JP2014187005A - Negative electrode active material for power storage - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material for a power storage excellent in initial charging and discharging efficiency while having high capacity density and excellent cycle characteristics.SOLUTION: The negative electrode active material for a power storage contains SnO of 25 to 75%, PO+SiOof 5 to 55%, LiO+NaO of 4 to 40%, and BOof 0 to 6% at mol% in terms of oxide.

Description

本発明は、携帯型電子機器、電気自動車、電気工具、バックアップ用非常電源等に用いられる蓄電デバイス用負極活物質に関する。   The present invention relates to a negative electrode active material for power storage devices used for portable electronic devices, electric vehicles, electric tools, backup emergency power supplies, and the like.

近年、携帯用パソコンや携帯電話の普及に伴い、リチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスの高容量化と小サイズ化に対する要望が高まっている。蓄電デバイスの高容量化が進めば、電池の小サイズ化も容易となるため、蓄電デバイスの高容量化へ向けての開発が急務となっている。   In recent years, with the spread of portable personal computers and mobile phones, there is an increasing demand for higher capacity and smaller size of power storage devices such as lithium ion secondary batteries. If the capacity of the electricity storage device is increased, it will be easy to reduce the size of the battery. Therefore, there is an urgent need to develop the capacity of the electricity storage device.

蓄電デバイス用負極活物質には、一般に黒鉛質炭素材料などの炭素材料が用いられている。しかしながら、黒鉛質炭素材料は、理論容量が約372mAh/gであるため、電池の高容量化が困難であるという問題がある。   Generally, carbon materials such as graphitic carbon materials are used for negative electrode active materials for power storage devices. However, since the graphitic carbon material has a theoretical capacity of about 372 mAh / g, there is a problem that it is difficult to increase the capacity of the battery.

LiイオンやNaイオンを吸蔵および放出することが可能であり、炭素材料からなる負極活物質を上回る高容量密度を有する負極活物質として、Snを含有する負極活物質が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、Snを含有する負極活物質は、充放電時におけるLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出反応に起因する体積変化が著しく大きいため、繰り返し充放電した際に負極活物質が構造劣化して亀裂が生じやすくなる。亀裂が進行すると、場合によっては負極活物質中に空洞が形成され、微粉化してしまうこともある。負極活物質に亀裂が生じると、電子伝導パスが分断されるため、繰り返し充放電した後の放電容量(サイクル特性)が低下する問題がある。   A negative electrode active material containing Sn has been proposed as a negative electrode active material capable of inserting and extracting Li ions and Na ions and having a higher capacity density than a negative electrode active material made of a carbon material (for example, Non-patent document 1). However, the negative electrode active material containing Sn has a remarkably large volume change due to the occlusion and release reaction of Li ions and Na ions during charge and discharge, so that the structure of the negative electrode active material deteriorates and cracks when repeatedly charged and discharged. Is likely to occur. As cracks progress, in some cases, cavities are formed in the negative electrode active material and may be pulverized. When a crack occurs in the negative electrode active material, the electron conduction path is broken, so that there is a problem in that the discharge capacity (cycle characteristics) after repeated charge and discharge is reduced.

そこで、炭素材料からなる負極活物質を上回る高容量密度を有し、かつサイクル特性に優れた負極活物質として、SnとPを含有する酸化物材料が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, an oxide material containing Sn and P has been proposed as a negative electrode active material having a higher capacity density than a negative electrode active material made of a carbon material and excellent in cycle characteristics (see, for example, Patent Document 1). ).

この負極活物質において、Sn成分はLiイオンやNaイオンを吸蔵および放出するサイトとなる。また、Pを含有する成分は酸化物マトリックス成分となり、PとOからなるネットワークが前記Sn成分を取り囲むことにより、前記Sn成分がLiイオンやNaイオンを吸蔵および放出する際に生じる体積変化を緩和して、充放電サイクル特性を向上させる作用がある。   In this negative electrode active material, the Sn component becomes a site for inserting and extracting Li ions and Na ions. In addition, the component containing P becomes an oxide matrix component, and the network composed of P and O surrounds the Sn component, thereby mitigating volume changes that occur when the Sn component occludes and releases Li ions and Na ions. And there exists an effect | action which improves charging / discharging cycling characteristics.

特開2011−187434号公報JP 2011-187434 A

M.Winter, J.O.Besenhard, Electrochimica Acta, 45(1999), p.31M.M. Winter, J.A. O. Besenhard, Electrochimica Acta, 45 (1999), p. 31

このSnとPを含有する酸化物材料からなる負極活物質は、初回充電時に、Snイオンが金属Snに還元された後、その金属SnにLiイオンやNaイオンが吸蔵される。それと同時に、Pを含む酸化物の周囲にLiイオンやNaイオンが配位することにより、Pを含む酸化物マトリックスの構造が安定化する。この配位されたLiイオンやNaイオンは、その後の放電時には放出されず、電解質を通って正極活物質へ移動できなくなる。その結果、初回充放電効率(初回の充電容量に対する放電容量の比率)が低下するという問題がある。   In the negative electrode active material made of an oxide material containing Sn and P, at the first charge, Sn ions are reduced to metal Sn, and then Li ions and Na ions are occluded in the metal Sn. At the same time, Li ions and Na ions are coordinated around the oxide containing P, thereby stabilizing the structure of the oxide matrix containing P. The coordinated Li ions and Na ions are not released during the subsequent discharge, and cannot move to the positive electrode active material through the electrolyte. As a result, there is a problem that the initial charge / discharge efficiency (ratio of the discharge capacity to the initial charge capacity) decreases.

本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、高い容量密度と優れたサイクル特性を有した上で、初回充放電効率に優れた蓄電デバイス用負極活物質を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and provides a negative electrode active material for an electricity storage device that has high capacity density and excellent cycle characteristics and is excellent in initial charge / discharge efficiency. Objective.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質は、酸化物換算のモル%で、SnO 25〜75%、P+SiO 5〜55%、LiO+NaO 4〜40%、B 0〜6%を含有することを特徴とする。 The negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention is in mol% in terms of oxide, SnO 25 to 75%, P 2 O 5 + SiO 2 5 to 55%, Li 2 O + Na 2 O 4 to 40%, B 2 O 3. It contains 0 to 6%.

また、本発明の蓄電デバイス用負極活物質は、非晶質相を含有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that the negative electrode active material for electrical storage devices of this invention contains an amorphous phase.

本発明の蓄電デバイス用負極は、前記蓄電デバイス用負極活物質を含むことを特徴とする。   The negative electrode for an electricity storage device according to the present invention includes the negative electrode active material for an electricity storage device.

本発明によれば、高い容量密度と優れたサイクル特性を有した上で、初回充放電効率に優れた蓄電デバイス用負極活物質を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the negative electrode active material for electrical storage devices excellent in first time charge / discharge efficiency, while having a high capacity density and the outstanding cycling characteristics.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質は、酸化物換算のモル%で、SnO 25〜75%、P+SiO 5〜55%、LiO+NaO 4〜40%、B 0〜6%を含有することを特徴とする。各成分をこのように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の成分の含有量の説明において、%表示は、特に断りのない限り、モル%を指す。 The negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention is in mol% in terms of oxide, SnO 25 to 75%, P 2 O 5 + SiO 2 5 to 55%, Li 2 O + Na 2 O 4 to 40%, B 2 O 3. It contains 0 to 6%. The reason why each component is limited in this way will be described below. In addition, in description of content of the following components,% display points out mol% unless there is particular notice.

SnOはLiイオンやNaイオンを吸蔵および放出するサイトとなる活物質成分であり、その含有量は25〜75%である。SnOの含有量は27〜72%であることが好ましく、30〜70%であることがより好ましく、32〜68%であることがさらに好ましく、34〜67%であることがなお好ましく、35〜65%であることが特に好ましい。SnOの含有量が少なすぎると、負極活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる。一方、SnOの含有量が多すぎると、酸化物マトリックス成分が相対的に少なくなるため、充放電時のLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和できずに、サイクル特性が低下する傾向がある。なお本発明において、SnOの含有量は、SnO以外の酸化スズ成分(SnO等)もSnOに換算して合算したものを指す。 SnO is an active material component serving as a site for inserting and extracting Li ions and Na ions, and its content is 25 to 75%. The content of SnO is preferably 27 to 72%, more preferably 30 to 70%, still more preferably 32 to 68%, and still more preferably 34 to 67%. Particularly preferred is 65%. When there is too little content of SnO, the discharge capacity per unit mass of a negative electrode active material will become small. On the other hand, if the content of SnO is too large, the oxide matrix components are relatively small, so the volume change associated with insertion and extraction of Li ions and Na ions during charge / discharge cannot be alleviated, and cycle characteristics deteriorate. Tend to. In the present invention, the content of SnO is oxidized tin component other than SnO (SnO 2, etc.) also refers to that summed in terms of SnO.

とSiOはいずれも酸化物マトリックス成分であり、充放電時のLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出に伴うSn成分の体積変化を緩和し、サイクル特性を向上させる作用があり、それらの含有量の合計は5〜55%である。PとSiOの含有量の合計は7〜52%であることが好ましく、10〜50%であることがより好ましく、12〜47%であることがさらに好ましく、15〜45%であることがなお好ましく、17〜40%であることが特に好ましい。PとSiOの含有量の合計が少なすぎると、充放電時のLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出に伴うSn成分の体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、サイクル特性が低下しやすくなる。一方、PとSiOの含有量の合計が多すぎると、Sn成分が相対的に少なくなるため、負極活物質の単位質量当たりの放電容量が小さくなる。 P 2 O 5 and SiO 2 are both oxide matrix components, and have the effect of relaxing the volume change of the Sn component associated with insertion and extraction of Li ions and Na ions during charge and discharge, and improving cycle characteristics. Their total content is 5 to 55%. The total content of P 2 O 5 and SiO 2 is preferably 7 to 52%, more preferably 10 to 50%, further preferably 12 to 47%, and 15 to 45%. It is still more preferable that it is 17 to 40%. If the total content of P 2 O 5 and SiO 2 is too small, the volume change of the Sn component that accompanies occlusion and release of Li ions and Na ions during charge / discharge cannot be alleviated, resulting in structural deterioration. It tends to decrease. On the other hand, if the total content of P 2 O 5 and SiO 2 is too large, the Sn component becomes relatively small, and the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material becomes small.

は酸化物マトリックスのLiイオンおよびNaイオン伝導性を向上させる成分である。Pの含有量は45%以下であることが好ましく、42%以下であることがより好ましく、40%以下であることがさらに好ましく、38%以下であることがなお好ましく、35%であることがより一層好ましく、32%であることが特に好ましい。なお、下限については特に制限されないが、5%以上であることが好ましく、7%以上であることがより好ましく、10%以上であることがさらに好ましく、12%以上であることがなお好ましく、15%以上であることが特に好ましい。 P 2 O 5 is a component that improves the Li ion and Na ion conductivity of the oxide matrix. The content of P 2 O 5 is preferably 45% or less, more preferably 42% or less, further preferably 40% or less, still more preferably 38% or less, and 35%. Even more preferably, it is particularly preferably 32%. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 5% or more, more preferably 7% or more, further preferably 10% or more, and further preferably 12% or more. % Or more is particularly preferable.

なお、SiOの含有量は55%以下であることが好ましく、53%以下であることがより好ましく、51%以下であることがさらに好ましく、50%以下であることがなお好ましく、47%以下であることがより一層好ましく、45%以下であることが特に好ましい。なお、下限については特に制限されないが、5%以上であることが好ましく、7%以上であることがより好ましく、10%以上であることがさらに好ましく、12%以上であることがなお好ましく、15%以上であることが特に好ましい。 In addition, the content of SiO 2 is preferably 55% or less, more preferably 53% or less, further preferably 51% or less, still more preferably 50% or less, and 47% or less. Is more preferable, and it is particularly preferable that it is 45% or less. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 5% or more, more preferably 7% or more, further preferably 10% or more, and further preferably 12% or more. % Or more is particularly preferable.

LiOとNaOはいずれも、初回充電時に酸化物マトリックス中にLiイオンやNaイオンを吸収させにくくさせ、かつLiイオンおよびNaイオン伝導性を向上させる成分であり、その含有量の合計は4〜40%である。LiOとNaOの含有量の合計は4.5〜39%であることが好ましく、5〜38%であることがより好ましく、5.5〜37%であることがさらに好ましく、6〜36%であることがなお好ましく、6.5〜35%であることが特に好ましい。LiOとNaOの含有量の合計が少なすぎると、初回充電時に、LiイオンやNaイオンが酸化物マトリックス中に吸収されやすくなり、初回充放電効率が低下する傾向がある。一方、LiOとNaOの含有量の合計が多すぎると、LiOまたはNaOと、PまたはSiOとからなる異種結晶(例えばLiPO、LiSiO)が多量に形成され、サイクル特性が低下しやすくなる。LiOおよびNaOは、それぞれ単独で含有されていてもよい。 Both Li 2 O and Na 2 O are components that make it difficult to absorb Li ions and Na ions in the oxide matrix during the initial charge, and improve the Li ion and Na ion conductivity, and the total content thereof Is 4-40%. The total content of Li 2 O and Na 2 O is preferably 4.5 to 39%, more preferably 5 to 38%, still more preferably 5.5 to 37%, It is still more preferable that it is -36%, and it is especially preferable that it is 6.5-35%. If the total content of Li 2 O and Na 2 O is too small, Li ions and Na ions are easily absorbed in the oxide matrix during the initial charge, and the initial charge / discharge efficiency tends to decrease. On the other hand, if the total content of Li 2 O and Na 2 O is too large, a heterogeneous crystal composed of Li 2 O or Na 2 O and P 2 O 5 or SiO 2 (for example, Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 ) is formed in a large amount, and the cycle characteristics are likely to deteriorate. Li 2 O and Na 2 O may each be contained alone.

なお、蓄電デバイスにおける充放電時に、正極から電解質を通って吸蔵もしくは放出されるイオンがLiイオンである場合は、LiOを含有することが好ましく、Naイオンである場合は、NaOを含有することが好ましい。 In addition, when the ion occluded or released through the electrolyte from the positive electrode during charge / discharge in the electricity storage device is Li ion, it is preferable to contain Li 2 O, and in the case of Na ion, Na 2 O is added. It is preferable to contain.

は酸化物マトリックス成分であり、充放電時のLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出に伴うSn成分の体積変化を緩和し、サイクル特性を向上させる作用があり、それらの含有量は0〜6%である。Bの含有量は0〜5%であることが好ましく、0〜3%であることが特に好ましい。Bの含有量が多すぎると、酸化物マトリックス中に吸収されるLiイオンの量が増加するため、リチウムイオン電池の初回充放電効率が低下する傾向がある。 B 2 O 3 is an oxide matrix component, has the effect of relaxing the volume change of the Sn component associated with the storage and release of Li ions and Na ions during charge and discharge, and improving the cycle characteristics. 0-6%. The content of B 2 O 3 is preferably 0 to 5%, particularly preferably 0 to 3%. If the B 2 O 3 content is too large, the amount of Li ions are absorbed to the oxide matrix is increased, it tends to decrease the initial charge and discharge efficiency of a lithium ion battery.

SnO/Pの値は、モル比で、0.8〜19であることが好ましく、1〜18であることがより好ましく、1.2〜17であることが特に好ましい。SnO/Pの値が小さすぎると、初回充放電効率が低下する傾向にある。一方、SnO/Pの値が19より大きいと、充放電時のLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出に伴うSn成分の体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、サイクル特性が低下しやすくなる。 The value of SnO / P 2 O 5 is a molar ratio of preferably 0.8 to 19, more preferably 1 to 18, and particularly preferably 1.2 to 17. When the value of SnO / P 2 O 5 is too small, the initial charge / discharge efficiency tends to decrease. On the other hand, if the value of SnO / P 2 O 5 is greater than 19, the change in volume of the Sn component accompanying the insertion and extraction of Li ions and Na ions during charge / discharge cannot be mitigated, resulting in structural deterioration, resulting in decreased cycle characteristics. It becomes easy to do.

また、本発明の効果を損なわない範囲で、上記成分に加えてさらに種々の成分を添加することができる。このような成分としては、例えば、MnO、CuO、ZnO、MgO、CaO、Alなどが挙げられる。上記成分の含有量の合計は0〜25%であることが好ましく、0〜23%であることがより好ましく、0〜21%であることがさらに好ましく、0.1〜20%であることが特に好ましい。 Further, various components can be added in addition to the above components within the range not impairing the effects of the present invention. Examples of such components include MnO, CuO, ZnO, MgO, CaO, Al 2 O 3 and the like. The total content of the above components is preferably 0 to 25%, more preferably 0 to 23%, further preferably 0 to 21%, and preferably 0.1 to 20%. Particularly preferred.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質は、非晶質相を含有することが好ましい。ここで、「非晶質相を含有する」とは、後述の粉末X線回折測定において、ブロードな回折線(非晶質ハロー)が検出されるものを指す。非晶質相を含有することにより、酸化物マトリックスのLiイオンおよびNaイオン伝導性を向上させることが可能となる。結晶化度が小さい(非晶質相の割合が大きい)ほど、充放電時のSn成分の体積変化を緩和できるため、サイクル特性が向上する傾向がある。具体的には、結晶化度が95%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましく、70%以下であることがさらに好ましく、50%以下であることがなお好ましく、40%以下であることがより一層好ましく、20%以下であることが特に好ましい。また、負極活物質は実質的に非晶質からなることが好ましい。ここで、「実質的に非晶質からなる」とは、結晶化度が1%以下であることを指し、後述の粉末X線回折測定において、結晶性回折線が検出されないものをいう。   The negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention preferably contains an amorphous phase. Here, “contains an amorphous phase” means that a broad diffraction line (amorphous halo) is detected in powder X-ray diffraction measurement described later. By containing an amorphous phase, it is possible to improve the Li ion and Na ion conductivity of the oxide matrix. As the degree of crystallinity is smaller (the proportion of the amorphous phase is larger), the volume change of the Sn component at the time of charge / discharge can be alleviated, so that the cycle characteristics tend to improve. Specifically, the degree of crystallinity is preferably 95% or less, more preferably 80% or less, still more preferably 70% or less, still more preferably 50% or less, and 40% It is even more preferable that the ratio is 20% or less. The negative electrode active material is preferably substantially amorphous. Here, “substantially amorphous” means that the crystallinity is 1% or less, and means that no crystalline diffraction line is detected in the powder X-ray diffraction measurement described later.

なお、結晶化度は、CuKα線を用いた粉末X線回折測定によって得られる2θ値で10〜60°の回折線プロファイル、結晶性回折線と非晶質ハローとにピーク分離することで求められる。具体的には、回折線プロファイルからバックグラウンドを差し引いて得られた全散乱曲線から、10〜45°におけるブロードな回折線(非晶質ハロー)をピーク分離して求めた積分強度をIa、10〜60°において検出される各結晶性回折線をピーク分離して求めた積分強度の総和をIcとした場合、結晶化度Xcは次式から求められる。   The crystallinity is determined by peak separation into a diffraction line profile of 10 to 60 °, a crystalline diffraction line and an amorphous halo, with 2θ values obtained by powder X-ray diffraction measurement using CuKα rays. . Specifically, the integrated intensity obtained by peak-separating a broad diffraction line (amorphous halo) at 10 to 45 ° from the total scattering curve obtained by subtracting the background from the diffraction line profile is Ia, 10 When the total integrated intensity obtained by peak separation of each crystalline diffraction line detected at ˜60 ° is Ic, the crystallinity Xc can be obtained from the following equation.

Xc=[Ic/(Ic+Ia)]×100(%)     Xc = [Ic / (Ic + Ia)] × 100 (%)

本発明の蓄電デバイス用負極活物質の形状は特に限定されないが、粉末状であることが好ましい。粉末状であることにより、この負極活物質を用いて作製された蓄電デバイスにおいて、負極活物質と電解質との接触面積が大きくなり、活物質と電解質との間におけるLiイオンおよびNaイオンの伝導性が向上するため、負極活物質の単位質量当たりの放電容量を大きくし、急速充放電特性を高めることが可能となる。   The shape of the negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention is not particularly limited, but is preferably a powder. Due to the powder form, in the electricity storage device produced using this negative electrode active material, the contact area between the negative electrode active material and the electrolyte is increased, and the conductivity of Li ions and Na ions between the active material and the electrolyte is increased. Therefore, it is possible to increase the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material and improve the rapid charge / discharge characteristics.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質が粉末状である場合、平均粒子径は0.1〜20μmであることが好ましく、0.2〜15μmであることがより好ましく、0.3〜10μmであることがさらに好ましく、0.5〜5μmであることが特に好ましい。最大粒子径は150μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましく、75μm以下であることがさらに好ましく、55μm以下であることが特に好ましい。平均粒子径や最大粒子径が大きすぎると、充放電した際にLiイオンやNaイオンの吸蔵および放出に伴う負極活物質の体積変化を緩和できず、集電体から剥れやすくなり、サイクル特性が低下する傾向がある。一方、平均粒子径が小さすぎると、ペースト化した際に粉末の分散状態に劣り、均一な電極を製造することが困難になる傾向がある。   When the negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention is in a powder form, the average particle size is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 15 μm, and 0.3 to 10 μm. Is more preferable, and it is especially preferable that it is 0.5-5 micrometers. The maximum particle size is preferably 150 μm or less, more preferably 100 μm or less, further preferably 75 μm or less, and particularly preferably 55 μm or less. If the average particle size or the maximum particle size is too large, the volume change of the negative electrode active material associated with insertion and extraction of Li ions and Na ions during charge / discharge cannot be relaxed, and it will be easy to peel off from the current collector, resulting in cycle characteristics. Tends to decrease. On the other hand, if the average particle size is too small, the powder is in a poorly dispersed state when formed into a paste, and it tends to be difficult to produce a uniform electrode.

ここで、平均粒子径と最大粒子径は、それぞれ一次粒子のメジアン径でD50(50%体積累積径)とD90(90%体積累積径)を示し、レーザー回折式粒度分布測定装置により測定された値をいう。   Here, the average particle size and the maximum particle size are D50 (50% volume cumulative diameter) and D90 (90% volume cumulative diameter), respectively, as the median diameter of primary particles, and were measured by a laser diffraction particle size distribution analyzer. Value.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質は、例えば原料粉末を加熱溶融してガラス化することにより製造される。Snを含む酸化物材料は、溶融条件によってSn原子の酸化状態が変化しやすく、大気中で溶融した場合、望まないSnOやSnP等の結晶がガラス融液表面やガラス融液中に形成されやすい。その結果、負極活物質の初回充放電効率およびサイクル特性が低下しやすくなる。そこで、還元雰囲気または不活性雰囲気中で溶融を行うことで、酸化物材料中のSnイオンの価数の増加を抑制し、望まない結晶の形成を抑制でき、初回充放電効率およびサイクル特性に優れた蓄電デバイスを得ることが可能となる。 The negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention is produced, for example, by heating and melting raw material powder to vitrify it. In the oxide material containing Sn, the oxidation state of Sn atoms easily changes depending on the melting conditions. When melted in the atmosphere, unwanted crystals such as SnO 2 and SnP 2 O 7 are formed on the surface of the glass melt or in the glass melt. It is easy to be formed. As a result, the initial charge / discharge efficiency and cycle characteristics of the negative electrode active material are likely to deteriorate. Therefore, by performing melting in a reducing atmosphere or an inert atmosphere, it is possible to suppress an increase in the valence of Sn ions in the oxide material, to suppress formation of unwanted crystals, and to be excellent in initial charge / discharge efficiency and cycle characteristics. It is possible to obtain an electricity storage device.

還元雰囲気で溶融するには、溶融槽中へ還元性ガスを供給することが好ましい。還元性ガスとしては、体積%で、N 90〜99.5%およびH 0.5〜10%を含有する混合気体を用いることが好ましく、N 92〜99%およびH 1〜8%を含有する混合気体を用いることがより好ましい。 In order to melt in a reducing atmosphere, it is preferable to supply a reducing gas into the melting tank. The reducing gas, by volume%, it is preferable to use a mixed gas containing N 2 90 to 99.5% and H 2 0.5~10%, N 2 92~99 % and H 2 1 to 8 It is more preferable to use a mixed gas containing%.

不活性雰囲気で溶融する場合は、溶融槽中へ不活性ガスを供給することが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれかを用いることが好ましい。   When melting in an inert atmosphere, it is preferable to supply an inert gas into the melting tank. As the inert gas, it is preferable to use any of nitrogen, argon, and helium.

還元性ガスまたは不活性ガスは、溶融槽において溶融ガラスの上部雰囲気に供給してもよいし、バブリングノズルから溶融ガラス中に直接供給してもよく、両手法を同時に行ってもよい。   The reducing gas or the inert gas may be supplied to the upper atmosphere of the molten glass in the melting tank, may be supplied directly from the bubbling nozzle into the molten glass, or both methods may be performed simultaneously.

また、上記負極活物質の製造方法において、出発原料粉末に複合酸化物を使用することにより、失透異物が少なく均質性に優れた負極活物質が得られやすくなる。当該負極活物質を用いれば、放電容量が安定した蓄電デバイスが得られやすくなる。このような複合酸化物としては、ピロリン酸第一錫(Sn)、第三リン酸リチウム(LiPO)等が挙げられる。 Moreover, in the manufacturing method of the said negative electrode active material, it becomes easy to obtain the negative electrode active material with few devitrification foreign materials and excellent uniformity by using composite oxide for starting raw material powder. If the negative electrode active material is used, an electricity storage device having a stable discharge capacity can be easily obtained. Examples of such complex oxides include stannous pyrophosphate (Sn 2 P 2 O 7 ) and trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ).

さらに本発明の蓄電デバイス用負極材料の製造方法において、原料粉末に金属粉末または炭素粉末が含まれていることが好ましい。これにより、負極材料中のSn原子を還元状態にシフトすることができる。結果として、負極材料中のSn価数が小さくなり、蓄電デバイスの初回充電効率を向上させることが可能となる。   Furthermore, in the method for producing a negative electrode material for an electricity storage device of the present invention, the raw material powder preferably contains a metal powder or a carbon powder. Thereby, Sn atoms in the negative electrode material can be shifted to a reduced state. As a result, the Sn valence in the negative electrode material is reduced, and the initial charge efficiency of the electricity storage device can be improved.

前記金属粉末は、Sn、Al、Si、Tiから選ばれる少なくとも一種を含有することが好ましく、Sn、Al、Siから選ばれる少なくとも一種を含有することがより好ましい。   The metal powder preferably contains at least one selected from Sn, Al, Si, and Ti, and more preferably contains at least one selected from Sn, Al, and Si.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質において、所定サイズの粉末を得るためには、一般的な粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、篩、遠心分離、空気分級などが用いられる。   In order to obtain a powder of a predetermined size in the negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention, a general pulverizer or classifier is used. For example, a mortar, a ball mill, a vibrating ball mill, a satellite ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a sieve, a centrifugal separator, an air classification, or the like is used.

本発明の蓄電デバイス用負極活物質に対し、結着剤や導電助剤を添加することにより蓄電デバイス用負極材料が得られる。   A negative electrode material for an electricity storage device can be obtained by adding a binder or a conductive additive to the negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention.

結着剤としては、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体またはポリビニルアルコール等の水溶性高分子;熱硬化性ポリイミド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂;ポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。   Examples of the binder include cellulose derivatives such as carboxymethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxyethylcellulose, ethylcellulose, hydroxymethylcellulose, and water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol; thermosetting polyimide, phenolic resin, epoxy resin, urea Examples thereof include thermosetting resins such as resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, and polyurethanes; polyvinylidene fluoride.

導電助剤としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の高導電性カーボンブラック、グラファイト等のカーボン粉末、炭素繊維などが挙げられる。   Examples of the conductive assistant include highly conductive carbon black such as acetylene black and ketjen black, carbon powder such as graphite, and carbon fiber.

蓄電デバイス用負極材料を、集電体としての役割を果たす金属箔等の表面に塗布することで蓄電デバイス用負極として用いることができる。   The negative electrode material for an electricity storage device can be used as an anode for an electricity storage device by applying it to the surface of a metal foil or the like that serves as a current collector.

以上、主にリチウムイオン二次電池またはナトリウムイオン二次電池に用いられる負極活物質について説明してきたが、本発明の負極活物質はこれに限定されるものではなく、他の非水系二次電池や、さらには、リチウムイオン二次電池またはナトリウムイオン二次電池に用いられる負極活物質と非水系電気二重層キャパシタ用の正極材料とを組み合わせたハイブリットキャパシタ等にも適用できる。   As mentioned above, although the negative electrode active material mainly used for a lithium ion secondary battery or a sodium ion secondary battery was demonstrated, the negative electrode active material of this invention is not limited to this, Other non-aqueous secondary batteries In addition, the present invention can also be applied to a hybrid capacitor in which a negative electrode active material used for a lithium ion secondary battery or a sodium ion secondary battery and a positive electrode material for a non-aqueous electric double layer capacitor are combined.

ハイブリットキャパシタであるリチウムイオンキャパシタおよびナトリウムイオンキャパシタは、正極と負極の充放電原理が異なる非対称キャパシタの1種である。リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン二次電池用の負極と電気二重層キャパシタ用の正極を組み合わせた構造を有している。ナトリウムイオンキャパシタは、ナトリウムイオン二次電池用の負極と電気二重層キャパシタ用の正極を組み合わせた構造を有している。ここで、正極は表面に電気二重層を形成し、物理的な作用(静電気作用)を利用して充放電するのに対し、負極は既述のリチウムイオン二次電池またはナトリウムイオン二次電池と同様にリチウムイオンまたはナトリウムイオンの化学反応(吸蔵および放出)により充放電する。   A lithium ion capacitor and a sodium ion capacitor, which are hybrid capacitors, are one type of asymmetric capacitors that have different charge / discharge principles for the positive and negative electrodes. The lithium ion capacitor has a structure in which a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a positive electrode for an electric double layer capacitor are combined. The sodium ion capacitor has a structure in which a negative electrode for a sodium ion secondary battery and a positive electrode for an electric double layer capacitor are combined. Here, the positive electrode forms an electric double layer on the surface and is charged and discharged by utilizing a physical action (electrostatic action), whereas the negative electrode is a lithium ion secondary battery or a sodium ion secondary battery as described above. Similarly, charging / discharging is performed by a chemical reaction (storage and release) of lithium ions or sodium ions.

リチウムイオンキャパシタおよびナトリウムイオンキャパシタの正極には、活性炭、ポリアセン、メソフェーズカーボンなどの高比表面積の炭素質粉末などからなる正極活物質が用いられる。一方、負極には、本発明の負極活物質を用いることができる。   A positive electrode active material made of a carbonaceous powder having a high specific surface area such as activated carbon, polyacene, or mesophase carbon is used for the positive electrode of the lithium ion capacitor and the sodium ion capacitor. On the other hand, the negative electrode active material of the present invention can be used for the negative electrode.

なお、本発明の蓄電デバイス用負極活物質を用いた蓄電デバイスを充放電した後は、当該蓄電デバイス用負極活物質はリチウム酸化物、ナトリウム酸化物、Sn−Li合金、Sn−Na合金または金属スズを含有する場合がある。   In addition, after charging / discharging the electrical storage device using the negative electrode active material for electrical storage devices of this invention, the said negative electrode active material for electrical storage devices is lithium oxide, sodium oxide, Sn-Li alloy, Sn-Na alloy, or metal May contain tin.

以下、本発明の蓄電デバイス用負極活物質の一例として、非水二次電池の用途に適用した実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the negative electrode active material for an electricity storage device of the present invention will be described below with reference to examples applied to the use of a nonaqueous secondary battery, but the present invention is not limited to these examples.

(1)負極活物質の作製
表1〜3に示す実施例1〜13および比較例1〜7の組成となるように、原料として各種酸化物、燐酸塩原料、炭酸塩原料、金属粉末または炭素粉末、等を用いて原料粉末を調製した。原料粉末を石英ルツボに投入し、電気炉を用いて窒素雰囲気にて1250℃、60分間の溶融を行い、ガラス化した。
(1) Preparation of negative electrode active material Various oxides, phosphate raw materials, carbonate raw materials, metal powder or carbon as raw materials so as to have the compositions of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 7 shown in Tables 1 to 3 A raw material powder was prepared using powder and the like. The raw material powder was put into a quartz crucible and melted at 1250 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere using an electric furnace to be vitrified.

次いで、溶融ガラスを一対の回転ローラー間に流し出し、急冷しながら成形し、厚み0.1〜2mmのフィルム状のガラスを得た。このフィルム状ガラスをボールミルで粉砕した後、目開き20μmの篩に通過させ、平均粒子径3μmのガラス粉末(負極活物質)を得た。   Next, the molten glass was poured out between a pair of rotating rollers and molded while being rapidly cooled to obtain a film-like glass having a thickness of 0.1 to 2 mm. This film-like glass was pulverized with a ball mill and then passed through a sieve having an opening of 20 μm to obtain a glass powder (negative electrode active material) having an average particle diameter of 3 μm.

得られたガラス粉末について粉末X線回折測定することにより構造を同定した。結果を表1〜3に示す。実施例1〜13のガラス粉末は、結晶化度が10%以下であり、特に実施例1〜6および8〜13のガラス粉末は非晶質であり、結晶は検出されなかった。また、比較例1〜4、6および7のガラス粉末は非晶質であり、比較例5のガラス粉末は、結晶化度が48%であった。   The structure of the obtained glass powder was identified by powder X-ray diffraction measurement. The results are shown in Tables 1-3. The glass powders of Examples 1 to 13 had a crystallinity of 10% or less. In particular, the glass powders of Examples 1 to 6 and 8 to 13 were amorphous, and no crystals were detected. Further, the glass powders of Comparative Examples 1 to 4, 6 and 7 were amorphous, and the glass powder of Comparative Example 5 had a crystallinity of 48%.

(2)リチウムイオン二次電池用負極の作製
得られたガラス粉末に対し、導電助剤として導電性カーボンブラック(SuperC65、Timcal社製)、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを、ガラス粉末:導電助剤:結着剤=80:5:15(質量比)となるように秤量し、N−メチルピロリドン(NMP)に分散した後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。次に、隙間75μmのドクターブレードを用いて、得られたスラリーを負極集電体である厚さ20μmの銅箔上にコートし、70℃の乾燥機で真空乾燥後、一対の回転ローラー間に通してプレスすることにより電極シートを得た。この電極シートを電極打ち抜き機で直径11mmに打ち抜き、温度160℃にて8時間、減圧下で乾燥させて円形の負極を得た。
(2) Production of negative electrode for lithium ion secondary battery For the obtained glass powder, conductive carbon black (SuperC65, manufactured by Timcal) as a conductive auxiliary agent, polyvinylidene fluoride as a binder, glass powder: conductive auxiliary agent Agent: Binder = Weighed to 80: 5: 15 (mass ratio), dispersed in N-methylpyrrolidone (NMP), and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry. Next, using a doctor blade with a gap of 75 μm, the obtained slurry was coated on a 20 μm thick copper foil as a negative electrode current collector, vacuum-dried with a dryer at 70 ° C., and then between a pair of rotating rollers. An electrode sheet was obtained by pressing through. This electrode sheet was punched to a diameter of 11 mm with an electrode punching machine and dried under reduced pressure at a temperature of 160 ° C. for 8 hours to obtain a circular negative electrode.

(3)試験電池(リチウムイオン二次電池)の作製
次に得られた負極を、銅箔面を下に向けてコインセルの下蓋に載置し、その上に70℃で8時間減圧乾燥した直径16mmのポリプロピレン多孔質膜(セルガード#2400、ヘキストセラニーズ社製)からなるセパレータ、および対極である金属リチウムを積層し、試験電池を作製した。電解液としては、1M LiPF溶液/EC:DEC=1:1(EC=エチレンカーボネート、DEC=ジエチルカーボネート)を用いた。なお試験電池の組み立ては露点温度−40℃以下の環境で行った。
(3) Production of test battery (lithium ion secondary battery) Next, the obtained negative electrode was placed on the lower lid of the coin cell with the copper foil surface facing downward, and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 8 hours. A test battery was manufactured by laminating a separator made of a polypropylene porous film having a diameter of 16 mm (Celguard # 2400, manufactured by Hoechst Celanese) and metallic lithium as a counter electrode. As the electrolytic solution, 1M LiPF 6 solution / EC: DEC = 1: 1 (EC = ethylene carbonate, DEC = diethyl carbonate) was used. The test battery was assembled in an environment with a dew point temperature of −40 ° C. or lower.

(4)充放電試験
上記試験電池に対し、30℃で開回路電圧から0VまでCC(定電流)充電(負極活物質へのリチウムイオン吸蔵)を行い、単位質量の負極活物質へ充電された電気量(初回充電容量)を求めた。次に、0Vから1VまでCC放電(負極活物質からのリチウムイオン放出)させ、単位質量の負極活物質から放電された電気量(初回放電容量)を求めた。Cレートは0.5Cとした。なお、放電容量維持率は初回放電容量と100サイクル目の放電容量の割合をいう。
(4) Charge / Discharge Test The test battery was charged at 30 ° C. from an open circuit voltage to 0 V with CC (constant current) (lithium ion occlusion in the negative electrode active material) to be charged into a unit mass of the negative electrode active material. The amount of electricity (initial charge capacity) was determined. Next, CC discharge (lithium ion release from the negative electrode active material) was performed from 0 V to 1 V, and the amount of electricity (initial discharge capacity) discharged from the unit mass of the negative electrode active material was determined. The C rate was 0.5C. Note that the discharge capacity retention rate refers to the ratio between the initial discharge capacity and the discharge capacity at the 100th cycle.

表1および2に示すように、実施例1〜13の初回放電容量は430mAh/g以上、放電容量維持率は76%以上、初回充放電効率は54%以上と、高い容量密度と優れたサイクル特性を有した上で、初回充放電効率に優れていた。一方、表3に示すように、比較例1〜4、6および7は、LiOおよびNaOの含有量の合量が少なかったため、初回充放電効率が53%以下と低かった。さらに、比較例2は、B含有量が多すぎたため、比較例3は、BとSnOの含有量が多すぎたため、放電容量維持率は68%以下と低かった。また、比較例5は、LiO含有量が多すぎたため、異種結晶が析出し、初回放電容量は389mAh/g、放電容量維持率は66%と低かった。 As shown in Tables 1 and 2, the initial discharge capacities of Examples 1 to 13 are 430 mAh / g or more, the discharge capacity retention rate is 76% or more, the initial charge / discharge efficiency is 54% or more, a high capacity density and an excellent cycle. In addition to having the characteristics, the initial charge and discharge efficiency was excellent. On the other hand, as shown in Table 3, Comparative Examples 1-4, 6, and 7 had a low initial charge / discharge efficiency of 53% or less because the total content of Li 2 O and Na 2 O was small. Further, Comparative Example 2, since the content of B 2 O 3 is too large, Comparative Example 3, since the B 2 O 3 and the content of SnO is too large, the discharge capacity retention ratio was low, less 68%. In Comparative Example 5, since the content of Li 2 O is too large, heterogeneous crystals are precipitated, the initial discharge capacity is 389mAh / g, the discharge capacity retention ratio was low, 66%.

(5)ナトリウムイオン二次電池用負極の作製
表1〜3に示す実施例1〜13および比較例1、2、4、6および7のガラス粉末に対し、結着剤として熱硬化性ポリイミド樹脂(Dreambond、IST社製)、導電助剤として物質名SuperC65(Timcal社製)を、ガラス粉末:結着剤:導電助剤=80:15:5(質量比)となるように秤量し、これらをN−メチルピロリドン(NMP)に分散した後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。次に、隙間100μmのドクターブレードを用いて、負極集電体である厚さ20μmの銅箔上に、得られたスラリーをコートし、乾燥機にて70℃で減圧乾燥後、一対の回転ローラー間に通してプレスすることにより電極シートを得た。電極シートを電極打ち抜き機で直径11mmに打ち抜き、減圧しながら300℃で3時間乾燥させて円形の負極を得た。
(5) Production of negative electrode for sodium ion secondary battery Thermosetting polyimide resin as binder for Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1, 2, 4, 6 and 7 shown in Tables 1 to 3 (Dreambond, manufactured by IST), substance name SuperC65 (manufactured by Timcal) as a conductive assistant, weighed so that the glass powder: binder: conductive assistant = 80: 15: 5 (mass ratio), these Was dispersed in N-methylpyrrolidone (NMP), and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry. Next, using a doctor blade with a gap of 100 μm, the obtained slurry was coated on a 20 μm thick copper foil as a negative electrode current collector, dried under reduced pressure at 70 ° C. in a dryer, and then a pair of rotating rollers An electrode sheet was obtained by pressing in between. The electrode sheet was punched to a diameter of 11 mm with an electrode punching machine and dried at 300 ° C. for 3 hours while reducing the pressure to obtain a circular negative electrode.

(6)試験電池(ナトリウムイオン二次電池)の作製
次に、得られた負極を、銅箔面を下に向けてコインセルの下蓋に載置し、その上に70℃で8時間減圧乾燥した直径16mmのポリプロピレン多孔質膜からなるセパレータ、および、対極である金属ナトリウムを積層し、試験電池を作製した。電解液としては、1M NaPF溶液/EC:DEC=1:1を用いた。なお試験電池の組み立ては露点温度−70℃以下の環境で行った。
(6) Production of test battery (sodium ion secondary battery) Next, the obtained negative electrode was placed on the bottom lid of the coin cell with the copper foil surface facing down, and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 8 hours. A test battery was manufactured by laminating a separator made of a polypropylene porous film having a diameter of 16 mm and metallic sodium as a counter electrode. As the electrolytic solution, 1M NaPF 6 solution / EC: DEC = 1: 1 was used. The test battery was assembled in an environment with a dew point temperature of −70 ° C. or lower.

(7)充放電試験
上記試験電池に対し、30℃で開回路電圧から0.01VまでCC(定電流)充電(負極活物質へのナトリウムイオン吸蔵)を行い、単位質量の負極活物質へ充電された電気量(初回充電容量)を求めた。次に、0.01Vから1VまでCC放電(負極活物質からのナトリウムイオン放出)させ、単位質量の負極活物質から放電された電気量(初回放電容量)を求めた。Cレートは0.1Cとした。表4〜6に、充放電特性の結果を示す。なお、放電容量維持率は、初回放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合をいう。
(7) Charge / Discharge Test The above test battery is charged with CC (constant current) at 30 ° C. from open circuit voltage to 0.01 V (sodium ion occlusion in the negative electrode active material) and charged to the negative electrode active material of unit mass. The amount of electricity (initial charge capacity) was determined. Next, CC discharge (sodium ion release from the negative electrode active material) was performed from 0.01 V to 1 V, and the amount of electricity discharged from the unit mass of the negative electrode active material (initial discharge capacity) was determined. The C rate was 0.1C. Tables 4 to 6 show the results of the charge / discharge characteristics. The discharge capacity retention rate is the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the initial discharge capacity.

表4および5に示すように、実施例1〜13の初回放電容量は251mAh/g以上、放電容量維持率は52%以上、初回充放電効率は59%以上と、高い容量密度と優れたサイクル特性を有した上で、初回充放電効率に優れていた。一方、表6に示すように、比較例1、2、4、6および7は、LiOおよびNaOの含有量の合量が少なかったため、初回充放電効率が56%以下と低かった。 As shown in Tables 4 and 5, the initial discharge capacities of Examples 1 to 13 were 251 mAh / g or more, the discharge capacity retention rate was 52% or more, the initial charge / discharge efficiency was 59% or more, a high capacity density and an excellent cycle. In addition to having the characteristics, the initial charge and discharge efficiency was excellent. On the other hand, as shown in Table 6, Comparative Examples 1, 2 , 4, 6 and 7 had a low initial charge / discharge efficiency of 56% or less because the total content of Li 2 O and Na 2 O was small. .

本発明の蓄電デバイス用負極活物質は、携帯型電子機器、電気自動車、電気工具、バックアップ用非常電源等に用いられる蓄電デバイス用負極活物質として好適である。   The negative electrode active material for power storage devices of the present invention is suitable as a negative electrode active material for power storage devices used for portable electronic devices, electric vehicles, electric tools, backup emergency power supplies, and the like.

Claims (3)

酸化物換算のモル%で、SnO 25〜75%、P+SiO 5〜55%、LiO+NaO 4〜40%、B 0〜6%を含有することを特徴とする蓄電デバイス用負極活物質。 In mole percent on the oxide basis, and characterized in that it contains SnO 25~75%, P 2 O 5 + SiO 2 5~55%, Li 2 O + Na 2 O 4~40%, the 2 O 3 0~6% B A negative electrode active material for an electricity storage device. 非晶質相を含有することを特徴とする請求項1に記載の蓄電デバイス用負極活物質。   The negative electrode active material for an electricity storage device according to claim 1, comprising an amorphous phase. 請求項1または2に記載の蓄電デバイス用負極活物質を含むことを特徴とする蓄電デバイス用負極。
A negative electrode for an electricity storage device, comprising the negative electrode active material for an electricity storage device according to claim 1.
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