JP2009514166A - 二次電池用電極活物質 - Google Patents

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Abstract

本発明は、リチウムの繰り返し挿入脱離が可能なコア層、非晶質炭素層及び結晶質炭素層を順に含む電極活物質であって、前記結晶質炭素層は、板状構造を有する炭素層単位体から構成され、前記板状構造を有する炭素層単位体のc軸方向と電極活物質粒子の接線方向とが垂直に配列されていることを特徴とする電極活物質及びこれを含む二次電池に関する。

Description

本発明は、二次電池用電極活物質及びこの電極活物質を含む二次電池に関する。
リチウム二次電池は、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を陰極及び陽極として使用し、陽極と陰極との間に有機電解液又はポリマー電解液を充填して製造することで、リチウムイオンが陽極及び陰極から挿入及び脱離する時の酸化反応、還元反応によって電気的エネルギーを生成する。
現在、リチウム二次電池の陰極を構成する電極活物質としては、炭素質材料が主に使用されている。しかし、リチウム二次電池の容量をさらに向上させるためには、高容量電極活物質の使用が要求される。
このような要求を満たすため、炭素質材料より高い充放電容量を示すと共にリチウムと電気化学的に合金化可能な金属であるSi、Alなどを電極活物質として採用した例がある。しかし、このような金属系電極活物質は、リチウムの挿入脱離に伴う体積変化が酷くなって亀裂ができ、細かく分裂されてしまう。従って、このような金属系電極活物質を使用する二次電池では、充放電サイクルの繰り返しによって容量が急激に減少し、サイクル寿命が短くなる。
日本特開2001−297757号においては、基本的にリチウムの挿入脱離が可能な元素からなるα相(例えば、Si)と、この元素とは異なる元素bとの金属間化合物又は固溶体であるβ相とからなる組織を持つ電極活物質が提案されている。
しかし、このような従来の方法によっても十分かつ良好なサイクル寿命特性を得ることができないため、実用的なリチウム二次電池用電極活物質として使用できないという問題点がある。
本発明は、リチウムの繰り返し挿入脱離が可能なコア層の表面に非晶質炭素層及び結晶質炭素層を順に含む電極活物質であって、前記結晶質炭素層を構成する各板状構造を有する炭素層単位体のc軸方向と電極活物質粒子の接線方向とが垂直に配列されていることを特徴とする電極活物質を使用することで、リチウムの充放電時に発生し得る金属のようなコア層の体積変化を抑制し、電極活物質粒子間の高伝導度及び伝導経路を維持し、高い充放電容量と優れたサイクル寿命特性を持つ二次電池用電極活物質及びこれを含む二次電池を提供しようとするものである。
本発明は、リチウムの繰り返し挿入脱離が可能なコア層、非晶質炭素層及び結晶質炭素層を順に含む電極活物質であって、前記結晶質炭素層は、板状構造を有する炭素層単位体たちから構成され、前記板状構造を有する炭素層単位体のc軸方向と電極活物質粒子の接線方向とが垂直に配列されていることを特徴とする電極活物質及びこれを含む二次電池を提供する。
また、本発明は、コア層を形成する金属又は半金属と結晶質炭素とを混合する第1のステップ、及び、前記混合物をボールの存在下でメカノフュージョンシステムを用いて機械的合金を施す第2のステップを含む本発明の電極活物質の製造方法を提供する。
次に、本発明の詳細を説明する。
本発明において、板状構造を有する炭素層単位体とは、結晶内c軸方向が同じ層状構造を有する複数の炭素層を1つの単位の概念として定義したものである。
図1は、本発明の一実施例によって製造される電極活物質の断面を示すもので、電気化学的に充放電可能な金属又は半金属コア層10の表面が非晶質炭素層20と結晶質炭素層30とで順に被覆されており、前記結晶質炭素層30は、板状構造を有する炭素層単位体40たちから構成されている。また、前記板状構造を有する炭素層単位体のc軸方向45と電極活物質粒子の接線方向50とが垂直に配列されている。
本発明において、前記結晶質炭素層を構成する板状構造の炭素層単位体40たちは、方向性なしにランダムに配列されるのではなく、電極活物質の製造時、電極活物質粒子間の衝突によって前記板状構造を有する炭素層単位体たちのc軸方向45と粒子の接線方向50とが垂直に配列されることで、一定の方向性をもって配列されるようになる。
また、c軸方向が同じ板状構造の炭素層単位体40が複数個あり、それぞれc軸方向と粒子の接線方向とが垂直の関係にあるため、各板状構造を有する炭素層単位体40のエッジ部が互いに隣接して連結されている。このような連結によって、各板状構造を有する炭素層単位体40のエッジ部が露出しないようになる。従って、各板状構造を炭素層単位体40のエッジ部が電解液に露出されて互いに反応する場合に発生し得る被膜形成及び非可逆反応を減少させることができる。
本発明において、前記結晶質炭素層30を構成する板状構造の炭素層単位体40たちは、リチウムの充放電時にコア層10の中心から放射方向の体積変化を抑制し、電極活物質粒子間の電気的伝導度及び伝導経路を維持し、これによって、本発明の電極活物質を使用するリチウム二次電池では、高充放電容量と優れたサイクル寿命が得られる。
本発明において、前記コア層は、リチウムの繰り返し挿入脱離が可能な金属又は半金属から形成されることができる。特に、前記金属又は半金属は、充放電容量が大きいほど好ましい。
前記金属又は半金属の例としては、Si、Al、Sn、Sb、Bi、As、Ge、Pbから選択される少なくとも1種を含む金属又は半金属又はこれらの合金が挙げられるが、電気化学的にリチウムを可逆的に挿入脱離可能なものあれば、特に制限されない。
結晶質炭素としては、黒鉛化度の大きな天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられ、黒鉛系材料の例としては、MCMB(メソカーボンマイクロビーズ)、炭素繊維、天然黒鉛などが挙げられる。
非晶質炭素としては、コールタールピッチ、石油タールピッチ、各種の有機材料を原料にして熱処理して得られた炭素系物質などがある。
コア層、非晶質炭素層及び結晶質炭素層を順に含む電極活物質において、コア層:非晶質炭素層:結晶質炭素層=90〜10重量部:0.1〜50重量部:9.9〜90重量部であることが好ましい。
リチウムの繰り返し挿入脱離が可能なコア層が10重量部を下回る場合は、可逆容量が少ないため高容量電極活物質としての意味がなくなり、結晶質炭素層が9.9重量部を下回る場合は、十分な伝導性を確保することが困難であり、非晶質炭素層が0.1重量部を下回る場合は、膨張抑制の機能が十分に発揮できなくなり、50重量部を上回る場合は、容量及び伝導性が低下するおそれがある。
前記非晶質炭素層は、炭素の層間距離d002が0.34nm以上であり、厚さが5nm以上であることが好ましい。厚さが5nmを下回る場合は、体積変化の抑制効果が十分でない。層間距離が0.34nmを下回る場合は、充放電に伴う被覆層そのものの体積変化が酷くてコア層体積変化の抑制効果が低下しまい、サイクル性能が低下する。
前記結晶質炭素層は、炭素の層間距離d002が0.3354〜0.35nmであることが好ましい。前記下限値は、理論的に可能な黒鉛の最低層間距離であって、この下限値を下回るものは、実際存在しない。また、その上限値を上回る層間距離を有する炭素は、伝導性が良くないため、被覆層の伝導性が低下してしまい、円滑なリチウム充放電特性を得ることができない。
また、結晶質炭素層の厚さは、特に制限されないが、1〜10ミクロンが好ましい。層の厚さが1ミクロンを下回る場合は、粒子間の十分な伝導性を得ることが困難であり、10ミクロンを上回る場合は、電極活物質中に含有された炭素質の比率が高くなって高充放電容量を得ることができない。
本発明の電極活物質は、コア層を形成する金属又は半金属と結晶質炭素とを混合する第1のステップ、及び、前記混合物をボールの存在下でメカノフュージョンシステムを用いて機械的合金を施す第2のステップを経て製造することができる。なお、機械的合金とは、機械的な力を加えることで均一な組成の合金を得る方法である。
前記第1のステップにおける金属又は半金属と結晶質炭素との混合は、金属又は半金属:結晶質炭素=90〜10重量部:10〜90重量部の比で行うことができる。
前記第2のステップにおけるボールと混合物とは、ボール:第1ステップによる混合物=50〜98重量部:50〜2重量部の比とすることができる。ボール:第1ステップによる混合物の比が50:50より小さな場合は、混合物に圧縮応力を伝達できなくなり、ボールの比が98:2より大きな場合は、必要以上のボールが過剰使用され、生産量が減少してしまう。
また、前記第2のステップのボールは、直径が0.1〜10nmのステンレスボール又はジルコニアボールを使用することができる。
このような方法で電極活物質を製造する際、結晶質炭素層のc軸方向と粒子の接線方向とを垂直に配列させるための重要な因子は、せん断応力と圧縮応力である。
圧縮応力は、コア層と結晶質炭素層との間の結合を向上させてサイクル特性を向上させる傾向が強く、せん断応力は、結晶質炭素層の構造を崩壊させる傾向が強いため、非可逆容量を増加させる。従って、前記第2のステップにおける機械的合金を行う時、圧縮応力/せん断応力の値は、0.5以上であることが好ましい。
本発明において、電極は、当業界で周知の通常の方法で製造することができる。例えば、本発明の電極活物質にバインダーと溶媒、必要によって導電剤、分散剤を混合及び攪拌してスラリーを製造した後、これを金属材料の集電体に塗布し、圧縮した後、乾燥することで製造することができる。
電極活物質については、バインダーは1〜10重量比、導電剤は1〜30重量比で適切に使用できる。
使用可能なバインダーの例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などが挙げられる。
導電剤としては、通常カーボンブラックが使用可能であり、現在導電剤として市販されている商品は、アセチレンブラック系(Chevron Chemical Company社又はGulf Oil Company社製)、ケッチェンブラックEC系(Armak Company社製)、Vulcan XC−72(Cabot Company社製)及びスーパーP(MMM社製)などがある。
金属材料の集電体は、伝導性の高い金属で、前記電極活物質のスラリーが容易に接着可能でありかつ電池の電圧範囲内で反応性を有しないものであれば、いずれも使用可能である。代表的な例としては、アルミニウム、銅、金、ニッケル又はアルミニウム合金又はこれらの組合で製造されるメッシュ、ホイルなどがある。
スラリーを集電体に塗布する方法は、特に制限されない。例えば、ドクターブレード、浸漬、はけ塗りなどの方法で塗布することができ、塗布量は、特に制限されないが、溶媒又は分散媒を除去した後の活物質層の厚さが、通常、0.005〜5mm、好ましくは、0.05〜2mmの範囲になる程度の量が良い。
溶媒又は分散媒を除去する方法は、特に制限されないが、応力集中による活物質層の亀裂が発生するか活物質層が集電体から剥離しない程度の速度範囲内で、できるだけ速やかに溶媒又は分散媒が揮発するように調整して除去する方法を使用することが好ましい。非制限的な例として、50〜200℃の真空オーブンで0.5〜3日間乾燥する方法が挙げられる。
本発明の二次電池は、本発明の電極活物質からなる電極を含み、当業界で周知の通常の方法で製造することができる。例えば、陽極と陰極との間に多孔性分離膜を設けた上で電解液を投入して製造することができる。二次電池は、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池又はリチウムイオンポリマー二次電池などを含む。
電解液は、非水溶媒と電解質塩を含むことができる。
非水溶媒は、通常非水電解液用非水溶媒として使用されているものであれば、特に制限することなく、環状カーボネート、鎖状カーボネート、ラクトン、エーテル、エステル又はケトンを使用することができる。
前記環状カーボネートは、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などがあり、前記鎖状カーボネートは、例えば、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びメチルプロピルカーボネート(MPC)などがある。前記ラクトンは、例えば、ガンマーブチロラクトン(GBL)があり、前記エーテルは、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタンなどがある。また、前記エステルは、例えば、メチルアセテート、エチルアセテート、メチルプロピオネート、メチルピバレートなどがあり、前記ケトンは、例えば、ポリメチルビニルケトンがある。これらの非水溶媒は、単独又は2種以上を混合して使用することができる。
電解質塩は、通常非水電解液用電解質塩として使用されているものであれば、特に制限されない。電解質塩の非制限的な例としては、Aのような構造を有する塩で、Aは、Li、Na、Kのようなアルカリ金属カチオン又はこれらの組合からなるイオンを含み、Bは、PF 、BF 、Cl、Br、I、ClO 、AsF 、CHCO 、CFSO 、N(CFSO 、C(CFSO ようなアニオン又はこれらの組合からなるイオンを含む塩である。特にリチウム塩が好ましい。これらの電解質塩は、単独又は2種以上を混合して使用することができる。
本発明の二次電池は、分離膜を含むことができる。使用可能な分離膜は、特に制限されないが、多孔性分離膜を使用することが好ましい。非制限的な例としては、ポリプロピレン系、ポリエチレン系又はポリオレフィン系の多孔性分離膜などが挙げられる。
本発明のリチウム二次電池の外形は、制限はないが、缶を使用する円筒形、角形、ポーチ形、コイン形などとすることができる。
本発明の電極活物質は、金属又は半金属からなる電極活物質の長所である高充放電容量を維持しながら、結晶質炭素層を構成する板状構造の炭素層単位体のc軸方向と電極活物質粒子の接線方向とが垂直に配列されることで、リチウムの充放電時に発生し得るコア層の体積変化を抑制し、これによって、電池のサイクル寿命特性を向上させることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら、下記の実施例は、本発明を例示するものにすぎず、本発明はこれらの実施例に何等限定されるものではない。
(実施例1)
Siと天然黒鉛とを50重量部:50重量部の比で混合し、直径が3mmのステンレスボールと前記混合物粉末との重量部の比が5:1になるようにした後、ホソカワミクロン社のメカノフュージョンシステムを用いて圧縮応力/せん断応力=0.5とし、1分当たり600回の回転速度で30分間機械的合金を行うことで本発明の電極活物質を製造した。製造された電極活物質のTEM写真を図2に示した。図2に示されたように、コア層、非晶質炭素層、結晶質炭素層の構造が確認され、また、コア層の接線方向に対して結晶質炭素層が並んで配列されていることが確認された。
前記製造された電極活物質粉末100重量部にバインダーとしてPVDFを10重量部、導電剤としてアセチレンブラックを10重量部の比率で混合し、溶媒としてNMPを入れて混合することで均一なスラリーを製造した。また、前記スラリーを20μmの銅箔にコート、乾燥及び圧延を施した後、必要なサイズに打ち抜きして電極を製造した。
電解液は、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=1:2(v:v)の組成を有する非水溶媒にLiPFを1M濃度になるように溶解して製造した。
前記製造した電極を陰極として使用し、カウンター電極として金属リチウムを使用し、また、両電極の間にポリオレフィン系分離膜を介設した後、前記電解液を注入することで、本発明のコイン形電池を製造した。
(実施例2)
Siと天然黒鉛とを50重量部:50重量部の比で混合し、直径が5mmのジルコニアボールと前記混合物粉末との重量部の比が10:1になるようにした後、ホソカワミクロン社のメカノフュージョンシステムを用いて圧縮応力/せん断応力=0.5とし、1分当たり600回の回転速度で30分間機械的合金を行うことで電極活物質を製造したことを除いては、実施例1と同様に電池を製造した。
(比較例1)
Siと天然黒鉛とを50重量部:50重量部の比で混合し、ボールなしにホソカワミクロン社のメカノフュージョンシステムを用いて圧縮応力/せん断応力=0.2とし、1分当たり100回の回転速度で30分間機械的合金を行うことで、Siコア層、非晶質炭素層及び方向性のない結晶質炭素層からなる電極活物質を製造したことを除いては、実施例1と同様に電池を製造した。
(比較例2)
Siと元々非晶質のハードカーボンとを50重量部:50重量部の比で混合し、直径が3mmのステンレスボールと前記混合物粉末との重量部の比が5:1になるようにした後、ホソカワミクロン社のメカノフュージョンシステムを用いて圧縮応力/せん断応力=0.2とし、1分当たり600回の回転速度で30分間機械的合金を行うことで、Siコア層および非晶質炭素層からなる電極活物質を製造したことを除いては、実施例1と同様に電池を製造した。
(実験結果)
実施例1、2及び比較例1,2で製造された電池の3回充放電を行った後、充放電に伴う体積変化を見ると、下記の表1からわかるように、実施例1の場合は、約51%(33μm→50μm)程度の電極の厚さ変化が観察されたが、比較例1の活物質の場合は、約150%(30μm→74μm)の厚さ変化が観察され、本発明の電極活物質は、体積膨張抑制効果があることがわかった。
また、実施例1及び2で得られた電極活物質を使用して製造した電池では、充放電を行った後でもコア層の体積変化が殆どないため、表1に示されたように、50サイクルまで初期容量の98%以上を維持していた(図3及び図4参照)。これに対し、比較例1で得られた電極活物質を使用して製造した電池では、結晶質炭素層の方向がランダムになっているため、実施例1の電池に比べて相対的にサイクル寿命特性が低下し、また、比較例2で製造された電池では、結晶質炭素層が存在しないため、サイクル寿命特性が低下した。
は、本発明の一実施例によって製造される電極活物質を示す断面図である。 は、実施例1で製造された電極活物質のTEM写真である。 は、実施例2で製造された電極活物質の充放電を行う前の粒子表面を示すSEM写真である。 は、実施例2で製造された電極活物質の50回充放電を行った後の粒子表面を示すSEM写真である。

Claims (13)

  1. リチウムの繰り返し挿入脱離が可能なコア層と、非晶質炭素層及び結晶質炭素層を順に備えてなり、
    前記結晶質炭素層が、板状構造を有する炭素層単位体から構成されてなり、
    前記板状構造を有する炭素層単位体のc軸方向と電極活物質粒子の接線方向とが垂直に配列されていることを特徴とする、電極活物質。
  2. 前記コア層が、リチウムの繰り返し挿入脱離が可能な金属又は半金属を含有することを特徴とする、請求項1に記載の電極活物質。
  3. 前記コア層が、Si、Al、Sn、Sb、Bi、As、Ge、Pbからなる群から選択される少なくとも1種を含む金属又は半金属から構成されてなり、又は、前記金属又は半金属の合金から構成されることを特徴とする、請求項1に記載の電極活物質。
  4. 前記コア層:非晶質炭素層:結晶質炭素層=90〜10重量部:0.1〜50重量部:9.9〜90重量部であることを特徴とする、請求項1に記載の電極活物質。
  5. 前記結晶質炭素層が、炭素の層間距離d002が0.3354〜0.35nmであり、厚さが1〜10ミクロンであることを特徴とする、請求項1に記載の電極活物質。
  6. 前記非晶質炭素層が、炭素の層間距離d002が0.34nm以上であり、厚さが5nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の電極活物質。
  7. 請求項1〜6のいずれか1つに記載の電極活物質を備えてなる、二次電池。
  8. コア層を形成する金属又は半金属と結晶質炭素とを混合する第1のステップと、及び、
    前記混合物をボールの存在下でメカノフュージョンシステムを用いて機械的合金を施す第2のステップを備えてなる、請求項1〜6の何れか一項に記載の電極活物質を製造する方法。
  9. 前記第2のステップにおいて、機械的合金が、凝縮応力/せん断応力の値を0.5以上で行うことを特徴とする、請求項8に記載の電極活物質の製造方法。
  10. 前記第1のステップにおける金属又は半金属と結晶質炭素との混合が、金属又は半金属:結晶質炭素=90〜10重量部:10〜90重量部であることを特徴とする、請求項8に記載の電極活物質の製造方法。
  11. 前記第2のステップにおけるボールと混合物とが、ボール:第1のステップによる混合物=50〜98重量部:50〜2重量部であることを特徴とす、る請求項8に記載の電極活物質の製造方法。
  12. 前記第2のステップにおけるボールが、ステンレスボール又はジルコニアボールであることを特徴とする、請求項8に記載の電極活物質の製造方法。
  13. 前記第2のステップにおけるボールが、直径が0.1〜10mmであることを特徴とする、請求項8に記載の電極活物質の製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013246989A (ja) * 2012-05-25 2013-12-09 Nec Corp リチウムイオン二次電池用負極活物質、それを用いたリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100776912B1 (ko) * 2003-06-25 2007-11-15 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 고용량 부극재
KR100814618B1 (ko) * 2005-10-27 2008-03-18 주식회사 엘지화학 이차 전지용 전극활물질
KR101356895B1 (ko) * 2012-03-09 2014-01-29 한양대학교 산학협력단 이차 전지용 전극 및 이의 제조방법
KR101920714B1 (ko) * 2012-05-16 2018-11-21 삼성전자주식회사 리튬 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 전지
CN103855368B (zh) * 2012-11-29 2016-03-30 华为技术有限公司 锂离子二次电池负极活性材料及其制备方法、锂离子二次电池负极极片和锂离子二次电池
KR102234287B1 (ko) * 2014-08-08 2021-03-31 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 이를 채용한 음극과 리튬 전지, 및 상기 음극 활물질의 제조방법
JP6744291B2 (ja) * 2015-02-25 2020-08-19 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池
CN109417157A (zh) * 2016-05-06 2019-03-01 深圳中科瑞能实业有限公司 一种负极活性材料及其制备方法、含所述负极活性材料的负极及二次电池
US11426818B2 (en) 2018-08-10 2022-08-30 The Research Foundation for the State University Additive manufacturing processes and additively manufactured products
KR20230031454A (ko) * 2021-08-27 2023-03-07 주식회사 한솔케미칼 음극 활물질, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004114439A1 (en) * 2003-06-25 2004-12-29 Lg Chem, Ltd. Anode material for lithium secondary cell with high capacity
JP2009514164A (ja) * 2005-10-27 2009-04-02 エルジー・ケム・リミテッド 二次電池用電極活物質
JP2009514165A (ja) * 2005-10-27 2009-04-02 エルジー・ケム・リミテッド 二次電池用電極活物質

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2110097C (en) * 1992-11-30 2002-07-09 Soichiro Kawakami Secondary battery
JP3581474B2 (ja) * 1995-03-17 2004-10-27 キヤノン株式会社 リチウムを利用する二次電池
JP3873325B2 (ja) * 1996-07-25 2007-01-24 大阪瓦斯株式会社 リチウム二次電池負極用炭素材及びその製造方法
US6558438B1 (en) * 1999-07-23 2003-05-06 Nec Corporation Method for producing a pressurized package for a film packed battery
US6541156B1 (en) * 1999-11-16 2003-04-01 Mitsubishi Chemical Corporation Negative electrode material for non-aqueous lithium secondary battery, method for manufacturing the same, and non-aqueous lithium secondary battery using the same
JP3466576B2 (ja) * 2000-11-14 2003-11-10 三井鉱山株式会社 リチウム二次電池負極用複合材料及びリチウム二次電池
US6733922B2 (en) * 2001-03-02 2004-05-11 Samsung Sdi Co., Ltd. Carbonaceous material and lithium secondary batteries comprising same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004114439A1 (en) * 2003-06-25 2004-12-29 Lg Chem, Ltd. Anode material for lithium secondary cell with high capacity
JP2009514164A (ja) * 2005-10-27 2009-04-02 エルジー・ケム・リミテッド 二次電池用電極活物質
JP2009514165A (ja) * 2005-10-27 2009-04-02 エルジー・ケム・リミテッド 二次電池用電極活物質

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013246989A (ja) * 2012-05-25 2013-12-09 Nec Corp リチウムイオン二次電池用負極活物質、それを用いたリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池

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