JP2004311429A - Electrode material for lithium secondary battery, electrode structure having the electrode material, and secondary battery having the electrode structure - Google Patents

Electrode material for lithium secondary battery, electrode structure having the electrode material, and secondary battery having the electrode structure Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode material and an electrode for a lithium secondary battery exhibiting high lithium insertion/elimination efficiency. <P>SOLUTION: The electrode material for a lithium secondary battery comprises a particle 100 of an alloy containing silicon as a main component. The composition of the alloy is determined by a type of an element and an atomic ratio allowing component to completely melt together into a melted liquid state of the alloy. The alloy in a solid state comprises a phase selected from the group composed of a pure metal and a solid solution. The alloy particle 100 has a micro-structure in which microcrystalline or amorphous elements 102, 103 other than silicon are dispersed in microcrystalline silicon or amorphized silicon. A silicon content in the silicon alloy is not less than 50 wt.% and not more than 95 wt.%, and the silicon alloy is in the form of a fine particle. Further, the electrode material for a lithium secondary battery comprises silicon particles or silicon alloy particles wherein the silicon is doped with at least one element selected from a group composed of boron, aluminum, and gallium as a dopant in an atomic ratio of 10<SP>-8</SP>to 10<SP>-1</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、シリコンを主成分とする粒子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、及び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 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 CO2 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 CO2 gas is emitted by combustion. I have. 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, development of a secondary battery with a high energy density is expected for electric vehicles having a feature of not emitting substances related to air pollution including COx, NOx, hydrocarbons and the like. 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WO00/17948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 / 17948 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/cm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WO00/17948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 made of transition metal alloy particles, and WO00 / 17948 proposes a lithium secondary battery using a negative electrode made of non-stoichiometric amorphous silicon-transition metal alloy particles. 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、このような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 such a 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, the amount of electricity exceeding 1000 mAh / g The development of a negative electrode having a high capacity and a long life has not been achieved yet because of the electrode performance that allows lithium insertion and desorption.

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、低抵抗で充放電効率の高い、高容量な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、及び前記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, a low resistance and high charge and discharge efficiency, a high capacity electrode material for a lithium secondary battery, an electrode structure having the electrode material, and It is an object of the present invention to provide a secondary battery having an electrode structure.

本発明は、シリコンを主成分とする固体状態のシリコン合金の粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料において、前記固体状態の合金の粒子は微結晶シリコンあるいは非晶質化シリコンの中に、シリコン以外の元素からなる微結晶あるいは非晶質が分散していることを特徴とするものである。ここで、前記固体状態の合金は、純金属もしくは固溶体を含有することが好ましい。また、前記合金の組成は、該合金が融解した液体状態で完全に溶け合う元素組成(融解した状態で2相以上にならない(均一な相になる)ような元素組成)であることが好ましい。ここに元素組成とは、合金を構成する元素の種類及びそれらの元素の原子比率によって定めることができる。   The present invention provides an electrode material for a lithium secondary battery comprising particles of a solid-state silicon alloy containing silicon as a main component, wherein the particles of the solid-state alloy are contained in microcrystalline silicon or amorphous silicon. It is characterized in that microcrystals or amorphous materials composed of elements other than silicon are dispersed. Here, the solid state alloy preferably contains a pure metal or a solid solution. The composition of the alloy is preferably an elemental composition that completely dissolves in a liquid state in which the alloy is molten (an elemental composition that does not become two or more phases in a molten state (becomes a uniform phase)). Here, the element composition can be determined by the types of the elements constituting the alloy and the atomic ratio of those elements.

また本発明は、シリコンを主成分とするシリコン粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料において、前記シリコンにホウ素、アルミニウム、ガリウム、アンチモン、リンからなる群から選択される一種類以上のドーパントとしての元素が原子比で1×10−8〜2×10−1の範囲でドーピングされていることを特徴とするものである。 The present invention also provides an electrode material for a lithium secondary battery comprising silicon particles containing silicon as a main component, wherein the silicon contains one or more dopants selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, antimony, and phosphorus. Is doped in an atomic ratio of 1 × 10 −8 to 2 × 10 −1 .

本発明によると、シリコン合金を構成するシリコンとシリコン以外の元素が融解状態で均一な溶液となり、シリコンの金属間化合物の晶出が少なく、共晶を含むような元素組成を選択することによって、微結晶シリコンあるいは非晶質化シリコンの中にシリコン以外の元素の微結晶あるいは非晶質が分散しているミクロ構造のシリコン合金粒子を作製することができる。   According to the present invention, the silicon and the elements other than silicon constituting the silicon alloy become a homogeneous solution in a molten state, the crystallization of the intermetallic compound of silicon is small, and by selecting an element composition that includes a eutectic, Microstructured silicon alloy particles in which microcrystals or amorphous elements other than silicon are dispersed in microcrystalline silicon or amorphous silicon can be manufactured.

そして、このようなミクロ構造のシリコン合金微粉末にホウ素等をドーピングして形成した低抵抗で充放電効率の高い、高容量なリチウム二次電池用の電極材料によって電極構造体を形成することにより、電極構造体は高効率で多量のリチウムを繰り返し蓄え放出することができ、さらに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、高容量高エネルギー密度の二次電池を作製することができる。   By forming an electrode structure using a low-resistance, high charge-discharge efficiency, high-capacity electrode material for a lithium secondary battery formed by doping boron or the like into such a microstructured silicon alloy fine powder, The electrode structure is capable of repeatedly storing and releasing a large amount of lithium with high efficiency. Further, by using this electrode structure as a negative electrode to form a lithium secondary battery, a high capacity and high energy density secondary battery can be obtained. Can be made.

以下、図1乃至図6を参照して、本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明者らは、シリコンのドーパントとリチウムの挿入脱離電気量及び挿入脱離の電位の関係を次の実験にて調べた。   The present inventors investigated the relationship between the amount of insertion and desorption electricity of lithium and the potential of insertion and desorption of lithium in the following experiment.

即ち、高純度シリコンに、ホウ素をドーピングしたp型シリコン粉末、リンまたはアンチモンをドーピングしたn型シリコン粉末に導電補助材としての黒鉛粉末、結着剤を混合したものを、銅箔の上に塗工して作製した電極(シリコン電極)に、対向電極として金属リチウムを、電解液として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)溶解させた電解液を使用して、シリコン電極に電気化学的にリチウムの挿入脱離に伴う電気量(リチウムの挿入脱離電気量)を計測した。   That is, a mixture of high-purity silicon, p-type silicon powder doped with boron, n-type silicon powder doped with phosphorus or antimony, graphite powder as a conductive auxiliary material, and a binder is coated on a copper foil. An electrode (silicon electrode) prepared by the above process was mixed with lithium metal as a counter electrode, and ethylene carbonate and diethyl carbonate as electrolytes in a volume ratio of 3: 7, and an organic solvent obtained by mixing 1 M of a salt of LiPF6 ( Using the dissolved electrolyte solution, the amount of electricity (the amount of lithium insertion / desorption electricity) associated with the insertion / desorption of lithium electrochemically to the silicon electrode was measured.

その結果、高ドープしたn型シリコン、p型シリコンともリチウムの挿入脱離電気量と挿入に対する脱離効率が大きく、リチウムの挿入脱離するリチウムに対する電位変化が小さくリチウム脱離時の電気量に対する電位の曲線がより平坦であった。また、ドーパントの種類とドーピング量を選択することで電気容量と電位をある程度制御できることがわかった。高ドープしたシリコンは低抵抗であるため、電子伝導度が高く、このシリコンから電極を形成した場合、電極自体の電気抵抗が低く、電気化学反応がスムースに進むと考えられる。   As a result, in both highly doped n-type silicon and p-type silicon, the amount of insertion and desorption electricity of lithium and the desorption efficiency for insertion are large, the potential change with respect to lithium for insertion and desorption of lithium is small, and the amount of electricity during lithium desorption is small. The potential curve was flatter. In addition, it was found that the electric capacity and potential can be controlled to some extent by selecting the type and the doping amount of the dopant. Since highly doped silicon has low resistance, it has high electron conductivity, and when an electrode is formed from this silicon, it is considered that the electrode itself has low electric resistance and the electrochemical reaction proceeds smoothly.

また、電気化学的なリチウムの挿入脱離の繰り返しでは、ホウ素元素をドープしたシリコン粒子の方がリチウムの挿入脱離量の低下が少なく、安定にリチウムの出し入れができた。   In addition, in the electrochemical repetition of the insertion and desorption of lithium, the boron particles doped with the silicon particles did not cause much reduction in the amount of lithium inserted and desorbed, and lithium was able to be stably inserted and extracted.

この理由としては、
(i)シリコン原子と置き換わったホウ素原子等のp型ドーパント原子はマイナスにイオン化するので、電子を放出してプラスにイオン化しやすいリチウム原子の挿入を妨げないこと、
(ii)p型ドーパントをシリコンにドーピングすると、シリコンの比抵抗が低下し、電極の抵抗が低下すること、
が挙げられる。
This is because
(I) Since p-type dopant atoms such as boron atoms replacing silicon atoms are ionized negatively, they do not hinder the insertion of lithium atoms that emit electrons and are easily ionized positively,
(Ii) doping silicon with a p-type dopant reduces the specific resistance of silicon and the resistance of the electrode;
Is mentioned.

ここで、図2は、シリコンの結晶中に電気化学的にリチウムが挿入する反応を模式図で示したものであり、図2の(a)は、不純物原子を含まない真性半導体のシリコンの場合である。(実際には何らかの不純物元素を含有している。)   Here, FIG. 2 is a schematic diagram showing a reaction in which lithium is electrochemically inserted into a crystal of silicon. FIG. 2A shows a case of intrinsic semiconductor silicon containing no impurity atoms. It is. (It actually contains some impurity element.)

図2の(b)は、不純物原子としてホウ素をドーピングしたp型シリコンの場合であり、この場合は、プラスにイオン化しやすいリチウム原子とマイナスにイオン化しているホウ素原子間には引力が働くことが予想され、リチウムイオンの挿入は容易であると推察される。   FIG. 2B shows a case of p-type silicon doped with boron as an impurity atom. In this case, an attractive force acts between a lithium atom that is easily ionized to positive and a boron atom that is ionized to negative. Is expected, and it is assumed that insertion of lithium ions is easy.

図2の(c)は、不純物原子としてリンをドーピングしたn型シリコンの場合であり、この場合は、プラスにイオン化しやすいリチウム原子とプラスにイオン化しているリン原子間には斥力が働くことが予想され、リチウムイオンの挿入は容易でないと推察される。   FIG. 2C shows the case of n-type silicon doped with phosphorus as an impurity atom. In this case, a repulsive force acts between a positively ionizable lithium atom and a positively ionized phosphorus atom. It is assumed that insertion of lithium ions is not easy.

また、前記結果は、リチウム二次電池の負極の材料にp型シリコン、特にホウ素ドープシリコンを用いた場合、負極の抵抗はもちろん下がるとともに、リチウムイオンの挿入反応が容易であろうことかもしれない。   Also, the above results indicate that when p-type silicon, particularly boron-doped silicon, is used for the material of the negative electrode of the lithium secondary battery, the resistance of the negative electrode may of course be reduced and the insertion reaction of lithium ions may be easier. .

ここで、上記p型ドーパント及びn型ドーパントのドーピング量としては、リチウム二次電池に用いる電極の抵抗を下げ、蓄電容量が高まる範囲がよく、その範囲はシリコンに対して原子比で1×10−8〜2×10−1の範囲が好ましく、1×10−5〜1×10−1の範囲がより好ましい。上記p型ドーパントとn型ドーパントを同時にドーピングすることも低抵抗化の面では好ましい。 Here, the doping amount of the p-type dopant and the n-type dopant is preferably in a range in which the resistance of the electrode used in the lithium secondary battery is reduced and the storage capacity is increased. The range is preferably −8 to 2 × 10 −1 , more preferably 1 × 10 −5 to 1 × 10 −1 . It is also preferable to simultaneously dope the p-type dopant and the n-type dopant from the viewpoint of reducing the resistance.

なお、上記p型ドーパントとしては、他にアルミニウム、ガリウムも有効であるが、イオン半径の小さいホウ素が、より好ましい。また、ホウ素のドーピング、特に固溶限界以上のホウ素の添加は非晶質化を容易にする効果がある。そのため、リチウム二次電池の負極材料として上記ホウ素添加のシリコンを主成分とする粒子もしくは合金を使用する場合には、繰り返し寿命の長い電極を作製することが可能になる。   In addition, aluminum and gallium are also effective as the p-type dopant, but boron having a small ionic radius is more preferable. Further, doping of boron, particularly addition of boron exceeding the solid solution limit, has an effect of facilitating amorphousization. Therefore, when particles or alloys containing boron-containing silicon as a main component are used as the negative electrode material of the lithium secondary battery, an electrode having a long repetitive life can be manufactured.

さらに、本発明者らは、シリコン合金粒子を電極材料に用いた電極の電気化学的なリチウム挿入脱離の繰り返し時の電気量とその効率、電極の膨張率を調べた。この結果、合金粒子内の元素分布の偏りが少なく、シリコンの結晶粒子が小さい方が、高いリチウム挿入脱離電気量が得られ、リチウムの挿入脱離の繰り返しも安定して行なうことが可能で、膨張率も低い電極を作製できることを見出した。   Furthermore, the present inventors examined the amount of electricity, its efficiency, and the expansion rate of the electrode when electrochemical lithium insertion and desorption were repeatedly performed on the electrode using silicon alloy particles as the electrode material. As a result, when the distribution of elements in the alloy particles is less biased and the silicon crystal particles are smaller, a higher amount of lithium insertion / desorption electricity can be obtained, and the repetition of lithium insertion / desorption can be performed stably. It has been found that an electrode having a low expansion coefficient can be manufactured.

また、シリコン合金粒子中の元素分布の偏りを少なくより均一にし、シリコンの結晶粒をより小さくするために好ましい本発明の一形態として、
(1)シリコン合金を構成するシリコンとシリコン以外の元素が融解状態で均一な溶液となる、
(2)シリコン合金は、共晶を含む、
(なお、この共晶は、シリコンと後述する第一の元素Aとの共晶、シリコンと後述する第二の元素Eとの共晶、第一の元素Aと第二の元素Eとの共晶、これらの組み合わせを含んでいる)、
(3)シリコン合金を構成するシリコンとシリコン以外の元素の間で形成される金属間化合物の晶出が少ない、
というような元素組成のシリコン合金を作製するのが有効であることも見出した。
Further, as a preferred embodiment of the present invention, in order to reduce the deviation of the element distribution in the silicon alloy particles to be less uniform and to make the crystal grains of silicon smaller.
(1) A uniform solution of silicon and elements other than silicon constituting the silicon alloy in a molten state.
(2) The silicon alloy contains a eutectic,
(Note that this eutectic is a eutectic of silicon and a first element A described later, a eutectic of silicon and a second element E described later, and a eutectic of the first element A and the second element E. Including these combinations),
(3) less crystallization of intermetallic compounds formed between silicon and elements other than silicon constituting the silicon alloy;
It has been found that it is effective to produce a silicon alloy having such an element composition.

ここで、共晶点付近の組成では非晶質化もされやすいので、共晶点付近の組成を採用するのが本発明では好ましい。   Here, since the composition near the eutectic point tends to be amorphized easily, it is preferable in the present invention to employ a composition near the eutectic point.

また、シリコンとシリコン以外の元素の間で金属間化合物が形成されるとシリコンが有するリチウムを蓄積する本来の性能が低下する。そこで、本発明の電極材料を構成する合金の粒子は、純金属もしくは固溶体を含有することが好ましい。純金属や固溶体は、リチウムの挿入脱離について金属間化合物よりも優れていると考えられるからである。もちろん、合金中のシリコンの金属間化合物の存在を否定するものではないが、シリコンの金属間化合物の割合は0もしくは少ないほうが好ましい。本発明に用いられる好ましい合金粒子は、純金属と固溶体とが並存していてもよいし、純金属と固溶体のいずれかあるいは両方と金属間化合物とが並存していてもよい。   In addition, when an intermetallic compound is formed between silicon and an element other than silicon, the intrinsic ability of silicon to accumulate lithium decreases. Therefore, the alloy particles constituting the electrode material of the present invention preferably contain a pure metal or a solid solution. This is because a pure metal or a solid solution is considered to be superior to an intermetallic compound in lithium insertion and desorption. Of course, the existence of the intermetallic compound of silicon in the alloy is not denied, but it is preferable that the ratio of the intermetallic compound of silicon is 0 or smaller. In the preferred alloy particles used in the present invention, the pure metal and the solid solution may coexist, or one or both of the pure metal and the solid solution and the intermetallic compound may coexist.

上記シリコン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、50重量%以上で95重量%以下であることが好ましく、53重量%以上で90重量%以下であることがより好ましい。   The content of silicon in the silicon alloy is preferably 50% by weight or more and 95% by weight or less, and more preferably 53% by weight or more in order to exhibit a high power storage performance as a negative electrode material of a lithium secondary battery. Is more preferably 90% by weight or less.

さらに、上記組成の合金組成に加えて、平均粒径を好ましくは0.02μm〜5μm、より好ましくは0.05μm〜3μm、もっとも好ましくは0.1μm〜1μmの範囲にしたシリコン合金粒子の微粒子化もしくは微粉化が、さらにはシリコン合金の非晶質化が、目的とする性能を得るために有効であることがわかった。   Furthermore, in addition to the alloy composition of the above composition, silicon alloy particles having an average particle diameter of preferably 0.02 μm to 5 μm, more preferably 0.05 μm to 3 μm, and most preferably 0.1 μm to 1 μm Alternatively, it has been found that pulverization and further amorphousization of the silicon alloy are effective for obtaining the desired performance.

ここで、非晶質化とは、非晶質相を有する結晶構造をさし、高分解能透過電子顕微鏡による結晶の格子像の観察において、この非晶質相を含む構造の場合には、縞模様が観察されない個所が認められる。非晶質化でのシリコン合金粒子の透過電子顕微鏡観察からの結晶子サイズは、10nm〜100nmの範囲が好ましく、5nm〜50nmの範囲がより好ましい。   Here, the term “amorphization” refers to a crystal structure having an amorphous phase. In the observation of a lattice image of the crystal with a high-resolution transmission electron microscope, in the case of a structure including this amorphous phase, a stripe is formed. A part where a pattern is not observed is recognized. The crystallite size of the silicon alloy particles as observed by transmission electron microscopy during amorphization is preferably in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 5 nm to 50 nm.

上記組成のシリコン合金の微粒子化もしくは微粉末化及びまたは非晶質化によって、シリコン合金のミクロ構造を、微結晶シリコンもしくは非晶質化したシリコン中に、シリコン以外の元素の微結晶あるいは非晶質が分散した構造とすることができる。ここで、「微粉末」とは「微粒子」の集まった集合体である。シリコンは多くのリチウムを電気化学的に出し入れすることができるが、シリコンの結晶子を小さくすることで、リチウムの挿入脱離反応を均一にでき、挿入脱離の繰り返しによる体積の膨張収縮も均一に起こり、結果として繰り返し寿命も長くなる。   By micronizing or pulverizing and / or amorphizing the silicon alloy having the above composition, the microstructure of the silicon alloy is changed into microcrystalline or amorphous silicon in a microcrystalline silicon or amorphous silicon. A structure in which quality is dispersed can be obtained. Here, “fine powder” is an aggregate of “fine particles”. Although silicon can electrochemically move a lot of lithium in and out, by reducing the crystallites of silicon, the insertion and desorption reactions of lithium can be made uniform, and the volume expansion and contraction due to repeated insertion and desorption can be made uniform. , Resulting in a longer cycle life.

図1は上記微粉末化及び非晶質化した本発明のシリコン合金の粒子の断面構造を模式化したものであり、同図の(a)と(b)において、100はシリコン合金の粒子、101は微結晶化あるいは非晶質化したシリコン結晶の群、102はシリコン合金に含まれる(シリコン以外の)第一の元素Aの微結晶化あるいは非晶質化した結晶の群、103はシリコン合金に含まれる(シリコン以外の)第二の元素Eの微結晶化あるいは非晶質化した結晶の群である。   FIG. 1 schematically illustrates the cross-sectional structure of the finely divided and amorphized silicon alloy particles of the present invention. In FIGS. 1A and 1B, 100 denotes silicon alloy particles, 101 is a group of microcrystallized or amorphized silicon crystals, 102 is a group of microcrystallized or amorphized crystals of the first element A (other than silicon) contained in the silicon alloy, and 103 is silicon This is a group of microcrystallized or amorphous crystals of the second element E (other than silicon) contained in the alloy.

即ち、図1の(a)のシリコン合金粒子100は、少なくともシリコン元素と第一の元素Aとから成る合金粒子であり、図1の(b)のシリコン合金粒子100は、少なくともシリコン元素と第一の元素Aと第二の元素Eとから成る合金粒子である。   That is, the silicon alloy particles 100 of FIG. 1A are alloy particles composed of at least a silicon element and the first element A, and the silicon alloy particles 100 of FIG. The alloy particles are composed of one element A and the second element E.

そして、既述した(1)に従う元素組成のシリコン合金を形成することで、均一に混ぜ合わさった溶融した液体から凝固させることができる。しかし、シリコン合金の主成分のシリコンに次ぐ第一の元素の融点とシリコンとの融点の差が大きい場合、例えば第一の元素がスズのような場合は、溶融した液体を急冷したとしても、シリコンの粒界に融点の低いスズが偏析する。   Then, by forming a silicon alloy having an elemental composition according to (1) described above, solidification can be performed from a uniformly mixed molten liquid. However, when the difference between the melting point of the first element and the melting point of silicon, which is the second main component after silicon, is large, for example, when the first element is tin, even if the molten liquid is rapidly cooled, Tin having a low melting point segregates at the silicon grain boundary.

そのため、シリコンとスズの合金では、均一な合金組成を得ることはできない。この問題を解決するためには、合金組成の材料を溶融した液体を急冷して得られる合金をいったん微粉末に粉砕した後、ボールミル等の粉砕機を用いたメカニカルアロイングの手法で、合金組成の均一化(合金内の組成元素の均一分散)と非晶質化を同時に行なう。それにより、構成元素のシリコン以外の元素及びシリコン元素が偏在することなく、図1の(a)または(b)のようなより均一に分散された合金粒子100を作製できる。   Therefore, a uniform alloy composition cannot be obtained with an alloy of silicon and tin. In order to solve this problem, the alloy obtained by quenching the liquid obtained by melting the material of the alloy composition is once pulverized into fine powder, and then the alloy composition is mechanically alloyed using a pulverizer such as a ball mill. (Uniform dispersion of compositional elements in the alloy) and amorphization are simultaneously performed. Thus, alloy particles 100 more uniformly dispersed as shown in FIG. 1A or FIG. 1B can be produced without uneven distribution of elements other than silicon and the silicon element as constituent elements.

したがって、この本発明の好適な一形態のシリコン合金粒子100をリチウム二次電池の負極材料に用いた場合、充電時のリチウムの挿入がより均一にでき、リチウム挿入時の膨張も均一に起こって膨張も低減される。このため、蓄電容量の高容量化、充放電効率の向上、充放電サイクル寿命の長い、リチウム二次電池の作製が可能になる。   Therefore, when the silicon alloy particles 100 according to one preferred embodiment of the present invention are used for a negative electrode material of a lithium secondary battery, lithium can be more uniformly inserted at the time of charging, and expansion at the time of lithium insertion can occur uniformly. Expansion is also reduced. For this reason, it is possible to manufacture a lithium secondary battery having an increased storage capacity, improved charge / discharge efficiency, and a long charge / discharge cycle life.

なお、本発明のシリコン合金粒子100の結晶のミクロ構造は、透過電子顕微鏡、制限視野電子線回折で観察することができる。また、微結晶化あるいは非晶質化の度合いはX線回折ピークの半価幅等の計測で評価することができる。ここで、非晶質化して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半価幅が広がり、よりブロードとなる。   The microstructure of the crystal of the silicon alloy particles 100 of the present invention can be observed with a transmission electron microscope and a selected area electron beam diffraction. The degree of microcrystallization or amorphization can be evaluated by measuring the half width of the X-ray diffraction peak. Here, when the ratio of the amorphous phase is increased due to the amorphization, the peak of the sharp X-ray diffraction chart which is crystalline is broadened and the half value width is broadened.

このため、X線回折チャートの主ピークの2θに対する回折強度の半価幅が、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。なお、X線回折ピークの半価幅から計算される結晶子サイズとしては、60nm以下であることが好ましく、30nm以下であることがより好ましい。   Therefore, the half width of the diffraction intensity with respect to 2θ of the main peak of the X-ray diffraction chart is preferably 0.1 ° or more, more preferably 0.2 ° or more. The crystallite size calculated from the half width of the X-ray diffraction peak is preferably 60 nm or less, more preferably 30 nm or less.

シリコンもしくはシリコン合金の結晶子サイズを小さくするためには、固溶限界以上のホウ素元素の添加、あるいはイットリウム、ジルコニウム元素の添加が有効である。上記ホウ素元素の添加量は0.1〜5重量%の範囲が好ましい。また、イットリウム、ジルコニウム元素の添加は0.1〜1重量%の範囲が好ましい。   In order to reduce the crystallite size of silicon or a silicon alloy, it is effective to add a boron element having a solid solution limit or more, or add an yttrium or zirconium element. The addition amount of the boron element is preferably in the range of 0.1 to 5% by weight. The addition of the elements yttrium and zirconium is preferably in the range of 0.1 to 1% by weight.

ところで、リチウムの挿入脱離反応は、結晶の粒界から起きると考えられるが、シリコンもしくはシリコン合金結晶を微結晶化あるいは非晶質化することで粒界が多く存在するので、リチウムの挿入脱離反応が均一に行なわれるようになり、これにより蓄電容量が高まり、充放電の効率も高まる。   By the way, it is considered that the lithium insertion / desorption reaction occurs from the crystal grain boundary. However, since the silicon or silicon alloy crystal is microcrystallized or made amorphous to have many grain boundaries, lithium insertion / desorption is considered. The separation reaction can be performed uniformly, thereby increasing the storage capacity and the efficiency of charging and discharging.

また、結晶の微結晶化あるいは非晶質化は、結晶構造の長距離秩序性を失わせることになるので、自由度が高まり、リチウム挿入時の結晶構造の変化が少なくなる。その結果、リチウム挿入時の膨張も少なくなる。また、リチウムの挿入脱離の繰り返しによってさらにシリコンの非晶質化も促進される。   In addition, since microcrystallization or amorphization of a crystal loses the long-range order of the crystal structure, the degree of freedom is increased, and the change in the crystal structure when lithium is inserted is reduced. As a result, expansion during lithium insertion is reduced. Further, the repetition of insertion and extraction of lithium further promotes the amorphization of silicon.

これにより、本発明のシリコン合金粒子をリチウム二次電池の負極電極材として採用した場合、充放電効率が高く、高容量で、充放電サイクル寿命の長い、二次電池が得られることになる。なお、寿命の伸びる理由としては、リチウムの挿入脱離によるシリコンの結晶構造の変化が少ないことが考えられる。   Thus, when the silicon alloy particles of the present invention are used as a negative electrode material of a lithium secondary battery, a secondary battery having high charge / discharge efficiency, high capacity, and long charge / discharge cycle life can be obtained. It is considered that the reason why the life is extended is that there is little change in the crystal structure of silicon due to insertion and desorption of lithium.

上記シリコン合金が、シリコンとシリコンより原子比率の低いがシリコンに次いで原子比率の高い第一の元素Aから構成されている場合(図1の(a)参照)、第一の元素Aとしては、前記(1)、(2)、(3)の観点から、スズ、インジウム、ガリウム、銅、アルミニウム、銀、亜鉛、チタン、ゲルマニウムからなる群から選択される一種類以上の元素が好ましい。また、上記第一の元素がリチウムを電気化学的に挿入脱離できる、スズ、インジウム、ガリウム、アルミニウム、亜鉛、銀、ゲルマニウムから選択される元素であれば、さらに上記シリコン結晶粒子と同様な効果を有し、リチウム二次電池の負極材料として高い性能の材料が得られる。なお、上記第一の元素のうちゲルマニウムは価格が高いために、安価な電極材料の提供という点では適していない。   When the silicon alloy is composed of silicon and the first element A having a lower atomic ratio than silicon but having the second highest atomic ratio after silicon (see FIG. 1A), as the first element A, From the viewpoints of (1), (2), and (3), one or more elements selected from the group consisting of tin, indium, gallium, copper, aluminum, silver, zinc, titanium, and germanium are preferable. Further, if the first element is an element selected from tin, indium, gallium, aluminum, zinc, silver, and germanium, which can electrochemically insert and desorb lithium, the same effect as the silicon crystal particles can be obtained. And a material having high performance as a negative electrode material of a lithium secondary battery can be obtained. Note that among the first elements, germanium is not suitable for providing an inexpensive electrode material because of its high price.

シリコンと、スズ、インジウム、ガリウム、亜鉛、銀の合金の場合は、それぞれが融解した溶液状態で均一であり、固体状態で全然溶け合わない。シリコンと銀の合金の場合は、SiとAgの共晶の晶出がある。シリコンとアルミニウムの合金の場合は、融解した溶液状態で均一であり、一部固溶体を生じ、SiとSi−Al固溶体の共晶の晶出がある。   In the case of an alloy of silicon, tin, indium, gallium, zinc, and silver, each is uniform in a molten solution state, and does not dissolve at all in a solid state. In the case of an alloy of silicon and silver, there is a eutectic crystallization of Si and Ag. In the case of an alloy of silicon and aluminum, it is uniform in a molten solution state, a solid solution is partially generated, and eutectic crystallization of Si and a Si-Al solid solution occurs.

シリコンとチタンの合金の場合は、シリコンが67原子%以上であることが好ましく、この範囲で融解した溶液状態で均一である。さらに、シリコンが85原子%以上の組成であることがより好ましく、この場合のTiSi2の金属間化合物の生成は少なく、SiとTiSi2の共晶の晶出がある。そのため、シリコンとチタンから形成される合金のシリコン原子とチタン原子の比率は、85:15付近の組成が好ましい。ただし、蓄電性能を高める観点では、シリコンの比率がより高い方が好ましい。   In the case of an alloy of silicon and titanium, the content of silicon is preferably 67 atomic% or more, and within this range, the molten solution is uniform. Further, it is more preferable that silicon has a composition of 85 atomic% or more. In this case, generation of an intermetallic compound of TiSi2 is small, and eutectic crystallization of Si and TiSi2 occurs. Therefore, the composition of the alloy formed from silicon and titanium preferably has a ratio of silicon atoms to titanium atoms of about 85:15. However, from the viewpoint of improving the power storage performance, it is preferable that the ratio of silicon is higher.

シリコンと銅の合金の場合は、シリコンが50原子%以上である本発明の場合には、融解した溶液状態で均一であり、Cu3Siの金属間化合物の生成は少なく、SiとCu3Siの共晶の晶出がある。   In the case of an alloy of silicon and copper, in the case of the present invention in which silicon is 50 atomic% or more, it is uniform in a molten solution state, the generation of Cu3Si intermetallic compound is small, and the eutectic of Si and Cu3Si is formed. There is crystallization.

上記共晶は、合金中の結晶粒を小さくできる点で有効である。共晶点付近の組成では非晶質化もされやすい。   The eutectic is effective in that the crystal grains in the alloy can be reduced. A composition near the eutectic point tends to be amorphous.

さらに、前記シリコン合金が、シリコンとシリコンより原子比率の低いがシリコンに次いで原子比率の高い第一の元素Aと、第一の元素に次いで原子比率の高い第二の元素Eから少なくとも構成されている場合(図1の(b)参照)、前記第一の元素Aがスズ、アルミニウム、亜鉛、からなる群から選択される一種類以上の元素で、前記第二の元素Eが、銅、銀、亜鉛、チタン、アルミニウム、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム、ホウ素からなる群から選択される一種類以上の元素であって、第一の元素Aと第二の元素Eは異なる元素である(A≠E)、ことがより好ましい。   Further, the silicon alloy is at least composed of silicon and a first element A having an atomic ratio lower than that of silicon but having an atomic ratio higher than that of silicon, and a second element E having an atomic ratio higher than that of silicon. (See FIG. 1 (b)), the first element A is at least one element selected from the group consisting of tin, aluminum, and zinc, and the second element E is copper, silver. , Zinc, titanium, aluminum, vanadium, yttrium, zirconium, and boron, the first element A and the second element E are different elements (A ≠ E ) Is more preferable.

ここで、この第二の元素Eの効果は、第一の元素Aとの共晶を晶出し、第一の元素Aの結晶粒を小さくする、あるいはシリコンとの共晶を晶出してシリコン結晶粒を小さくする点にある。さらに第二の元素Eはシリコンより酸化物を形成しやすく、シリコン酸化物の生成の抑制に効果がある。もし、前記シリコンもしくはシリコン合金中にシリコン酸化物が多く存在する場合には、電気化学的リチウムの挿入反応で酸化リチウムが形成され、リチウムの挿入量に対する脱離(放出)量の効率が低下する要因となる。   Here, the effect of the second element E is that the eutectic crystal with the first element A is crystallized and the crystal grains of the first element A are reduced, or the eutectic crystal with the silicon is crystallized to form a silicon crystal. The point is to make the grains smaller. Furthermore, the second element E is easier to form an oxide than silicon, and is effective in suppressing the formation of silicon oxide. If a large amount of silicon oxide is present in the silicon or silicon alloy, lithium oxide is formed by the electrochemical lithium insertion reaction, and the efficiency of desorption (release) with respect to the amount of lithium inserted decreases. It becomes a factor.

3元素以上から成る上記シリコン合金(Si−A−E合金)の好ましいより具体的な例としては、Si−Sn−Ti合金,Si−Sn−Al合金,Si−Sn−Zn合金,Si−Sn−Ag合金,Si−Sn−B合金,Si−Sn−Sb−B合金,Si−Sn−Cu−B合金,Si−Sn−Cu−Sb−B合金,Si−Al−Cu合金,Si−Al−Ti合金,Si−Al−Zn合金,Si−Al−Ag合金,Si−Zn−Ti合金,Si−Zn−Sn合金,Si−Zn−Al合金,Si−Zn−Ag合金,Si−Zn−Cu合金,Si−Sn−Al−Ti合金,Si−Sn−Zn−Ti合金,Si−Sn−Ag−Ti合金などが挙げられる。   Preferred and more specific examples of the silicon alloy (Si-AE alloy) composed of three or more elements include Si-Sn-Ti alloy, Si-Sn-Al alloy, Si-Sn-Zn alloy, Si-Sn -Ag alloy, Si-Sn-B alloy, Si-Sn-Sb-B alloy, Si-Sn-Cu-B alloy, Si-Sn-Cu-Sb-B alloy, Si-Al-Cu alloy, Si-Al -Ti alloy, Si-Al-Zn alloy, Si-Al-Ag alloy, Si-Zn-Ti alloy, Si-Zn-Sn alloy, Si-Zn-Al alloy, Si-Zn-Ag alloy, Si-Zn- Cu alloy, Si-Sn-Al-Ti alloy, Si-Sn-Zn-Ti alloy, Si-Sn-Ag-Ti alloy and the like can be mentioned.

ここで、Sn−Zn系合金では原子比Sn:Zn=85:15付近で共晶点を有し、Sn−Ag系合金では原子比Sn:Ag=95:5付近で共晶点を有する。またSn−Al系合金では、原子比Sn:Al=97:3付近で共晶点を有し、Al−Cu系合金では原子比Al:Cu=82:18付近で共晶点を有する。さらに、Al−Zn系合金では、原子比Al:Zn=89:11付近で共晶点を有する。   Here, the Sn-Zn-based alloy has a eutectic point near the atomic ratio Sn: Zn = 85: 15, and the Sn-Ag-based alloy has a eutectic point near the atomic ratio Sn: Ag = 95: 5. The Sn-Al alloy has a eutectic point near the atomic ratio Sn: Al = 97: 3, and the Al-Cu alloy has a eutectic point near the atomic ratio Al: Cu = 82: 18. Furthermore, an Al-Zn alloy has a eutectic point at an atomic ratio of Al: Zn = 89: 11.

上記共晶を晶出することで、Sn,Zn,Al,Agの結晶粒は小さくなる。前記シリコン合金では、リチウム二次電池負極材料としての容量を維持できるシリコン比率を保ち、シリコン以外の元素が共晶する組成を選択するのが好ましい。上記3元素以上から成るシリコン合金中に、電気化学的にリチウムを挿入脱離できる、スズ、アルミニウム、亜鉛、銀を含む場合には、これらの結晶が微結晶あるいは非晶質となるように、共晶点付近の組成を選択することが好ましい。   By crystallizing the eutectic, the crystal grains of Sn, Zn, Al, and Ag are reduced. In the silicon alloy, it is preferable to maintain a silicon ratio that can maintain the capacity as a negative electrode material of a lithium secondary battery, and to select a composition in which elements other than silicon are eutectic. In the case where tin, aluminum, zinc, and silver can be electrochemically inserted into and desorbed from lithium in a silicon alloy composed of the above three elements, so that these crystals become microcrystals or amorphous, It is preferable to select a composition near the eutectic point.

もちろん上記シリコン合金には、電気抵抗を下げ、容量を増すために、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、アンチモン、リンからなる群から選択される一種類以上のp型ドーパントが、シリコンに対して原子比で1×10−8〜2×10−の範囲でドーピングされているのが好ましく、1×10−5〜1×10−1の範囲でドーピングされているのがより好ましい。ドーパントとしては、特に、p型ドーパントのイオン半径の小さいホウ素が、より好ましい。 Of course, the silicon alloy contains one or more p-type dopants selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, antimony, and phosphorus in an atomic ratio with respect to silicon in order to reduce electric resistance and increase capacity. is preferably is doped with 1 × 10 -8 ~2 × 10- 1 range, and more preferably is doped in the range of 1 × 10 -5 ~1 × 10 -1 . As the dopant, in particular, boron having a small ionic radius of a p-type dopant is more preferable.

上記本発明のシリコン合金の構成元素の一つにアルミニウムあるいはチタン、バナジウム、イットリウム、ジルコニウムを採用した場合の、他の効果としてシリコン合金作製工程中あるいは粉砕工程中に酸素とシリコンが反応して酸化シリコンが形成されるのを抑制することができる。これは、アルミニウム原子あるいはチタン、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム原子はシリコン原子より酸素原子と安定な結合を形成するためである。なお、酸化シリコンが形成されるとシリコン合金への電気化学的なリチウムの挿入脱離効率が低下する。これは、リチウムが酸化シリコンと反応して、不活性な酸化リチウムを形成するためであると推察される。   When aluminum or titanium, vanadium, yttrium, or zirconium is used as one of the constituent elements of the silicon alloy of the present invention, another effect is that oxygen and silicon react during the silicon alloy manufacturing process or the pulverizing process to oxidize. The formation of silicon can be suppressed. This is because aluminum atoms or titanium, vanadium, yttrium, and zirconium atoms form more stable bonds with oxygen atoms than silicon atoms. Note that when silicon oxide is formed, the efficiency of electrochemically inserting and removing lithium into the silicon alloy is reduced. This is presumed to be because lithium reacts with silicon oxide to form inactive lithium oxide.

本発明の前記シリコンもしくは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、0.05〜3.0μmの範囲にあるのがより好ましく、0.1〜1.0μmの範囲にあるのがもっとも好ましい。   The average particle diameter of the primary particles of the silicon or silicon alloy of the present invention is preferably from 0.02 to 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 0.0 μm, more preferably in the range of 0.05 to 3.0 μm, and most preferably in the range of 0.1 to 1.0 μm.

なお、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。上記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、電気抵抗の低減につながる。   If the average particle diameter is too small, handling becomes difficult, and the contact area between particles when an electrode is formed increases, and the contact resistance increases. Aggregating the primary particles to make the particles larger facilitates handling and leads to a reduction in electric resistance.

さらに、前記シリコンを主成分とするシリコン粒子もしくはシリコンを主成分とするシリコン合金粒子に、炭素材料、金属マグネシウム、炭素材料と金属マグネシウムから選択される材料を複合化させることは、その複合物をリチウム二次電池の負極材料として用いた場合、電池の充放電効率、電池電圧、放電電流特性、充放電の繰り返し特性等に関する性能を高めることができる。   Further, by forming a material selected from a carbon material, a metal magnesium, and a carbon material and a metal magnesium into the silicon particles containing silicon as a main component or the silicon alloy particles containing silicon as a main component, When used as a negative electrode material of a lithium secondary battery, it is possible to enhance the performance of the battery regarding charge / discharge efficiency, battery voltage, discharge current characteristics, charge / discharge repetition characteristics, and the like.

炭素材料の複合化は、電気化学的リチウムの挿入脱離(放出)の繰り返し時の、体積膨張収縮による疲労を低減でき、寿命を伸ばすことが可能にする。シリコンを主成分とする合金への添加量は、リチウムの挿入脱離(放出)量の著しい低下が無い、1〜10重量%が好ましく、2〜5重量%がより好ましい。   The compounding of the carbon material can reduce fatigue due to volume expansion and contraction at the time of repeated insertion and desorption (release) of electrochemical lithium, and can extend the life. The amount of addition to the alloy containing silicon as a main component is preferably 1 to 10% by weight, and more preferably 2 to 5% by weight, without causing a significant decrease in the amount of lithium insertion / desorption (release).

マグネシウム金属の複合化は、リチウム二次電池を形成した場合にその電池電圧を高める効果がある。ただし、複合化するマグネシウム金属の比率を多くすると作製される電池の電圧は高まるが、シリコンの比率が低下するので蓄電できる電気容量は低下する。   The composite of magnesium metal has the effect of increasing the battery voltage when a lithium secondary battery is formed. However, when the ratio of the magnesium metal to be composited is increased, the voltage of the produced battery is increased, but the electric capacity that can be stored is reduced because the ratio of silicon is reduced.

また、上記微粉化したシリコン粉末、もしくはシリコン合金粉末の粒子の最表面は、急激な酸素との反応を抑えるために、2〜10nm程度の薄い酸化物層で覆われているのが好ましい。酸化膜の厚みは、たとえばスキャニングマイクロオージェ分析のような表面分析装置で深さ方向の酸素元素を分析することによって、計測することができる。   Further, the outermost surface of the finely divided silicon powder or silicon alloy powder particles is preferably covered with a thin oxide layer of about 2 to 10 nm in order to suppress a rapid reaction with oxygen. The thickness of the oxide film can be measured, for example, by analyzing the oxygen element in the depth direction using a surface analyzer such as a scanning micro Auger analysis.

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, in this specification, an "average particle size" means an average primary particle size (average particle size in the state where it does not aggregate).

ところで、本発明のシリコンもしくはシリコン合金粒子の微結晶化または非晶質化は、前記X線回折分析のほかに、電子線回折、中性子線回折、高分解能電子顕微鏡観察などで評価することができる。   The microcrystallization or amorphization of the silicon or silicon alloy particles of the present invention can be evaluated by electron beam diffraction, neutron beam diffraction, observation with a high-resolution electron microscope, etc., in addition to the X-ray diffraction analysis. .

電子線回折では、非晶質化が進んだ場合ハロー状の回折パターンが得られる。また、高分解能電子顕微鏡観察では、微細な規則領域の存在を示す縞状の格子像が観察される(縞模様が点在する)微結晶構造、あるいは縞状の格子像が観察されない迷路状模様の非晶質化の進んだ構造が観察される。   In electron beam diffraction, a halo-shaped diffraction pattern is obtained when amorphization has progressed. In the high-resolution electron microscope observation, a striped lattice image indicating the presence of fine regular regions is observed (dotted stripes), or a labyrinthine pattern in which no striped lattice image is observed. Is observed, the structure of which is more amorphized.

また、X線吸収微細構造(X−ray Absorption Fine Structure 通称XAFS)分析のX線吸収端微細構造(Extended X−ray absorption fine structure 通称EXAFS)から得られる動径分布関数から中心原子からの原子間距離に関する情報を得ることができる。これにより、非晶質化が進んでいれば原子間距離の長距離秩序性が失われていることが観察されることになる。   In addition, the radial distribution function from the atomic distribution function from the atomic distribution function obtained from the X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis of the X-ray absorption fine structure (Extended X-ray absorption fine structure, commonly called EXAFS). Information about distance can be obtained. As a result, it is observed that the long-range order of the interatomic distance is lost if the amorphization is progressing.

尚、本発明において、粒子の結晶子の大きさとは、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の式を用いて決定できる。   In the present invention, the crystallite size of the particles can be determined from the half width and the diffraction angle of the peak of the X-ray diffraction curve using CuKα as a 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

上記式で得られる結晶子サイズは非晶質化が進めば小さくなっていく。   The crystallite size obtained by the above equation becomes smaller as amorphization proceeds.

なお本発明の電極材料の上記式から計算される結晶子サイズは、60nm以下であることが好ましく、30nm以下であることがより好ましい。   The crystallite size of the electrode material of the present invention calculated from the above equation is preferably 60 nm or less, and more preferably 30 nm or less.

非晶質化の進んだ上記材料をリチウム二次電池の負極材料に用いた場合、充放電によるリチウムの挿入・脱離(放出)の繰り返しによる膨張収縮の変化を抑制でき、繰り返し寿命が長い。   In the case where the above-mentioned material that has become more amorphous is used as a negative electrode material of a lithium secondary battery, a change in expansion and contraction due to repetition of insertion and desorption (release) of lithium due to charge and discharge can be suppressed, and the repetition life is long.

次に、シリコン粒子及びシリコン合金粒子の製造方法について説明する。   Next, a method for producing silicon particles and silicon alloy particles will be described.

本発明のシリコンを主成分とするシリコン粒子は、原料のシリコンとドーピング元素の材料を所定量混合し、溶融し冷却してシリコンインゴットを形成した後、多段階の粉砕工程を通して、0.1〜1.0μmの平均粒径となる微粉末として得ることができる。なお、上記粉砕工程の微粉砕工程に用いる粉砕装置としては、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。上記ドーパントとしては、ホウ素,アンチモン,リンが好ましく、ホウ素がより好ましい。   Silicon particles containing silicon of the present invention as a main component are obtained by mixing a predetermined amount of raw material silicon and a material of a doping element, melting and cooling the mixture to form a silicon ingot, It can be obtained as a fine powder having an average particle size of 1.0 μm. As the crushing apparatus used in the fine crushing step of the crushing step, 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 may be used. Can be. It is preferable to use zirconia, stainless steel, or steel as the material of the ball as the grinding media. As the dopant, boron, antimony, and phosphorus are preferable, and boron is more preferable.

本発明のシリコン合金粒子は、原料のシリコンに第一の元素の金属材料、所望に応じて第二の元素の金属材料、ドーピング元素の材料を所定量混合し、溶融し溶湯を形成し、溶湯を冷却して、次いで粉末形状のシリコン合金粒子を作製する。噴霧方法としては、高圧の不活性ガスで噴霧するガスアトマイズ法、高圧水で噴霧する水アトマイズ法、等の方法が使用できる。   The silicon alloy particles of the present invention are obtained by mixing a predetermined amount of a metal material of a first element, a metal material of a second element, and a material of a doping element with silicon as a raw material, melting the molten metal to form a molten metal, Is cooled, and then powdery silicon alloy particles are produced. As a spraying method, a gas atomizing method of spraying with a high-pressure inert gas, a water atomizing method of spraying with high-pressure water, and the like can be used.

上記溶湯の冷却は、急冷するのが好ましい。これは、上記溶融した溶湯の状態では、均一に溶解した状態であるので、この溶湯を急冷することで融点の異なる元素から成るシリコン合金中の組成がより均一になる。また、その冷却速度は、10〜10K/sの範囲であることが望ましい。 Preferably, the molten metal is cooled rapidly. This is because, in the state of the molten metal, the molten metal is in a uniformly molten state. Therefore, by rapidly cooling the molten metal, the composition in the silicon alloy composed of elements having different melting points becomes more uniform. Further, the cooling rate is desirably in the range of 10 3 to 10 8 K / s.

次に、シリコン合金のインゴットを形成した後、多段階の粉砕工程を通して、好ましくは0.02から5.0μm、より好ましくは0.05から3.0μm、さらに好ましくは0.1〜1.0μmの平均粒径となる微粉末として得ることができる。さらに、ボールミルによる処理等で、非晶質化することができる。非晶質化用粉砕装置としては、振動ミル、遊星ミル、高速回転ミルなどが好ましい。   Next, after forming an ingot of the silicon alloy, it is preferably subjected to a multi-stage pulverization process, preferably 0.02 to 5.0 μm, more preferably 0.05 to 3.0 μm, and still more preferably 0.1 to 1.0 μm Can be obtained as a fine powder having an average particle size of Further, it can be made amorphous by treatment with a ball mill or the like. As the crushing device for amorphization, a vibration mill, a planetary mill, a high-speed rotation mill, or the like is preferable.

さらに好ましい方法としては、原料とする材料を混合し溶融して溶湯を形成した後、不活性ガスで噴射して粉末を形成する方法(いわゆるガスアトマイズ法)、回転円盤状に吹きつけて粉にする方法、あるいは高圧水で噴射する方法(いわゆる水アトマイズ法)、高速回転した水流に噴霧化した金属を流し込む方法等のアトマイゼーション法(噴霧法)にて粒子粉を形成した後に、さらに微粉砕して、平均粒径が、好ましくは0.02から5.0μm、より好ましくは0.05から3.0μm、さらに好ましくは0.1〜1.0μmの平均粒径となるシリコン粉末あるいはシリコン合金粉末を得る方法がが挙げられる。   As a more preferable method, a method of mixing and melting materials as raw materials to form a molten metal, and then spraying with an inert gas to form powder (a so-called gas atomizing method), or blowing the powder into a rotating disk to form powder. After forming particle powder by atomization method (spraying method) such as method of spraying with high-pressure water (so-called water atomizing method), and method of pouring atomized metal into a high-speed rotating water stream, it is further pulverized. Silicon powder or silicon alloy powder having an average particle diameter of preferably 0.02 to 5.0 μm, more preferably 0.05 to 3.0 μm, and still more preferably 0.1 to 1.0 μm. Is obtained.

なお、上記溶湯の噴射時に超音波をあてることによって、噴射で得られる合金粒子内部の元素組成をさらに均一にすることができる。また、上記アトマイゼーション法での冷却速度を高めることにより、非晶質化を容易にする。さらに、上記アトマイゼーション法にて得られた粉末をボールミル等の非晶質化用粉砕装置による処理等で、合金中の構成する元素の分布を均一化するとともに、合金の非晶質化を進めることができる。   By applying ultrasonic waves during the injection of the molten metal, the element composition inside the alloy particles obtained by the injection can be made more uniform. Further, by increasing the cooling rate in the above-mentioned atomization method, amorphousization is facilitated. Further, the powder obtained by the above atomization method is processed by an amorphizing pulverizing device such as a ball mill or the like to uniformize the distribution of constituent elements in the alloy and promote the amorphousization of the alloy. be able to.

また、原料とする材料を混合し溶融して溶湯を形成した後、gun法、単ロール法、あるいは双ロール法の高い冷却速度にて得られる、粉末あるいはリボンを、さらに粉砕することによって、本発明の平均粒径が好ましくは0.02から5.0μm、より好ましくは0.05から3.0μm、さらに好ましくは0.1〜1.0μmの平均粒径となるシリコン粉末あるいはシリコン合金粉末を得ることができる。もちろん、得られた粉末をボールミルによる処理等で、さらに非晶質化することができる。   Also, after mixing and melting the materials as raw materials to form a molten metal, the powder or ribbon obtained at a high cooling rate of the gun method, the single roll method, or the twin roll method is further pulverized, whereby the present invention is obtained. A silicon powder or a silicon alloy powder having an average particle diameter of preferably 0.02 to 5.0 μm, more preferably 0.05 to 3.0 μm, and still more preferably 0.1 to 1.0 μm. Obtainable. Of course, the obtained powder can be further made amorphous by treatment with a ball mill or the like.

上記ボールミル処理では、黒鉛、アルコール、脂肪酸等の酸化防止剤を、シリコンもしくはシリコン合金の粉末へ添加して処理するのが、処理後の微粉末の酸素との反応を抑える点で好ましい。なお、黒鉛は、硬くて展性・延性に乏しいため、固まりにくく、粉砕容器への材料の付着防止の効果がある。また、化学的に安定で酸化しにくく、合金化もしにくいため上記微粉砕した負極材料粒子の表面を覆うことにより酸化を抑制できる。   In the ball mill treatment, it is preferable to add an antioxidant such as graphite, alcohol, or fatty acid to the silicon or silicon alloy powder for treatment in order to suppress the reaction of the treated fine powder with oxygen. Since graphite is hard and has poor malleability and ductility, it hardly solidifies, and has an effect of preventing material from adhering to the crushing container. Further, since it is chemically stable, hardly oxidized, and hardly alloyed, the oxidation can be suppressed by covering the surface of the finely pulverized negative electrode material particles.

炭素材料やマグネシウム金属を、シリコンもしくはシリコン合金粒子に複合化する場合は、非晶質化の条件より緩やかな混合条件でボールミル等の粉砕処理を行なうのがよい。   When a carbon material or magnesium metal is compounded into silicon or silicon alloy particles, it is preferable to carry out a pulverizing treatment such as a ball mill under a milder mixing condition than the condition for amorphization.

また、不活性ガスに高周波を印加して得られるプラズマガス中に本発明のシリコン粉末あるいはシリコン合金粉末の原料となる材料を供給して蒸発させ、非晶質化された粒子径10〜100nmの微粉末を得ることができる。高周波印加の際には磁場を印加することで、プラズマを安定化することができ、さらに効率的に微粉末を得ることができる。   Further, a material as a raw material of the silicon powder or the silicon alloy powder of the present invention is supplied to a plasma gas obtained by applying a high frequency to an inert gas, and the material is evaporated to have an amorphous particle diameter of 10 to 100 nm. Fine powder can be obtained. By applying a magnetic field when applying a high frequency, the plasma can be stabilized, and fine powder can be obtained more efficiently.

上記シリコンあるいはシリコン合金の微粉末は、空気中で酸化されやすく、アルカリ性水溶液中で溶解反応が進行しやすいため、微粉末の表面を酸化物皮膜もしくは炭素皮膜で覆っておくことが好ましい。微粉砕工程をアルコール等の液体中で行なうことにより、薄い酸化物皮膜を微粉末表面に形成することができる。   Since the fine powder of silicon or silicon alloy is easily oxidized in the air and the dissolution reaction easily proceeds in an alkaline aqueous solution, it is preferable to cover the surface of the fine powder with an oxide film or a carbon film. By performing the pulverization step in a liquid such as alcohol, a thin oxide film can be formed on the surface of the fine powder.

また、微粉砕して微粉末を取り出す前に、酸素ガスを低濃度含んだ窒素ガスあるいはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気に露出する処理を施すことによって、薄い酸化物皮膜を表面に形成した微粉末を得ることもできる。   In addition, before removing the fine powder by pulverization, a process of exposing to an inert gas atmosphere such as a nitrogen gas or an argon gas containing a low concentration of an oxygen gas is performed so that a thin oxide film is formed on the surface. Powder can also be obtained.

ここで、窒素ガスあるいは不活性ガス中の酸素濃度は、0.01〜5.0体積%の範囲が好ましく、0.05〜2.0体積%の範囲がより好ましい。薄い酸化物皮膜を表面に形成した微粉末における酸素元素の重量%は、0.1〜15重量%の範囲が好ましく、0.2〜10重量%の範囲がより好ましく、0.2〜5重量%がもっとも好ましい。   Here, the oxygen concentration in the nitrogen gas or the inert gas is preferably in the range of 0.01 to 5.0% by volume, and more preferably in the range of 0.05 to 2.0% by volume. The weight% of the oxygen element in the fine powder having a thin oxide film formed on the surface is preferably in the range of 0.1 to 15% by weight, more preferably in the range of 0.2 to 10% by weight, and more preferably in the range of 0.2 to 5% by weight. % Is most preferred.

本発明のシリコン粉末あるいはシリコン合金粉末に含まれる酸素元素量、酸化物量が大きいと、リチウム二次電池の電極材料に用いた場合、高い放電量、高い充放電効率は期待できない。これは、リチウムの挿入反応時にリチウムと酸化物が反応して、酸化リチウム等の不活性物に変化して、電気化学的に放出できなくなるためである。   If the amount of the oxygen element and the amount of the oxide contained in the silicon powder or the silicon alloy powder of the present invention are large, a high discharge amount and high charge / discharge efficiency cannot be expected when used for an electrode material of a lithium secondary battery. This is because lithium and an oxide react during an insertion reaction of lithium and change into an inactive substance such as lithium oxide, and cannot be electrochemically released.

また、本発明のシリコン粉末あるいはシリコン合金粉末の表面を覆い、酸化防止皮膜となりえるほど十分な酸素含有量すなわち酸化物含有量がないと、容易に空気中で酸化され、電池の充放電反応に不活性な反応物を形成してしまうことになる。   Further, if the surface of the silicon powder or the silicon alloy powder of the present invention is not covered with sufficient oxygen content, i.e., oxide content, to be able to form an antioxidant film, it is easily oxidized in the air, and the charge / discharge reaction of the battery is difficult. An inactive reactant will be formed.

上記酸化防止のための炭素皮膜は、シリコンあるいはシリコン合金の粉砕または非晶質化時に、黒鉛粉末、アセチレンブラック等の微粉末炭素分を混合することによって、形成することができる。   The carbon film for preventing oxidation can be formed by mixing fine powder carbon such as graphite powder and acetylene black when pulverizing or amorphizing silicon or a silicon alloy.

また、本発明のシリコン微粒子またはシリコン合金微粒子は、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、形成することも可能である。   The silicon fine particles or silicon alloy fine particles of the present invention can also be formed by a method such as sputtering, electron beam evaporation, cluster ion beam evaporation, and the like.

また、本発明の原料としてシリコンを用いる場合には、Ca,Al,Feなどの不純物を含有しても良い。安価なリチウム二次電池の負極材料を提供するためには純度は99.99%以下が好ましく、99.9%以下がより好ましく、更に好ましくは99.6%以下がよい。   When silicon is used as a raw material of the present invention, it may contain impurities such as Ca, Al, and Fe. In order to provide an inexpensive negative electrode material for a lithium secondary battery, the purity is preferably 99.99% or less, more preferably 99.9% or less, and still more preferably 99.6% or less.

図3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3の(a)において、302は電極構造体であり、この電極構造体302は、電極材料層301と集電体300とからなり、この電極材料層301は、図2の(b)もしくは図1に示すようなシリコンを主成分とする粒子(シリコンSiもしくはシリコン合金粉末)303と、導電補助材304及び結着剤305からなる。なお、図3においては、集電体300上の片面にのみに電極材料層301が設けられているが、電池の形態によっては、集電体300の両面に電極材料層が形成されていてもよい。   FIG. 3 shows a schematic sectional structure of the electrode structure of the present invention. In FIG. 3A, reference numeral 302 denotes an electrode structure. The electrode structure 302 includes an electrode material layer 301 and a current collector 300. The electrode material layer 301 is formed as shown in FIG. As shown in FIG. 1, it is composed of particles (silicon Si or silicon alloy powder) 303 containing silicon as a main component, a conductive auxiliary material 304 and a binder 305. Although the electrode material layer 301 is provided only on one surface of the current collector 300 in FIG. 3, depending on the form of the battery, the electrode material layer 301 may be formed on both surfaces of the current collector 300. Good.

ここで、上記導電補助材304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305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301に含まれるシリコンを主成分とする粒子(粉末)303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 304 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 305 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) 303 containing silicon as a main component contained in the electrode material layer 301 is preferably in a range of 40% by weight to 93% by weight.

また、導電補助材304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,炭素繊維,カーボンナノチューブ等の黒鉛構造の炭素材、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302のインピーダンスを低減することができる。   Examples of the conductive auxiliary material 304 include amorphous carbon such as acetylene black and Ketjen black, a carbon material having a graphite structure such as graphite, carbon fiber, and carbon nanotube, nickel, copper, silver, titanium, platinum, aluminum, and cobalt. , Iron, chromium and the like can be used, and graphite is particularly preferable. 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 electrode structure 302 can be reduced.

結着剤305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、ポリイミド,ポリアミック酸(ポリイミド前駆体),ポリアミドイミドが挙げられる。前記結着剤に用いる材料としては、引っ張り強度100〜400MPa、伸び率40〜100%の特性を有した材料が好ましく、ポリイミド,ポリアミック酸(ポリイミド前駆体),ポリアミドイミドがより好ましい材料である。   Examples of the material of the binder 305 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, polyimide, polyamic acid (polyimide precursor), and polyamideimide. As a material used for the binder, a material having a tensile strength of 100 to 400 MPa and an elongation of 40 to 100% is preferable, and polyimide, polyamic acid (polyimide precursor), and polyamideimide are more preferable.

電極を形成する場合、上記結着剤に、電解液を吸液してゲル化するポリアクリロニトリルやポリメチルメタクリレート等の高分子材料をさらに添加して複合化することも、電解液の浸透をよくし、電極の電気抵抗を低減する点で、好ましい。   When forming an electrode, the binder may be further added with a polymer material such as polyacrylonitrile or polymethyl methacrylate which absorbs and gels the electrolyte to form a composite, and the penetration of the electrolyte may be improved. However, it is preferable in that the electric resistance of the electrode is reduced.

また、集電体300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302を二次電池の負極に適用する場合、集電体300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 current collector 300 efficiently supplies a current consumed in the electrode reaction at the time of charging, or plays a role of collecting a current generated at the time of discharging, the current collector 300 particularly functions as a secondary electrode. When applied to the negative electrode of a battery, as a material for forming the current collector 300, a material having high electric conductivity and inert to a battery reaction is desirable. Preferred materials include those made of one or more metal materials selected from copper, nickel, iron, stainless steel, titanium, and platinum. As a more preferable material, copper which is inexpensive and has low electric resistance is used.

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。   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.

次に、電極構造体302の作製手順について説明する。   Next, a procedure for manufacturing the electrode structure 302 will be described.

まず、本発明のシリコンを主成分とする粒子である、シリコンもしくはシリコン合金の粉末に、導電補助材粉末、結着剤305を混合し、適宜結着剤305の溶媒を添加して混練してスラリーを調製する。次いで、集電体300に調製したスラリーを塗工し、乾燥して電極材料層301を形成した後、プレス処理を施し、電極材料層301の厚みと密度を調整して電極構造体302を形成する。   First, a conductive auxiliary material powder and a binder 305 are mixed with a powder of silicon or a silicon alloy, which is particles containing silicon as a main component of the present invention, and a solvent for the binder 305 is appropriately added and kneaded. Prepare a slurry. Next, the prepared slurry is applied to the current collector 300, dried to form the electrode material layer 301, and then subjected to a press treatment to adjust the thickness and density of the electrode material layer 301 to form the electrode structure 302. I do.

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304と結着剤305を、あるいは結着剤305を混合せずに上記負極材料と導電補助材304のみを、集電体上に加圧成形して、電極材料層301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 main material and the conductive auxiliary material 304 and the binder 305 are added without adding a solvent, or only the negative electrode material and the conductive auxiliary material 304 are added onto the current collector without mixing the binder 305. The electrode material layer 301 can be formed by pressing.

ここで、電極材料層301の密度は、電極材料層301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300からのはがれが発生することになり、電極材料層301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301の密度は、0.8〜2.0g/cmの範囲であることが好ましく、0.9〜1.5g/cmの範囲であることがより好ましい。 Here, if the density of the electrode material layer 301 is too high, the expansion at the time of insertion of lithium increases, and the electrode material layer 301 peels off from the current collector 300. If the density is too low, the resistance of the electrode increases, so that the charging / discharging efficiency decreases and the voltage drop at the time of discharging the battery increases. Therefore, the density of the electrode material layer 301 of the present invention is more it is preferably in the range of 0.8 to 2.0 g / cm 3, in the range of 0.9~1.5g / cm 3 preferable.

なお、上記導電補助材304や結着剤305を使用せず、本発明のシリコン粒子またはシリコン合金粒子のみで形成する電極構造体302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300に直接電極材料層301を形成することによって作製可能である。   Note that the electrode structure 302 formed using only silicon particles or silicon alloy particles of the present invention without using the conductive auxiliary material 304 or the binder 305 can be formed by a method such as sputtering, electron beam evaporation, or cluster ion beam evaporation. Thus, it can be manufactured by directly forming the electrode material layer 301 on the current collector 300.

ただし、電極材料層301の厚みを厚くすると集電体300との界面ではがれが生じやすくなるので、上記蒸着方法は厚い電極構造体302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300に1〜10nmの厚み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300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, when the thickness of the electrode material layer 301 is increased, peeling is likely to occur at the interface with the current collector 300. Therefore, the above evaporation method is not suitable for forming the thick electrode structure 302. In order to prevent peeling at the interface, a metal layer, an oxide layer, or a nitride layer having a thickness of 1 to 10 nm is provided on the current collector 300 to form irregularities on the current collector 300, and the adhesion of the interface is reduced. It is preferable to improve the properties. As a more specific oxide layer or nitride layer, a silicon or metal oxide layer or nitride layer is preferably used.

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4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、401は本発明の電極構造体を使用した負極、402はイオン伝導体、403は正極、404は負極端子、405は正極端子、406は電槽(ハウジング)である。   FIG. 4 is a diagram showing a basic configuration of such a lithium secondary battery of the present invention. In FIG. 4, reference numeral 401 denotes a negative electrode using the electrode structure of the present invention, 402 denotes an ion conductor, and 403 denotes a positive electrode. , 404 is a negative terminal, 405 is a positive terminal, and 406 is a battery case (housing).

ここで、上記二次電池は、イオン伝導体402を負極401と正極403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401,403と各電極端子404,405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 402 is stacked between the negative electrode 401 and the positive electrode 403 to form an electrode group, and in a dry air or dry inert gas atmosphere where the dew point is sufficiently controlled, After inserting the electrode group into the battery case, the electrodes 401 and 403 are connected to the electrode terminals 404 and 405, and the battery case is sealed.

なお、イオン伝導体402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401と正極403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401,403と各電極端子404,405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 obtained by holding an electrolytic solution in a microporous plastic film as the ion conductor 402 is used, a microporous plastic film is sandwiched between the negative electrode 401 and the positive electrode 403 as a separator for preventing short circuit. After forming the electrode group, it is inserted into a battery case, the electrodes 401 and 403 are connected to the electrode terminals 404 and 405, 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403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 403 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 formed 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(複合)酸化物、リチウム−遷移金属(複合)硫化物、リチウム−遷移金属(複合)窒化物、リチウム−遷移金属(複合)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。上記正極材料のリチウム−遷移金属(複合)酸化物,リチウム−遷移金属(複合)硫化物,リチウム−遷移金属(複合)窒化物,リチウム−遷移金属(複合)リン酸化物、特にリチウム−遷移金属(複合)酸化物には、リチウムLi1.0に対して、0.001〜0.01のイットリウムY元素、もしくはYとジルコニウムZrの元素を含有させることによって、結晶粒子をより細かくし、より多くのLiの放出・挿入を繰り返し安定的に行なうことを可能にすることができる。   The positive electrode material which is a lithium ion source and a host material used in the lithium secondary battery of the present invention includes lithium-transition metal (composite) oxide, lithium-transition metal (composite) sulfide, and lithium-transition metal (composite). Nitride and lithium-transition metal (composite) phosphor oxide 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. Lithium-transition metal (composite) oxide, lithium-transition metal (composite) sulfide, lithium-transition metal (composite) nitride, lithium-transition metal (composite) phosphate, particularly lithium-transition metal The (composite) oxide contains 0.001-0.01 element of yttrium Y or element of Y and zirconium Zr with respect to lithium Li1.0 to make crystal grains finer and more. Can be repeatedly and stably performed.

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302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 electrode structure 302 of the present invention can be similarly used.

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402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402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 402 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 gel made of 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 402 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(BF ,PF ,AsF ,ClO ,CFSO ,BPh (Ph:フェニル基))らからなるLiBF,LiPF,LiAsF,LiClO,LiCFSO,LiBPh,LiSbF,LiCSO,Li(CFSON,Li(CFSOC等の塩、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) ) Comprising LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiBPh 4 , LiSbF 6 , LiC 4 F 9 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 2) ) 3 C and the like, and their mixed salts. 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。上記電解質の溶媒としては、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジエチルカーボネートを組み合わせたものがより高い充電電圧にも分解反応が起きにくく、より好ましい。   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. As a solvent for the electrolyte, a combination of ethylene carbonate, γ-butyrolactone, and diethyl carbonate is more preferable because a decomposition reaction hardly occurs even at a higher charging voltage.

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401と正極403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402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 402 which forms a separator that plays a role in preventing a short circuit between the negative electrode 401 and the positive electrode 403 in the secondary battery sometimes has 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402(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 402 (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5、図6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5は単層式扁平形(コイン形)電池の断面図であり、図6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4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. 5 is a cross-sectional view of a single-layer flat (coin-shaped) battery, and FIG. 6 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. 4 and includes a negative electrode, a positive electrode, an ion conductor, a battery housing, and an output terminal.

図5、図6において、501と603は負極、503と606は正極、504と608は負極端子としての負極キャップまたは負極缶、505と609は正極端子としての正極缶または正極キャップ、502と607はイオン伝導体、506と610はガスケット、601は負極集電体、604は正極集電体、611は絶縁板、612は負極リード、613は正極リード、614は安全弁である。   5 and 6, 501 and 603 are negative electrodes, 503 and 606 are positive electrodes, 504 and 608 are negative electrode caps or negative cans as negative electrode terminals, 505 and 609 are positive electrode cans or positive electrode caps as positive electrode terminals, 502 and 607 Is an ion conductor, 506 and 610 are gaskets, 601 is a negative electrode current collector, 604 is a positive electrode current collector, 611 is an insulating plate, 612 is a negative electrode lead, 612 is a positive electrode lead, and 614 is a safety valve.

ここで、図5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503と負極材料層を備えた負極501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502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505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504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506が配置されている。   Here, in the flat type (coin type) secondary battery shown in FIG. 5, a positive electrode 503 including a positive electrode material layer and a negative electrode 501 including a negative electrode material layer are formed, for example, by an ion formed by a separator holding at least an electrolytic solution. The laminate is stacked via a conductor 502. The laminate is accommodated in a positive electrode can 505 as a positive electrode terminal from the positive electrode side, and the negative electrode side is covered with a negative electrode cap 504 as a negative electrode terminal. Then, a gasket 506 is arranged in another portion inside the positive electrode can.

また図6に示すスパイラル式円筒型の二次電池では、正極集電体604上に形成された正極(材料)層605を有する正極606と、負極集電体601上に形成された負極(材料)層602を有した負極603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607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. 6, a positive electrode 606 having a positive electrode (material) layer 605 formed on a positive electrode current collector 604 and a negative electrode (material) formed on a negative electrode current collector 601 are formed. A) A negative electrode 603 having a layer 602 faces, for example, via an ionic conductor 607 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608内に収容されている。また、当該負極缶608の開口部側には正極端子としての正極キャップ609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610が配置されている。円筒状構造の電極の積層体は絶縁板611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 608 serving as a negative electrode terminal. In addition, a positive electrode cap 609 as a positive electrode terminal is provided on the opening side of the negative electrode can 608, and a gasket 610 is disposed in another portion inside the negative electrode can. The stacked body of the electrodes having the cylindrical structure is separated from the positive electrode cap side via the insulating plate 611.

正極606については正極リード613を介して正極キャップ609に接続されている。また負極603については負極リード612を介して負極缶608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614が設けられている。前述したように負極601の活物質層、負極603の活物質層602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 606 is connected to a positive electrode cap 609 via a positive electrode lead 613. The negative electrode 603 is connected to the negative electrode can 608 via the negative electrode lead 612. A safety valve 614 for adjusting the internal pressure inside the battery is provided on the positive electrode cap side. As described above, the layer made of the above-described negative electrode material fine powder of the present invention is used for the active material layer of the negative electrode 601 and the active material layer 602 of the negative electrode 603.

次に、図5、図6に示した電池の組み立て方法の一例を説明する。
(1)負極501,603と、成形した正極503,606の間に、セパレータとしてのイオン伝導体502,607を挟んで、正極缶505または負極缶608に組み込む。
(2)電解液を注入した後、負極キャップ504または正極キャップ609とガスケット506,610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. 5 and 6 will be described.
(1) The ion conductors 502 and 607 as separators are interposed between the negative electrodes 501 and 603 and the molded positive electrodes 503 and 606, and are incorporated in the positive electrode can 505 or the negative electrode can 608.
(2) After injecting the electrolytic solution, the negative electrode cap 504 or the positive electrode cap 609 and the gaskets 506 and 610 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506,610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5及び図6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6の絶縁板611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 506 and 610, for example, a fluorine resin, a polyolefin resin, a polyamide resin, a polysulfone resin, and various rubbers can be used. 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 plate 611 in FIG. 6, various organic resin materials and ceramics are used.

電池の外缶として、電池の正極缶または負極缶505,608、及び負極キャップまたは正極キャップ504,609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 505, 608 and a negative or positive electrode cap 504, 609. 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5の正極缶505及び図6の負極缶608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505または負極缶608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 505 in FIG. 5 and the negative electrode can 608 in FIG. 6 also serve as a battery housing (case) and terminals, the above stainless steel is preferable. However, when the positive electrode can 505 or the negative electrode can 608 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614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 614 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 rupture 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)
粒状シリコン(純度99.6%)、塊状チタンを原子比85:15(重量比76.8:23.2)で混合し、真空下、アーク溶解装置でSi−Ti合金を調製した。次に、先にアーク溶解で得られたSi−Ti合金を単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Ti合金を作製した。次いで、Si−Ti合金を遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Example 1)
Granular silicon (purity: 99.6%) and bulk titanium were mixed at an atomic ratio of 85:15 (weight ratio: 76.8: 23.2), and a Si—Ti alloy was prepared under vacuum with an arc melting apparatus. Next, the Si-Ti alloy previously obtained by arc melting was melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal was sprayed with an argon gas onto a rotating copper roll and rapidly cooled to produce a Si-Ti alloy. Next, the Si—Ti alloy was ground with a planetary ball mill using silicon nitride balls in an argon gas atmosphere for 2 hours to obtain a fine powder electrode material.

(実施例2)
粒状シリコン(純度99.6%)、塊状チタン、塊状ホウ素を原子比85:15:0.85(重量比76.8:23.2:0.3)で混合し、真空下、アーク溶解装置でホウ素ドープSi−Ti合金を調製した。次に、先にアーク溶解で得られたホウ素ドープSi−Ti合金を単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、ホウ素ドープSi−Ti合金を作製した。次いで、ホウ素ドープSi−Ti合金を遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Example 2)
Granular silicon (purity 99.6%), bulk titanium, and bulk boron are mixed at an atomic ratio of 85: 15: 0.85 (weight ratio: 76.8: 23.2: 0.3), and an arc melting apparatus is applied under vacuum. Was used to prepare a boron-doped Si-Ti alloy. Next, the boron-doped Si-Ti alloy previously obtained by arc melting is melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal is sprayed with an argon gas on a rotating copper roll to quench the boron-doped Si-Ti alloy. Produced. Next, the boron-doped Si-Ti alloy was pulverized for 2 hours in a planetary ball mill using silicon nitride balls in an argon gas atmosphere to obtain a fine powder electrode material.

(実施例3)
粒状シリコン(純度99.6%)、塊状チタンを原子比85:15(重量比76.8:23.2)で混合し、真空下、アーク溶解装置でSi−Ti合金を調製した。次に、先にアーク溶解で得られたSi−Ti合金に粒状スズを原子比でSi:Sn:Ti=76.2:10.3:13.5(重量比53.3:30.5:16.05)となるように加えたものを単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Sn−Ti合金を作製した。次いで、Si−Sn−Ti合金を遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Example 3)
Granular silicon (purity: 99.6%) and bulk titanium were mixed at an atomic ratio of 85:15 (weight ratio: 76.8: 23.2), and a Si—Ti alloy was prepared under vacuum with an arc melting apparatus. Next, granular tin was added to the Si-Ti alloy obtained by the arc melting at an atomic ratio of Si: Sn: Ti = 76.2: 10.3: 13.5 (weight ratio 53.3: 30.5: 16.05) was melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal was sprayed with an argon gas onto a rotating copper roll to be rapidly cooled to produce a Si-Sn-Ti alloy. Next, the Si-Sn-Ti alloy was ground using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere with a planetary ball mill for 2 hours to obtain a fine powder electrode material.

(実施例4)
前記実施例3において、アーク溶解で得られたSi−Ti合金に粒状スズを原子比でSi:Sn:Ti=76.4:20.0:3.6(重量比60:35:5)となるように加えたものを単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Sn−Ti合金を作製した。それ以外は実施例3と同様にして、Si−Sn−Ti合金の微粉末の電極材料を得た。
(Example 4)
In the above-mentioned Example 3, granular tin was added to the Si—Ti alloy obtained by arc melting in an atomic ratio of Si: Sn: Ti = 76.4: 20.0: 3.6 (weight ratio: 60: 35: 5). The resulting mixture was melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal was sprayed with an argon gas onto a rotating copper roll to be quenched to produce a Si-Sn-Ti alloy. Otherwise, in the same manner as in Example 3, an electrode material of a Si-Sn-Ti alloy fine powder was obtained.

(実施例5)
シリコン、スズ、アルミニウムを原子比で74.0:19.4:6.6(重量比で60:35:5)を混合し、単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Sn−Al合金粉末を得た。次いで、得られたSi−Sn−Al合金粉末をさらに遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Example 5)
Silicon, tin, and aluminum are mixed at an atomic ratio of 74.0: 19.4: 6.6 (weight ratio: 60: 35: 5), melted by a single roll method apparatus, and the molten metal is rotated with argon gas. This was sprayed onto a copper roll and quenched to obtain a Si-Sn-Al alloy powder. Next, the obtained Si-Sn-Al alloy powder was further pulverized for 2 hours by using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere with a planetary ball mill to obtain a fine powder electrode material.

(実施例6)
シリコン、亜鉛、アルミニウムが原子比で69.0:27.6:0.4(重量比で50.5:47.1:2.4)を混合し、アルゴンガス雰囲気下で溶融し溶湯をアルゴンガスで噴射するガスアトマイゼーション法で、Si−Zn−Al合金粉末を得た。次に、得られたSi−Zn−Al合金粉末を、ジルコニアビーズを用いたメディアミル装置にて、イソプロピルアルコール中で粉砕し、平均粒径0.3μmのSi−Zn−Al合金微粉末の電極材料を得た。さらに、得られたSi−Zn−Al合金微粉末を遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Example 6)
Silicon, zinc, and aluminum were mixed in an atomic ratio of 69.0: 27.6: 0.4 (weight ratio: 50.5: 47.1: 2.4), melted in an argon gas atmosphere, and the molten metal was mixed with argon. Si-Zn-Al alloy powder was obtained by a gas atomization method in which a gas was injected. Next, the obtained Si-Zn-Al alloy powder was pulverized in isopropyl alcohol with a media mill using zirconia beads, and an electrode of Si-Zn-Al alloy fine powder having an average particle diameter of 0.3 µm was obtained. The material was obtained. Further, the obtained fine powder of Si—Zn—Al alloy was pulverized for 2 hours using silicon nitride balls in an argon gas atmosphere by a planetary ball mill to obtain a fine powder electrode material.

(実施例7)
シリコン、アルミニウム、銅が原子比で73.5:21.9:4.6(重量比で70:20:10)を混合し、単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Al−Cu合金粉末を得た。次いで、得られたSi−Al−Cu合金粉末をさらに遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕してSi−Al−Cu合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 7)
Silicon, aluminum, and copper are mixed in an atomic ratio of 73.5: 21.9: 4.6 (weight ratio: 70:20:10), melted by a single roll method device, and the molten metal is rotated with argon gas. The mixture was sprayed onto a copper roll and quenched to obtain a Si-Al-Cu alloy powder. Next, the obtained Si-Al-Cu alloy powder was further pulverized for 2 hours using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere with a planetary ball mill to obtain an electrode material of Si-Al-Cu alloy fine powder. Was.

(実施例8)
前記実施例6のガスアトマイゼーション法にて、シリコン、スズ、アルミニウム、チタンが原子比で84.1:11.5:0.4:4.0(重量比で59.8:35.0:0.2:5.0)のSi−Sn−Al−Ti合金粉末を得る以外は、実施例6と同様の操作にて、Si−Sn−Al−Ti合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 8)
According to the gas atomization method of Example 6, silicon, tin, aluminum, and titanium were 84.1: 11.5: 0.4: 4.0 in atomic ratio (59.8: 35.0 in weight ratio). 0.2: 5.0) An electrode material of Si-Sn-Al-Ti alloy fine powder was obtained by the same operation as in Example 6, except that a Si-Sn-Al-Ti alloy powder of (0.2: 5.0) was obtained.

(実施例9)
シリコン、スズ、亜鉛を原子比で81.0:16.2:2.8(重量比で51.9:43.9:4.2)を混合し、アルゴンガス雰囲気下で溶融し溶湯を形成した後、溶湯を高圧水で噴射する水アトマイゼーション法で、Si−Sn−Zn合金粉末を得た。次に、ジルコニアボールを用いたメディアミル装置で、得られたSi−Sn−Zn合金粉末をイソプロピルアルコール中で粉砕し、平均粒径0.3μmのSi−Sn−Zn合金微粉末を得た。次いで、得られたSi−Sn−Zn合金微粉末をさらに遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し2時間粉砕して、微粉末の電極材料を得た。
(Example 9)
Silicon, tin, and zinc are mixed in an atomic ratio of 81.0: 16.2: 2.8 (weight ratio: 51.9: 43.9: 4.2) and melted in an argon gas atmosphere to form a molten metal. After that, a Si—Sn—Zn alloy powder was obtained by a water atomization method in which the molten metal was injected with high-pressure water. Next, the obtained Si—Sn—Zn alloy powder was pulverized in isopropyl alcohol with a media mill using zirconia balls to obtain a fine Si—Sn—Zn alloy powder having an average particle diameter of 0.3 μm. Next, the obtained Si-Sn-Zn alloy fine powder was further pulverized for 2 hours using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere using a planetary ball mill to obtain a fine powder electrode material.

(実施例10)
前記実施例5の単ロール法装置にて、シリコン、スズ、銀が原子比で81.8:17.1:1.1(重量比で63:35:2)のSi−Sn−Ag合金粉末を得る以外は、実施例5と同様の操作にて、Si−Sn−Ag合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 10)
In the single-roll method apparatus of Example 5, silicon, tin, and silver are 81.8: 17.1: 1.1 atomic ratio (63: 35: 2 by weight ratio) Si—Sn—Ag alloy powder. Was obtained in the same manner as in Example 5 except that the electrode material of Example 5 was obtained.

(実施例11)
前記実施例9の水アトマイゼーション法にて、シリコン、スズ、亜鉛、チタンが原子比で82.7:11.3:2.0:4.0(重量比で58.0:33.9:3.3:4.8)のSi−Sn−Zn−Ti合金粉末を得る以外は、実施例5と同様の操作にて、Si−Sn−Zn−Ti合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 11)
According to the water atomization method of Example 9, silicon, tin, zinc, and titanium were 82.7: 11.3: 2.0: 4.0 in atomic ratio (58.0: 33.9 in weight ratio: An electrode material of Si-Sn-Zn-Ti alloy fine powder was obtained by the same operation as in Example 5, except that 3.3: 4.8) Si-Sn-Zn-Ti alloy powder was obtained.

(実施例12)
前記実施例5と同様にして、シリコン、スズ、ホウ素を重量比で62:36:2に混合し、単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Sn−B合金粉末を得た。次いで、得られたSi−Sn−B合金粉末をさらに遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Example 12)
In the same manner as in Example 5, silicon, tin, and boron were mixed at a weight ratio of 62: 36: 2, melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal was sprayed with argon gas onto a rotating copper roll to rapidly cool the same. Thus, a Si-Sn-B alloy powder was obtained. Next, the obtained Si-Sn-B alloy powder was further pulverized for 2 hours using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere by a planetary ball mill to obtain a fine powder electrode material.

(実施例13)
前記実施例12と同様にして、シリコン、スズ、アンチモンを重量比で58:34:8に混合し、単ロール法装置でSi−Sn−Sb合金粉末を得る以外は、実施例12と同様の操作で、Si−Sn−Sb合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 13)
Same as Example 12, except that silicon, tin, and antimony were mixed at a weight ratio of 58: 34: 8 in the same manner as in Example 12, and a Si-Sn-Sb alloy powder was obtained using a single-roll method apparatus. By operation, the electrode material of the Si-Sn-Sb alloy fine powder was obtained.

(実施例14)
前記実施例12と同様にして、シリコン、スズ、アンチモン、ホウ素を重量比で60:35:4:1に混合し、単ロール法装置でSi−Sn−Sb−B合金粉末を得る以外は、実施例12と同様の操作で、Si−Sn−Sb−B合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 14)
Except that silicon, tin, antimony, and boron were mixed at a weight ratio of 60: 35: 4: 1 in the same manner as in Example 12, and a Si-Sn-Sb-B alloy powder was obtained using a single-roll method apparatus. By the same operation as in Example 12, an electrode material of Si-Sn-Sb-B alloy fine powder was obtained.

(実施例15)
前記実施例12と同様にして、シリコン、スズ、銅、ホウ素を重量比で59:34:5:2に混合し、単ロール法装置でSi−Sn−Cu−B合金粉末を得る以外は、実施例12と同様の操作で、Si−Sn−Cu−B合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 15)
In the same manner as in Example 12, except that silicon, tin, copper, and boron were mixed at a weight ratio of 59: 34: 5: 2, and a Si-Sn-Cu-B alloy powder was obtained using a single-roll method apparatus. By the same operation as in Example 12, an electrode material of a Si-Sn-Cu-B alloy fine powder was obtained.

(実施例16)
前記実施例12と同様にして、シリコン、スズ、アルミニウム、ホウ素を重量比で59:34:5:2に混合し、単ロール法装置でSi−Sn−Al−B合金粉末を得る以外は、実施例12と同様の操作で、Si−Sn−Al−B合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 16)
In the same manner as in Example 12, except that silicon, tin, aluminum, and boron were mixed at a weight ratio of 59: 34: 5: 2, and a Si-Sn-Al-B alloy powder was obtained using a single-roll method apparatus. By the same operation as in Example 12, an electrode material of a Si-Sn-Al-B alloy fine powder was obtained.

(実施例17)
前記実施例12と同様にして、シリコン、スズ、アルミニウム、アンチモンを重量比で56:33:4:7に混合し、単ロール法装置でSi−Sn−Al−Sb合金粉末を得る以外は、実施例12と同様の操作で、Si−Sn−Al−Sb合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 17)
In the same manner as in Example 12, except that silicon, tin, aluminum, and antimony were mixed at a weight ratio of 56: 33: 4: 7, and a Si-Sn-Al-Sb alloy powder was obtained using a single roll method apparatus. By the same operation as in Example 12, an electrode material of Si-Sn-Al-Sb alloy fine powder was obtained.

(実施例18)
前記実施例12と同様にして、シリコン、スズ、アルミニウム、アンチモン、ホウ素を重量比で58:34:5:2:1に混合し、単ロール法装置でSi−Sn−Al−Sb−B合金粉末を得る以外は、実施例12と同様の操作で、Si−Sn−Al−Sb−B合金微粉末の電極材料を得た。
(Example 18)
In the same manner as in Example 12, silicon, tin, aluminum, antimony, and boron were mixed at a weight ratio of 58: 34: 5: 2: 1, and a Si-Sn-Al-Sb-B alloy was formed using a single-roll method apparatus. An electrode material of Si-Sn-Al-Sb-B alloy fine powder was obtained in the same manner as in Example 12, except that powder was obtained.

(参考例1)
平均粒径10μの純度99.6重量%のシリコン粉末を、ジルコニアボールを用いたメディアミル装置で、イソプロピルアルコール中で粉砕し、平均粒径0.3μmのシリコン微粉末を得た。次いで、遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中で窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕してシリコン微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 1)
Silicon powder having an average particle diameter of 10 μm and a purity of 99.6% by weight was pulverized in isopropyl alcohol by a media mill using zirconia balls to obtain silicon fine powder having an average particle diameter of 0.3 μm. Then, using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere using a planetary ball mill, the ball was pulverized for 2 hours to obtain an electrode material of silicon fine powder.

(参考例2)
粒状シリコン(純度99.6重量%)、塊状チタンを原子比65:35(重量比52:48)で混合し、先ず、真空下、アーク溶解装置でSi−Ti合金を調製した。次に、先にアーク溶解で得られたSi−Ti合金を単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Ti合金を作製した。次いで、得られたSi−Ti合金を遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中窒化シリコン製ボールを使用し、2時間粉砕して微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 2)
Granular silicon (purity: 99.6% by weight) and bulk titanium were mixed at an atomic ratio of 65:35 (weight ratio: 52:48), and a Si—Ti alloy was first prepared under vacuum with an arc melting apparatus. Next, the Si-Ti alloy previously obtained by arc melting was melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal was sprayed with an argon gas onto a rotating copper roll and rapidly cooled to produce a Si-Ti alloy. Next, the obtained Si—Ti alloy was ground with a planetary ball mill using silicon nitride balls in an argon gas atmosphere for 2 hours to obtain a fine powder electrode material.

なお、上記シリコンとチタンの組成では溶融した液体状態で一部分溶け合う、すなわち濃度の異なる液体が存在する組成で、固体状態でTiSiが晶出しやすい組成である。 Note that the above composition of silicon and titanium partially melts in a molten liquid state, that is, a composition in which liquids having different concentrations exist, and is a composition in which TiSi 2 is easily crystallized in a solid state.

(参考例3)
粒状シリコン(純度99.6重量%)、粒状ニッケルを原子比Si:Ni=65.9:34.1(重量比48:52)で混合し、真空下、アーク溶解装置でSi−Ni合金を調製した。次に、先にアーク溶解で得られたSi−Ni合金を単ロール法装置で溶解し、溶湯をアルゴンガスで、回転する銅製のロールに吹き付けて急冷し、Si−Ni合金を作製した。次いで、得られたSi−Ni合金を遊星ボールミル装置にてアルゴンガス雰囲気中窒化シリコン製ボールを使用し2時間粉砕して、微粉末の電極材料を得た。
(Reference Example 3)
Granular silicon (purity: 99.6% by weight) and granular nickel were mixed at an atomic ratio of Si: Ni = 65.9: 34.1 (weight ratio: 48:52), and the Si-Ni alloy was vacuum-arc-melted using an arc melting apparatus. Prepared. Next, the Si-Ni alloy previously obtained by arc melting was melted by a single-roll method apparatus, and the molten metal was sprayed with an argon gas onto a rotating copper roll to be rapidly cooled to produce a Si-Ni alloy. Next, the obtained Si—Ni alloy was pulverized for 2 hours using a silicon nitride ball in an argon gas atmosphere with a planetary ball mill, to obtain a fine powder electrode material.

なお、シリコンとニッケルは各種金属間化合物(NiSi,NiSi,NiSi,NiSiなど)を形成することが知られており、上記シリコンとニッケルの組成では、SiNiが形成されやすい組成である。 It is known that silicon and nickel form various intermetallic compounds (NiSi 2 , NiSi, Ni 2 Si 3 , Ni 2 Si, etc.), and in the above composition of silicon and nickel, Si 2 Ni is formed. Easy composition.

次に、実施例1〜実施例18及び参考例1〜参考例3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 18 and Reference Examples 1 to 3 will be described.

上記シリコン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シリコン結晶の微結晶あるいは非晶質化、合金を形成する他元素の結晶の微結晶あるいは非晶質化、合金内の元素分布の観点から、分析した。   The analysis of the electrode material of the above silicon alloy is based on the microcrystal or amorphization of the silicon crystal, which is considered to affect the performance of the negative electrode of the lithium secondary battery, and the crystal of the other element forming the alloy. The analysis was performed from the viewpoint of element distribution in the alloy.

リチウム二次電池の負極材料に適する本発明のシリコン合金の結晶構造は、リチウムを蓄える性能が低いと思われるシリコンの金属間化合物が少ないこと、合金を形成する各元素の結晶が微結晶、もしくは非晶質化が進んだ結晶構造であること、合金内の元素の分布が偏在することが少なくより均一に分布していること、が挙げられる。   The crystal structure of the silicon alloy of the present invention suitable for a negative electrode material of a lithium secondary battery has a low intermetallic compound of silicon, which is considered to have a low ability to store lithium, and the crystals of each element forming the alloy are microcrystals, or The crystal structure has advanced amorphization, and the distribution of elements in the alloy is less unevenly distributed and more uniformly distributed.

分析手法は、X線回折分析、透過電子顕微鏡による観察、エネルギー分散型X線分光(energy dispersive X−rayspectroscopy通称EDXS)分析、電子線回折分析等を用いた。   As an analysis method, X-ray diffraction analysis, observation by a transmission electron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy (energy dispersive X-ray spectroscopy aka EDXS) analysis, electron beam diffraction analysis, and the like were used.

ここで、金属間化合物の形成は、X線回折あるいは電子線回折のパターンから確認することができる。また、結晶が微結晶あるいは非晶質化が進行した場合には、X線回折ピークの半価幅がブロードになり前記Scherrerの式から算出される結晶子サイズが小さくなる、また、電子線回折パターンがリングパターンからハローパターンになる、透過電子顕微鏡による高分解能観察からは結晶格子の微細な縞模様あるいは迷路状の模様が観察される。   Here, the formation of the intermetallic compound can be confirmed from the pattern of X-ray diffraction or electron beam diffraction. Further, when the crystal becomes microcrystals or becomes amorphous, the half-width of the X-ray diffraction peak becomes broad, and the crystallite size calculated from the Scherrer's formula becomes small. The pattern changes from a ring pattern to a halo pattern. From a high-resolution observation with a transmission electron microscope, a fine stripe pattern or a maze pattern of a crystal lattice is observed.

さらに、合金内の元素の分布が偏在することが少なくより均一に分布している場合には、透過電子顕微鏡観察(特に暗視野像)で合金粒子内の濃淡の偏在が少ない像として観察され、透過電子顕微鏡と組み合わせた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。   Further, when the distribution of elements in the alloy is less unevenly distributed and more uniformly distributed, it is observed as an image with less uneven distribution of density in the alloy particles by transmission electron microscope observation (particularly dark field image), In the element mapping by EDXS analysis combined with the transmission electron microscope, a small deviation of the element distribution in the particles is observed.

先ず、実施例1〜実施例18で得られた電極材料の結晶構造の分析評価では、X線回折ピークの半価幅がブロードで、透過電子顕微鏡観察で微細な縞模様あるいは迷路状の模様が観察された。このことから、いずれの実施例も微結晶あるいは非晶質化が進んだ構造の材料であることがわかった。なお、X線回折の測定結果からScherrer結晶子サイズを求めたところ、いずれも7〜40nmの範囲であった。   First, in the analysis and evaluation of the crystal structures of the electrode materials obtained in Examples 1 to 18, the half width of the X-ray diffraction peak was broad, and fine stripes or labyrinths were observed by transmission electron microscope observation. Was observed. From this, it was found that each of the examples was a material having a structure in which microcrystals or amorphization were advanced. In addition, when the Scherrer crystallite size was determined from the measurement results of X-ray diffraction, all were in the range of 7 to 40 nm.

実施例1〜実施例18で得られた電極材料の元素分布に関するEDXS分析では、合金粒子内での元素の偏りは少なく、図1の(a)あるいは(b)の模式図のように、ほぼ均一に分布していることがわかった。実施例1〜18でのシリコンの金属間化合物の検出は、X線回折と透過電子顕微鏡での制限視野電子線回折によって、実施例の1〜4、7、8、11,15のチタンあるいは銅を含む合金に、ごく少量であるが観察された。   In the EDXS analysis on the element distribution of the electrode materials obtained in Examples 1 to 18, the deviation of the elements in the alloy particles was small, and as shown in the schematic diagram of FIG. It turned out that it is uniformly distributed. The detection of the intermetallic compound of silicon in Examples 1 to 18 was carried out by X-ray diffraction and selected area electron diffraction with a transmission electron microscope, using titanium or copper of Examples 1 to 4, 7, 8, 11, and 15 in Examples. Only a small amount was observed in alloys containing

一方、参考例2及び3で得られた電極材料の結晶構造の分析評価では、X線回折ピークの半価幅が先の実施例1〜18の場合に比べて狭く、透過電子顕微鏡観察で規則的領域の大きい縞模様が観察された。X線回折のピークパターン及び制限視野電子線回折パターンから、参考例2では、TiSiの金属間化合物が、参考例3ではNiSiの金属間化合物が確認された。 On the other hand, in the analysis and evaluation of the crystal structure of the electrode material obtained in Reference Examples 2 and 3, the half-width of the X-ray diffraction peak was narrower than that in Examples 1 to 18 and the X-ray diffraction peak was smaller than that in Examples 1 to 18 by the transmission electron microscope. A large stripe pattern in the target area was observed. From the X-ray diffraction peak pattern and the selected area electron beam diffraction pattern, in Reference Example 2, an intermetallic compound of TiSi 2 was confirmed, and in Reference Example 3, an intermetallic compound of NiSi 2 was confirmed.

また、参考例2及び3の透過電子顕微鏡観察(特に暗視野像)ではいずれも合金粒子内で濃淡の偏在の大きい像が観察され、透過電子顕微鏡と組み合わせたEDXS分析による元素マッピングからも、粒子内には、上記チタンあるいはニッケルの元素の偏在が確認された。   In addition, in the transmission electron microscope observations (especially dark-field images) of Reference Examples 2 and 3, an image with large uneven distribution of density was observed in the alloy particles, and the particle mapping was confirmed from the element mapping by EDXS analysis combined with the transmission electron microscope. It was confirmed that the above titanium or nickel element was unevenly distributed.

次に、以下のように前述の手順で得られた各種シリコンまたは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 prepared using various silicon or silicon alloy fine powders 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または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1μm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w%とを混合し、水を添加して混練し、スラリーを調製した。 First, 66.5% by weight of various silicon or silicon alloy fine powders obtained by the above-mentioned procedure and flat graphite powder (specifically, approximately 5 μm in diameter and approximately 1 μm in thickness) were used as conductive auxiliary materials. 10.0% by weight of disc-shaped 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 carboxymethyl cellulose sodium were mixed, Water was added and kneaded to prepare a slurry.

次に、そのように調製したスラリーを、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製し、厚み25μmの活物質層の電極構造体を作製した。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。   Next, the slurry thus prepared was applied on a 15 μm-thick electric field copper foil (electrochemically produced copper foil) with a coater, dried, and the thickness was adjusted by a roll press to obtain a thickness of 25 μm. The electrode structure of the active material layer was manufactured. 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.

〔リチウム吸蔵放出量の評価手順〕
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LiPF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 storage / release 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/cm(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た。次いで、電流密度0.32mA/cm(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 using the lithium electrode as the anode and the silicon electrode 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, 70 mA). / Electrode layer weight g) to discharge the evaluation cell to insert lithium into the silicon electrode layer. Next, the cell for evaluation was charged at a current density of 0.32 mA / cm 2 (200 mA / g of electrode layer), and lithium was desorbed from the silicon layer to remove the weight of the silicon electrode layer or the lithium per silicon powder or silicon alloy powder. The amount of electricity involved in insertion and desorption was evaluated in the voltage range of 0 to 1.2V.

上記電極構造体のリチウム挿入脱離の性能評価結果は、次のとおりであった。   The performance evaluation results of lithium insertion and desorption of the above electrode structure were as follows.

先ず、第1回目と10回目のリチウムの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比(効率)を評価した結果、参考例2及び参考例3においては1回目の効率が85%程度で10回目の効率が98%以下であったのに対して、本発明の実施例1〜12の電極材料から作製した電極においては1回目の効率が約90%以上で10回目の効率が99.5%以上であった。   First, as a result of evaluating the ratio (efficiency) of the amount of electricity accompanying the release of lithium to the amount of electricity accompanying the insertion of lithium in the first and tenth times, the efficiency in the first example was about 85% in Reference Examples 2 and 3. The efficiency of the tenth time was 98% or less, whereas the efficiency of the first time was about 90% or more and the efficiency of the tenth time was 99% in the electrodes made from the electrode materials of Examples 1 to 12 of the present invention. 0.5% or more.

参考例2及び参考例3の電極材料にて作製した電極おけるリチウム放出電気量は、第10回目では第1回目の87%以下まで低下した。しかし、本実施例の電極材料にて作製した電極のリチウム放出電気量は、第10回でも第1回のほぼ100%を維持していた。   In the tenth test, the amount of lithium released from the electrodes manufactured using the electrode materials of Reference Examples 2 and 3 was reduced to 87% or less in the first test. However, the amount of lithium released from the electrode made of the electrode material of this example was maintained at almost 100% of that of the first time even in the tenth time.

参考例1のシリコン粉末を使用した電極では、第1回目と第10回目のリチウムの挿入脱離効率は、それぞれ、89%と98%であったが、リチウム放出電気量に関しては第10回目では第1回目の70%まで低下した。   In the electrode using the silicon powder of Reference Example 1, the insertion and desorption efficiencies of the first and tenth lithium insertions were 89% and 98%, respectively. It decreased to 70% of the first time.

なお、第1回目のリチウム放出に伴う電気量は、次の通りであった。実施例1〜18のシリコン合金微粉末の電極材料から作製した電極では、いずれも(集電体重量を除いた)電極層重量あたり1400〜1800mAh/gの電気量を示した。参考例1のシリコン微粉末から作製した電極では、電極層重量あたり2000mAh/gのリチウム放出電気量を示した。参考例2及び参考例3のシリコン合金微粉末から作製した電極では、400 mAh/g以下のリチウム放出電気量しか示さなかった。   The amount of electricity accompanying the first lithium release was as follows. The electrodes prepared from the electrode material of the silicon alloy fine powder of Examples 1 to 18 all showed an electric charge of 1400 to 1800 mAh / g per electrode layer weight (excluding the current collector weight). The electrode manufactured from the silicon fine powder of Reference Example 1 showed a lithium emission electricity amount of 2000 mAh / g per electrode layer weight. The electrodes made from the silicon alloy fine powders of Reference Examples 2 and 3 showed only a lithium discharge electric quantity of 400 mAh / g or less.

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り、黒鉛から作製される電極の約4〜6倍の電気量(電極層重量当たりの電気量)を蓄え、放出できることが分かった。   It was found that the silicon alloy electrode manufactured in this example has a long cycle life, and can store and discharge about 4 to 6 times the amount of electricity (the amount of electricity per electrode layer weight) of an electrode made of graphite. .

なお、実施例4,5,7,10,12〜18に関して、作製された合金粉末のボールミル処理前後のX線回折分析による回折角2Θ=28.4°付近のシリコンに関連するピークの半価幅と、ボールミル処理後の合金微粉末を用いて作製された電極の電気化学的Liの挿入脱離反応を行なった際の第1回目の挿入に対する脱離(放出)効率並びにLi放出に伴う電気量を表1にまとめた。   In addition, regarding Examples 4, 5, 7, 10, 12 to 18, the half value of the peak related to silicon near the diffraction angle 2Θ = 28.4 ° by X-ray diffraction analysis before and after the ball mill treatment of the produced alloy powder. The width, the desorption (release) efficiency for the first insertion, and the electricity associated with Li release when performing electrochemical Li insertion and desorption reactions on electrodes made using alloy fine powder after ball milling The amounts are summarized in Table 1.

Figure 2004311429
Figure 2004311429

上記表1の結果から第1回目のリチウムの挿入に対する脱離(放出)効率が極めて高いこと、電極層重量あたりのLi放出に伴う電気量も極めて高いことがわかった。また、ボールミル処理によって非晶質化を進めることができるが、ホウ素を高濃度で添加した合金は大方、ボールミル処理前でもX線回折チャートのシリコンにかかわるピークの半価幅が広く、非晶質化が促進しやすいことが確認された。なお、経験的データより、非晶質化が促進した負極材料を用いたリチウム二次電池は、充放電の繰り返し寿命が長いことがわかっている。   From the results in Table 1 above, it was found that the desorption (release) efficiency for the first lithium insertion was extremely high, and the amount of electricity associated with Li release per electrode layer weight was also extremely high. In addition, although amorphousization can be promoted by ball milling, alloys with a high concentration of boron generally have a large half-value width of the peak related to silicon in the X-ray diffraction chart even before the ball milling, and the amorphous state is high. It was confirmed that the conversion was easily promoted. From empirical data, it is known that a lithium secondary battery using a negative electrode material in which amorphization has been promoted has a long repeated charge / discharge life.

次に、電極層の抵抗を評価した。   Next, the resistance of the electrode layer was evaluated.

実施例1〜18までの電極材料をそれぞれ使用し、前記電極構造体の作製と同様な手順でスラリーを調製し、ポリエステルシート上にスラリーを塗布し乾燥後、ロールプレス機でプレスして電極層のサンプルを調製した。上記方法にて調製した電極層を四端針測定法にてシート抵抗を測定したところ、いずれの場合もホウ素をドーピングした電極材料から形成した電極層は、ホウ素をドーピングしていないものよりもシート抵抗値が低い結果となった。   Using each of the electrode materials of Examples 1 to 18, a slurry was prepared in the same procedure as in the preparation of the electrode structure, the slurry was applied to a polyester sheet, dried, and then pressed with a roll press to form an electrode layer. Were prepared. When the sheet resistance of the electrode layer prepared by the above method was measured by a four-point needle measurement method, in each case, the electrode layer formed from the boron-doped electrode material was more sheet than the non-boron-doped electrode material. The result was a low resistance value.

次に、本発明の実施例19として二次電池を作製した。   Next, a secondary battery was fabricated as Example 19 of the present invention.

(実施例19)
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6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 19)
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603の作製
実施例1〜18の電極材料としてのシリコン合金微粉末をそれぞれ用いて、シリコン合金の微粉末69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1μmの略円板状の黒鉛粉末)10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重量%と、結着剤(バインダー)としての固形分14%の濃度のポリアミック酸(ポリイミド前駆体)のN−メチル−2−ピロリドン溶液を固形分換算で11重量%を、混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して混練し、スラリーを調製した。次に、そのように調製したスラリーを、15μm厚の電界銅箔(電気化学的に製造された銅箔)の両面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製し、厚み25μmの活物質層の電極構造体を作製した。先の手順で得られ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603を得た。
(1) Production of Negative Electrode 603 Using silicon alloy fine powder as an electrode material in Examples 1 to 18, 69% by weight of silicon alloy fine powder and flat graphite powder as a conductive auxiliary material (specifically, 10% by weight of a substantially disc-shaped graphite powder having a diameter of about 5 μm and a thickness of about 1 μm), and 6% by weight of a graphite powder (substantially spherical and having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm); 4% by weight of acetylene black (having a substantially spherical shape and an average particle size of 4 × 10 −2 μm) and N of polyamic acid (polyimide precursor) having a solid content of 14% as a binder -Methyl-2-pyrrolidone solution was mixed with 11% by weight in terms of solid content, and N-methyl-2-pyrrolidone was added and kneaded to prepare a slurry. Next, the slurry thus prepared was applied to both sides of a 15 μm thick electric field copper foil (electrochemically produced copper foil) with a coater, dried, and the thickness was adjusted by a roll press to obtain a thickness of 25 μm. The electrode structure of the active material layer was manufactured. The electrode structure obtained in the above procedure was cut into a predetermined size, and a lead of a nickel ribbon was connected to the electrode by spot welding to obtain a negative electrode 603.

(2)正極606の作製
(a) 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。
(b) 上記(a)で得られたリチウム−コバルト酸化物の前駆体を、更に、酸素気流中で、850℃で熱処理した。
(c) 上記(b)において調製したリチウム−コバルト酸化物92重量%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スラリーを作製した。
(d) 上記(c)で得られたスラリーを、厚み20ミクロンのアルミニウム箔の集電体604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606を作製した。
(2) Production of positive electrode 606
(a) Lithium citrate and cobalt nitrate are mixed at a molar ratio of 1: 3, and an aqueous solution in which citric acid is added and dissolved in ion-exchanged water is sprayed into an air stream at 200 ° C. A cobalt oxide precursor was prepared.
(b) The lithium-cobalt oxide precursor obtained in (a) above was further heat-treated at 850 ° C. in an oxygen stream.
(c) 3% by weight of graphite powder and 5% by weight of polyvinylidene fluoride powder were mixed with 92% by weight of the lithium-cobalt oxide prepared in (b) above, and N-methyl-2-pyrrolidone was added thereto to form a slurry. Was prepared.
(d) After applying and drying the slurry obtained in (c) on both surfaces of the current collector 604 of a 20-μm-thick aluminum foil, the thickness of the positive electrode active material layer on one side is adjusted to 90 μm by a roll press. did. Further, an aluminum lead was connected by an ultrasonic welding machine, and dried under reduced pressure at 150 ° C. to produce a positive electrode 606.

(3)電解液の作製手順
(a) 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。
(b) 上記(a)で得られた溶媒に、六フッ化リン酸リチウム塩(LiPF)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
(a) A solvent was prepared by mixing ethylene carbonate and diethyl carbonate from which water had been sufficiently removed at a volume ratio of 3: 7.
(b) A solution obtained by dissolving 1 M (mol / L) of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in the solvent obtained in (a) above was used as an electrolytic solution.

(4)セパレータ607
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 607
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。
(a) 負極603と正極606の間にセパレータ607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608に挿入した。
(b) 次いで、負極リード612を負極缶608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610付の正極キャップ609に正極リード613をスポット溶接機で溶接した。
(c) 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。
(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.
(a) A separator 607 was sandwiched between the negative electrode 603 and the positive electrode 606, wound in a spiral shape so as to have a configuration of separator / positive electrode / separator / negative electrode / separator, and inserted into a stainless steel negative electrode can 608.
(b) Next, the negative electrode lead 612 was connected to the bottom of the negative electrode can 608 by spot welding. A neck was formed on the upper part of the negative electrode can by a necking device, and a positive electrode lead 613 was welded to a positive electrode cap 609 having a gasket 610 made of polypropylene by a spot welding machine.
(c) 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 to form 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18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を越えるもので平均作動電圧は3.3Vであった。   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 18 as the negative electrode exceeded 2800 mAh, and the average operating voltage was 3.3 V. .

(実施例20)
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6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 20)
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603の作製
シリコン、スズ、ホウ素を重量比で74.5:25.0:0.5を混合し、アルゴンガス雰囲気下で溶融し溶湯を形成した後、溶湯を高速回転した水流にアルゴンガスで噴霧化した金属を流し込む方法で、Si−Sn−B合金粉末を得た。次に、ジルコニアボールを用いたメディアミル装置で、得られたSi−Sn−B合金粉末をイソプロピルアルコール中で粉砕し、平均粒径0.3μmのSi−Sn−B合金微粉末を得た。次いで、得られたSi−Sn−B合金微粉末をさらにアトライターにてアルゴンガス雰囲気中でステンレス製ボールを使用し2時間粉砕して、さらに、Si−Sn−B合金微粉末重量100部に対して、黒鉛粉末2部、炭素繊維1部、多層カーボンナノチューブ1部を添加し粉砕し、炭素材料を複合化したシリコン合金微粉末の電極材料を得た。
(1) Production of Negative Electrode 603 Silicon, tin, and boron were mixed at a weight ratio of 74.5: 25.0: 0.5, and melted under an argon gas atmosphere to form a molten metal. A Si—Sn—B alloy powder was obtained by pouring a metal atomized with argon gas into the mixture. Next, the obtained Si—Sn—B alloy powder was pulverized in isopropyl alcohol with a media mill using zirconia balls to obtain a fine Si—Sn—B alloy powder having an average particle diameter of 0.3 μm. Next, the obtained Si-Sn-B alloy fine powder was further pulverized for 2 hours using a stainless steel ball in an argon gas atmosphere with an attritor, and further reduced to 100 parts by weight of the Si-Sn-B alloy fine powder. On the other hand, 2 parts of graphite powder, 1 part of carbon fiber and 1 part of multi-walled carbon nanotube were added and pulverized to obtain an electrode material of a silicon alloy fine powder in which a carbon material was composited.

次いで、得られた炭素材料を複合化したシリコン合金微粉末69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1μmの略円板状の黒鉛粉末)10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)10重量%と、固形分14%の濃度のポリアミック酸(ポリイミド前駆体)のN−メチル−2−ピロリドン溶液を固形分換算で11重量%を、混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して混練し、スラリーを調製した。次に、そのように調製したスラリーを、10μm厚の電界銅箔(電気化学的に製造された銅箔)の両面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製し、厚み25μmの活物質層の電極構造体を作製した。先の手順で得られ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、200℃で減圧乾燥して負極603を得た。   Next, 69% by weight of a silicon alloy fine powder obtained by compounding the obtained carbon material, and flat graphite powder (specifically, a substantially disk-shaped powder having a diameter of about 5 μm and a thickness of about 1 μm as a conductive auxiliary material). 10% by weight of graphite powder, 10% by weight of graphite powder (substantially spherical and having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm), and N of polyamic acid (polyimide precursor) having a solid content of 14%. -Methyl-2-pyrrolidone solution was mixed with 11% by weight in terms of solid content, and N-methyl-2-pyrrolidone was added and kneaded to prepare a slurry. Next, the slurry thus prepared was applied on both sides of a 10 μm thick electric field copper foil (electrochemically produced copper foil) with a coater, dried, and the thickness was adjusted by a roll press to obtain a thickness of 25 μm. The electrode structure of the active material layer was manufactured. The electrode structure obtained by the above procedure was cut into a predetermined size, a lead of a nickel ribbon was connected to the electrode by spot welding, and dried under reduced pressure at 200 ° C. to obtain a negative electrode 603.

(2)正極606の作製
(a) 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。
(b) 上記(a)で得られたリチウム−コバルト酸化物の前駆体を、更に、酸素気流中で、850℃で熱処理した。
(c) 上記(b)において調製したリチウム−コバルト酸化物93重量%に、黒鉛粉3重量%と、炭素繊維1重量%とを混合し、ポリアミック酸(ポリイミド前駆体)の固体成分3重量%となるようにポリアミック酸のN−メチル−2−ピロリドン溶液を添加して、スラリーを作製した。
(d) 上記(c)で得られたスラリーを、厚み17ミクロンのアルミニウム箔の集電体604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、200℃で減圧乾燥して正極606を作製した。
(2) Production of positive electrode 606
(a) Lithium citrate and cobalt nitrate are mixed at a molar ratio of 1: 3, and an aqueous solution in which citric acid is added and dissolved in ion-exchanged water is sprayed into an air stream at 200 ° C. A cobalt oxide precursor was prepared.
(b) The lithium-cobalt oxide precursor obtained in (a) above was further heat-treated at 850 ° C. in an oxygen stream.
(c) A mixture of 93% by weight of the lithium-cobalt oxide prepared in (b) above, 3% by weight of graphite powder and 1% by weight of carbon fiber, and 3% by weight of a solid component of polyamic acid (polyimide precursor) A slurry was prepared by adding an N-methyl-2-pyrrolidone solution of a polyamic acid so as to obtain a slurry.
(d) After applying and drying the slurry obtained in (c) on both surfaces of the current collector 604 made of aluminum foil having a thickness of 17 μm, the thickness of the positive electrode active material layer on one side is adjusted to 90 μm with a roll press. did. Further, an aluminum lead was connected with an ultrasonic welding machine, and dried under reduced pressure at 200 ° C. to produce a positive electrode 606.

上記、負極と正極の作製と厚み17μmのミクロポアのポリエチレンフィルムをセパレータに用いた以外は、実施例19と同様にして、電池を作製した。   A battery was produced in the same manner as in Example 19, except that the above-described negative electrode and positive electrode were prepared and a microporous polyethylene film having a thickness of 17 μm was used as a separator.

定電流−定電圧充電(最大電圧4.2V)で充放電試験を行なった結果、放電容量はいずれも3400mAhを越えるもので平均作動電圧は3.3Vであった。また、得られた電池の充放電の繰り返し試験の結果から、炭素材料を複合化した負極材料を用いた電池では、炭素材料を複合化しないものに比べて、1.5倍以上の充放電の繰り返し寿命が得られることがわかった。   As a result of performing a charge / discharge test with constant current-constant voltage charging (maximum voltage of 4.2 V), the discharge capacity exceeded 3400 mAh in all cases, and the average operating voltage was 3.3 V. Also, from the results of the repeated charge / discharge test of the obtained battery, the charge / discharge rate of the battery using the carbon material-composite anode material was 1.5 times or more that of the battery not using the carbon material. It was found that repeated life was obtained.

(実施例21)
下記(1)負極の作製を除いて、実施例20と同様にして、図6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。
(1)負極603の作製
シリコン、スズ、ホウ素を重量比で74.5:25.0:0.5を混合し、アルゴンガス雰囲気下で溶融し溶湯を形成した後、溶湯を高圧水で噴霧する水アトマイズ法で、Si−Sn−B合金粉末を得た。次に、ジルコニアボールを用いたメディアミル装置で、得られたSi−Sn−B合金粉末をイソプロピルアルコール中で粉砕し、平均粒径0.3μmのSi−Sn−B合金微粉末を得た。
(Example 21)
A lithium secondary battery of 18650 size (diameter 18 mmφ × height 65 mm) having a cross-sectional structure shown in FIG. 6 was prepared in the same manner as in Example 20 except for the following (1) preparation of a negative electrode.
(1) Preparation of Negative Electrode 603 Silicon, tin, and boron are mixed in a weight ratio of 74.5: 25.0: 0.5, melted in an argon gas atmosphere to form a molten metal, and then the molten metal is sprayed with high-pressure water. A water atomizing method was used to obtain a Si-Sn-B alloy powder. Next, the obtained Si—Sn—B alloy powder was pulverized in isopropyl alcohol with a media mill using zirconia balls to obtain a fine Si—Sn—B alloy powder having an average particle diameter of 0.3 μm.

次いで、得られたSi−SnSi−Sn−B合金微粉末をさらにアトライターにてアルゴンガス雰囲気中でステンレス製ボールを使用し2時間粉砕して、さらに、Si−Sn−B合金微粉末重量100部に対して、黒鉛粉末3部、炭素繊維2部、金属マグネシウム粉末30部を添加し粉砕し、炭素材料とマグネシウム金属を複合化したシリコン合金微粉末の電極材料を得た。なお、X線回折分析の結果、得られた合金微粒子には、金属マグネシウムのピークが観察された。   Next, the obtained Si-SnSi-Sn-B alloy fine powder was further pulverized for 2 hours using an stainless steel ball in an argon gas atmosphere with an attritor, and further, the Si-Sn-B alloy fine powder weight 100 3 parts of graphite powder, 2 parts of carbon fiber, and 30 parts of metal magnesium powder were added to each part and pulverized to obtain an electrode material of a silicon alloy fine powder in which a carbon material and magnesium metal were combined. As a result of X-ray diffraction analysis, a peak of metallic magnesium was observed in the obtained alloy fine particles.

次いで、得られた炭素材料を複合化したシリコン合金微粉末69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1μmの略円板状の黒鉛粉末)10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)10重量%と、固形分14%の濃度のポリアミック酸(ポリイミド前駆体)のN−メチル−2−ピロリドン溶液を固形分換算で11重量%を、混合し、N−メチル−2−ピロリドンを添加して混練し、スラリーを調製した。   Next, 69% by weight of a silicon alloy fine powder obtained by compounding the obtained carbon material, and flat graphite powder (specifically, a substantially disk-shaped powder having a diameter of about 5 μm and a thickness of about 1 μm as a conductive auxiliary material). 10% by weight of graphite powder, 10% by weight of graphite powder (substantially spherical and having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm), and N of polyamic acid (polyimide precursor) having a solid content of 14%. -Methyl-2-pyrrolidone solution was mixed with 11% by weight in terms of solid content, and N-methyl-2-pyrrolidone was added and kneaded to prepare a slurry.

次に、そのように調製したスラリーを、10μm厚の電界銅箔(電気化学的に製造された銅箔)の両面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製し、厚み25μmの活物質層の電極構造体を作製した。先の手順で得られ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、200℃で減圧乾燥して負極603を得た。   Next, the slurry thus prepared was applied on both sides of a 10 μm thick electric field copper foil (electrochemically produced copper foil) with a coater, dried, and the thickness was adjusted by a roll press to obtain a thickness of 25 μm. The electrode structure of the active material layer was manufactured. The electrode structure obtained by the above procedure was cut into a predetermined size, a lead of a nickel ribbon was connected to the electrode by spot welding, and dried under reduced pressure at 200 ° C. to obtain a negative electrode 603.

その他は、実施例20と同様にして作製した電池を定電流−定電圧充電(最大電圧4.2V)で充放電試験を行なった結果、放電容量はいずれも3000mAhを越えるもので平均作動電圧は3.5Vであった。   Otherwise, the battery produced in the same manner as in Example 20 was subjected to a constant current-constant voltage charge (maximum voltage: 4.2 V) charge / discharge test. As a result, the discharge capacity exceeded 3000 mAh in all cases, and the average operating voltage was It was 3.5V.

(実施例22)
下記(2)の正極の作製と下記(3)の電解液の使用を除いて、実施例20と同様にして、図6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 22)
Except for the preparation of the positive electrode of (2) below and the use of the electrolytic solution of (3) below, lithium of 18650 size (diameter 18 mmφ × height 65 mm) having a cross-sectional structure shown in FIG. A secondary battery was manufactured.

(2)正極606の作製
(a) 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、クエン酸リチウムのLi元素に対して、0.1モル比のと硝酸イットリウムY(NO・6HOと、Li元素に対して0.4モル比のオキシ酢酸ジルコニウムZrO(CH3COO)2と、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。
(b) 上記(a)で得られたイットリウム元素とジルコニウム元素含有のリチウム−コバルト酸化物の前駆体を、更に、酸素気流中で、850℃で熱処理した。
(c) 上記(b)において調製したイットリウム元素とジルコニウム元素含有のリチウム−コバルト酸化物92重量%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スラリーを作製した。
(d) 上記(c)で得られたスラリーを、厚み20ミクロンのアルミニウム箔の集電体604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606を作製した。
(2) Production of positive electrode 606
(a) lithium citrate and 1 cobalt nitrate were mixed in a molar ratio of 3 for Li element of lithium citrate, 0.1 mol ratio of preparative yttrium nitrate Y (NO 3) 3 · 6H 2 O and An aqueous solution obtained by adding zirconium oxyacetate ZrO (CH 3 COO) 2 in a molar ratio of 0.4 to the Li element and citric acid and dissolving in ion-exchanged water was sprayed into an air stream at 200 ° C. A finely divided lithium-cobalt oxide precursor was prepared.
(b) The precursor of the lithium-cobalt oxide containing the yttrium element and the zirconium element obtained in (a) above was further heat-treated at 850 ° C. in an oxygen stream.
(c) 3% by weight of graphite powder and 5% by weight of polyvinylidene fluoride powder are mixed with 92% by weight of the lithium-cobalt oxide containing the yttrium element and the zirconium element prepared in the above (b), and then mixed with N-methyl-2. -A slurry was prepared by adding pyrrolidone.
(d) After applying and drying the slurry obtained in (c) on both surfaces of the current collector 604 of a 20-μm-thick aluminum foil, the thickness of the positive electrode active material layer on one side is adjusted to 90 μm by a roll press. did. Further, an aluminum lead was connected by an ultrasonic welding machine, and dried under reduced pressure at 150 ° C. to produce a positive electrode 606.

(3)電解液の作製手順
(a) 十分に水分を除去したエチレンカーボネートとγ−ブチロラクトンとジエチルカーボネートとを、体積比1.5:1.5:7で混合した溶媒を調製した。
(b) 上記(a)で得られた溶媒に、四フッ化ホウ酸リチウム塩(LiBF)を1.5M(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
(a) A solvent was prepared by mixing ethylene carbonate, γ-butyrolactone, and diethyl carbonate at a volume ratio of 1.5: 1.5: 7 from which water had been sufficiently removed.
(b) A solution obtained by dissolving lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) in a concentration of 1.5 M (mol / liter) in the solvent obtained in the above (a) was used as an electrolytic solution.

上記操作以外は、実施例20と同様にして作製した電池を定電流−定電圧充電(最大電圧4.4V)で充放電試験を行なった結果、放電容量はいずれも3700mAhを越えるもので平均作動電圧は3.3Vであった。   A battery prepared in the same manner as in Example 20 except for the above operation was subjected to a charge / discharge test under constant current-constant voltage charging (maximum voltage 4.4 V). As a result, the discharge capacity exceeded 3700 mAh in all cases, and the average operation was performed. The voltage was 3.3V.

本発明のシリコン合金粒子の模式断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the silicon alloy particles of the present invention. 真性シリコン、p型シリコン、n型シリコンへリチウムイオンが挿入する反応を説明するための図。The figure for explaining the reaction which lithium ion inserts into intrinsic silicon, p-type silicon, and n-type silicon. 本発明のリチウム二次電池の負極材料微粉末から成る電極構造体の一実施態様の断面を模式的に示す概念図。FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a cross section of an embodiment of an electrode structure made of fine powder of a negative electrode material of a lithium secondary battery of the present invention. 本発明の二次電池(リチウム二次電池)の一実施態様の断面を模式的に示す概念図。FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a cross section of one embodiment of a secondary battery (lithium secondary battery) of the present invention. 単層式扁平形(コイン形)電池の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a single-layer flat (coin-shaped) battery. スパイラル式円筒型電池の断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a spiral cylindrical battery.

符号の説明Explanation of reference numerals

100 シリコン合金の粒子
101 シリコンの微結晶群
102 第一の元素の微結晶群
103 第二の元素の微結晶群
301 電極材料層
302 電極構造体
303 負極材料微粉末
304 導電補助剤
305 結着剤
401、501、603 負極
403、503、606 正極
402、502、607 イオン伝導体
404 負極端子
405 正極端子
406 電槽(電池ハウジング)
506 負極キャップ
505 正極缶
506、610 ガスケット
601 負極集電体
602 負極活物質層
604 正極集電体
605 正極活物質層
608 負極缶(負極端子)
611 絶縁板
612 負極リード
613 正極リード
614 安全弁
REFERENCE SIGNS LIST 100 Particles of silicon alloy 101 Microcrystal group of silicon 102 Microcrystal group of first element 103 Microcrystal group of second element 301 Electrode material layer 302 Electrode structure 303 Negative material fine powder 304 Conductive auxiliary agent 305 Binder 401, 501, 603 Negative electrodes 403, 503, 606 Positive electrodes 402, 502, 607 Ion conductor 404 Negative terminal 405 Positive terminal 406 Battery case (battery housing)
506 Negative electrode cap 505 Positive electrode can 506, 610 Gasket 601 Negative electrode current collector 602 Negative electrode active material layer 604 Positive electrode current collector 605 Positive electrode active material layer 608 Negative electrode can (negative electrode terminal)
611 Insulating plate 612 Negative lead 613 Positive lead 614 Safety valve

Claims (19)

シリコンを主成分とする固体状態の合金の粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料において、
前記固体状態の合金の粒子は微結晶シリコンあるいは非晶質化シリコンの中に、シリコン以外の元素からなる微結晶あるいは非晶質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。
In an electrode material for a lithium secondary battery comprising particles of a solid-state alloy containing silicon as a main component,
An electrode for a lithium secondary battery, wherein the particles of the solid-state alloy are microcrystalline silicon or amorphous silicon, in which microcrystalline or amorphous elements other than silicon are dispersed. material.
前記固体状態の合金が、純金属もしくは固溶体を含有していることを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the solid state alloy contains a pure metal or a solid solution. 前記合金の組成は、該合金が融解した液体状態で完全に溶け合う元素組成であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the composition of the alloy is an elemental composition that completely dissolves in a liquid state in which the alloy is molten. 前記合金がシリコンと、シリコンより原子比率の低い少なくとも第一の元素Aから構成され、前記第一の元素Aがスズ、インジウム、ガリウム、銅、アルミニウム、銀、亜鉛、チタンからなる群から選択される一種類以上の元素であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The alloy is composed of silicon and at least a first element A having an atomic ratio lower than that of silicon, and the first element A is selected from the group consisting of tin, indium, gallium, copper, aluminum, silver, zinc, and titanium. The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the electrode material is at least one element. 前記合金がシリコンと、シリコンより原子比率の低い少なくとも第一の元素Aと第二の元素Eから構成され、前記第一の元素の原子比率は前記第二の元素の原子比率より高く、かつ前記第一の元素Aがスズ、アルミニウム、亜鉛からなる群から選択される一種類以上の元素であり、前記第二の元素Eが銅、銀、亜鉛、チタン、アルミニウム、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム、ホウ素からなる群から選択される一種類以上の元素であって、前記第一の元素Aと第二の元素Eとは異なる元素(A≠E)であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The alloy is composed of silicon and at least a first element A and a second element E having an atomic ratio lower than that of silicon, the atomic ratio of the first element is higher than the atomic ratio of the second element, and The first element A is at least one element selected from the group consisting of tin, aluminum and zinc, and the second element E is copper, silver, zinc, titanium, aluminum, vanadium, yttrium, zirconium, boron The at least one element selected from the group consisting of: the first element A and the second element E are different elements (A ≠ E). Electrode material for lithium secondary batteries. 前記合金中のシリコンの含有率は50重量%以上95重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the content of silicon in the alloy is 50% by weight or more and 95% by weight or less. 前記合金が共晶を含有することを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the alloy contains a eutectic. 前記共晶が、
(a)シリコンと第一の元素Aとの共晶、
(b)シリコンと第二の元素Eとの共晶、
(c)第一の元素Aと第二の元素Eとの共晶
(d)前記(a)、(b)、(c)の組み合わせの共晶
のいずれかであることを特徴とする請求項7に記載のリチウム二次電池用の電極材料。
The eutectic is
(A) a eutectic of silicon and the first element A,
(B) a eutectic of silicon and the second element E,
(C) a eutectic of the first element A and the second element E (d) a eutectic of a combination of the above (a), (b) and (c). 8. The electrode material for a lithium secondary battery according to 7.
前記合金のシリコンにホウ素、アルミニウム、ガリウム、アンチモン、リン、からなる群から選択される一種類以上のドーパントとしての元素が原子比で1×10−8〜2×10−1の範囲でドーピングされていることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用の電極材料。 At least one element as a dopant selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, antimony, and phosphorus is doped into silicon of the alloy in an atomic ratio of 1 × 10 −8 to 2 × 10 −1. The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein: シリコンを主成分とするシリコン粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料において、
前記シリコンにホウ素、アルミニウム、ガリウム、アンチモン、リン、からなる群から選択される一種類以上のドーパントとしての元素が原子比で1×10−8〜2×10−1の範囲でドーピングされ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。
In an electrode material for a lithium secondary battery composed of silicon particles containing silicon as a main component,
The silicon is doped with at least one element as a dopant selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, antimony, and phosphorus in an atomic ratio of 1 × 10 −8 to 2 × 10 −1 . An electrode material for a lithium secondary battery, comprising:
前記ドーパントのシリコンに対する比率が原子比で1×10−5〜1×10−1の範囲であることを特徴とする請求項9又は10記載のリチウム二次電池用の電極材料。 The electrode material for a lithium secondary battery according to claim 9, wherein a ratio of the dopant to silicon is in an atomic ratio of 1 × 10 −5 to 1 × 10 −1 . 前記ドーパントが、ホウ素であることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   The electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 9 to 11, wherein the dopant is boron. 前記シリコンを主成分とする合金粒子もしくはシリコンを主成分とする粒子の平均粒径が0.02μm〜5μmであることを特徴とする請求項1もしくは請求項10のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   11. The lithium according to claim 1, wherein an average particle diameter of the alloy particles containing silicon as a main component or the particles containing silicon as a main component is 0.02 μm to 5 μm. 12. Electrode material for secondary batteries. 前記シリコンを主成分とする合金粒子もしくはシリコンを主成分とする粒子の形状が微粉末である、ことを特徴とする請求項1もしくは請求項10のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   11. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the shape of the alloy particles containing silicon as a main component or the particles containing silicon as a main component is fine powder. Electrode material. 前記シリコンを主成分とする合金粒子もしくはシリコンを主成分とする粒子に、炭素材料、金属マグネシウム、炭素材料と金属マグネシウムの群から選択される材料を複合化させたことを特徴とする請求項1もしくは請求項10のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用の電極材料。   2. A material selected from the group consisting of a carbon material, metallic magnesium, and a carbon material and metallic magnesium is combined with the alloy particles containing silicon as a main component or the particles containing silicon as a main component. Alternatively, the electrode material for a lithium secondary battery according to claim 10. 請求項1もしくは請求項10のいずれか1項に記載の電極材料と、導電補助材、結着剤、集電体から構成されていることを特徴とする電極構造体。   An electrode structure comprising the electrode material according to claim 1, a conductive auxiliary material, a binder, and a current collector. 前記導電補助材が炭素材料である、ことを特徴とする請求項16記載の電極構造体。   The electrode structure according to claim 16, wherein the conductive auxiliary material is a carbon material. 請求項16に記載の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ことを特徴とする二次電池。   A secondary battery comprising a negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode using the electrode structure according to claim 16, wherein a lithium oxidation reaction and a lithium ion reduction reaction are used. 前記正極を構成する正極材料が、少なくともイットリウム、イットリウムとジルコニウムの群から成る元素を含有するリチウム−遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項18記載の二次電池。
19. The secondary battery according to claim 18, wherein the positive electrode material forming the positive electrode is a lithium-transition metal composite oxide containing at least an element selected from the group consisting of yttrium and yttrium and zirconium.
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