JP2016100329A - Negative electrode active material for secondary battery, and secondary battery arranged by use thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery which is small in volume change when charged and discharged, and hard to cause electrical insulation.SOLUTION: The present invention provides a negative electrode active material for a secondary battery with an improved expansion coefficient. The negative electrode active material comprises: an alloy represented by SixTiyFezAlu (where "x", "y", "z" and "u" are represented in atom% and given as follows. x=1-(y+z+u), y is 0.09 to 0.14, z is 0.09 to 0.14, and u is over 0.01 to less than 0.2). The negative electrode active material is 70-150% in expansion coefficient after 50 cycles. The degree of amorphization of a matrix like region in the alloy is in a range of 25% or larger. The contents of Si, Ti, Fe and Al are represented in atom% (at%) as follows. Si is 60-70%; Ti is 9-14%; Fe is 9-14%; and Al is in a range between 1 and 20% exclusive.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、二次電池用負極活物質及びこれを利用した二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode active material for a secondary battery and a secondary battery using the same.

従来、リチウム電池の負極活物質としてリチウム金属を使用したが、リチウム金属を使用する場合、デンドライト(Dendrite)の形成による電池の短絡が発生して爆発の危険性があるため、リチウム金属の代わりに炭素係物質が負極活物質として多く使われている。   Conventionally, lithium metal was used as the negative electrode active material of the lithium battery. However, when lithium metal is used, there is a risk of explosion due to the formation of dendrites, so there is a risk of explosion. Carbon-related materials are often used as negative electrode active materials.

前記炭素係活物質としては、グラファイト及び人造黒鉛のような結晶質係炭素とソフトカーボン(Soft Carbon)及びハードカーボン(Hard Carbon)のような非晶質係炭素がある。しかし、前記非晶質係炭素は、容量は大きいが、充放電の過程で非可逆性が大きいという問題がある。結晶質係炭素としてはグラファイトが代表的に使われており、理論限界容量が372mAh/gで、容量が高くて負極活物質として利用されている。   Examples of the carbon active material include crystalline carbon such as graphite and artificial graphite, and amorphous carbon such as soft carbon and hard carbon. However, although the amorphous carbon has a large capacity, there is a problem that the irreversibility is large in the process of charging and discharging. Graphite is typically used as the crystalline carbon, and has a theoretical limit capacity of 372 mAh / g, a high capacity, and is used as a negative electrode active material.

しかし、このようなグラファイトやカーボン係活物質は、理論容量が多少高いと言っても380mAh/g程度に過ぎず、今後の高容量リチウム電池開発の際、上述した負極を使用できなくなるような問題がある。   However, such graphite and carbon-enhanced materials are only about 380 mAh / g even if the theoretical capacity is somewhat high, and the above-described negative electrode cannot be used in the development of high-capacity lithium batteries in the future. There is.

このような問題を改善するために、現在活発に研究されている物質が金属係または金属間化合物係の負極活物質である。例えば、アルミニウム、ゲルマニウム、シリコン、スズ、亜鉛、鉛などの金属または半金属を負極活物質として活用したリチウム電池が研究されている。このような材料は、高容量でありながら高エネルギー密度を有し、炭素係材料を利用した負極活物質より多くのリチウムイオンを吸蔵・放出することができ、高容量及び高エネルギー密度を有する電池を製造することができる。例えば、純粋なシリコンは、4017mAh/gの高い理論容量を有するものと知られている。   In order to improve such a problem, a material that is being actively studied is a metal-related or intermetallic compound-based negative electrode active material. For example, a lithium battery using a metal or a semimetal such as aluminum, germanium, silicon, tin, zinc, or lead as a negative electrode active material has been studied. Such a material has a high energy density while having a high capacity, can absorb and release more lithium ions than a negative electrode active material using a carbon-related material, and has a high capacity and a high energy density. Can be manufactured. For example, pure silicon is known to have a high theoretical capacity of 4017 mAh / g.

しかし、これを炭素係材料と比較した時、サイクル特性が低下されていまだに実用化に障害物になっているが、これは負極活物質として前記シリコンなどをそのままリチウムの吸蔵及び放出物質として使用する場合、充放電の過程で体積の変化によって活物質の間の導電性が低下されるか、負極集電体から負極活物質が剥離されるような現象が発生するからである。すなわち負極活物質に含まれた前記シリコン等は、充電によってリチウムを吸蔵して体積が約300ないし400%に至るほどに膨脹して放電する場合、リチウムが放出されれば無機質粒子は収縮することになる。   However, when compared with the carbon-related material, the cycle characteristics are still deteriorated, and it is still an obstacle to practical use. This is because the silicon or the like is used as a negative electrode active material as a lithium storage and release material. In this case, a phenomenon occurs in which the conductivity between the active materials is reduced due to a change in volume during the charge / discharge process or the negative electrode active material is peeled off from the negative electrode current collector. In other words, when the silicon contained in the negative electrode active material absorbs lithium by charging and expands to a volume of about 300 to 400% and discharges, the inorganic particles shrink when lithium is released. become.

このような充放電サイクルを繰り返すようになれば、負極活物質のクラックによって電気的絶縁が発生することがあり、寿命が急激に低下されるため、リチウム電池に使用するのに問題がある。また、このような問題を改善するためにシリコン粒子としてナノサイズ水準の粒子を使用するか、シリコンが多孔性を有するようにして体積の変化に対する緩衝効果を有するようにする研究が進行された。   If such a charge / discharge cycle is repeated, electrical insulation may occur due to cracks in the negative electrode active material, and the lifetime is drastically reduced, which is problematic for use in lithium batteries. In order to improve such problems, research has been conducted to use nano-sized particles as silicon particles, or to make silicon have porosity so as to have a buffering effect against volume change.

韓国公開特許第2004-0063802号は、リチウム二次電池用負極活物質、その製造方法及びリチウム二次電池に関し、シリコンとニッケルなどの他の金属を合金させた後、この金属を湧出させる方法を使用しており、また、韓国公開特許第2004-0082876号は、多孔性シリコン及びナノサイズシリコン粒子の製造方法とリチウム二次電池用負極材料への応用に関し、粉末状態のアルカリ金属またはアルカリ希土類金属と二酸化シリコンなどのシリコン前駆体を混合して熱処理後、酸で湧出させる技術が開示された。   Korean Patent No. 2004-0063802 relates to a negative electrode active material for a lithium secondary battery, a method for manufacturing the same, and a lithium secondary battery, and a method for causing the metal to spring after alloying other metals such as silicon and nickel. Korean Patent No. 2004-0082876 relates to a method for producing porous silicon and nano-sized silicon particles and application to a negative electrode material for a lithium secondary battery. And a silicon precursor such as silicon dioxide are disclosed, and after heat treatment, a technique of squirting with an acid has been disclosed.

前記特許等は、多孔性構造による緩衝効果により初期容量維持率の向上はあり得るが、単に伝導性が劣る多孔性シリコン粒子のみを使用したため、粒子がナノサイズにならなければ電極製造の際粒子間の伝道率が下がってしまい、初期效率や容量維持特性が低下するような問題がある。   In the above patents, the initial capacity retention rate may be improved by the buffer effect due to the porous structure, but only the porous silicon particles having poor conductivity are used. There is a problem that the transmission efficiency decreases and the initial efficiency and capacity maintenance characteristics deteriorate.

韓国公開特許第2004-0063802号Korean Published Patent No. 2004-0063802 韓国公開特許第2004-0082876号Korean Published Patent No. 2004-0082876

したがって、本発明は、上記の問題を解決するために案出されたもので、その目的は、充放電時に体積の変化が少なくて電気的絶縁が発生しにくいリチウム二次電池用負極活物質を提供することである。   Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-described problems, and its purpose is to provide a negative electrode active material for a lithium secondary battery that is less likely to cause electrical insulation with little volume change during charge and discharge. Is to provide.

また、本発明の他の目的は、初期効率及び容量維持特性に優れたリチウム二次用負極活物を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a negative electrode active material for lithium secondary excellent in initial efficiency and capacity maintenance characteristics.

また、本発明のまた他の目的は、電池設計において非晶質化度を考慮して最適化された負極活物質を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a negative electrode active material optimized in consideration of the degree of amorphization in battery design.

上記の目的を達成するために本発明の実施例は、下記の化学式からなる合金として合金内マトリックス状微細結晶領域の非晶質化度が25%以上である二次電池用負極活物質を提供することを特徴とする。   In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention provides an anode active material for a secondary battery in which the degree of amorphization of the matrix-like fine crystal region in the alloy is 25% or more as an alloy having the following chemical formula: It is characterized by doing.

SixTiyFezAlu(ここで、x、y、z、uは原子%で、x:1−(y+z+u)、y:0.09〜0.14、z:0.09〜0.14、u:0.01超過0.2未満)   SixTiyFezAlu (where x, y, z, u are atomic%, x: 1- (y + z + u), y: 0.09 to 0.14, z: 0.09 to 0.14, u: 0.01 Exceeding less than 0.2)

前記二次電池用負極活物質で、50サイクル後の膨張率が70〜150%の範囲であることが好ましい。   In the secondary battery negative electrode active material, the expansion coefficient after 50 cycles is preferably in the range of 70 to 150%.

また、前記二次電池用負極活物質で原子%(at%)でAlが5〜19%の範囲を有することが好ましい。   In the secondary battery negative electrode active material, it is preferable that Al is in the range of 5 to 19% by atomic% (at%).

また、前記二次電池用負極活物質で原子%(at%)でAlが10〜19%の範囲を有することが最も好ましい。   In the secondary battery negative electrode active material, it is most preferable that Al is in the range of 10 to 19% by atomic% (at%).

また、前記二次電池用負極活物質は、原子%(at%)でTiとFeがそれぞれ9〜12.5%の範囲を有することが好ましい。   The negative electrode active material for a secondary battery preferably has Ti and Fe in a range of 9 to 12.5% in atomic% (at%).

また、前記二次電池用負極活物質は、TiとFeとの割合が2:1〜1:2の範囲を有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said negative electrode active material for secondary batteries has the range of 2: 1 to 1: 2 of Ti and Fe.

また、前記二次電池用負極活物質は、TiとFeとの割合が1:1の範囲を有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said negative electrode active material for secondary batteries has the range of the ratio of Ti and Fe 1: 1.

また、前記二次電池用負極活物質は、50サイクル後の放電容量が初期放電容量対比90%以上であることが好ましい。   The secondary battery negative electrode active material preferably has a discharge capacity after 50 cycles of 90% or more compared to the initial discharge capacity.

また、前記二次電池用負極活物質は、50サイクル後の効率が98%以上であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said negative electrode active material for secondary batteries is 98% or more of the efficiency after 50 cycles.

さらに、本発明のまた他の実施例によれば、前記負極は、50サイクル後の膨張率が70〜150%で、下記の化学式からなる合金で、合金内マトリックス状微細結晶領域の非晶質化度が25%以上の範囲を有し、原子%(at%)で、Si:60〜70%、Ti:9〜14%、Fe:9〜14%、Al:5〜19%の範囲を有する負極活物質からなる二次電池を提供することを特徴とする。   Further, according to another embodiment of the present invention, the negative electrode has an expansion coefficient after 70 cycles of 70 to 150%, an alloy having the following chemical formula, and an amorphous matrix-like fine crystal region in the alloy. The degree of conversion is in the range of 25% or more, and in atomic% (at%), Si: 60 to 70%, Ti: 9 to 14%, Fe: 9 to 14%, Al: 5 to 19% A secondary battery comprising the negative electrode active material is provided.

SixTiyFezAlu(ここで、x、y、z、uは、原子%(at%)、x:1−(y+z+u)、y:0.09〜0.14、z:0.09〜0.14、u:0.05〜0.19)   SixTiyFezAlu (where x, y, z, u are atomic% (at%), x: 1- (y + z + u), y: 0.09 to 0.14, z: 0.09 to 0.14, u : 0.05-0.19)

以上のように本発明の実施例によれば、充放電時に体積の変化が少なくて電気的絶縁がよく発生せず、初期効率及び容量維持特性に優れたリチウム二次電池用負極活物質を得ることができるという効果を奏する。   As described above, according to the embodiment of the present invention, a negative electrode active material for a lithium secondary battery is obtained that has little change in volume during charge and discharge, does not generate electrical insulation well, and has excellent initial efficiency and capacity maintenance characteristics. There is an effect that can be.

また、本発明の実施例によれば、50サイクル後の膨張率測定を通じて電池設計において最適化された負極活物質の非晶質化度値を提供することができるという効果を奏する。   In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to provide the degree of amorphization of the negative electrode active material optimized in the battery design through the measurement of the expansion coefficient after 50 cycles.

また、本発明の実施例によれば、電池設計において非晶質化度を考慮して最適化された負極活物質を提供することができるという効果を奏する。   In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a negative electrode active material that is optimized in consideration of the degree of amorphization in battery design.

比較例による負極活物質において、50サイクル後膨脹特性を測定した組職写真図である。It is the organization photograph which measured the expansion characteristic after 50 cycles in the negative electrode active material by a comparative example. 比較例による負極活物質において、50サイクル後膨脹特性を測定した組職写真図である。It is the organization photograph which measured the expansion characteristic after 50 cycles in the negative electrode active material by a comparative example. 比較例による負極活物質において、50サイクル後膨脹特性を測定した組職写真図である。It is the organization photograph which measured the expansion characteristic after 50 cycles in the negative electrode active material by a comparative example. 本発明の実施例による負極活物質において、50サイクル後膨脹特性を測定した組職写真図である。FIG. 4 is a photograph of an organization in which an expansion property after 50 cycles was measured in a negative electrode active material according to an example of the present invention. 本発明の実施例による負極活物質の非晶質化度測定を示したグラフである。3 is a graph illustrating measurement of the degree of amorphization of a negative electrode active material according to an embodiment of the present invention.

その他の実施例の具体的な事項は、発明の詳細な説明及び図面に含まれている。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを果たす方法は添付される図面と共に詳細に後述されている実施例等を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は以下開示される実施例等に限定されるのではなく、互いに異なる多様な形態で具現されることができ、以下の説明である部分が他の部分と繋がれているとした場合、これは直接的に繋がれている場合のみならず、その中間に他の媒体を間に置いて繋がれている場合をも含む。また、図面にて本発明と関係ない部分は、本発明の説明を明確にさせるために略しており、明細書全体を通じて類似した部分については同じ図面符号を付けた。以下、添付された図面を参照して本発明について説明する。   Specific details of other embodiments are included in the detailed description of the invention and the drawings. Advantages and features of the present invention and methods for performing them will be apparent with reference to the embodiments and the like described in detail below in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be embodied in various different forms, and the following description is connected to other parts. In this case, this includes not only the case of being directly connected but also the case of being connected with another medium in between. In the drawings, parts not related to the present invention are omitted for clarity of explanation of the present invention, and similar parts are denoted by the same reference numerals throughout the specification. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本発明の実施例は、膨張率の向上した二次電池用負極活物質及びこれを含む二次電池を提供する。特に、本発明の実施例では二次電池用負極活物質において合金内マトリックス状微細結晶領域の非晶質化度が25%以上である負極活物質を得ることができる。   Embodiments of the present invention provide a negative electrode active material for a secondary battery having an improved expansion coefficient and a secondary battery including the same. In particular, in the example of the present invention, a negative electrode active material in which the degree of amorphization of the matrix-like fine crystal region in the alloy is 25% or more can be obtained in the negative electrode active material for secondary batteries.

一般に、シリコン係負極活物質を研究する場合には、化成(Formation)工程以後、最初のサイクルの満充電時の極板厚さが初期極板厚さ(電解液注入前の極板厚さ)に比べてどの程度増えたのかを測定する。言い換えれば、1サイクル以後の膨張率を測定することであるが、ここで、負極活物質にリチウムが吸蔵しながら発生する体積の変化が現われるようになる。   In general, when studying silicon-based negative electrode active materials, the initial plate thickness after the formation process is the initial plate thickness at the time of full charge (electrode plate thickness before electrolyte injection). Measure how much it has increased compared to. In other words, the coefficient of expansion after one cycle is measured. Here, a change in volume generated while lithium is occluded in the negative electrode active material appears.

しかし、本発明の実施例では、前記1サイクルではない50サイクルの間、充電と放電を繰り返えした以後の厚さを測定し、初期極板厚さと比較した50サイクル後の膨張率を測定した。このような50サイクル後の膨張率測定を通じてリチウムの吸蔵、放出による体積の変化及び活物質表面で発生する副反応によって電解液が分解しながら積もるSEI(Solid Electrolyte Interface or Interphase)層の発生程度をモニタリングすることができる。   However, in the embodiment of the present invention, the thickness after repeated charging and discharging is measured for 50 cycles instead of the one cycle, and the expansion coefficient after 50 cycles compared with the initial electrode plate thickness is measured. did. Through the measurement of the expansion coefficient after 50 cycles, the volume of the lithium due to occlusion and release, and the generation of SEI (Solid Electrolyte Interface or Interface) layer that accumulates while the electrolytic solution decomposes due to side reactions that occur on the active material surface. Can be monitored.

コインハーフセルを製作してシリコン係負極物質の特性を評価する場合、対極として使用するリチウムメタル電極が一般的に50サイクル以後には、劣化し始めて結果に影響を及ぼすようになる。したがって、本発明の実施例では、50サイクル寿命評価後、コインセルを解体して極板厚さの変化を測定することで、単純なリチウム吸蔵による初期極板膨脹のみならず、以後50サイクル間の副反応層の成長による極板膨脹まで考慮して負極活物質性能評価の指標にした。 したがって、本発明の実施例では、50サイクル後の膨張率の変化が技術的に相当意味のある性能評価の指標であることを見つけ、これによる最適の成分範囲を導出することができた。   When a coin half cell is manufactured and the characteristics of a silicon-related negative electrode material are evaluated, the lithium metal electrode used as a counter electrode generally starts to deteriorate after 50 cycles and affects the results. Therefore, in the embodiment of the present invention, after evaluating the 50 cycle life, the coin cell is disassembled and the change in the electrode plate thickness is measured, so that not only the initial electrode plate expansion due to simple lithium occlusion but also the subsequent 50 cycles. Taking into account the expansion of the electrode plate due to the growth of the side reaction layer, it was used as an index for evaluating the performance of the negative electrode active material. Therefore, in the example of the present invention, it was found that the change in the expansion coefficient after 50 cycles was a technically meaningful index for performance evaluation, and the optimum component range could be derived therefrom.

通常、黒鉛の場合、非常に安定的なSEI層が初期化成充電段階で発生し、初期充電段階以後には極板の体積の変化が20%以下水準に発生するから、明らかな変化なしに初期充電段階でのSEI層がそのまま維持されるような傾向を見せる。しかし、シリコン係負極活物質は、極板の体積の変化が大きいために初期に活物質表面に発生したSEI層が活物質収縮の際に離れて行きながら新しい活物質表面が電解液に露出し、次回膨脹の際に前記表面に新しいSEI層が発生する現象が引き続き繰り返されて非常に厚いSEI層である副反応層が発達する。   Usually, in the case of graphite, a very stable SEI layer is generated in the initial formation charging stage, and after the initial charging stage, the change in the volume of the electrode plate occurs at a level of 20% or less. It shows a tendency that the SEI layer in the charging stage is maintained as it is. However, since the volume of the electrode plate is large in the silicon-related negative electrode active material, the SEI layer that was generated on the active material surface in the early stage moves away when the active material shrinks, and the new active material surface is exposed to the electrolyte. In the next expansion, the phenomenon that a new SEI layer is generated on the surface is continuously repeated to develop a side reaction layer that is a very thick SEI layer.

活物質表面に積もった副反応層は、二次電池内で低抗体の役目をしてリチウムの移動を邪魔するようになって、副反応層を形成するために電解液が消耗することで、電池の寿命を短縮させるような問題を引き起こすことがありえる。また、副反応層の発達による極板厚さの増加は、電池のゼリー・ロールに物理的な変形を引き起こし、一部面積の極板に電流が集中されて電池が急速に劣化される現象を引き起こすことがありえる。   The side reaction layer accumulated on the surface of the active material acts as a low antibody in the secondary battery to obstruct lithium migration, and the electrolyte is consumed to form the side reaction layer. It can cause problems that reduce battery life. In addition, the increase in the electrode plate thickness due to the development of the side reaction layer causes physical deformation of the battery jelly roll, causing the current to concentrate on the electrode plate of a certain area and causing the battery to deteriorate rapidly. It can be caused.

既存のシリコン合金素材の場合、充電、放電を繰り返しながら活物質内部に機制(Matrix)は、そのままあってシリコン部分のみ収縮、膨脹をすることによって機制とシリコンとの間に亀裂が発生する場合がある。このような場合、亀裂の中へ電解液が侵透しつつ電解液の副反応層が活物質の内部に生成されて活物質を分散する現象が発見され、この時50サイクル後極板厚さの急激な膨脹が観察される。   In the case of an existing silicon alloy material, the mechanism (Matrix) inside the active material is repeated as it is repeatedly charged and discharged, and only the silicon portion contracts and expands, so that a crack may occur between the mechanism and silicon. is there. In such a case, it was discovered that a side reaction layer of the electrolytic solution was generated inside the active material while the electrolytic solution penetrated into the cracks, and the active material was dispersed. A sudden expansion of is observed.

このような現象は、1サイクル後の極板厚さ測定の時には発見することができない現象であり、初期優秀な膨張率を有している物質であっても実際電池に適用したとき、電池内部の抵抗増加及び電解液の枯渇など、色んな問題を引き起こすことができる素材である可能性があることを示唆する。したがって、本実施例が提示している50サイクル後の極板膨脹は、シリコン係負極活物質の開発時活物質の膨脹、収縮及び副反応現象の評価において非常に有用な評価指標である。   Such a phenomenon is a phenomenon that cannot be found when measuring the electrode plate thickness after one cycle. Even when a material having an excellent initial expansion coefficient is actually applied to a battery, This suggests that the material may cause various problems such as increase in resistance and depletion of electrolyte. Therefore, the electrode plate expansion after 50 cycles presented in this example is a very useful evaluation index in the evaluation of expansion, contraction, and side reaction phenomenon of the active material during the development of the silicon negative electrode active material.

本発明の実施例では、50サイクルの後の膨張率の大きさを本発明の実施例に利用される負極活物質用金属化合物の組成に基づいて検討し、組成の変化に伴う最適の膨張率の範囲を導出するようになった。   In the embodiment of the present invention, the magnitude of the expansion coefficient after 50 cycles is examined based on the composition of the metal compound for negative electrode active material used in the embodiment of the present invention, and the optimal expansion coefficient in accordance with the change in the composition. It came to derive the range.

一方、本発明の実施例では、合金のマトリックス上に微細結晶領域が存在して、リチウムの拡散をより容易にする。そして、このような微細結晶領域が存在する割合は、非晶質化度を通じて示すことができ、マトリックス状で非晶質領域が形成されることによって二次電池充電時の体積膨脹が抑制されることができる。   On the other hand, in the embodiment of the present invention, there is a microcrystalline region on the alloy matrix, which facilitates lithium diffusion. The ratio of the presence of such fine crystal regions can be shown through the degree of amorphization, and the formation of the amorphous region in a matrix form suppresses the volume expansion when the secondary battery is charged. be able to.

本発明では、マトリックス状微細結晶領域の非晶質化度は、25%以上存在することが特徴である。前記範囲内で非晶質化度が形成される場合に、リチウムの拡散が非常に容易になる。そして、このような非晶質化度の範囲内にある時、50サイクルの後の膨張率も同様に優秀に示され、したがって、これを負極活物質として使用する場合、充電時の体積膨脹が抑制されるということが分かる。   The present invention is characterized in that the degree of amorphization of the matrix fine crystal region is 25% or more. When the degree of amorphization is formed within the above range, lithium diffusion becomes very easy. And when it is in the range of the degree of amorphization, the expansion rate after 50 cycles is similarly excellent, and therefore when used as a negative electrode active material, the volume expansion during charging is It turns out that it is suppressed.

本発明の実施例では、合金のXRDパターンの回転角度2θ=20゜〜100゜範囲で非晶質化度は25%以上であることが好ましい。前記非晶質化度の範囲内では、体積膨脹が抑制されて電気的絶縁がよく発生するようになる。   In an embodiment of the present invention, the degree of amorphization is preferably 25% or more in the range of the rotation angle 2θ = 20 ° to 100 ° of the XRD pattern of the alloy. Within the range of the degree of amorphization, volume expansion is suppressed and electrical insulation often occurs.

本発明に利用された非晶質化度の計算は、下記のとおりであり、これは図3に示されたところによって非晶質化度を求めることができる。   The calculation of the degree of amorphization used in the present invention is as follows, and the degree of amorphization can be obtained as shown in FIG.

非晶質化度(%)=((全体面積−結晶化面積))÷全体面積)   Amorphization degree (%) = ((total area−crystallization area)) ÷ total area)

本発明の実施例では、非晶質化度が高いということは微細結晶領域が多いということであり、このため、充電時に前記微細結晶領域で緩衝作用を通じてリチウムイオンが蓄積されて体積の膨脹要因を抑制することができるような効果を得ることができる。   In the embodiment of the present invention, a high degree of amorphization means that there are many fine crystal regions. Therefore, during charging, lithium ions are accumulated through a buffering action in the fine crystal regions, thereby causing a volume expansion factor. The effect that can be suppressed can be obtained.

また、本発明の実施例では50サイクル後の膨張率が70〜150%の範囲を有し、下記の式からなる二次電池用負極活物質を提供する。
SixTiyFezAlu (1)
(ここで、x、y、z、uは、原子%(at%)、x:1−(y+z+u)、y:0.09〜0.14、z:0.09〜0.14、u:0.01超過0.19未満)
Moreover, in the Example of this invention, the expansion coefficient after 50 cycles has the range of 70 to 150%, and provides the negative electrode active material for secondary batteries which consists of a following formula.
SixTiyFezAlu (1)
(Where x, y, z, u are atomic% (at%), x: 1- (y + z + u), y: 0.09 to 0.14, z: 0.09 to 0.14, u: 0.01 over less than 0.19)

本実施例では、前記Siは、原子%(at%)で60〜70%の範囲を有し、Ti及びFeは9〜14%の範囲を有する。一方、前記Alは1%超過及び20%未満の範囲を有するが、好ましくは、5〜19%の範囲である。   In this example, the Si has a range of 60 to 70% in atomic% (at%), and Ti and Fe have a range of 9 to 14%. On the other hand, the Al has a range of more than 1% and less than 20%, preferably 5 to 19%.

合金に含まれたTi、Feは、Siと結合してSiTiFeという金属間化合物を形成する。したがって、Ti、Feの含量がそれぞれ14at%であれば、Siの28at%以上が金属間化合物を形成するのに消耗して活物質のg当りの容量が減る現象が示され、この場合1000mAh/g以上の容量を得ようとすれば、投入するSiの含量が非常に高くならなければならない。 Ti and Fe contained in the alloy combine with Si to form an intermetallic compound called Si 2 TiFe. Therefore, when the contents of Ti and Fe are 14 at%, respectively, a phenomenon that 28 at% or more of Si is consumed to form an intermetallic compound and the capacity per g of the active material is reduced. In this case, 1000 mAh / In order to obtain a capacity of g or more, the content of Si to be added must be very high.

一般に、半金属であるSiを多く含有した場合、溶融時鎔湯の粘度が高くて急冷凝固作業性が悪くなる傾向が現われるので、Siの含有量を可能な限り70%以内の範囲で維持しており、このため、Ti、Feの含量は14%を超過しないことが好ましい。本発明の実施例ではTi、Feの含量を膨張率と関係して最適の合金成分を導出する過程で14%以下に下げることが好ましいということを導出した。   In general, when a large amount of Si, which is a semimetal, is contained, the viscosity of the hot water at the time of melting tends to deteriorate the workability of rapid solidification, so the Si content is maintained within 70% as much as possible. For this reason, it is preferable that the content of Ti and Fe does not exceed 14%. In the examples of the present invention, it was derived that it is preferable to reduce the content of Ti and Fe to 14% or less in the process of deriving optimum alloy components in relation to the expansion rate.

また、Alはat%で1%超過及び20%未満の範囲を有することができる。Alが1%程度含まれた場合、50サイクル後の膨脹がひどく起きてしまい、活物質の散らばる現象が現われるようになり、好ましくない。また、Alが20%である場合Si:Matrix体積分率の変化による放電容量が減少して好ましくない。本発明の実施例では、at%で5〜19%の範囲を有する時、最も好ましい膨張率の範囲を有することができることを導出し、この範囲内でまた放電容量の減少が起きないことが分かった。最も好ましくは、Alは10〜19%であり、この範囲で最も好ましい50サイクル膨張率の範囲を得ることができ、かつ放電容量の減少が発生しない。   Al can also have a range of greater than 1% and less than 20% in at%. When Al is contained in an amount of about 1%, the expansion after 50 cycles is severely caused and a phenomenon in which the active material is scattered appears, which is not preferable. Moreover, when Al is 20%, the discharge capacity due to the change in the Si: Matrix volume fraction decreases, which is not preferable. In the examples of the present invention, it is derived that when having a range of 5 to 19% in at%, it is possible to have the most preferable expansion rate range, and it is found that the discharge capacity does not decrease within this range. It was. Most preferably, Al is 10 to 19%, and in this range, the most preferable range of 50 cycle expansion rate can be obtained, and the discharge capacity does not decrease.

また、本発明の負極活物質を製造する方法は、特に限定されず、例えば、この分野において公知されている多様な微細粉末製造技法(ガスアトマイザー法、遠心ガスアトマイザー法、プラズマアトマイザー法、回転電極法、メカニカルアロイング法など)を利用することができる。   In addition, the method for producing the negative electrode active material of the present invention is not particularly limited. For example, various fine powder production techniques known in this field (gas atomizer method, centrifugal gas atomizer method, plasma atomizer method, rotating electrode) Method, mechanical alloying method, etc.).

本発明では、例えば、Si及びマトリックスを構成する成分を混合し、混合物をアーク溶解法などで溶融させた後、前記溶融物を回転する銅ロールに噴射させる単ロール急冷凝固法に適用して活物質を製造することができる。しかし、本発明で適用される方式が前記方式に限定されるものではなく、単ロール急冷凝固法の外にも十分な急冷速度が得られるものであれば、上述した微細粉末製造技法(ガスアトマイザー法、遠心ガスアトマイザー法、プラズマアトマイザー法、回転電極法、メカニカルアロイング法など) によっても製造することができる。   In the present invention, for example, Si and the components constituting the matrix are mixed, the mixture is melted by an arc melting method or the like, and then applied to a single roll rapid solidification method in which the melt is sprayed onto a rotating copper roll. A substance can be produced. However, the method applied in the present invention is not limited to the above method, and the above-described fine powder production technique (gas atomizer) can be used as long as a sufficient rapid cooling rate can be obtained in addition to the single roll rapid solidification method. Method, centrifugal gas atomizer method, plasma atomizer method, rotating electrode method, mechanical alloying method, etc.).

また、本発明の一実施例による負極活物質を利用して二次電池を製造することができるが、二次電池のうち正極としてはリティエーティド(Lithiated)インターカレーション化合物を含むことができ、かつ、それ以外に無機硫黄(S8、Elemental Sulfur)及び黄係化合物(Sulfur Compound)を使用することも可能であり、前記黄係化合物としては、LiSn(n≧1)、カソード液(Catholyte)に溶解されたLiSn(n≧1)、有機硫黄化合物または炭素-硫黄ポリマー(CSf)n:f=2.5ないし50、n≧2)などを例としてあげることができる。 In addition, a secondary battery can be manufactured using the negative electrode active material according to an embodiment of the present invention, and the positive electrode of the secondary battery can include a lithium intercalation compound. In addition, inorganic sulfur (S8, Elemental Sulfur) and yellow compound (Sulfur Compound) can also be used. As the yellow compound, Li 2 Sn (n ≧ 1), catholyte ( Examples include Li 2 Sn (n ≧ 1), organic sulfur compound or carbon-sulfur polymer (C 2 Sf) n: f = 2.5 to 50, n ≧ 2) dissolved in Catholyte). .

また、本発明の二次電池に含まれる電解質の種類も同様に特に限定されず、この分野で公知されている一般的な手段を採用することができる。本発明の一例で前記電解液は、非水性有機溶媒及びリチウム塩を含むことができる。前記リチウム塩は、有機溶媒に溶解されて電池内でリチウムイオンの供給源として作用し、正極と負極との間のリチウムイオンの移動を促進させることができる。本発明で使用することができるリチウム塩の例としては、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiCFSO、LiN(CFSO、Li(CFSON、LiCSO、LiCl、LiAlO、LiAlCl、LiN(CxF2x+1SO)(CyF2y+1SO)(ここで、x及びyは自然数)、LiCl、Lil、及びリチウムビスオキサレートボラート(Lithium Bis oxalate Borate)などの一種または二種以上を支持(Supporting)電解塩として含むことを例としてあげることができる。電解質でのリチウム塩の濃度は、用途に応じて変化されうるもので、通常的には0.1Mないし2.0Mの範囲内で使用する。 Similarly, the type of electrolyte contained in the secondary battery of the present invention is not particularly limited, and general means known in this field can be employed. In one example of the present invention, the electrolytic solution may include a non-aqueous organic solvent and a lithium salt. The lithium salt can be dissolved in an organic solvent to act as a lithium ion supply source in the battery, and promote the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode. Examples of lithium salts that can be used in the present invention include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N , LiC 4 F 9 SO 3 , LiCl 4 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (CxF 2x + 1 SO 2 ) (CyF 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), LiCl, Lil, and For example, one or two or more of lithium bisoxalate borate or the like may be included as a supporting electrolytic salt. The concentration of the lithium salt in the electrolyte can be changed depending on the application, and is usually used within the range of 0.1M to 2.0M.

また、前記有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンらが移動することができる媒質の役目をするもので、その例としては、ベンゼン、トルエン、フルオロベンゼン、1、2-ジフルオロベンゼン、1、3-ジフルオロベンゼン、1、4-ジフルオロベンゼン、1、2、3-トリフルオロベンゼン、1、2、4-トリフルオロベンゼン、クロロベンゼン、1、2-ジクロロベンゼン、1、3-ジクロロベンゼン、1、4-ジクロロベンゼン、1、2、3-卜リクロロベンゼン、1、2、4-卜リクロロベンゼン、ヨードベンゼン(Iodobenzene)、1、2-ジヨードベンゼン、1、3-ジヨードベンゼン、1、4-ジヨードベンゼン、1、2、3-トリヨードベンゼン、1、2、4-トリヨードベンゼン、フルオロトルエン、1、2-ジフルオロトルエン、1、3-ジフルオロトルエン、1、4-ジフルオロトルエン、1、2、3-トリフルオロトルエン、1、2、4-トリフルオロトルエン、クロロトルエン、1、2-ジクロロトルエン、1、3-ジクロロトルエン、1、4-ジクロロトルエン、1、2、3-卜リクロロトルエン、1、2、4-卜リクロロトルエン、ヨードトルエン、1、2-ジヨードトルエン、1、3-ジヨードトルエン、1、4-ジヨードトルエン、1、2、3-トリヨードトルエン、1、2、4-トリヨードトルエン、R-CN(ここで、Rは炭素数2ないし50の直鎖状、分枝状または環状構造の炭化水素基で、前記炭化水素基は二重結合、芳香族環またはエーテル結合などを含むことができる)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセテート、キシレン、サイクロヘキサン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、サイクロヘキサノン、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、プロピレンカーボネート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、ジメトキシエタン、1、3-ジオキソラン、ジグライム、テトラグライム、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、スルホラン、バレロラクトン、デカノライドまたはメバロラックトンの一種または二種以上を挙げることができるが、これに限定されるものではない。   The organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Examples thereof include benzene, toluene, fluorobenzene, and 1,2-difluorobenzene. 1,3-difluorobenzene, 1,4-difluorobenzene, 1,2,3-trifluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene 1,4-dichlorobenzene, 1,2,3-trichlorobenzene, 1,2,4-trichlorobenzene, iodobenzene, 1,2-diiodobenzene, 1,3-diiodobenzene, 1,4-diiodobenzene, 1,2,3-triiodobenzene, 1,2,4-triiodobenzene, fluorotoluene, 1,2-difluoro Rotoluene, 1,3-difluorotoluene, 1,4-difluorotoluene, 1,2,3-trifluorotoluene, 1,2,4-trifluorotoluene, chlorotoluene, 1,2-dichlorotoluene, 1,3- Dichlorotoluene, 1,4-dichlorotoluene, 1,2,3-trichlorotoluene, 1,2,4-trichlorotoluene, iodotoluene, 1,2-diiodotoluene, 1,3-diiodotoluene 1,4-diiodotoluene, 1,2,3-triiodotoluene, 1,2,4-triiodotoluene, R-CN (wherein R is a straight chain having 2 to 50 carbon atoms, branched Or a hydrocarbon group having a cyclic structure, which may include a double bond, an aromatic ring or an ether bond), dimethylformamide, dimethyl acetate, xylene, cyclohexane, Trahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, cyclohexanone, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, propylene carbonate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl acetate, ethyl acetate , Propyl acetate, dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, diglyme, tetraglyme, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, valerolactone, decanolide or mevalolacton. However, the present invention is not limited to this.

本発明の二次電池は、上記の要素外にもセパレーター、カン、電池ケースまたはガスケットなどの通常の要素を追加して含むことができ、その具体的な種類も同様に特に限定されない。また、本発明の二次電池は、上記のような要素を含み、この分野における通常的な方式及び形状で製造されることができる。また、本発明の二次電池が有することができる形状の例としては、円筒形状、角形状、コイン形状またはパウチ形状などをあげることができるが、これに限定されるものではない。   The secondary battery of the present invention can additionally contain normal elements such as a separator, can, battery case or gasket in addition to the above elements, and the specific types thereof are not particularly limited as well. In addition, the secondary battery of the present invention includes the above-described elements, and can be manufactured in a usual manner and shape in this field. Examples of shapes that the secondary battery of the present invention can have include a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a pouch shape, but are not limited thereto.

以下、実施例を参照しながら本発明についてより詳しく説明する。
本実施例では、前記Siは原子%(at%)で60〜70%の範囲を有し、Ti及びFeは9〜14%の範囲を有する。一方、前記Alは、1%超過及び20%未満の範囲を有するが、好ましくは5〜19%の範囲である。最も好ましくは10〜19%の範囲である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
In this embodiment, the Si has an atomic% (at%) range of 60 to 70%, and Ti and Fe have a range of 9 to 14%. On the other hand, the Al has a range of more than 1% and less than 20%, preferably 5 to 19%. Most preferably, it is 10 to 19% of range.

下記の表1は、本発明の実施例と比較例との組成範囲を示した表である。一方、下記の表2は、前記表1の組成を基盤とする負極活物質に対する評価に関するもので、特に、実施例と比較例の1CY-充放電量、1CY-効率、1CY-極板容量、50CY-放電容量、50CY-効率、50CY-容量維持率、50CY-膨張率、非晶質化度(%)を示したものである。表2の各項目についての技術的意味は、後述する。   Table 1 below is a table showing the composition ranges of Examples and Comparative Examples of the present invention. On the other hand, Table 2 below relates to the evaluation of the negative electrode active material based on the composition of Table 1, and in particular, 1 CY-charge / discharge amount, 1 CY-efficiency, 1 CY-electrode capacity, and examples and comparative examples. The figure shows 50 CY-discharge capacity, 50 CY-efficiency, 50 CY-capacity retention rate, 50 CY-expansion rate, and degree of amorphization (%). The technical meaning of each item in Table 2 will be described later.

本発明の実施例では、充放電を50回繰り返してこれを測定した。前記充放電の方式は、この分野において一般的に公知されているリチウム二次電子用活物質に対する充放電方式に準して行った。   In the Example of this invention, charging / discharging was repeated 50 times and this was measured. The charging / discharging method was performed in accordance with a charging / discharging method for lithium secondary electron active materials generally known in this field.

まず、本発明の実施例1ないし実施例5の場合、Alがat%で5〜19%の範囲内の組成で行われ、比較例1はAlを添加しておらず、比較例2はAlを1%添加した場合を示す。比較例3は、Alを20%添加した場合を示す。   First, in the case of Examples 1 to 5 of the present invention, Al is carried out with a composition in the range of 5% to 19% at%, Comparative Example 1 is not added Al, and Comparative Example 2 is Al. Is shown when 1% is added. Comparative Example 3 shows a case where 20% Al is added.

一方、Ti、Feの場合、Siと結合してSiTiFeという金属間化合物を形成する。したがって、Ti、Feの含量が高い場合、Siと金属間化合物を形成するのに消耗して活物質のg当りの容量が減るような現象が現われ、この場合1000mAh/g以上の容量を得ようとすれば、投入するSiの含量が非常に高くならなければならない。一般に、半金属であるSiを多く含有した場合、溶融時鎔湯の粘度が高くて急冷凝固作業性が悪くなる傾向が現われるので、Siの含有量を可能な限り70%以内の範囲で維持した方が良い。したがって、Ti、Feの含量はSiとの金属間化合物を形成することを考慮して14%を超過しないことが好ましい。 On the other hand, in the case of Ti and Fe, it combines with Si to form an intermetallic compound called Si 2 TiFe. Therefore, when the content of Ti and Fe is high, a phenomenon appears in which the capacity per g of the active material is reduced by forming an intermetallic compound with Si, and in this case, a capacity of 1000 mAh / g or more will be obtained. If so, the Si content to be introduced must be very high. In general, when a large amount of Si, which is a metalloid, is contained, the viscosity of molten hot water tends to be high and the rapid solidification workability tends to deteriorate. Therefore, the Si content is maintained within 70% as much as possible. Better. Therefore, it is preferable that the content of Ti and Fe does not exceed 14% in consideration of forming an intermetallic compound with Si.

下記の表1及び表2を調べて見れば、本発明の実施例ではTi、Feの含量を膨張率と関係して最適の合金成分を導出する過程で14%以下に下げることが好ましいということを導出した。   By examining Table 1 and Table 2 below, it is preferable to reduce the Ti and Fe contents to 14% or less in the process of deriving optimum alloy components in relation to the expansion rate in the examples of the present invention. Was derived.

また、Alはat%で1%超過及び20%未満の範囲を有することが好ましい。Alが1%程度含まれた場合、50サイクル後膨脹がひどく起きてしまい、この場合、活物質が散らばるような現象が現われるようになって好ましくない。また、Alが20%の場合、Si:Martrix体積分率の変化による放電容量が急激に減少して好ましくない。   Further, Al preferably has a range of more than 1% and less than 20% in at%. If Al is contained in an amount of about 1%, expansion will occur severely after 50 cycles. In this case, a phenomenon in which the active material is scattered appears, which is not preferable. In addition, when Al is 20%, the discharge capacity due to the change in the Si: Martrix volume fraction rapidly decreases, which is not preferable.

本発明の実施例では、原子%(at%)で5〜19%の範囲を有する時、最も好ましい膨張率の範囲を有することができることを導出し、この範囲内でまた放電容量の減少が起きないことが分かった。最も好ましくは、Alは10〜19%であり、この範囲で最も好ましい50サイクル膨張率の範囲を得ることができ、さらには放電容量の減少が発生しない。   In the embodiment of the present invention, it is derived that when the atomic% (at%) is in the range of 5 to 19%, it is possible to have the most preferable expansion rate range, and also within this range, the discharge capacity is reduced. I found that there was no. Most preferably, Al is 10 to 19%, and in this range, the most preferable range of 50 cycle expansion rate can be obtained, and furthermore, the discharge capacity does not decrease.

下記の表2及び本発明の実施例1ないし実施例5を調べて見れば、Alを添加することによって活物質の性能改善ができることを確認することができる。特に、Alを添加した時、放電容量、可逆効率、膨脹特性が著しく改善されることが分かる。一方、Alを添加していない比較例1の場合、50サイクル膨脹特性が200%を超過する値を示した。また、比較例2の場合、Alを1%添加した場合と同様に50サイクル膨脹特性が200%を超過する。一方、Alを20%添加した比較例3の場合、50サイクル膨脹が40.2%で、非常に低く現われるが、この場合放電容量が著しく減少するので、二次電池負極活物質の性能改善の効果がむしろ低くなるという問題がある。   By examining Table 2 below and Examples 1 to 5 of the present invention, it can be confirmed that the performance of the active material can be improved by adding Al. In particular, it can be seen that when Al is added, the discharge capacity, reversible efficiency, and expansion characteristics are significantly improved. On the other hand, in the case of Comparative Example 1 in which Al was not added, the 50-cycle expansion characteristics showed a value exceeding 200%. Further, in the case of Comparative Example 2, the 50-cycle expansion characteristics exceed 200% as in the case of adding 1% Al. On the other hand, in the case of Comparative Example 3 in which 20% Al is added, the 50 cycle expansion is 40.2%, which is very low. In this case, the discharge capacity is significantly reduced, so that the performance of the secondary battery negative electrode active material is improved. There is a problem that the effect is rather low.

したがって、本発明の実施例で下記の表1及び表2を調べて見れば、負極活物質でAl添加による放電容量、可逆効率、膨脹特性が著しく改善されることが分かる。また、この時のAlの添加量をat%で少なくとも1%は超過するが、20%未満の範囲で最適の性能を現わすことが分かる。また、比較例1、2の場合、非晶質化度(%)は25%未満に現われることが分かり、したがって本発明の実施例でAlの成分範囲内で好ましい非晶質化度は少なくとも25%以上であることが分かる。   Therefore, by examining Tables 1 and 2 below in the examples of the present invention, it can be seen that the discharge capacity, reversible efficiency, and expansion characteristics due to the addition of Al are significantly improved in the negative electrode active material. Further, at this time, the addition amount of Al exceeds at least 1% in at%, but it is understood that optimum performance is exhibited in the range of less than 20%. In the case of Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the degree of amorphization (%) appears to be less than 25%. Therefore, in the examples of the present invention, the preferred amorphization degree within the component range of Al is at least 25. It turns out that it is more than%.

図1A、B、C及び図2は、それぞれ比較例2、実施例5に関する50サイクル後の膨張率特性を見せるための組職写真図である。図1A、B、Cにおいて明るい色の粒子形状を成す部分がMatrixで、暗い色の背景部分がSiであるが、寿命テスト前の初期には図1Cと類似にMatrixがよく集まっている形状であったが、50サイクルの充放電を繰り返えしてSi部分の体積が大きくなりつつMatrixを成す明るい色の粒子が散らばって行くことを確認することができる。   1A, 1B, 1C, and 2 are organization photographs showing the expansion coefficient characteristics after 50 cycles for Comparative Example 2 and Example 5, respectively. In FIGS. 1A, 1B, and 1C, the portion that forms a light-colored particle shape is Matrix, and the dark-colored background portion is Si, but in the initial stage before the life test, Matrix is well gathered as in FIG. 1C. However, 50 cycles of charge / discharge were repeated, and it was confirmed that bright colored particles forming Matrix were scattered while the volume of the Si portion was increased.

図1Cの場合、同じ50サイクル後の様子にもかかわらず、Matrixがシリコンの収縮、膨脹と関係なく互いに散らばることなく、よく集まっている。活物質Matrixが散らばる現象は50サイクル後の膨脹数値の急激な増加をもたらしている。比較例1、2のようにAlが1%以下に添加された場合50サイクル後の膨脹が200%以上で非常にひどく現われる反面、活物質の散らばり現象が観察されない実施例5の場合、50サイクル後の膨張率が約78%で非常に優秀であり、寿命特性をも非常に優秀であることが分かる。   In the case of FIG. 1C, despite the state after the same 50 cycles, Matrix is well gathered without scattering from each other regardless of the contraction and expansion of silicon. The phenomenon that the active material Matrix is scattered causes a rapid increase in the expansion value after 50 cycles. When Al is added to 1% or less as in Comparative Examples 1 and 2, the expansion after 50 cycles appears very severe at 200% or more, but in the case of Example 5 where no scattering phenomenon of the active material is observed, 50 cycles. It can be seen that the later expansion rate is about 78%, which is very excellent, and the life characteristics are also very excellent.

まず、本発明の実施例での活物質評価は、下記のような組成の極板を製作して評価した。シリコン合金活物質は、導電性添加剤(カーボンブラック系列):バインダー(有機係、PAIバインダー)の割合が86.6%:3.4%:10%である組成の極板を製作して評価し、NMP溶媒に分散させたスラリーを作って銅箔集電体上にドクターブレード方式でコーティングした後、攝氏110℃のオーブンで乾燥し、210℃でAr雰囲気で1時間熱処理をしてバインダーを硬化させた。   First, the active material evaluation in the examples of the present invention was performed by manufacturing an electrode plate having the following composition. The silicon alloy active material was evaluated by producing an electrode plate having a composition of conductive additives (carbon black series): binder (organic type, PAI binder) of 86.6%: 3.4%: 10%. Then, a slurry dispersed in an NMP solvent is prepared and coated on a copper foil current collector by a doctor blade method, dried in an oven at 110 ° C., and heat-treated at 210 ° C. in an Ar atmosphere for 1 hour to form a binder. Cured.

上記のような方法で作った極板をリチウム金属を対極としてコインセルを作って下記のような条件の下で化成工程を経った。
充電(リチウム挿入):0.1C、0.005V、0.05C cut-off
放電(リチウム放出):0.1C、1.5V cut-off
A coin cell was made from the electrode plate made by the above method using lithium metal as a counter electrode, and a chemical conversion step was performed under the following conditions.
Charge (lithium insertion): 0.1C, 0.005V, 0.05C cut-off
Discharge (lithium release): 0.1C, 1.5V cut-off

化成工程以後には、下記のような条件の下でサイクルテストを行った。
充電:0.5C、0.01V、0.05C cut-off
放電:0.5C、1.0V cut-off
After the chemical conversion step, a cycle test was performed under the following conditions.
Charging: 0.5C, 0.01V, 0.05C cut-off
Discharge: 0.5C, 1.0V cut-off

上記の表2において、1CY-充電(mAh/g)は、活物質1g当たりの化成充電容量で、コインセルの組み立て後、一番目の充電段階である化成工程中充電段階の電荷量を測定してコインセル極板に含まれている活物質の重さで分けた値である。   In Table 2 above, 1 CY-charge (mAh / g) is the chemical charge capacity per gram of active material, and the amount of charge in the charge stage during the chemical conversion process, which is the first charge stage after assembly of the coin cell, is measured. It is the value divided by the weight of the active material contained in the coin cell electrode plate.

1CY-放電(mAh/g)は、活物質1g当たりの化成放電容量で、コインセル組み立て後、一番目の放電段階である化成工程中放電段階の電荷量を測定してコインセル極板に含まれている活物質の重さで分けた値である。本実施例でのg当りの容量は、この時測定された放電容量である0.1C化成放電容量を意味する。   1 CY-discharge (mAh / g) is a conversion discharge capacity per gram of active material, and is included in the coin cell electrode plate by measuring the amount of charge in the discharge stage during the conversion process, which is the first discharge stage after assembling the coin cell. It is a value divided by the weight of the active material. The capacity per g in the present embodiment means a 0.1C conversion discharge capacity which is the discharge capacity measured at this time.

1CY-効率は、一番目の充放電工程である化成工程で、放電容量を充電容量で分けた値をパーセントで表示したものである。一般に、黒鉛は94%の高い初期効率を有しており、シリコン合金は80〜90%の初期効率、シリコンオキサイド(SiOx)の場合には、最大70%水準の初期効率値を有している。   The 1CY-efficiency is a percentage obtained by dividing the discharge capacity by the charge capacity in the chemical conversion process, which is the first charge / discharge process. Generally, graphite has a high initial efficiency of 94%, silicon alloys have an initial efficiency of 80 to 90%, and silicon oxide (SiOx) has an initial efficiency value of a maximum of 70%. .

どんな物質であっても初期効率が100%未満である理由は、化成工程中充電の時最初に投入されるリチウムが非可逆的にトラップされるか、SEI形成など副反応で消耗する現象が発生するからであり、初期効率が低い場合、その分追加で負極活物質及び正極活物質を投入しなければならない損失を起こすので、初期効率の高いことが電池設計の際に重要である。   The reason why the initial efficiency of any substance is less than 100% is that the first input lithium is trapped irreversibly during charging during the chemical conversion process, or it is consumed by side reactions such as SEI formation. This is because, if the initial efficiency is low, a loss that requires additional addition of the negative electrode active material and the positive electrode active material is caused. Therefore, high initial efficiency is important in battery design.

本発明の実施例で使用しているシリコン合金の場合、85%の初期効率値を有し、導電性添加剤及びバインダーもまた初期非可逆的にリチウムを消耗させるので、実質的な活物質自体の初期効率値は、約90%である。   The silicon alloy used in the examples of the present invention has an initial efficiency value of 85%, and the conductive additive and binder also consume lithium in an initial irreversible manner, so that the substantial active material itself The initial efficiency value of is about 90%.

50CY-放電は、50サイクルでの活物質g当りの放電容量で、化成工程後0.5Cで進行されるサイクルテスト中化成工程を含めて50番目のサイクルで放電時測定される電荷量を活物質重さで分けた値である。活物質がサイクルテスト進行中劣化されると初期放電容量に比べて低い数値で示されるようになり、劣化がほとんどなければ初期放電容量と類似した数値で示されるようになる。   The 50 CY-discharge is the discharge capacity per gram of active material in 50 cycles, and activates the amount of charge measured at the time of discharge in the 50th cycle including the chemical conversion step during the cycle test that proceeds at 0.5 C after the chemical conversion step. It is the value divided by the material weight. When the active material is deteriorated during the cycle test, it is indicated by a numerical value lower than the initial discharge capacity. When there is little deterioration, the active material is indicated by a numerical value similar to the initial discharge capacity.

50CY-効率は、50サイクルで充電量対比放電量の割合を%で示したものである。50CY-効率が高いほど該当サイクルでの副反応及びその他劣化によるリチウムの損失が少ないことを意味する。一般に、50CY-効率が99.5%以上である場合、非常に良好な値として判断し、実験室環境上コインセル組み立ての山砲を無視することができないので、98%以上の場合でも良好な値として判断する。   The 50CY-efficiency is the ratio of the charge amount relative to the charge amount in 50 cycles expressed in%. A higher 50CY-efficiency means less lithium loss due to side reactions and other deterioration in the cycle. Generally, when 50 CY-efficiency is 99.5% or more, it is judged as a very good value, and since the cannon for assembling coin cells cannot be ignored in the laboratory environment, to decide.

50CY-維持は、化成工程のとき進行されたサイクルを除き、以後0.5Cサイクル遂行の時一番目のサイクルの放電容量を基準として50番目のサイクルでの放電容量の割合を%で示したものである。   The 50 CY-maintenance is the ratio of the discharge capacity in the 50th cycle, expressed as a percentage, based on the discharge capacity of the first cycle when the 0.5C cycle is performed thereafter, excluding the cycle that was advanced during the chemical conversion process. It is.

50CY-維持の割合が高いほど電池寿命の勾配が水平に近いものと見ることができ、50CY-維持の割合が90%以下の場合、サイクル進行中劣化が発生して放電容量が減ったことを意味する。一部の実施例では50CY-維持の割合が100%を超過する場合も現われるが、これは寿命進行中劣化がほとんど発生しないと同時に追加的に活性化されるシリコン粒子らが示されているものと判断される。   It can be seen that the higher the 50CY-maintenance ratio is, the closer the slope of the battery life is to the horizontal. When the 50CY-maintenance ratio is 90% or less, the deterioration occurred during the cycle and the discharge capacity decreased. means. In some embodiments, the 50 CY-maintenance rate may also exceed 100%, which shows silicon particles that are additionally activated at the same time that there is little degradation during life. It is judged.

50CY-膨脹は、初期極板の厚さ対比50サイクル以後の厚さの増加値を%で示したものである。50CY-膨脹の測定方法を詳しく説明すれば次のとおりである。   The 50CY-expansion is the percentage increase in thickness after 50 cycles compared to the thickness of the initial electrode plate. The measurement method of 50CY-expansion will be described in detail as follows.

まず、初期集電体の厚さを測定する。以後コインセルに組立てるために円形で切断した状態の極板をマイクロメートルを利用してその厚さを測定した後、集電体の厚さを差し引いて活物質のみの厚さを計算する。   First, the thickness of the initial current collector is measured. Thereafter, the thickness of the circularly cut electrode plate is measured using a micrometer for assembly into a coin cell, and then the thickness of the current collector is calculated by subtracting the thickness of the current collector.

引き継いで、50サイクルテストの完了以後、コインセルをドライルームから解体して負極極板のみを分離した後、DEC溶液を利用して極板に残っている電解液を洗浄し、乾燥してマイクロメートルを利用して厚さを測定して集電体の厚さを差し引いてサイクル以後の活物質のみの厚さを計算する。すなわち、初期活物質の厚さ対比50サイクル後に増加した活物質の厚さを初期活物質の厚さで分けて百分率で表示したのが50CY-膨脹である。   In succession, after completion of the 50-cycle test, the coin cell is disassembled from the dry room and only the negative electrode plate is separated, and then the electrolyte remaining on the electrode plate is washed using a DEC solution and dried to a micrometer. The thickness of the active material after the cycle is calculated by subtracting the thickness of the current collector by measuring the thickness using. That is, 50 CY-expansion is expressed as a percentage by dividing the thickness of the active material increased after 50 cycles compared with the thickness of the initial active material by the thickness of the initial active material.

下記の表3及び表4は、TiとFeとの割合範囲を確認するための実験に対して、本発明の実施例と比較例との1CY-充放電量、1CY-効率、1CY-極板容量、50CY-放電容量、50CY-効率、50CY-容量維持率を示したものである。表4の各項目についての技術的意味は前述したとおりである。
表3は、TiとFeとの割合範囲を確認するために本発明の実施例と比較例との組成範囲を示したっものである。Ti、Feを除いた他の物質等のat%は固定して進行しており、Ti及びFeの割合にのみ変更を加えて実験を行った。
Tables 3 and 4 below show the 1 CY-charge / discharge amount, 1 CY-efficiency, 1 CY-electrode plate of the example of the present invention and the comparative example for the experiment for confirming the ratio range of Ti and Fe. The capacity, 50CY-discharge capacity, 50CY-efficiency, and 50CY-capacity maintenance ratio are shown. The technical meaning of each item in Table 4 is as described above.
Table 3 shows the composition range of the example of the present invention and the comparative example in order to confirm the ratio range of Ti and Fe. At% of other substances excluding Ti and Fe was fixed and proceeded, and only the ratio of Ti and Fe was changed and the experiment was conducted.

下記の表3によれば、Ti及びFeの割合はそれぞれ2:1〜1:2の範囲であることが好ましく、1:1割合がさらに好ましい。Ti及びFeの割合が2:1〜1:2範囲を維持している実施例7ないし9は、容量維持率がいずれも90%以上に高く示されており、1:1の割合である実施例8は、96.4%で最も高い容量維持率を示した。一方、Ti及びFeの割合が2:1〜1:2を脱した範囲で形成された比較例4及び比較例5の場合、容量維持率が51.2%、81.3%で低く示された。したがって、本発明の実施例では、電池性能を最大化するためにTiとFeとの割合を2:1〜1:2の範囲内で維持するが、最も好ましくは1:1の割合で制御する。   According to the following Table 3, the ratio of Ti and Fe is preferably in the range of 2: 1 to 1: 2, and more preferably 1: 1. In Examples 7 to 9, in which the ratio of Ti and Fe is maintained in the range of 2: 1 to 1: 2, the capacity maintenance ratio is shown to be higher than 90%, and the ratio is 1: 1. Example 8 showed the highest capacity retention at 96.4%. On the other hand, in the case of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 formed in a range in which the ratio of Ti and Fe is out of 2: 1 to 1: 2, the capacity retention rate is low as 51.2% and 81.3%. It was. Therefore, in the embodiments of the present invention, the ratio of Ti and Fe is maintained within the range of 2: 1 to 1: 2 in order to maximize battery performance, but is most preferably controlled at a ratio of 1: 1. .

以上、説明したように、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須的特徴を変更しなくとも他の具体的な形態で実施することができるということを理解できるだろう。よって、以上より記述した実施例等はすべての面から例示的なもので、限定的ではないものとして理解しなければならない。また、本発明の範囲は、上記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されなければならない。
As described above, those having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. You will understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments and the like described above are illustrative from all aspects and are not limiting. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims described below rather than the above detailed description, and all modifications or variations derived from the meaning and scope of the scope of claims and the equivalent concept thereof are included. It should be construed as included in the scope of the present invention.

Claims (12)

下記の化学式からなる合金として合金内マトリックス状微細結晶領域の非晶質化度が25%以上であることを特徴とする二次電池用負極活物質。
SixTiyFezAlu(ここで、x、y、z、uは原子%で、x:1−(y+z+u)、y:0.09〜0.14、z:0.09〜0.14、u:0.01超過0.2未満)
A negative electrode active material for a secondary battery, characterized in that the degree of amorphization of the matrix-like fine crystal region in the alloy is 25% or more as an alloy having the following chemical formula.
SixTiyFezAlu (where x, y, z, u are atomic%, x: 1- (y + z + u), y: 0.09 to 0.14, z: 0.09 to 0.14, u: 0.01 Exceeding less than 0.2)
前記負極活物質の50サイクル後の膨張率が70〜150%の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。   2. The negative electrode active material for a secondary battery according to claim 1, wherein an expansion coefficient after 50 cycles of the negative electrode active material is in a range of 70 to 150%. 前記二次電池用負極活物質で、原子%(at%)でAlが5〜19%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。   2. The negative electrode active material for a secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material for the secondary battery has an atomic% (at%) of Al in the range of 5 to 19%. 前記二次電池用負極活物質で、原子%(at%)でAlが10〜19%の範囲であることを特徴とする請求項3に記載の二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a secondary battery according to claim 3, wherein the negative electrode active material for the secondary battery has an atomic percentage (at%) of Al in the range of 10 to 19%. 前記二次電池用負極活物質は、原子%(at%)でTi及びFeがそれぞれ9〜12.5%の範囲を有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。   2. The negative electrode active material for a secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material for the secondary battery has an atomic% (at%) of Ti and Fe in a range of 9 to 12.5%, respectively. . 前記二次電池用負極活物質は、TiとFeとの割合が2:1〜1:2の範囲を有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。   2. The negative electrode active material for secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery negative electrode active material has a ratio of Ti and Fe of 2: 1 to 1: 2. 前記二次電池用負極活物質は、TiとFeとの割合が1:1であることを特徴とする請求項6に記載の二次電池用負極活物質。   The secondary battery negative electrode active material according to claim 6, wherein the secondary battery negative electrode active material has a ratio of Ti to Fe of 1: 1. 前記二次電池用負極活物質は、50サイクル後の放電容量が初期放電容量対比90%以上であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery negative electrode active material has a discharge capacity after 50 cycles of 90% or more compared to the initial discharge capacity. 前記二次電池用負極活物質は、50サイクル後の効率が98%以上であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery negative electrode active material has an efficiency of 98% or more after 50 cycles. 第1項ないし第9項のうちいずれか一つの負極活物質を含む負極、正極及び電解質を含むことを特徴とする二次電池。   A secondary battery comprising a negative electrode including any one of the negative electrode active materials according to any one of Items 1 to 9, a positive electrode, and an electrolyte. 前記負極は、50サイクル後の膨張率が70〜150%で、
下記の化学式からなる合金で、合金内マトリックス状微細結晶領域の非晶質化度が25%以上の範囲を有し、
原子%(at%)で、Si:60〜70%、Ti:9〜14%、Fe:9〜14%、Al:5〜19%の範囲を有する負極活物質からなることを特徴とする請求項10に記載の二次電池。
SixTiyFezAlu(ここで、x、y、z、uは、原子%(at%)、x:1−(y+z+u)、y:0.09〜0.14、z:0.09〜0.14、u:0.05〜0.19)
The negative electrode has an expansion coefficient of 70 to 150% after 50 cycles,
An alloy having the following chemical formula, the amorphous degree of the matrix-like fine crystal region in the alloy has a range of 25% or more,
A negative electrode active material having a range of atomic percent (at%) of Si: 60 to 70%, Ti: 9 to 14%, Fe: 9 to 14%, Al: 5 to 19%. Item 11. The secondary battery according to Item 10.
SixTiyFezAlu (where x, y, z, u are atomic% (at%), x: 1- (y + z + u), y: 0.09 to 0.14, z: 0.09 to 0.14, u : 0.05-0.19)
前記TiとFeとの割合が2:1〜1:2の範囲を有する負極を含むことを特徴とする請求項11に記載の二次電池。
The secondary battery according to claim 11, comprising a negative electrode having a ratio of Ti to Fe in a range of 2: 1 to 1: 2.
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