては、リチウム元素とケイ素元素と酸素元素とリン元素もしくはイオウ元素から成る酸化物などのガラス、エーテル構造を有する有機高分子の高分子錯体、などが挙げられる。固形化電解質としては、前記電解液をゲル化剤でゲル化して固形化したものが好ましい。 In order to prevent leakage of the electrolyte, it is preferable to use a solid electrolyte or a solidified electrolyte. Examples of the solid electrolyte include glass such as an oxide including a lithium element, a silicon element, an oxygen element, a phosphorus element, and a sulfur element, and a polymer complex of an organic polymer having an ether structure. As the solidified electrolyte, those obtained by gelling the electrolytic solution with a gelling agent and solidifying are preferable.
なお、ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマー、シリカゲルなどの吸液量の多い多孔質材料を用いるのが望ましい。また、上記ポリマーとしては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレンコポリマーなどが用いられる。さらに、上記ポリマーは架橋構造のものがより好ましい。 As the gelling agent, it is desirable to use a polymer which absorbs the solvent of the electrolytic solution and swells, or a porous material having a large liquid absorption such as silica gel. Further, as the polymer, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer and the like are used. Further, the polymer is more preferably one having a crosslinked structure.
なお、二次電池内で負極201と正極203の短絡を防ぐ役割を果たすセパレータを構成するイオン伝導体202は、電解液を保持する役割を有する場合もあるため、リチウムイオンが移動できる細孔を多数有し、かつ、電解液に不溶で安定である必要がある。 Note that the ion conductor 202 constituting a separator that plays a role in preventing a short circuit between the negative electrode 201 and the positive electrode 203 in the secondary battery may have a role of holding an electrolytic solution. It is necessary to have a large number and to be insoluble and stable in the electrolytic solution.
したがって、イオン伝導体202(セパレータ)としては、例えばガラス、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン、フッ素樹脂、などのミクロポア構造あるいは不織布の材料が好適に用いられる。また、微細孔を有する金属酸化物フィルム、又は、金属酸化物を複合化した樹脂フィルムも使用できる。 Therefore, as the ion conductor 202 (separator), for example, a material having a micropore structure or a nonwoven fabric such as glass, polyolefin such as polypropylene or polyethylene, or a fluororesin is preferably used. Further, a metal oxide film having fine pores or a resin film in which a metal oxide is compounded can be used.
次に、二次電池の形状と構造について説明する。 Next, the shape and structure of the secondary battery will be described.
本発明の二次電池の具体的な形状としては、例えば、扁平形、円筒形、直方体形、シート形などがある。又、電池の構造としては、例えば、単層式、多層式、スパイラル式などがある。その中でも、スパイラル式円筒形の電池は、負極と正極の間にセパレータを挟んで巻くことによって、電極面積を大きくすることができ、充放電時に大電流を流すことができるという特徴を有する。また、直方体形やシート形の電池は、複数の電池を収納して構成する機器の収納スペースを有効に利用することができる特徴を有する。 Specific shapes of the secondary battery of the present invention include, for example, a flat shape, a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped shape, and a sheet shape. In addition, examples of the structure of the battery include a single-layer type, a multilayer type, and a spiral type. Among them, a spiral cylindrical battery is characterized in that the electrode area can be increased by winding a separator between the negative electrode and the positive electrode, and a large current can flow during charging and discharging. Further, a rectangular parallelepiped or sheet type battery has a feature that a storage space of a device configured to store a plurality of batteries can be effectively used.
次に、図4、図5を参照して、電池の形状と構造についてより詳細な説明を行なう。図4は単層式扁平形(コイン形)電池の断面図であり、図5はスパイラル式円筒型電池の断面図を表している。なお、これらの形状のリチウム二次電池は、基本的には図3と同様な構成で、負極、正極、イオン伝導体、電池ハウジング、出力端子を有している。 Next, the shape and structure of the battery will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 4 is a cross-sectional view of a single-layer flat battery (coin type), and FIG. 5 is a cross-sectional view of a spiral cylindrical battery. The lithium secondary battery having these shapes has basically the same configuration as that of FIG. 3 and includes a negative electrode, a positive electrode, an ion conductor, a battery housing, and an output terminal.
図4、図5において、301と403は負極、303と406は正極、304と408は負極端子としての負極キャップまたは負極缶、305と409は正極端子としての正極缶または正極キャップ、302と407はイオン伝導体、306と410はガスケット、401は負極集電体、404は正極集電体、411は絶縁板、412は負極リード、413は正極リード、414は安全弁である。
4 and 5, reference numerals 301 and 403 denote negative electrodes,
ここで、図4に示す扁平型(コイン型)の二次電池では、正極材料層を含む正極303と負極材料層を備えた負極301が、例えば少なくとも電解液を保持したセパレータで形成されたイオン伝導体302を介して積層されており、この積層体が正極端子としての正極缶305内に正極側から収容され、負極側が負極端子としての負極キャップ304により被覆されている。そして正極缶内の他の部分にはガスケット306が配置されている。
Here, in the flat-type (coin-type) secondary battery shown in FIG. 4, a
また図5に示すスパイラル式円筒型の二次電池では、正極集電体404上に形成された正極(材料)層405を有する正極406と、負極集電体401上に形成された負極(材料)層402を有した負極403が、例えば少なくとも電解液を保持したセパレータで形成されたイオン伝導体407を介して対向し、多重に巻回された円筒状構造の積層体を形成している。 In the spiral cylindrical secondary battery shown in FIG. 5, a positive electrode 406 having a positive electrode (material) layer 405 formed on a positive electrode current collector 404 and a negative electrode (material) formed on a negative electrode current collector 401 The negative electrode 403 having the layer 402 is opposed, for example, via an ion conductor 407 formed of at least a separator holding an electrolytic solution, and forms a multilayer structure having a cylindrical structure wound in multiple layers.
当該円筒状構造の積層体が、負極端子としての負極缶408内に収容されている。また、当該負極缶408の開口部側には正極端子としての正極キャップ409が設けられており、負極缶内の他の部分においてガスケット410が配置されている。円筒状構造の電極の積層体は絶縁板411を介して正極キャップ側と隔てられている。
The laminate having the cylindrical structure is accommodated in a negative electrode can 408 as a negative electrode terminal. In addition, a positive electrode cap 409 as a positive electrode terminal is provided on the opening side of the negative electrode can 408, and a gasket 410 is disposed in another part in the negative electrode can. The laminated body of electrodes having a cylindrical structure is separated from the positive electrode cap side via an insulating
正極406については正極リード413を介して正極キャップ409に接続されている。また負極403については負極リード412を介して負極缶408と接続されている。正極キャップ側には電池内部の内圧を調整するための安全弁414が設けられている。前述したように負極401の活物質層、負極403の活物質層402に、前述した本発明の負極材料微粉末からなる層を用いる。
The positive electrode 406 is connected to a positive electrode cap 409 via a positive electrode lead 413. The negative electrode 403 is connected to a negative electrode can 408 via a
次に、図4、図5に示した電池の組み立て方法の一例を説明する。
(1)負極301,403と、成形した正極303,406の間に、セパレータとしてのイオン伝導体302,407を挟んで、正極缶305または負極缶408に組み込む。
(2)電解液を注入した後、負極キャップ304または正極キャップ409とガスケット306,410を組み立てる。
(3)上記(2)を、かしめる。
Next, an example of a method of assembling the battery shown in FIGS. 4 and 5 will be described.
(1) The separator is assembled into the positive electrode can 305 or the negative electrode can 408 with the ion conductors 302 and 407 as separators interposed between the negative electrodes 301 and 403 and the molded
(2) After injecting the electrolytic solution, the negative electrode cap 304 or the positive electrode cap 409 and the gaskets 306 and 410 are assembled.
(3) The above (2) is swaged.
これにより、電池は完成する。なお、上述したリチウム電池の材料調製、及び電池の組立ては、水分が十分除去された乾燥空気中、又は乾燥不活性ガス中で行なうのが望ましい。 Thereby, the battery is completed. The above-described preparation of the lithium battery material and assembly of the battery are desirably performed in dry air from which moisture is sufficiently removed or in a dry inert gas.
次に、このような二次電池を構成する部材について説明する。 Next, members constituting such a secondary battery will be described.
ガスケット306,410の材料としては、例えば、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリスルフォン樹脂、各種ゴムが使用できる。なお、電池の封口方法としては、図4及び図5のようにガスケットを用いた「かしめ」以外にも、ガラス封管、接着剤、溶接、半田付けなどの方法が用いられる。また、図4の絶縁板411の材料としては、各種有機樹脂材料やセラミックスが用いられる。
As a material of the gaskets 306 and 410, for example, a fluorine resin, a polyolefin resin, a polyamide resin, a polysulfone resin, and various rubbers can be used. In addition, as a method for sealing the battery, a method such as glass sealing tube, adhesive, welding, soldering, or the like is used in addition to “caulking” using a gasket as shown in FIGS. As the material of the insulating
電池の外缶として、電池の正極缶または負極缶305,408、及び負極キャップまたは正極キャップ304,409から構成される。外缶の材料としては、ステンレススチールが好適に用いられる。外缶の他の材料としては、アルミニウム合金、チタンクラッドステンレス材、銅クラッドステンレス材、ニッケルメッキ鋼板なども多用される。 The outer can of the battery includes a battery positive or negative electrode can 305, 408 and a negative or positive electrode cap 304, 409. As a material for the outer can, stainless steel is preferably used. As other materials for the outer can, aluminum alloy, titanium-clad stainless steel, copper-clad stainless steel, nickel-plated steel plate and the like are often used.
図4の正極缶305及び図5の負極缶408は、電池ハウジング(ケース)と端子を兼ねているため、上記のステンレススチールが好ましい。ただし、正極缶305または負極缶408が電池ハウジングと端子を兼用しない場合には、ステンレススチール以外にも亜鉛などの金属、ポリプロピレンなどのプラスチック、または、金属もしくはガラス繊維とプラスチックの複合材を用いることができる。 Since the positive electrode can 305 in FIG. 4 and the negative electrode can 408 in FIG. 5 also serve as a battery housing (case) and terminals, the above stainless steel is preferable. However, when the positive electrode can 305 or the negative electrode can 408 does not double as a battery housing and a terminal, besides stainless steel, use metal such as zinc, plastic such as polypropylene, or a composite material of metal or glass fiber and plastic. Can be.
電池の内圧が高まった時の安全対策としてリチウム二次電池に備えられる安全弁414としては、例えば、ゴム、スプリング、金属ボール、破裂箔などが使用できる。 As the safety valve 414 provided in the lithium secondary battery as a safety measure when the internal pressure of the battery increases, for example, rubber, a spring, a metal ball, a burst foil, or the like can be used.
以下、実施例に沿って本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
〔電極材料の調製〕
まず、負極材料を調製する実施例について説明する。
(Preparation of electrode material)
First, an example of preparing a negative electrode material will be described.
(実施例1)
Si65重量%、Sn30重量%、Cu5重量%を溶融、混合して合金を作製し、水アトマイズ法にて平均粒径が10μmのSi−Sn−Cu合金粉末を調製した。次に、調製した合金粉末をビーズミル(つまり、粉砕メディアに比較的小径のビーズを用いたボールミル)にて粉砕し、Si−Sn−Cu合金の微粉末を得た。なお、この粉砕は、イソプロピルアルコール中でジルコニアビーズを用いて行った。
(Example 1)
An alloy was prepared by melting and mixing 65% by weight of Si, 30% by weight of Sn, and 5% by weight of Cu, and a Si-Sn-Cu alloy powder having an average particle size of 10 µm was prepared by a water atomizing method. Next, the prepared alloy powder was pulverized by a bead mill (that is, a ball mill using relatively small beads as a pulverizing medium) to obtain a fine powder of a Si—Sn—Cu alloy. The pulverization was performed using zirconia beads in isopropyl alcohol.
次いで、高エネルギー遊星ボールミルにてアルゴンガス雰囲気中で窒化珪素製ボールを使用し2時間処理を行なったSi−Sn−Cu合金微粉末の電極材料を得た。 Next, an electrode material of a Si-Sn-Cu alloy fine powder which was treated for 2 hours using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere in a high energy planetary ball mill was obtained.
(実施例2)
前記実施例1において、Si70重量%、Zn25重量%、Cu5重量%の組成の合金を窒素ガスによるガスアトマイズ法で調製した以外は、実施例1と同様の操作にて、Si−Zn−Cu合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 2)
In the above-mentioned Example 1, a Si-Zn-Cu alloy fine powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that an alloy having a composition of 70% by weight of Si, 25% by weight of Zn, and 5% by weight of Cu was prepared by a gas atomization method using nitrogen gas. A powdered electrode material was obtained.
(実施例3)
前記実施例1において、Si50重量%、Sn40重量%、Co10重量%の組成の合金を水アトマイズ法で調製した以外は、実施例1と同様の操作にて、Si−Sn−Co合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 3)
In Example 1, the same operation as in Example 1 was performed except that an alloy having a composition of 50% by weight of Si, 40% by weight of Sn, and 10% by weight of Co was prepared by a water atomizing method. An electrode material was obtained.
(実施例4)
前記実施例1において、Si85重量%、Sn10重量%、Ni5重量%の組成の合金を水アトマイズ法で調製した以外は、実施例1と同様の操作にて、Si−Sn−Ni合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 4)
In Example 1, the same operation as in Example 1 was carried out except that an alloy having a composition of 85% by weight of Si, 10% by weight of Sn, and 5% by weight of Ni was prepared by a water atomizing method. An electrode material was obtained.
(参考例1)
実施例1において高エネルギー遊星ボールミル処理を行わなかった、Si−Sn−Cu合金微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 1)
An electrode material of a Si—Sn—Cu alloy fine powder which was not subjected to the high energy planetary ball mill treatment in Example 1 was obtained.
(参考例2)
実施例2において高エネルギー遊星ボールミル処理を行わなかった、Si−Zn−Cu合金微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 2)
An electrode material of a Si-Zn-Cu alloy fine powder which was not subjected to the high energy planetary ball mill treatment in Example 2 was obtained.
(参考例3)
実施例3において高エネルギー遊星ボールミル処理を行わなかった、Si−Sn−Co合金微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 3)
An electrode material of a Si—Sn—Co alloy fine powder which was not subjected to the high energy planetary ball mill treatment in Example 3 was obtained.
(参考例4)
実施例4において高エネルギー遊星ボールミル処理を行わなかった、Si−Sn−Ni合金微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 4)
An electrode material of a Si-Sn-Ni alloy fine powder which was not subjected to the high energy planetary ball mill treatment in Example 4 was obtained.
次に、実施例1〜実施例4及び参考例1〜参考例4で得られた電極材料を分析した結果について説明する。 Next, the results of analyzing the electrode materials obtained in Examples 1 to 4 and Reference Examples 1 to 4 will be described.
上記Si合金の電極材料の分析は、リチウム二次電池の負極の性能を左右すると考えられる平均粒子径、結晶子サイズ、SnやZnの金属間化合物、合金内の元素分布の観点から分析した。 The electrode material of the Si alloy was analyzed from the viewpoints of an average particle diameter, a crystallite size, an intermetallic compound of Sn and Zn, and an element distribution in the alloy, which are considered to affect the performance of the negative electrode of the lithium secondary battery.
ここで、平均粒子径はレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置で求め、更に走査型電子顕微鏡(SEM)観察で確認した。また、結晶子サイズは、X線回折ピークの半価幅を用いたScherrerの式から算出し、SnやZnの金属間化合物の検出はTEMでの制限視野電子線回折によって調べた。 Here, the average particle diameter was determined by a laser diffraction / scattering type particle size distribution analyzer, and further confirmed by observation with a scanning electron microscope (SEM). The crystallite size was calculated from the Scherrer's equation using the half width of the X-ray diffraction peak, and the detection of Sn and Zn intermetallic compounds was examined by TEM with selected area electron diffraction.
また、合金内の元素の分布は、TEM観察で合金粒子内の濃淡の偏在によって調べた。なお、合金内の元素の偏在が少なく均一に分散している場合には、合金粒子内の濃淡が少ない像として観察され、TEMと組み合わせたEDXS分析による元素マッピングでは粒子内の元素分布の偏りが少なく観察される。 The distribution of elements in the alloy was examined by TEM observation based on uneven distribution of density in the alloy particles. When the elements in the alloy are less unevenly distributed and uniformly dispersed, the image is observed as an image with less shading in the alloy particles, and the element mapping by EDXS analysis combined with TEM shows that the unevenness of the element distribution in the particles is small. Less observed.
実施例1で作製した電極材料を用いて、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所株式会社製LA−920)で粒度分布を測定した結果、メジアン径は0.28μmであることが分かった。なお、図6はSEM観察より得られた電極材料の写真であり、同図より、電極材料(負極材料)は0.5μm以下の均一な粒子であることが分かった。 Using the electrode material produced in Example 1, the particle size distribution was measured with a laser diffraction / scattering type particle size distribution analyzer (LA-920, manufactured by Horiba, Ltd.). As a result, the median diameter was found to be 0.28 μm. Was. FIG. 6 is a photograph of the electrode material obtained from the SEM observation. From the same figure, it was found that the electrode material (negative electrode material) was uniform particles of 0.5 μm or less.
更に、X線回折測定を行って、図7のプロファイルを得た。シリコンの主ピークである28°±1のピークの半価幅を用いてScherrerの式から算出した結晶子サイズは、11.1nmであった。 Further, X-ray diffraction measurement was performed to obtain a profile shown in FIG. The crystallite size calculated from the Scherrer equation using the half width of the peak at 28 ° ± 1, which is the main peak of silicon, was 11.1 nm.
更にTEM観察での直径150nmの制限視野領域において電子線回折を行なった。図8は、この結果をまとめたものである。なお、この図8のリングの回折パターンについて、d値を算出した結果を表1にまとめた。 Further, electron diffraction was performed in a 150 nm-diameter limited visual field region by TEM observation. FIG. 8 summarizes the results. Table 1 summarizes the results of calculating the d value for the diffraction pattern of the ring in FIG.
そして、この表1より、実施例1で作製した材料の電子線回折結果から算出したd値とCu6Sn5のJCPDSカードナンバーのd値が良く近似していることより、Cu6Sn5が存在することが分かった。 Then, from the table 1, from the d value of the JCPDS card number in d-values and Cu 6 Sn 5 that is calculated from electron diffraction results of material prepared in Example 1 is well approximated, the Cu 6 Sn 5 Turned out to exist.
また、同様にして実施例2〜4についても調べて、実施例1〜4で作製した電極材料の平均粒子径、結晶子サイズ、及び観察された金属間化合物を表2にまとめた。 In addition, Examples 2 to 4 were examined in the same manner, and the average particle diameter, crystallite size, and observed intermetallic compounds of the electrode materials manufactured in Examples 1 to 4 were summarized in Table 2.
そして、この表2より、実施例1〜4で作製したSi合金の平均粒子径は0.24〜0.49μmであり、結晶子サイズは10.5〜11.7nmであることが分かった。また、Sn金属間化合物、或いはZn金属間化合物が存在していることも分かった。 From Table 2, it was found that the average particle diameter of the Si alloys prepared in Examples 1 to 4 was 0.24 to 0.49 μm, and the crystallite size was 10.5 to 11.7 nm. It was also found that a Sn intermetallic compound or a Zn intermetallic compound was present.
次に、実施例1と参考例1で作製した電極材料を用いて合金内の元素分布を調べた。図9と図10に実施例1と参考例1で作製した電極材料のTEM観察より得られた写真を示す。また、図11と図12にEDXS分析による元素マッピングも結果を示す。 Next, the element distribution in the alloy was examined using the electrode materials produced in Example 1 and Reference Example 1. 9 and 10 show photographs obtained by TEM observation of the electrode materials manufactured in Example 1 and Reference Example 1. FIG. 11 and 12 show the results of element mapping by EDXS analysis.
これらの結果より色の薄い部分がSi相であり、濃い部分がSn相とSn6Cu5相であることが分かった。図9より、実施例1で作製した電極材料は濃淡差が少なく、Si相中に均一にSn相とSn6Cu5相が分散していることが分かった。一方、図10より、参考例1で作製した電極材料は合金粒子内で濃淡の偏在が大きく、粒子内にはSi相とSnやSn6Cu5相が偏在していることが確認できた。 From these results, it was found that the light-colored portion was the Si phase, and the dark portions were the Sn phase and the Sn 6 Cu 5 phase. From FIG. 9, it was found that the electrode material manufactured in Example 1 had a small difference in shading, and the Sn phase and the Sn 6 Cu 5 phase were uniformly dispersed in the Si phase. On the other hand, from FIG. 10, it was confirmed that the electrode material produced in Reference Example 1 had a large uneven distribution of density in the alloy particles, and the Si phase and the Sn or Sn 6 Cu 5 phase were unevenly distributed in the particles.
また、実施例2と参考例2、実施例3と参考例3、及び実施例4と参考例4においても同様の観察結果が得られた。 Similar observation results were obtained in Example 2 and Reference Example 2, Example 3 and Reference Example 3, and Example 4 and Reference Example 4.
次に、以下のように前述の手順で得られた各種シリコン合金の微粉末を用いて電極構造体を作製し、この電極構造体のリチウム挿入脱離の性能を評価した。 Next, an electrode structure was manufactured using the fine powders of various silicon alloys obtained by the above-described procedure as described below, and the performance of lithium insertion / desorption of the electrode structure was evaluated.
まず、前述の手順で得られた各種シリコン合金の微粉末66.5重量%と、導電補助材として、扁平な黒鉛粉末(具体的には、直径が約5μmで厚みが約5μmの略円板状の黒鉛粉末)10.0重量%と、黒鉛粉末(略球形であってその平均粒径は0.5〜1.0μm)6.0重量%と、アセチレンブラック(略球形であって、その平均粒径は4×10−2μm)4.0重量%と、結着剤(バインダー)としてのポリビニルアルコール10.5重量%及びカルボキシメチルセルロースナトリウム3.0重量%とを混合し、水を添加して混練し、ペーストを調製した。 First, 66.5% by weight of the fine powder of various silicon alloys obtained by the above-described procedure and flat graphite powder (specifically, a substantially disc having a diameter of about 5 μm and a thickness of about 5 μm) as a conductive auxiliary material 10.0% by weight of graphite powder), 6.0% by weight of graphite powder (substantially spherical, having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm), and acetylene black (substantially spherical, 4.0 wt% of an average particle size of 4 × 10 −2 μm), 10.5 wt% of polyvinyl alcohol as a binder and 3.0 wt% of sodium carboxymethylcellulose were mixed, and water was added. And kneaded to prepare a paste.
次に、そのように調製したペーストを、15μm厚の電界銅箔(電気化学的に製造された銅箔)の上にコーターで塗布し、乾燥させ、ロールプレスにて厚みを調整し、厚み25μmの活物質層の電極構造体を作製した。 Next, the paste thus prepared is applied on a 15 μm-thick electric field copper foil (a copper foil produced electrochemically) by a coater, dried, and the thickness is adjusted by a roll press. The electrode structure of the active material layer was manufactured.
そして、その電極構造体を2.5cm×2.5cmのサイズに切り出し、銅タブを溶接してシリコン電極とした。 Then, the electrode structure was cut into a size of 2.5 cm × 2.5 cm, and a copper tab was welded to form a silicon electrode.
〔リチウム挿入脱離量の評価手順〕
次に、厚み100μmのリチウム金属箔を銅箔に圧着することにより、リチウム電極を作製した。次に、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを3:7の体積比で混合して得た有機溶媒にLiPF6の塩を1M(モル/リットル)溶解させて、電解液を調製した。
[Evaluation procedure of lithium insertion / desorption amount]
Next, a lithium electrode was fabricated by pressing a 100 μm-thick lithium metal foil on a copper foil. Next, 1 M (mol / l) of a salt of LiPF 6 was dissolved in an organic solvent obtained by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 3: 7 to prepare an electrolyte solution.
そして、この電解液を25μm厚の多孔質ポリエチレンフィルムにしみ込ませ、該フィルムの一方の面には上述したシリコン電極を配置し、他方の面には上述したリチウム電極を配置して、これらの電極でポリエチレンフィルムを挟み込むようにした。次に、平坦性を出すために両側からガラス板で挟み込み、さらにアルミラミネートフィルムにて被覆して評価用セルを作製した。 Then, the electrolytic solution was impregnated into a porous polyethylene film having a thickness of 25 μm, and the silicon electrode described above was disposed on one surface of the film, and the lithium electrode described above was disposed on the other surface. To sandwich the polyethylene film. Next, in order to obtain flatness, it was sandwiched between glass plates from both sides, and further covered with an aluminum laminate film to prepare an evaluation cell.
なお、このアルミラミネートフィルムは、最も外側の層がナイロンフィルムで、真ん中の層が20μm厚のアルミニウム箔で、内側の層がポリエチレンフィルムである、3層構成のフィルムを使用した。なお、各電極の引き出し端子部分はラミネートせず融着して密封した。 The aluminum laminated film used was a three-layer film in which the outermost layer was a nylon film, the middle layer was an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and the inner layer was a polyethylene film. Note that the lead terminal portion of each electrode was sealed without being laminated by fusing.
そして、上記電極構造体の負極としての機能を評価するために、リチウムの挿入脱離サイクル試験(充放電サイクル試験)を行った。 Then, in order to evaluate the function of the electrode structure as a negative electrode, a lithium insertion / desorption cycle test (charge / discharge cycle test) was performed.
即ち、リチウム電極はアノードにし、シリコン電極はカソードにして、上述の評価用セルを充放電装置に接続し、先ずは、電流密度0.112mA/cm2(シリコン電極の活物質層1g当たり70mA、つまり、70mA/電極層重量g)で評価用セルを放電させてリチウムをシリコン電極層に挿入し、ついで、電流密度0.32mA/cm2(200mA/電極層重量g)で評価用セルを充電しリチウムをシリコン層から脱離して、シリコン電極層重量あるいはシリコン粉末もしくはシリコン合金粉末当たりのリチウムの挿入脱離に伴う電気量を電圧範囲0〜1.2Vの範囲で評価した。 That is, the above-described cell for evaluation was connected to a charging / discharging device with the lithium electrode serving as the anode and the silicon electrode serving as the cathode. First, the current density was 0.112 mA / cm 2 (70 mA per gram of the active material layer of the silicon electrode, That is, the evaluation cell is discharged at 70 mA / g of the electrode layer to insert lithium into the silicon electrode layer, and then charged at a current density of 0.32 mA / cm 2 (200 mA / g of the electrode layer). Then, lithium was desorbed from the silicon layer, and the weight of the silicon electrode layer or the quantity of electricity associated with the insertion and desorption of lithium per silicon powder or silicon alloy powder was evaluated in the voltage range of 0 to 1.2 V.
図13は、実施例1〜4、及び参考例1〜4の電極構造体のリチウムの挿入脱離サイクル試験の結果を示した図である。なお、同図において、横軸はサイクル数、縦軸はLiの脱離量を示している。 FIG. 13 is a view showing the results of lithium insertion / desorption cycle tests of the electrode structures of Examples 1 to 4 and Reference Examples 1 to 4. In the figure, the horizontal axis represents the number of cycles, and the vertical axis represents the amount of desorbed Li.
図13に示すようにSi相中にSnやZnの金属間化合物が均一に分散していない参考例1〜4の電極ではサイクルを繰り返すとLiの脱離量は低下する。しかし、本発明のSi相中にSnやZnの金属間化合物が均一に分散している電極(実施例1〜4)では低下しない。以上より、本実施例にて作製したシリコン合金電極は、サイクル寿命が長くなることが分かった。 As shown in FIG. 13, in the electrodes of Reference Examples 1 to 4 in which the intermetallic compound of Sn or Zn is not uniformly dispersed in the Si phase, the amount of desorbed Li decreases when the cycle is repeated. However, it does not decrease in the electrodes of the present invention in which the intermetallic compound of Sn or Zn is uniformly dispersed in the Si phase (Examples 1 to 4). From the above, it was found that the cycle life of the silicon alloy electrode manufactured in this example was prolonged.
次に、本発明の実施例5として二次電池を作製した。 Next, a secondary battery was manufactured as Example 5 of the present invention.
(実施例5)
本実施例では、本発明の負極材料を用いて集電体の両面に電極層を設けた電極構造体を作製し、作製した電極構造体を負極として使用して、図5に示した断面構造の18650サイズ(直径18mmφ×高さ65mm)のリチウム二次電池を作製した。
(Example 5)
In this example, an electrode structure in which electrode layers were provided on both surfaces of a current collector using the negative electrode material of the present invention was manufactured, and the manufactured electrode structure was used as a negative electrode. No. 18650 (diameter 18 mmφ × height 65 mm) lithium secondary battery was manufactured.
(1)負極403の作製
実施例1〜4の電極材料を用いて以下の手順で負極403を作製した。
(1) Production of Negative Electrode 403 A negative electrode 403 was produced using the electrode materials of Examples 1 to 4 in the following procedure.
まず、前述の手順で得られた各種シリコン合金の微粉末66.5重量%と、導電補助材として、扁平な黒鉛粉末(具体的には、直径が約5μmで厚みが約5μmの略円板状の黒鉛粉末)10.0重量%と、黒鉛粉末(略球形であってその平均粒径は0.5〜1.0μm)6.0重量%と、アセチレンブラック(略球形であって、その平均粒径は4×10−2μm)4.0重量%と、結着剤(バインダー)を13.5重量%とを混合した後、N−メチル−2−ピロリドンを添加してペーストを作製した。 First, 66.5% by weight of the fine powder of various silicon alloys obtained by the above-described procedure and flat graphite powder (specifically, a substantially disc having a diameter of about 5 μm and a thickness of about 5 μm) as a conductive auxiliary material 10.0% by weight of graphite powder), 6.0% by weight of graphite powder (substantially spherical, having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm), and acetylene black (substantially spherical, After mixing 4.0% by weight of an average particle size of 4 × 10 −2 μm) and 13.5% by weight of a binder, a paste is prepared by adding N-methyl-2-pyrrolidone. did.
なお、結着剤(バインダー)は、実施例1〜2の電極材料にはポリアミドイミドを、実施例3〜4の電極材料には、ポリアミック酸(ポリアミド前駆体)を用いた。 In addition, as a binder, polyamideimide was used for the electrode materials of Examples 1 and 2, and polyamic acid (polyamide precursor) was used for the electrode materials of Examples 3 and 4.
次に、そのように調製したペーストを、15μm厚の電界銅箔(電気化学的に製造された銅箔)の上にコーターで塗布し、乾燥させ、ロールプレスにて厚みを調整し、厚み25μmの活物質層の電極構造体を作製した。 Next, the paste thus prepared is applied on a 15 μm-thick electric field copper foil (a copper foil produced electrochemically) by a coater, dried, and the thickness is adjusted by a roll press. The electrode structure of the active material layer was manufactured.
上記の手順で集電体の両面に電極層を設けた電極構造体を所定の大きさに切断し、ニッケルリボンのリードをスポット溶接で上記電極に接続し、負極403を得た。 The electrode structure provided with the electrode layers on both surfaces of the current collector was cut into a predetermined size by the above procedure, and a lead of a nickel ribbon was connected to the electrode by spot welding to obtain a negative electrode 403.
(2)正極406の作製
[1] クエン酸リチウムと硝酸コバルトを1:3のモル比で混合し、クエン酸を添加してイオン交換水に溶解した水溶液を、200℃空気気流中に噴霧して、微粉末のリチウム−コバルト酸化物の前駆体を調製した。
[2] 上記[1]で得られたリチウム−コバルト酸化物の前駆体を、更に、酸素気流中において850℃で熱処理した。
[3] 上記[2]において調製したリチウム−コバルト酸化物に、黒鉛粉3重量%とポリフッ化ビリニデン粉5重量%を混合した後、N−メチル−2−ピロリドンを添加してペーストを作製した。
[4] 上記[3]で得られたペーストを、厚み20ミクロンのアルミニウム箔の集電体404の両面に塗布乾燥した後、ロールプレス機で片側の正極活物質層の厚みを90ミクロンに調整した。さらに、アルミニウムのリードを超音波溶接機で接続し、150℃で減圧乾燥して正極406を作製した。
(2) Preparation of positive electrode 406 [1] Lithium citrate and cobalt nitrate were mixed at a molar ratio of 1: 3, and an aqueous solution in which citric acid was added and dissolved in ion-exchanged water was sprayed into an air stream at 200 ° C. Thus, a fine powder of a lithium-cobalt oxide precursor was prepared.
[2] The precursor of the lithium-cobalt oxide obtained in the above [1] was further heat-treated at 850 ° C in an oxygen stream.
[3] After mixing 3% by weight of graphite powder and 5% by weight of polyvinylidene fluoride powder with the lithium-cobalt oxide prepared in [2] above, N-methyl-2-pyrrolidone was added to prepare a paste. .
[4] After applying and drying the paste obtained in the above [3] on both surfaces of the current collector 404 made of aluminum foil having a thickness of 20 μm, the thickness of one side of the positive electrode active material layer is adjusted to 90 μm by a roll press. did. Further, an aluminum lead was connected with an ultrasonic welding machine, and dried under reduced pressure at 150 ° C. to produce a positive electrode 406.
(3)電解液の作製手順
[1] 十分に水分を除去したエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを、体積比3:7で混合した溶媒を調製した。
[2] 上記[1]で得られた溶媒に、四フッ化ホウ酸リチウム塩(LiBF4)を1M(モル/リットル)溶解したものを電解液として用いた。
(3) Preparation Procedure of Electrolyte Solution [1] A solvent was prepared by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 3: 7 from which water had been sufficiently removed.
[2] A solution prepared by dissolving lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) at 1 M (mol / L) in the solvent obtained in [1] above was used as an electrolytic solution.
(4)セパレータ407
厚み25ミクロンのポリエチレンの微孔性フィルムをセパレータとして用いた。
(4) Separator 407
A 25 micron thick polyethylene microporous film was used as the separator.
(5)電池の組み立て
組み立ては、露点−50℃以下の水分を管理した乾燥雰囲気下で全て行なった。
(5) Assembling of Battery Assembling was all performed under a dry atmosphere in which moisture at a dew point of −50 ° C. or less was controlled.
負極403と正極406の間にセパレータ407を挟み、セパレータ/正極/セパレータ/負極/セパレータの構成になるようにうず巻き状に巻いて、ステンレススチール材の負極缶408に挿入した。 A separator 407 was sandwiched between the negative electrode 403 and the positive electrode 406, wound spirally so as to form a separator / positive electrode / separator / negative electrode / separator, and inserted into a stainless steel negative electrode can 408.
次いで、負極リード412を負極缶408の底部にスポット溶接で接続した。負極缶の上部にネッキング装置でくびれを形成し、ポリプロピレン製のガスケット410付の正極キャップ409に正極リード413をスポット溶接機で溶接した。
Next, the
[3] 次に、電解液を注入した後、正極キャップをかぶせ、かしめ機で正極キャップと負極缶をかしめて密閉し電池を作製した。 [3] Next, after injecting the electrolytic solution, the positive electrode cap was covered, and the positive electrode cap and the negative electrode can were caulked with a caulking machine and sealed to produce a battery.
尚、この電池は負極の容量を正極に比べて大きくした正極容量規制の電池とした。 This battery was a battery with a positive electrode capacity regulation in which the capacity of the negative electrode was larger than that of the positive electrode.
(6)評価
それぞれの電池について、充放電を行ない、放電容量を計測した。
(6) Evaluation Each battery was charged and discharged, and the discharge capacity was measured.
その結果、実施例1〜実施例4までの電極材料から形成した電極構造体を負極に用いたリチウム二次電池の放電容量はいずれも2800mAhを越えるものであった。また、100サイクル目の放電容量においても、初回の容量に対して75%以上維持した。 As a result, the discharge capacity of each of the lithium secondary batteries using the electrode structures formed from the electrode materials of Examples 1 to 4 as the negative electrode exceeded 2800 mAh. Also, the discharge capacity at the 100th cycle was maintained at 75% or more of the initial capacity.
101 電極材料層
102 電極構造体
103 負極材料微粉末
104 導電補助材
105 結着剤
106 シリコン相
107 金属間化合物
201、301、403 負極
203、303、406 正極
202、302、407 イオン伝導体
204 負極端子
205 正極端子
206 電槽(電池ハウジング)
304 負極キャップ
305 正極缶
306、410 ガスケット
401 負極集電体
402 負極材料層
404 正極集電体
405 正極材料層
408 負極缶(負極端子)
409 正極キャップ(正極端子)
411 絶縁板
412 負極リード
413 正極リード
414 安全弁
304 Negative electrode cap 305 Positive electrode can 306, 410 Gasket 401 Negative current collector 402 Negative electrode material layer 404 Positive current collector 405 Positive electrode material layer 408 Negative electrode can (negative electrode terminal)
409 Positive electrode cap (positive electrode terminal)
411 Insulating
Claims (9)
前記合金の結晶子サイズが2nm以上500nm以下であり、かつシリコン相中に少なくともスズを含む金属間化合物が分散していることを特徴とするリチウム二次電池用の電極材料。 An electrode material for a lithium secondary battery comprising particles of an alloy having a mean particle size of silicon as a main component of 0.02 μm to 5 μm or less,
An electrode material for a lithium secondary battery, wherein the crystallite size of the alloy is 2 nm or more and 500 nm or less, and an intermetallic compound containing at least tin is dispersed in a silicon phase.
前記合金の結晶子サイズが2nm以上500nm以下であり、シリコン相中に、少なくともアルミニウム、亜鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、鉛のいずれかを含む1種類以上の金属間化合物が分散していることを特徴とするリチウム二次電池用の電極材料。 An electrode material for a lithium secondary battery comprising particles of an alloy having a mean particle size of silicon as a main component of 0.02 μm to 5 μm or less,
The alloy has a crystallite size of 2 nm or more and 500 nm or less, and at least one kind of intermetallic compound containing at least one of aluminum, zinc, indium, antimony, bismuth, and lead is dispersed in a silicon phase. Characteristic electrode material for lithium secondary batteries.
A secondary battery comprising a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode using the electrode structure according to claim 7, and utilizing an oxidation reaction of lithium and a reduction reaction of lithium ions.
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