JP2012014866A - Negative electrode active substance for lithium secondary battery, and method of manufacturing the same - Google Patents

Negative electrode active substance for lithium secondary battery, and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active substance for lithium secondary battery that compatibly improves both an active substance use rate and cycle characteristics.SOLUTION: The negative electrode active substance 10 for lithium secondary battery has Si alloy 12 having Si crystallites 12a dispersed in a first metal matrix 12b, the Si alloy 12 being dispersed in a second metal matrix 14 having Li activity. It is preferred that the second matrix 14 is Sn or an Sn-based alloy. Furthermore, it is preferred that the second metal matrix 14 contains Sn of 50 atom% or more.

Description

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

従来、負極活物質として黒鉛等の炭素材料を用いた負極、コバルト酸化物等のリチウム含有化合物を用いた正極、これら正負両極間に挟持する電解質としてLiPF等のリチウム塩を用いたリチウム二次電池が知られている。リチウム二次電池では、電池充電時に負極活物質中にリチウムイオンが吸蔵され、電池放電時に負極活物質からリチウムイオンが放出される。 Conventionally, a negative electrode using a carbon material such as graphite as a negative electrode active material, a positive electrode using a lithium-containing compound such as cobalt oxide, and a lithium secondary using a lithium salt such as LiPF 6 as an electrolyte sandwiched between these positive and negative electrodes Batteries are known. In a lithium secondary battery, lithium ions are occluded in the negative electrode active material when the battery is charged, and lithium ions are released from the negative electrode active material when the battery is discharged.

近年、この種のリチウム二次電池は、電気自動車の動力源等として注目されている。しかしながら、現在広く使用されている負極活物質の黒鉛は、その理論容量が372mAh/gに過ぎず、より一層の高容量化が望まれている。それ故、最近では、炭素系負極活物質の代替材料として、高容量化が期待できるSi、Sn等の金属材料が盛んに研究されるようになっている。   In recent years, this type of lithium secondary battery has attracted attention as a power source for electric vehicles. However, the negative electrode active material graphite currently widely used has a theoretical capacity of only 372 mAh / g, and a further increase in capacity is desired. Therefore, recently, metal materials such as Si and Sn that can be expected to have a high capacity have been actively studied as alternative materials for the carbon-based negative electrode active material.

ところが、SiやSnは、リチウムイオンの吸蔵・放出に伴い、大きな体積膨張・収縮を生じる。そのため、その膨張・収縮応力によって集電体から剥離し、サイクル特性が低下しやすいといった問題があった。そこで、その対策として、負極活物質の複合化や表面被覆等の技術が検討されている。   However, Si and Sn cause large volume expansion / contraction as the lithium ions are occluded / released. For this reason, there has been a problem that the cycle characteristics are liable to be peeled off due to the expansion / contraction stress. Therefore, as a countermeasure, techniques such as composite of negative electrode active material and surface coating have been studied.

例えば、特許文献1には、リチウム二次電池用負極活物質として、Si、Sn等とCu等の他元素とを所定の成分範囲で合金化してなる複合粉末が開示されている。また、同文献には、Si−Cu合金におけるCu元素の成分割合と、初期放電容量・サイクル特性との関係が、純Siと比較して具体的に記載されている(実施例14、比較例7、比較例17、比較例18等を参照)。   For example, Patent Document 1 discloses a composite powder obtained by alloying Si, Sn, and the like and other elements such as Cu in a predetermined component range as a negative electrode active material for a lithium secondary battery. Further, in this document, the relationship between the component ratio of the Cu element in the Si—Cu alloy and the initial discharge capacity / cycle characteristics is specifically described in comparison with pure Si (Example 14, Comparative Example). 7, Comparative Example 17, Comparative Example 18, etc.).

また、特許文献2には、Si粒子の表面をCuにより被覆してなるリチウム二次電池用負極活物質が開示されている。   Patent Document 2 discloses a negative electrode active material for a lithium secondary battery in which the surface of Si particles is coated with Cu.

特許第4029291号公報Japanese Patent No. 4029291 特開2008−16198号公報JP 2008-16198 A

しかしながら、従来技術は以下の点で改良の余地があった。すなわち、特許文献1に記載されるように、SiにCuを複合化すると、サイクル特性の改善が見られるものの、初期放電容量が大きく低下してしまう。これは、CuによりSiが不活性化されるためであると考えられる。Si粒子の表面にCuを被覆する特許文献2に記載の技術も、同様の問題を抱えているものと推察される。このように、活物質利用率(=初期放電容量/活物質の理論容量×100)の向上とサイクル特性の向上とを両立させることは困難であった。   However, the prior art has room for improvement in the following points. That is, as described in Patent Document 1, when Cu is combined with Si, although the cycle characteristics are improved, the initial discharge capacity is greatly reduced. This is considered to be because Si is inactivated by Cu. The technique described in Patent Document 2 in which the surface of the Si particles is coated with Cu is presumed to have the same problem. Thus, it has been difficult to achieve both improvement of the active material utilization rate (= initial discharge capacity / theoretical capacity of active material × 100) and improvement of cycle characteristics.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、活物質利用率の向上とサイクル特性の向上とを両立させることが可能なリチウム二次電池用負極活物質を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem to be solved by the present invention is that a negative electrode active for a lithium secondary battery capable of achieving both an improvement in active material utilization and an improvement in cycle characteristics. To provide a substance.

上記課題を解決するため、本発明に係るリチウム二次電池用負極活物質は、第1の金属マトリクス中にSi結晶子が分散されたSi合金を有し、上記Si合金は、Li活性を有する第2の金属マトリクス中に分散されていることを要旨とする。   In order to solve the above problems, a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention has a Si alloy in which Si crystallites are dispersed in a first metal matrix, and the Si alloy has Li activity. The gist is that it is dispersed in the second metal matrix.

ここで、上記第2の金属マトリクスは、SnまたはSn系合金であることが好ましい。   Here, the second metal matrix is preferably Sn or a Sn-based alloy.

また、上記第2の金属マトリクスは、50原子%以上のSnを含有していることが好ましい。   The second metal matrix preferably contains 50 atomic% or more of Sn.

本発明に係るリチウム二次電池用負極の製造方法は、第1の金属マトリクス中にSi結晶子が分散されたSi合金粉末を製造する工程と、得られたSi合金粉末とLi活性を有する第2の金属マトリクス粉末とを混合、複合化し、第2の金属マトリクス中にSi合金を分散させる工程とを有することを要旨とする。   The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention includes a step of producing a Si alloy powder in which Si crystallites are dispersed in a first metal matrix, and the obtained Si alloy powder and Li activity. And a step of mixing and compounding the two metal matrix powders to disperse the Si alloy in the second metal matrix.

本発明に係るリチウム二次電池用負極活物質は、第1の金属マトリクス中にSi結晶子が分散されたSi合金を有し、上記Si合金は、Li活性を有する第2の金属マトリクス中に分散されている。   The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention includes a Si alloy in which Si crystallites are dispersed in a first metal matrix, and the Si alloy is included in a second metal matrix having Li activity. Is distributed.

本発明に係るリチウム二次電池用負極活物質によれば、第2の金属マトリクスがLi活性を有するので、Si合金内部のSi結晶子までリチウムが到達しやすくなり、活物質利用率を向上させることができる。   According to the negative electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention, since the second metal matrix has Li activity, lithium can easily reach the Si crystallite inside the Si alloy, and the active material utilization rate is improved. be able to.

また、微細なSi結晶子の周囲を第1の金属マトリクスが取り囲んでいるので、Siの崩壊が抑制される。さらに、第1の金属マトリクスの周囲を第2の金属マトリクスが取り囲んでいる(二重マトリクス構造になっている)ので、Si合金の崩壊が抑制され、集電体から脱落し難くなる。そのため、サイクル特性を向上させることができる。   In addition, since the first metal matrix surrounds the fine Si crystallites, the collapse of Si is suppressed. Furthermore, since the second metal matrix surrounds the first metal matrix (having a double matrix structure), the collapse of the Si alloy is suppressed and it is difficult for the current collector to fall off. Therefore, cycle characteristics can be improved.

ここで、第2の金属マトリクスがSnまたはSn系合金である場合には、Li活性が相対的に高いので、Si合金内部のSi結晶子までリチウムがより一層到達しやすくなり、活物質利用率の向上に寄与することができる。特に、第2の金属マトリクスがSn系合金である場合にはSnよりも低容量となるが、第2の金属マトリクスの膨張・収縮を小さくすることができ、負極活物質の安定性向上に寄与することができる。   Here, when the second metal matrix is Sn or an Sn-based alloy, the Li activity is relatively high, so that it is easier for lithium to reach the Si crystallite inside the Si alloy, and the active material utilization rate. It can contribute to improvement. In particular, when the second metal matrix is an Sn-based alloy, the capacity is lower than that of Sn, but the expansion and contraction of the second metal matrix can be reduced, contributing to the improvement of the stability of the negative electrode active material. can do.

また、第2の金属マトリクスが50原子%以上のSnを含有している場合には、上述の活物質利用率の向上、負極活物質の安定性向上へ寄与しやすくなる。   Further, when the second metal matrix contains 50 atomic% or more of Sn, it is easy to contribute to the improvement of the active material utilization rate and the stability of the negative electrode active material.

本発明に係るリチウム二次電池用負極の製造方法によれば、活物質利用率の向上とサイクル特性の向上とを両立させることが可能な上述のリチウム二次電池用負極活物質を得ることができる。   According to the method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, it is possible to obtain the above-described negative electrode active material for a lithium secondary battery capable of achieving both an improvement in active material utilization and an improvement in cycle characteristics. it can.

本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池用負極活物質を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the negative electrode active material for lithium secondary batteries which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池用負極を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the negative electrode for lithium secondary batteries which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る他のリチウム二次電池用負極を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the other negative electrode for lithium secondary batteries which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1に係る負極活物質の走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像である。2 is a reflected electron image of a negative electrode active material according to Example 1 by a scanning electron microscope (SEM). 比較例1に係る負極活物質の走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像である。4 is a reflected electron image of a negative electrode active material according to Comparative Example 1 by a scanning electron microscope (SEM).

以下、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池用負極活物質(以下、「本負極活物質」ということがある。)およびその製造方法、本負極活物質を用いたリチウム二次電池用負極(以下、「本負極」ということがある。)について詳細に説明する。   Hereinafter, a negative electrode active material for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “the present negative electrode active material”), a manufacturing method thereof, and a lithium secondary battery using the present negative electrode active material The negative electrode (hereinafter sometimes referred to as “the present negative electrode”) will be described in detail.

1.本負極活物質およびその製造方法
初めに、本負極活物質の構成について説明する。本負極活物質は、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池などのリチウム二次電池の負極に用いられる材料である。
1. First Anode Active Material and Production Method Thereof First, the configuration of the present anode active material will be described. This negative electrode active material is a material used for a negative electrode of a lithium secondary battery such as a lithium ion secondary battery or a lithium polymer secondary battery.

図1は、本負極活物質を模式的に示した図である。本負極活物質10は、Si合金12と、第2の金属マトリクス14とを有している。Si合金12は、Si結晶子12aと、第1の金属マトリクス12bとを有している。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the present negative electrode active material. The negative electrode active material 10 includes a Si alloy 12 and a second metal matrix 14. The Si alloy 12 has a Si crystallite 12a and a first metal matrix 12b.

Si合金12は、第1の金属マトリクス12b中にSi結晶子12aが多数分散された構造を有している。つまり、Si合金12において、多数のSi結晶子12aは、周囲の第1の金属マトリクス12bに取り囲まれている。本負極活物質10は、第2の金属マトリクス14中に上述のSi合金12が多数分散されている。つまり、本負極活物質10において、多数のSi合金12は、周囲の第2の金属マトリクス14に取り囲まれている。したがって、本負極活物質10は、Si結晶子12aの周りに第1の金属マトリクス12b、第1の金属マトリクス12bの周りに第2の金属マトリクス14が配置された二重マトリクス構造をとっている。なお、第1の金属マトリクス12b、第2の金属マトリクス14にいう「金属」は、金属単体のみならず、合金も含む。   The Si alloy 12 has a structure in which a large number of Si crystallites 12a are dispersed in the first metal matrix 12b. That is, in the Si alloy 12, a large number of Si crystallites 12a are surrounded by the surrounding first metal matrix 12b. In the present negative electrode active material 10, a large number of the above-described Si alloys 12 are dispersed in the second metal matrix 14. That is, in the present negative electrode active material 10, a large number of Si alloys 12 are surrounded by the surrounding second metal matrix 14. Therefore, the negative electrode active material 10 has a double matrix structure in which the first metal matrix 12b is arranged around the Si crystallite 12a and the second metal matrix 14 is arranged around the first metal matrix 12b. . The “metal” in the first metal matrix 12b and the second metal matrix 14 includes not only a simple metal but also an alloy.

本負極活物質において、Si結晶子は、Siを主に含有する相である。リチウム吸蔵量が大きくなるなどの観点から、好ましくは、Si結晶子はSi単相よりなると良い。もっとも、Si結晶子中には不可避的な不純物が含まれていても良い。   In the present negative electrode active material, the Si crystallite is a phase mainly containing Si. From the viewpoint of increasing the amount of lithium occlusion, the Si crystallite is preferably composed of a Si single phase. However, inevitable impurities may be contained in the Si crystallite.

Si結晶子の形状は、特に限定されるものではなく、その外形が比較的均一に整っていても良いし、その外形が不揃いであっても良い。また、個々のSi結晶子はそれぞれ分離していても良いし、部分的にSi結晶子同士が連なっていても良い。   The shape of the Si crystallite is not particularly limited, and the outer shape may be relatively uniform, or the outer shape may be uneven. Further, individual Si crystallites may be separated from each other, or Si crystallites may be partially connected to each other.

Si結晶子の大きさは、その上限値が、好ましくは、700nm以下、より好ましくは、300nm以下、さらにより好ましくは、100nm以下であると良い。Siの微細化によりSi割れを低減しやすくなり、サイクル特性の向上に寄与しやすくなるからである。   The upper limit of the size of the Si crystallite is preferably 700 nm or less, more preferably 300 nm or less, and even more preferably 100 nm or less. This is because Si cracking can be easily reduced by reducing the size of Si, thereby contributing to improvement of cycle characteristics.

なお、Si結晶子は、小さいほど良いため、Si結晶子の大きさの下限値は特に限定されることはない。もっとも、Siの酸化による容量低下等の観点から、好ましくは、50nm以上であると良い。   Since the smaller Si crystallite is better, the lower limit of the size of the Si crystallite is not particularly limited. However, from the viewpoint of capacity reduction due to oxidation of Si, etc., it is preferably 50 nm or more.

また、上記Si結晶子の大きさは、本負極活物質の微細組織写真(1視野)から任意に選択したSi結晶子20個について測定したSi結晶子の大きさの平均値である。   The size of the Si crystallite is an average value of the sizes of the Si crystallites measured for 20 Si crystallites arbitrarily selected from a microstructure photograph (one field of view) of the negative electrode active material.

本負極活物質において、第1の金属マトリクスは、Si結晶子と相分離して存在する相である。第1の金属マトリクスは、後述する第2の金属マトリクスのように、Li活性を有していても良いし、Li活性を有していなくても良い。好ましくは、第1の金属マトリクスは、Li活性を有していると良い。Si結晶子によりリチウムが到達しやすくなり、活物質利用率の向上に寄与しやすくなるからである。第1の金属マトリクスの材質としては、具体的には、例えば、Al系合金、Sn系合金、In系合金、Ag系合金、Pb系合金、Sb系合金、Bi系合金などを例示することができる。これらのうち、好ましくは、融点が低い、蒸気圧が高い、コストなどの観点から、Al系合金、Sn系合金、In系合金であると良い。   In the present negative electrode active material, the first metal matrix is a phase that exists in phase separation with Si crystallites. The first metal matrix may have Li activity or may not have Li activity like a second metal matrix described later. Preferably, the first metal matrix has Li activity. This is because lithium is easily reached by the Si crystallite and contributes to improvement of the active material utilization rate. Specific examples of the material of the first metal matrix include an Al alloy, an Sn alloy, an In alloy, an Ag alloy, a Pb alloy, an Sb alloy, and a Bi alloy. it can. Among these, Al-based alloys, Sn-based alloys, and In-based alloys are preferable from the viewpoint of low melting point, high vapor pressure, cost, and the like.

上記Al系合金としては、例えば、Al−Co系合金、Al−Bi系合金、Al−Co−Bi系合金、Al−Bi−Co系合金、Al−Sn系合金など、上記Sn系合金としては、例えば、Sn−Co、Sn−Ni、Sn−Fe、Sn−Cu、Sn−Ag、Sn−In、Sn−Sb、Sn−Bi、In−Sbなどを例示することができる。   Examples of the Al alloy include the Al-Co alloy, Al-Bi alloy, Al-Co-Bi alloy, Al-Bi-Co alloy, and Al-Sn alloy. Examples thereof include Sn—Co, Sn—Ni, Sn—Fe, Sn—Cu, Sn—Ag, Sn—In, Sn—Sb, Sn—Bi, and In—Sb.

Si合金の形状は、特に限定されるものではなく、その外形が比較的均一に整っていても良いし、その外形が不揃いであっても良い。また、個々のSi合金はそれぞれ分離していても良いし、部分的にSi合金同士が連なっていても良い。   The shape of the Si alloy is not particularly limited, and the outer shape may be relatively uniform, or the outer shape may be uneven. Moreover, each Si alloy may be isolate | separated, respectively, and Si alloys may continue in part.

Si合金の大きさは、その上限値が、好ましくは、5μm以下、より好ましくは、1μm以下、さらにより好ましくは、100nm以下であると良い。Si合金が小さいほど、Si合金の膨張収縮応力が小さくなり、サイクル特性が向上するからである。   The upper limit of the size of the Si alloy is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less, and even more preferably 100 nm or less. This is because the smaller the Si alloy, the smaller the expansion / contraction stress of the Si alloy and the better the cycle characteristics.

一方、Si合金の大きさは、その下限値が、好ましくは、10nm以上、より好ましくは、40nm以上、さらにより好ましくは、50nm以上であると良い。粒径が細かくなると酸化しやすくなり、容量低下につながるからである。   On the other hand, the lower limit of the size of the Si alloy is preferably 10 nm or more, more preferably 40 nm or more, and even more preferably 50 nm or more. This is because when the particle size is small, oxidation tends to occur, leading to a decrease in capacity.

なお、上記Si合金の大きさは、本負極活物質の微細組織写真(1視野)から任意に選択したSi合金20個について測定したSi合金の大きさの平均値である。   In addition, the magnitude | size of the said Si alloy is an average value of the magnitude | size of the Si alloy measured about 20 Si alloys arbitrarily selected from the micro structure photograph (one visual field) of this negative electrode active material.

本負極活物質において、Si合金は、本負極活物質の全質量に対して、好ましくは、25質量%以上、より好ましくは、40質量%以上、さらにより好ましくは、50質量%以上含まれていると良い。Si合金が過度に少なくなれば、負極活物質の容量が低下し、黒鉛の代替材料としての意味が小さくなる。Si合金含有量が上記範囲内であれば、サイクル特性の向上効果と高容量化とのバランスに優れるからである。   In the present negative electrode active material, the Si alloy is preferably contained in an amount of 25% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, and still more preferably 50% by mass or more based on the total mass of the present negative electrode active material. Good to be. If the Si alloy is excessively reduced, the capacity of the negative electrode active material is reduced, and the meaning as an alternative material for graphite is reduced. This is because, if the Si alloy content is within the above range, the balance between the improvement effect of cycle characteristics and the increase in capacity is excellent.

一方、Si合金は、本負極活物質の全質量に対して、好ましくは、80質量%以下、より好ましくは、60質量%以下含まれていると良い。Si合金が過度に多くなれば、第2の金属マトリクス量が相対的に低下し、Si合金の膨張・収縮を抑制する効果が小さくなる傾向がある。Si合金含有量が上記範囲であれば、サイクル特性の向上効果と高容量化とのバランスに優れるからである。   On the other hand, the Si alloy is preferably contained in an amount of 80% by mass or less, more preferably 60% by mass or less based on the total mass of the negative electrode active material. If the Si alloy is excessively large, the amount of the second metal matrix is relatively decreased, and the effect of suppressing the expansion and contraction of the Si alloy tends to be reduced. This is because if the Si alloy content is in the above range, the balance between the improvement effect of the cycle characteristics and the increase in capacity is excellent.

本負極活物質において、第2の金属マトリクスは、Li活性を有する。ここで、「Li活性を有する」とは、第2の金属マトリクス単体でもLiと反応し、Li化合物を形成する、ということを意味する。(第1の金属マトリクスが「Li活性を有する」場合についても同様)。本発明では、第2の金属マトリクスがLi活性を有することにより、Si合金内部のSi結晶子までリチウムが到達しやすくなる。   In the present negative electrode active material, the second metal matrix has Li activity. Here, “having Li activity” means that the second metal matrix alone reacts with Li to form a Li compound. (The same applies to the case where the first metal matrix has “Li activity”). In the present invention, when the second metal matrix has Li activity, lithium easily reaches the Si crystallite inside the Si alloy.

第2の金属マトリクスの材質としては、具体的には、例えば、Sn、Sn系合金、Al、Al系合金、In、In系合金、Bi、Bi系合金、Sb、Sb系合金などを例示することができる。これらのうち、好ましくは、高Li活性を有するなどの観点から、SnまたはSn系合金であると良い。Siに比べ低容量であるため、第2の金属マトリクスの膨張・収縮を小さくすることができ、負極活物質の安定性向上に寄与することができるからである。特に好ましくは、Liとの反応性、マトリクスの安定性、コストなどの観点から、Sn系合金であると良い。   Specific examples of the material of the second metal matrix include Sn, Sn alloy, Al, Al alloy, In, In alloy, Bi, Bi alloy, Sb, Sb alloy and the like. be able to. Of these, Sn or an Sn-based alloy is preferable from the viewpoint of having high Li activity. This is because the capacity is lower than that of Si, so that the expansion and contraction of the second metal matrix can be reduced, and the stability of the negative electrode active material can be improved. Particularly preferred is a Sn-based alloy from the viewpoints of reactivity with Li, matrix stability, cost, and the like.

第2の金属マトリクスは、好ましくは、Snを40原子%以上、より好ましくは、50原子%以上含有していると良い。活物質利用率の向上、負極活物質の安定性向上へ寄与しやすくなるからである。もっとも、Snが80原子%を越えると、かえって特性向上効果が低下する傾向がある。そのため、第2の金属マトリクスは、好ましくは、Snを80原子%以下、より好ましくは、75原子%以下、さらに好ましくは、70原子%以下含有していると良い。   The second metal matrix preferably contains Sn at 40 atom% or more, more preferably 50 atom% or more. It is because it becomes easy to contribute to the improvement of the active material utilization rate and the stability of the negative electrode active material. However, when Sn exceeds 80 atomic%, the effect of improving the characteristics tends to decrease. Therefore, the second metal matrix preferably contains Sn at 80 atomic% or less, more preferably 75 atomic% or less, and further preferably 70 atomic% or less.

上記Sn系合金としては、例えば、Sn−Co系合金、Sn−Cu系合金、Sn−Fe系合金、Sn−Ni系合金などを例示することができる。   Examples of the Sn-based alloy include a Sn—Co alloy, a Sn—Cu alloy, a Sn—Fe alloy, a Sn—Ni alloy, and the like.

本負極活物質において、第2の金属マトリクスは、本負極活物質の全質量に対して、好ましくは、50質量%以上、より好ましくは、60質量%以上、さらにより好ましくは、70質量%以上含まれていると良い。第2の金属マトリクスが過度に少なくなれば、Si合金の膨張・収縮を緩和し難くなる。第2の金属マトリクスの含有量が上記範囲内であれば、サイクル特性の向上効果に寄与しやすくなる。   In the present negative electrode active material, the second metal matrix is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, and still more preferably 70% by mass or more with respect to the total mass of the present negative electrode active material. Good to be included. If the second metal matrix is excessively reduced, it is difficult to mitigate expansion and contraction of the Si alloy. When the content of the second metal matrix is within the above range, it is easy to contribute to the effect of improving the cycle characteristics.

一方、第2の金属マトリクスは、本負極活物質の全質量に対して、好ましくは、90質量%以下、より好ましくは、80質量%以下含まれていると良い。第2の金属マトリクスが過度に多くなれば、Si合金が相対的に低下し、高容量化への寄与が小さくなる。上記範囲であれば、サイクル特性の向上効果と高容量化とのバランスに優れる。   On the other hand, the second metal matrix is preferably 90% by mass or less, more preferably 80% by mass or less, with respect to the total mass of the negative electrode active material. If the second metal matrix is excessively large, the Si alloy is relatively lowered, and the contribution to the increase in capacity is reduced. If it is the said range, it is excellent in balance with the improvement effect of cycling characteristics, and high capacity | capacitance.

本負極活物質の形態は、特に限定されるものではない。具体的には、薄片状、粉末状などの形態を例示することができる。好ましくは、負極の製造に適用しやすいなどの観点から、粉末状であると良い。また、本負極活物質は、適当な溶媒中に分散されていても構わない。   The form of the negative electrode active material is not particularly limited. Specifically, forms such as flakes and powders can be exemplified. Preferably, it is in a powder form from the viewpoint of easy application to the production of a negative electrode. Further, the negative electrode active material may be dispersed in an appropriate solvent.

本負極活物質の大きさは、その上限値が、好ましくは、50μm以下、より好ましくは、25μm以下であると良い。粒径が大きいと、Liが活物質内部まで拡散し難くなり、活物質利用率が低下する傾向があるからである。   The upper limit of the size of the negative electrode active material is preferably 50 μm or less, and more preferably 25 μm or less. This is because when the particle size is large, Li hardly diffuses into the active material, and the active material utilization rate tends to decrease.

一方、本負極活物質の大きさは、その下限値が、好ましくは、100nm以上、より好ましくは、500nm以上、さらにより好ましくは、1μm以上であると良い。粒径が細かくなり過ぎると、粒子が酸化しやすくなり、容量低下を招くからである。   On the other hand, the lower limit of the size of the negative electrode active material is preferably 100 nm or more, more preferably 500 nm or more, and even more preferably 1 μm or more. This is because if the particle size becomes too fine, the particles are likely to be oxidized and the capacity is reduced.

なお、本負極活物質の大きさは、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置にて測定することができる。   In addition, the magnitude | size of this negative electrode active material can be measured with a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring apparatus.

次に、本負極活物質の製造方法について説明する。本負極活物質の製造方法としては、第1の金属マトリクス中にSi結晶子が分散されたSi合金粉末を製造する工程と、得られたSi合金粉末とLi活性を有する第2の金属マトリクス粉末とを混合、複合化し、第2の金属マトリクス中にSi合金を分散させる工程とを経る方法などを例示することができる。   Next, the manufacturing method of this negative electrode active material is demonstrated. As a method for producing the present negative electrode active material, a step of producing a Si alloy powder in which Si crystallites are dispersed in a first metal matrix, and the obtained Si alloy powder and a second metal matrix powder having Li activity And the like, and a process of passing through a step of dispersing the Si alloy in the second metal matrix.

上記Si合金粉末は、具体的には、例えば、先ず、所定の化学組成となるように各原料を量り取り、量り取った各原料を、アーク炉、高周波誘導炉、加熱炉などの溶解手段を用いて溶解させるなどしてSi合金溶湯とし、このSi合金溶湯を急冷して急冷合金とすることにより好適に製造することができる。   Specifically, the Si alloy powder is, for example, firstly weighed each raw material so as to have a predetermined chemical composition, and each of the weighed raw materials is subjected to melting means such as an arc furnace, a high frequency induction furnace, a heating furnace, etc. It can be suitably manufactured by making a molten Si alloy by, for example, melting it, and quenching the molten Si alloy to obtain a quenched alloy.

合金溶湯を急冷する方法としては、具体的には、例えば、ロール急冷法(単ロール急冷法、相ロール急冷法等)、アトマイズ法(ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心アトマイズ法)などを例示することができる。好ましくは、Si結晶子を小さくさせやすいなどの観点から、ロール急冷法を好適に用いることができる。合金溶湯の最大急冷速度は、好ましくは、10K/秒以上、より好ましくは、10K/秒以上であると良い。 Specific examples of methods for rapidly cooling molten alloy include roll quenching methods (single roll quenching method, phase roll quenching method, etc.), atomizing methods (gas atomizing method, water atomizing method, centrifugal atomizing method) and the like. be able to. Preferably, the roll quenching method can be suitably used from the viewpoint of easily reducing the Si crystallite. The maximum rapid cooling rate of the molten alloy is preferably 10 3 K / second or more, more preferably 10 6 K / second or more.

なお、得られた急冷合金が粉末状でない場合には、急冷合金を適当な粉砕手段により粉砕して粉末状にする工程を追加しても良い。また、必要に応じて、得られた急冷合金を分級処理して適当な粒度に調整する工程などを追加しても良い。   In addition, when the obtained quenched alloy is not in a powder form, a step of pulverizing the quenched alloy by an appropriate pulverizing means to form a powder may be added. Moreover, you may add the process of classifying the obtained quenched alloy and adjusting it to a suitable particle size, etc. as needed.

得られたSi合金粉末と、Li活性を有する第2の金属マトリクス粉末とを混合、複合化する方法としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、アトライタ、振動ミル、ライカイ機、グラインディングミル等の装置を用い、粉末に対して外部から力を与え、混合、複合化する方法などを例示することができる。上記装置としては、生産性、与えるエネルギーの大きさ等の観点から、好ましくは、ボールミル、アトライタなどを好適に用いることができる。   As a method of mixing and combining the obtained Si alloy powder and the second metal matrix powder having Li activity, for example, an apparatus such as a ball mill, a bead mill, an attritor, a vibration mill, a reiki machine, or a grinding mill is used. Examples thereof include a method of applying a force from the outside to the powder and mixing and compounding. As the above apparatus, a ball mill, an attritor or the like can be preferably used from the viewpoints of productivity, the amount of energy to be applied, and the like.

2.本負極
図2は、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池用負極を模式的に示した図である。図3は、本発明の一実施形態に係る他のリチウム二次電池用負極を模式的に示した図である。図2、図3に示すように、本負極20は、本負極活物質10を用いて構成されている。
2. Present Negative Electrode FIG. 2 is a diagram schematically showing a negative electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram schematically showing another negative electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 2 and 3, the negative electrode 20 is configured using the negative electrode active material 10.

具体的には、図2、図3に示すように、本負極20は、導電性基材22と、導電性基材22の表面に積層された導電膜24とを有している。導電膜24は、バインダー26中に少なくとも上述した本負極活物質10を含有している。図2、図3に示すように、導電膜24は、他にも、必要に応じて、導電助材28を含有していても良い。導電助材28を含有する場合には、電子の導電経路を確保しやすくなる。   Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the negative electrode 20 includes a conductive substrate 22 and a conductive film 24 laminated on the surface of the conductive substrate 22. The conductive film 24 contains at least the negative electrode active material 10 described above in a binder 26. As shown in FIGS. 2 and 3, the conductive film 24 may further contain a conductive additive 28 as necessary. When the conductive auxiliary material 28 is contained, it is easy to secure a conductive path for electrons.

また、図3に示すように、導電膜24は、必要に応じて、骨材30を含有していても良い。骨材30を含有する場合には、充放電時の負極10の膨張・収縮を抑制しやすくなり、負極10の崩壊を抑制できるため、サイクル特性を一層向上させることができる。   Moreover, as shown in FIG. 3, the electrically conductive film 24 may contain the aggregate 30 as needed. When the aggregate 30 is contained, the expansion and contraction of the negative electrode 10 during charge / discharge can be easily suppressed, and the collapse of the negative electrode 10 can be suppressed. Therefore, cycle characteristics can be further improved.

導電膜の膜厚は、電極面積当たりの容量増加、電池体積の減少などの観点から、好ましくは、10〜100μm、より好ましくは、20〜50μmの範囲内にあると良い。   The film thickness of the conductive film is preferably in the range of 10 to 100 μm, more preferably 20 to 50 μm, from the viewpoint of increasing the capacity per electrode area and decreasing the battery volume.

上記導電性基材は、集電体として機能する。その材質としては、例えば、Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、Fe、Fe基合金などを例示することができる。好ましくは、Cu、Cu合金であると良い。また、具体的な導電性基材の形態としては、箔状、板状等を例示することができる。好ましくは、電池としての体積を小さくできる、形状自由度が向上するなどの観点から、箔状であると良い。   The conductive substrate functions as a current collector. Examples of the material include Cu, Cu alloy, Ni, Ni alloy, Fe, and Fe-based alloy. Preferably, Cu or Cu alloy is preferable. Moreover, as a form of a specific electroconductive base material, foil shape, plate shape, etc. can be illustrated. A foil shape is preferable from the viewpoint of reducing the volume of the battery and improving the degree of freedom in shape.

上記バインダーの材質としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸などを好適に用いることができる。これらは1種または2種以上併用することができる。これらのうち、好ましくは、電気化学反応における安定性、溶剤への溶解性などの観点から、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂であると良い。   Examples of the binder material include polyvinylidene fluoride (PVdF) resin, fluorine resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol resin, polyimide resin, polyamide resin, polyamideimide resin, styrene butadiene rubber (SBR), and polyacrylic acid. Etc. can be used suitably. These can be used alone or in combination of two or more. Of these, polyvinylidene fluoride (PVdF) resin is preferable from the viewpoints of stability in electrochemical reaction, solubility in a solvent, and the like.

上記導電助材としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを例示することができる。これらは1または2以上併用しても良い。これらのうち、好ましくは、電子伝導性を確保しやすいなどの観点から、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどを好適に用いることができる。   Examples of the conductive aid include carbon black such as ketjen black, acetylene black and furnace black, graphite, carbon nanotube, fullerene and the like. One or more of these may be used in combination. Of these, ketjen black, acetylene black, and the like can be preferably used from the viewpoint of easily ensuring electron conductivity.

上記導電助材の含有量は、導電性向上度、電極容量などの観点から、本活物質100質量部に対して、好ましくは、0〜30質量部、より好ましくは、6〜13質量部の範囲内であると良い。また、上記導電助材の平均粒子径は、分散性、扱い易さなどの観点から、好ましくは、10nm〜1μm、より好ましくは、20〜50nmであると良い。   The content of the conductive additive is preferably 0 to 30 parts by mass, more preferably 6 to 13 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material from the viewpoint of the degree of improvement in conductivity, electrode capacity, and the like. It should be within the range. The average particle diameter of the conductive aid is preferably 10 nm to 1 μm, more preferably 20 to 50 nm, from the viewpoints of dispersibility and ease of handling.

上記骨材としては、充放電時に膨張・収縮しない、または、膨張・収縮が非常に小さい材質のものを好適に用いることができる。例えば、黒鉛、アルミナ、カルシア、ジルコニア、活性炭などを例示することができる。これらは1または2以上併用しても良い。これらのうち、好ましくは、導電性、Li活性度などの観点から、黒鉛などを好適に用いることができる。   As the above-mentioned aggregate, a material that does not expand or contract during charging / discharging or that has a very small expansion / contraction can be suitably used. For example, graphite, alumina, calcia, zirconia, activated carbon and the like can be exemplified. One or more of these may be used in combination. Of these, graphite and the like can be preferably used from the viewpoints of conductivity, Li activity, and the like.

上記骨材の含有量は、サイクル特性向上などの観点から、本負極活物質100質量部に対して、好ましくは、10〜400質量部、より好ましくは、43〜100質量部の範囲内であると良い。また、上記骨材の平均粒子径は、骨材としての機能性、電極膜厚の制御などの観点から、好ましくは、10〜50μm、より好ましくは、20〜30μmであると良い。なお、上記骨材の平均粒子径は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した値である。   The content of the aggregate is preferably 10 to 400 parts by mass, more preferably 43 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material from the viewpoint of improving cycle characteristics and the like. And good. The average particle diameter of the aggregate is preferably 10 to 50 μm, more preferably 20 to 30 μm, from the viewpoints of functionality as an aggregate and control of the electrode film thickness. The average particle diameter of the aggregate is a value measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus.

本負極は、例えば、適当な溶剤に溶解したバインダー中に、本負極活物質、必要に応じて、導電助材、骨材を必要量添加してペースト化し、これを導電性基材の表面に塗工、乾燥させ、必要に応じて、圧密化や熱処理等を施すことにより製造することができる。   For example, the negative electrode is made into a paste by adding a necessary amount of the negative electrode active material, and, if necessary, a conductive additive and an aggregate to a binder dissolved in a suitable solvent. It can be produced by coating, drying, and applying consolidation or heat treatment as necessary.

本負極を用いてリチウム二次電池を構成する場合、本負極以外の電池の基本構成要素である正極、電解質、セパレータなどについては、特に限定されるものではない。   When a lithium secondary battery is configured using the present negative electrode, the positive electrode, electrolyte, separator, and the like, which are basic components of the battery other than the main negative electrode, are not particularly limited.

上記正極としては、具体的には、例えば、アルミニウム箔などの集電体表面に、LiCoO、LiNiO、LiFePO、LiMnOなどの正極活物質を含む層を形成したものなどを例示することができる。 Specific examples of the positive electrode include, for example, a material in which a layer containing a positive electrode active material such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , LiMnO 2 is formed on the surface of a current collector such as an aluminum foil. Can do.

上記電解質としては、具体的には、例えば、非水溶媒にリチウム塩を溶解した電解液などを例示することができる(リチウムイオン二次電池)。その他にも、ポリマー中にリチウム塩が溶解されたもの、ポリマーに上記電解液を含浸させたポリマー固体電解質などを用いることもできる(リチウムポリマー二次電池)。   Specific examples of the electrolyte include an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a nonaqueous solvent (lithium ion secondary battery). In addition, a polymer in which a lithium salt is dissolved in a polymer, a polymer solid electrolyte in which a polymer is impregnated with the electrolytic solution, and the like can be used (lithium polymer secondary battery).

上記非水溶媒としては、具体的には、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブ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、メチルエチルカーボネートなどを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。   Specific examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. These may be contained alone or in combination of two or more.

上記リチウム塩としては、具体的には、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiCFSO、LiAなどを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。 Specific examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiA 3 F 3, and the like. These may be contained alone or in combination of two or more.

また、その他の電池構成要素としては、セパレータ、缶(電池ケース)、ガスケット等が挙げられるが、これらについても、リチウム二次電池で通常採用される物であれば、何れの物であっても適宜組み合わせて電池を構成することができる。   Other battery components include separators, cans (battery cases), gaskets, etc., and any of these may be used as long as they are usually employed in lithium secondary batteries. A battery can be configured by appropriately combining.

なお、電池形状は、特に限定されるものではなく、筒型、角型、コイン型など何れの形状であっても良く、その具体的用途に合わせて適宜選択することができる。   The battery shape is not particularly limited, and may be any shape such as a cylindrical shape, a square shape, or a coin shape, and can be appropriately selected according to the specific application.

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。なお、合金組成、合金混合割合の%は、特に明示する場合を除き、質量%である。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. Note that% of the alloy composition and the alloy mixing ratio is mass% unless otherwise specified.

1.負極活物質の作製
(実施例1)
表1に示す合金組成(68%Si−17%Al−8%Co−7%Bi)となるように各原料を秤量した。秤量した各原料を加熱、溶解し、合金溶湯とした。得られた合金溶湯を、液体単ロール超急冷法を用いて急冷し、急冷合金リボンを得た。なお、ロール周速は25m/s、ノズル距離は3mmとした。得られた急冷合金リボンを、乳鉢を用いて機械的に粉砕し、Si合金粉末を得た。
1. Preparation of negative electrode active material (Example 1)
Each raw material was weighed so as to have an alloy composition shown in Table 1 (68% Si-17% Al-8% Co-7% Bi). Each weighed raw material was heated and melted to obtain a molten alloy. The obtained molten alloy was rapidly cooled using a liquid single roll ultra-quenching method to obtain a quenched alloy ribbon. The roll peripheral speed was 25 m / s and the nozzle distance was 3 mm. The obtained quenched alloy ribbon was mechanically pulverized using a mortar to obtain Si alloy powder.

次に、得られたSi合金粉末と、表1に示す合金組成(80%Sn−20%Coは、Sn67原子%、Co33原子%である)を有するSn系合金粉末(ガスアトマイズ法により作製)とを、表1に示す混合割合(Si合金粉末:Sn系合金粉末=25%:75%)となるように秤量した。秤量した各粉末を、遊星ボールミル装置(ポット材質:SUS304、ボール材質:SUJ2、ボール径:6.4mm)に入れてArガスによりシールし、回転数300rpm、混合時間30hの条件で、混合、複合化した。これにより、実施例1に係る負極活物質を得た。   Next, the obtained Si alloy powder and an Sn-based alloy powder (produced by gas atomization method) having the alloy composition shown in Table 1 (80% Sn-20% Co is Sn 67 atom% and Co 33 atom%) Were weighed so as to have the mixing ratio shown in Table 1 (Si alloy powder: Sn-based alloy powder = 25%: 75%). Each weighed powder is placed in a planetary ball mill (pot material: SUS304, ball material: SUJ2, ball diameter: 6.4 mm), sealed with Ar gas, mixed and combined under the conditions of a rotation speed of 300 rpm and a mixing time of 30 h. Turned into. Thereby, the negative electrode active material according to Example 1 was obtained.

(実施例2〜14)
実施例1と同様にして、表1に示す合金組成を有する各Si合金粉末、各Sn系合金粉末(67%Sn−33%Coは、Sn50原子%、Co50原子%、75%Sn−25%Coは、Sn60原子%、Co40原子%、80%Sn−20%Coは、Sn67原子%、Co33原子%である)を準備した。次いで、準備した各合金粉末を用い、表1に示す各混合割合で混合、複合化した点以外は同様にして、実施例2〜14に係る各負極活物質を得た。
(Examples 2 to 14)
In the same manner as in Example 1, each Si alloy powder having the alloy composition shown in Table 1, each Sn-based alloy powder (67% Sn-33% Co is Sn 50 atomic%, Co 50 atomic%, 75% Sn-25%. (Co is Sn 60 atomic%, Co 40 atomic%, 80% Sn-20% Co is Sn 67 atomic%, Co 33 atomic%). Subsequently, each negative electrode active material according to Examples 2 to 14 was obtained in the same manner except that the prepared alloy powders were mixed and compounded at the mixing ratios shown in Table 1 and combined.

(比較例1、2)
実施例1において、Si合金粉末に代えて純Si粉末(ガスアトマイズ法により作製)を準備し、この純Si粉末とSn系合金粉末とを用い、表1に示す混合割合で混合、複合化した点以外は同様にして、比較例1、2に係る各負極活物質を得た。
(Comparative Examples 1 and 2)
In Example 1, pure Si powder (manufactured by gas atomization method) was prepared instead of Si alloy powder, and this pure Si powder and Sn-based alloy powder were mixed and mixed at the mixing ratio shown in Table 1. The negative electrode active materials according to Comparative Examples 1 and 2 were obtained in the same manner.

(比較例3、4)
表1に示す合金組成(17%Si−14%Al−13%Bi−40%Sn−16%Co、17%Si−4%Al−2%Bi−60%Sn−17%Co)となるように各原料を秤量し、上述の遊星ボールミル装置に入れてArガスによりシールし、回転数300rpm、混合時間30hの条件で、混合、複合化した。これにより、比較例3、4に係る各負極活物質を得た。
(Comparative Examples 3 and 4)
The alloy composition shown in Table 1 (17% Si-14% Al-13% Bi-40% Sn-16% Co, 17% Si-4% Al-2% Bi-60% Sn-17% Co) Each raw material was weighed, put in the above-mentioned planetary ball mill apparatus, sealed with Ar gas, mixed and compounded under the conditions of a rotation speed of 300 rpm and a mixing time of 30 h. Thereby, each negative electrode active material according to Comparative Examples 3 and 4 was obtained.

(比較例5、6)
実施例1において、Sn系合金粉末に代えて純Cu粉末(福田金属箔粉(株)製、d50=5μm)を準備し、表1に示す合金組成のSi合金粉末とこの純Cu粉末とを用い、表1に示す混合割合で混合、複合化した点以外は同様にして、比較例5、6に係る各負極活物質を得た。
(Comparative Examples 5 and 6)
In Example 1, instead of Sn-based alloy powder, pure Cu powder (Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd., d50 = 5 μm) was prepared, and the Si alloy powder having the alloy composition shown in Table 1 and this pure Cu powder were prepared. Each negative electrode active material according to Comparative Examples 5 and 6 was obtained in the same manner except that it was used and mixed and mixed at the mixing ratio shown in Table 1.

(比較例7)
実施例1において、Si合金粉末に代えて純Si粉末(ガスアトマイズ法により作製)、Sn系合金粉末に代えて純Cu粉末(福田金属箔粉(株)製、d50=5μm)を準備し、これら純Si粉末と純Cu粉末とを用い、表1に示す混合割合で混合、複合化した点以外は同様にして、比較例7に係る負極活物質を得た。
(Comparative Example 7)
In Example 1, pure Si powder (manufactured by gas atomization method) instead of Si alloy powder, pure Cu powder (manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd., d50 = 5 μm) was prepared instead of Sn alloy powder, and these A negative electrode active material according to Comparative Example 7 was obtained in the same manner except that pure Si powder and pure Cu powder were mixed and combined at a mixing ratio shown in Table 1.

2.負極活物質の組織観察等
図4に、代表例として、実施例1に係る負極活物質の走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を示す。図5に、比較例1に係る負極活物質の走査型電子顕微鏡(SEM)による反射電子像を示す。また、エネルギー分散X線分光法(EDX)により元素分析も併せて行った。
2. Observation of Structure of Negative Electrode Active Material, etc. FIG. 4 shows, as a representative example, a reflected electron image of the negative electrode active material according to Example 1 by a scanning electron microscope (SEM). In FIG. 5, the reflected electron image by the scanning electron microscope (SEM) of the negative electrode active material which concerns on the comparative example 1 is shown. Elemental analysis was also performed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

その結果によれば、図4に示すように、実施例1に係る負極活物質は、Al−Co−Bi相からなる第1の金属マトリクス中にSi結晶子が多数分散されたSi合金を有しており、このSi合金が、Sn系合金(Li活性を有する第2の金属マトリクス)中に多数分散された組織構造を備えていることが確認された。つまり、実施例1に係る負極活物質は、微細なSi結晶子の周囲が第1の金属マトリクスにより取り囲まれており、さらに、この第1の金属マトリクスの周囲が、Li活性を有する第2の金属マトリクスにより取り囲まれた二重マトリクス構造を有していることが確認された。なお、この結果から、Si合金中においてSiは単独で存在しており、他の各元素(Al、Co、Bi)とSiとは相分離していることが分かる。   According to the results, as shown in FIG. 4, the negative electrode active material according to Example 1 has a Si alloy in which a large number of Si crystallites are dispersed in the first metal matrix composed of the Al—Co—Bi phase. Thus, it was confirmed that this Si alloy had a structure that was dispersed in a large amount in an Sn-based alloy (second metal matrix having Li activity). That is, in the negative electrode active material according to Example 1, the periphery of the fine Si crystallite is surrounded by the first metal matrix, and the periphery of the first metal matrix is the second having the Li activity. It was confirmed to have a double matrix structure surrounded by a metal matrix. From this result, it can be seen that Si is present alone in the Si alloy, and other elements (Al, Co, Bi) and Si are phase-separated.

これに対し、比較例1に係る負極活物質は、図5に示すように、Sn系合金(マトリクス)中に、Si結晶子が多数分散されていることが確認された。つまり、比較例1に係る負極活物質は、微細なSi結晶子の周囲が金属マトリクスにより取り囲まれた一重マトリクス構造を有していることが確認された。   In contrast, the negative electrode active material according to Comparative Example 1 was confirmed to have a large number of Si crystallites dispersed in the Sn-based alloy (matrix) as shown in FIG. That is, it was confirmed that the negative electrode active material according to Comparative Example 1 had a single matrix structure in which the periphery of the fine Si crystallite was surrounded by the metal matrix.

また、各負極活物質につき、Si結晶子の大きさを測定した。なお、Si結晶子の大きさは、SEM像(1視野)の任意のSi結晶子20個について測定したSi結晶子の大きさの平均値である。   Moreover, the magnitude | size of Si crystallite was measured about each negative electrode active material. The size of the Si crystallite is an average value of the sizes of the Si crystallites measured for 20 arbitrary Si crystallites in the SEM image (one field of view).

表1に、作製した各負極活物質の詳細をまとめて示す。   Table 1 summarizes the details of the prepared negative electrode active materials.

3.負極活物質の評価
3.1 充放電試験用コイン型電池の作製
初めに、分級により25μm以下に調整した各負極活物質と、導電助材としてのアセチレンブラック(電気化学工業(株)製、d50=36nm)と、必要に応じて添加する骨材としての黒鉛(伊藤黒鉛工業(株)製、「SG−BH」)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを表2に示す配合割合で配合し、これを溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と混合し、各負極活物質を含む各ペーストを作製した。
3. 3. Evaluation of negative electrode active material 3.1 Production of coin-type battery for charge / discharge test First, each negative electrode active material adjusted to 25 μm or less by classification, and acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., d50). = 36 nm), graphite as an aggregate to be added as required (“SG-BH” manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd.), and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are shown in Table 2. It mix | blended by the mixture ratio, this was mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent, and each paste containing each negative electrode active material was produced.

以下の通り、各コイン型半電池を作製した。ここでは、簡易的な評価とするため、負極活物質を用いて作製した電極を試験極とし、Li箔を対極とした。先ず、負極集電体となる銅箔(厚み18μm)表面に、ドクターブレードを用いて、50μmになるように各ペーストを塗布し、乾燥させ、各負極活物質層を形成した。形成後、ロールプレスにより負極活物質層を圧密化した。これにより、実施例および比較例に係る試験極を作製した。   Each coin type half battery was produced as follows. Here, for simple evaluation, an electrode produced using a negative electrode active material was used as a test electrode, and a Li foil was used as a counter electrode. First, each paste was applied to a surface of a copper foil (thickness: 18 μm) serving as a negative electrode current collector to a thickness of 50 μm using a doctor blade and dried to form each negative electrode active material layer. After the formation, the negative electrode active material layer was consolidated by a roll press. This produced the test pole which concerns on an Example and a comparative example.

次いで、実施例および比較例に係る試験極を、直径11mmの円板状に打ち抜き、各試験極とした。   Next, the test electrodes according to Examples and Comparative Examples were punched into a disk shape having a diameter of 11 mm to obtain test electrodes.

次いで、Li箔(厚み500μm)を上記試験極と略同形に打ち抜き、各正極を作製した。また、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との等量混合溶媒に、LiPFを1mol/lの濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。 Next, a Li foil (thickness: 500 μm) was punched out in substantially the same shape as the above test electrode, and each positive electrode was produced. In addition, LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in an equal mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) to prepare a nonaqueous electrolytic solution.

次いで、各試験極を各正極缶に収容するとともに、対極を各負極缶に収容し、各試験極と各対極との間に、ポリオレフィン系微多孔膜のセパレータを配置した。   Next, each test electrode was accommodated in each positive electrode can, and the counter electrode was accommodated in each negative electrode can, and a polyolefin microporous membrane separator was disposed between each test electrode and each counter electrode.

次いで、各缶内に上記非水電解液を注入し、各負極缶と各正極缶とをそれぞれ加締め固定した。   Next, the non-aqueous electrolyte was poured into each can, and each negative electrode can and each positive electrode can were fixed by caulking.

3.2 充放電試験
各コイン型半電池を用い、電流値0.1mAの定電流充放電を1サイクル分実施し、この放電容量を初期容量Cとした。2サイクル目以降は、1/5Cレートで充放電試験を実施した(Cレート:電極を(充)放電するのに要する電気量Cを1時間で(充)放電する電流値を1Cとする。5Cならば20分で、1/5Cならば5時間で(充)放電することとなる。)。この放電時に使用した容量(mAh)を活物質量(g)で割った値を各放電容量(mAh/g)とした。
3.2 with each coin type half cell charge-discharge test, the constant current charge-discharge current value 0.1mA performed one cycle, and the discharge capacity and the initial capacity C 0. The second and subsequent cycles, the charge and discharge test was performed at 1 / 5C rate (C rate: the electrode (charging) the electric quantity C 0 required to discharge in 1 hour (charge) and 1C a current value for discharging (If it is 5C, it will discharge (charge) in 20 minutes, and if it is 1 / 5C, it will be charged and discharged in 5 hours.) A value obtained by dividing the capacity (mAh) used at the time of discharge by the amount of active material (g) was defined as each discharge capacity (mAh / g).

本実施例では、上記充放電サイクルを50回行うことにより、サイクル特性の評価を行った。   In this example, the cycle characteristics were evaluated by performing the charge / discharge cycle 50 times.

そして、得られた各放電容量から容量維持率(2サイクル後の放電容量/初期放電容量(1サイクル目の放電容量)×100、50サイクル後の放電容量/初期放電容量(1サイクル目の充電容量)×100)を求めた。その結果を表3に示す。   Then, from each of the obtained discharge capacities, the capacity retention ratio (discharge capacity after 2 cycles / initial discharge capacity (discharge capacity at the first cycle) × 100, discharge capacity after 50 cycles / initial discharge capacity (charge at the first cycle) Capacity) × 100). The results are shown in Table 3.

表3によれば、以下のことが分かる。すなわち、比較例1および2に係る負極活物質は、純SiとSn系合金とを複合化したものである。そのため、二重マトリクス構造を取らず、リチウムイオンの吸蔵・放出に伴う体積膨張・収縮により、Siの崩壊が早く、これら負極活物質による負極を用いた電池は、サイクル特性が不十分である。   According to Table 3, the following can be understood. That is, the negative electrode active material according to Comparative Examples 1 and 2 is a composite of pure Si and a Sn-based alloy. For this reason, Si does not collapse rapidly due to volume expansion / contraction associated with insertion / extraction of lithium ions without taking a double matrix structure, and a battery using a negative electrode made of these negative electrode active materials has insufficient cycle characteristics.

比較例3、4に係る負極活物質は、製造時に急冷を行っておらず、全元素を混合後に複合化したものある。そのため、マトリクス構造をとらず、これら負極活物質による負極を用いた電池は、サイクル特性が不十分である。   The negative electrode active materials according to Comparative Examples 3 and 4 are not rapidly cooled at the time of manufacture, and are combined after mixing all the elements. Therefore, a battery using a negative electrode made of these negative electrode active materials without taking a matrix structure has insufficient cycle characteristics.

比較例5、6に係る負極活物質は、Si合金とCuとを複合化したものである。Li活性のないCuが第2の金属マトリクスとなるため、Si合金内部にリチウムが届き難い。したがって、これら負極活物質による負極を用いた電池は、初期放電容量が低く、活物質利用率が低い。   The negative electrode active material according to Comparative Examples 5 and 6 is a composite of Si alloy and Cu. Since Cu having no Li activity becomes the second metal matrix, it is difficult for lithium to reach inside the Si alloy. Therefore, batteries using negative electrodes made of these negative electrode active materials have a low initial discharge capacity and a low active material utilization rate.

比較例7に係る負極活物質も、SiとCuとを複合化したものである。Li活性のないCuが第2の金属マトリクスとなるため、Siにリチウムイオンが届き難い。したがって、これら負極活物質による負極を用いた電池は、初期放電容量が低く、活物質利用率が低い。加えて、二重マトリクス構造をとらないので、これら負極活物質による負極を用いた電池は、サイクル特性が不十分である。   The negative electrode active material according to Comparative Example 7 is also a composite of Si and Cu. Since Cu having no Li activity becomes the second metal matrix, it is difficult for lithium ions to reach Si. Therefore, batteries using negative electrodes made of these negative electrode active materials have a low initial discharge capacity and a low active material utilization rate. In addition, since the double matrix structure is not adopted, the battery using the negative electrode made of these negative electrode active materials has insufficient cycle characteristics.

これらに対し、実施例1〜12に係る負極活物質、負極は、いずれも活物質利用率の向上とサイクル特性の向上とを両立できていることが確認された。また、実施例1〜6を対比すると、Sn−Co合金において、Snの含有量が75%である実施例5、6は、Snの含有量が80%である実施例1、2及びSnの含有量が67%である実施例3、4に比べてサイクル特性が良好となっている。すなわち、第2の金属マトリクスがSn−Co合金である場合において、Snの含有量が70〜70質量%であると、サイクル特性が極めて向上すると推察された。   On the other hand, it was confirmed that both the negative electrode active material and the negative electrode according to Examples 1 to 12 were able to achieve both improvement of the active material utilization rate and improvement of cycle characteristics. Further, when Examples 1 to 6 are compared, in the Sn—Co alloy, Examples 5 and 6 in which the Sn content is 75% are the same as those in Examples 1 and 2 and Sn in which the Sn content is 80%. The cycle characteristics are better than those of Examples 3 and 4 where the content is 67%. That is, when the second metal matrix is a Sn—Co alloy, it was speculated that the cycle characteristics would be extremely improved when the Sn content was 70 to 70 mass%.

また、実施例13を実施例1と比較すると、実施例13のSi結晶子径は、実施例1のSi結晶子径よりも大きくなっている。そのため、実施例13のサイクル特性は、実施例1のサイクル特性よりもやや劣っている。これは、同じ合金の系列であっても実施例1の第1の金属マトリクス中にBiが添加され、Si結晶子がより微細に析出したために、実施例1のサイクル特性がより向上したものだと推察される。従って、サイクル特性の向上に寄与するという観点から第1の金属マトリクスにはBiが含まれていることが好ましいと言える。   Further, when Example 13 is compared with Example 1, the Si crystallite diameter of Example 13 is larger than the Si crystallite diameter of Example 1. Therefore, the cycle characteristics of Example 13 are slightly inferior to those of Example 1. This is because, even in the same alloy series, Bi was added to the first metal matrix of Example 1 and Si crystallites were precipitated more finely, so that the cycle characteristics of Example 1 were further improved. It is guessed. Accordingly, it can be said that Bi is preferably contained in the first metal matrix from the viewpoint of contributing to improvement of cycle characteristics.

また、実施例7〜12に示すように、負極中に骨材として黒鉛を添加することにより、サイクル特性が一層向上することが確認された。これは、負極中に骨材を添加することにより、充放電時の負極の膨張・収縮を抑制しやすくなり、負極の崩壊を抑制できるためであると考えられる。   Moreover, as shown in Examples 7 to 12, it was confirmed that the cycle characteristics were further improved by adding graphite as an aggregate to the negative electrode. This is considered to be because by adding aggregate to the negative electrode, the expansion and contraction of the negative electrode during charge / discharge can be easily suppressed, and the collapse of the negative electrode can be suppressed.

以上、本発明に係るリチウム二次電池用負極活物質およびその製造方法について説明したが、本発明は、上記実施形態、実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   As described above, the negative electrode active material for a lithium secondary battery and the method for producing the same according to the present invention have been described. Various modifications are possible.

10 リチウム二次電池用負極活物質
12 Si合金
12a Si結晶子
12b 第1の金属マトリクス
14 第2の金属マトリクス
20 リチウム二次電池用負極
22 導電性基材
24 導電膜
26 バインダー
28 導電助材
30 骨材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Negative electrode active material 12 for lithium secondary batteries Si alloy 12a Si crystallite 12b 1st metal matrix 14 2nd metal matrix 20 Negative electrode 22 for lithium secondary batteries Conductive base material 24 Conductive film 26 Binder 28 Conductive auxiliary material 30 aggregate

Claims (4)

第1の金属マトリクス中にSi結晶子が分散されたSi合金を有し、
前記Si合金は、Li活性を有する第2の金属マトリクス中に分散されていることを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質。
Having a Si alloy in which Si crystallites are dispersed in a first metal matrix;
The negative active material for a lithium secondary battery, wherein the Si alloy is dispersed in a second metal matrix having Li activity.
前記第2の金属マトリクスは、SnまたはSn系合金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負極活物質。   The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the second metal matrix is Sn or an Sn-based alloy. 前記第2の金属マトリクスは、50原子%以上のSnを含有することを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池用負極活物質。   3. The negative electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the second metal matrix contains 50 atomic% or more of Sn. 4. 第1の金属マトリクス中にSi結晶子が分散されたSi合金粉末を製造する工程と、
得られたSi合金粉末とLi活性を有する第2の金属マトリクス粉末とを混合、複合化し、第2の金属マトリクス中にSi合金を分散させる工程と、
を有することを特徴とするリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
Producing a Si alloy powder in which Si crystallites are dispersed in a first metal matrix;
Mixing and compounding the obtained Si alloy powder and a second metal matrix powder having Li activity, and dispersing the Si alloy in the second metal matrix;
The manufacturing method of the negative electrode active material for lithium secondary batteries characterized by having.
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