JP2017091662A - Negative electrode active material, negative electrode, battery, and method for producing negative electrode active material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material excellent in charge/discharge capacity and cycle characteristics.SOLUTION: A negative electrode active material according to the present embodiment contains a Cu-Sn-based alloy including a ζ phase, and therefor the negative electrode active material according to the present embodiment has a high charge/discharge capacity. The negative electrode active material according to the present embodiment includes a ζ phase, and thereby strain accompanied by a volumetric change (expansion and contraction) in absorbing and desorbing lithium ions is relaxed. Accordingly, cycle characteristics of a secondary battery is enhanced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、負極活物質材料、負極及び電池、並びに、負極活物質材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a negative electrode active material, a negative electrode and a battery, and a method for producing a negative electrode active material.

近年、家庭用ビデオカメラ、ノートパソコン、及び、スマートフォン等の小型電子機器、さらには、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、及び、電気自動車の普及が進んでいる。これらの小型電子機器、及び、自動車の普及に伴い、電池の高容量化、高サイクル特性化、及び、コンパクト化が求められている。   In recent years, small electronic devices such as home video cameras, notebook computers, and smartphones, and hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, and electric vehicles have been widely used. With the widespread use of these small electronic devices and automobiles, higher capacity, higher cycle characteristics, and compactness of batteries are required.

リチウムイオン電池に代表される二次電池には、黒鉛系の負極活物質材料が利用されている。しかしながら、黒鉛系の負極活物質材料では、高容量化及び高サイクル特性化に限界がある。   A secondary battery represented by a lithium ion battery uses a graphite-based negative electrode active material. However, the graphite-based negative electrode active material has limitations in increasing the capacity and increasing the cycle characteristics.

そこで、黒鉛系負極活物質材料よりも高容量な合金系負極活物質材料が注目されている。合金系負極活物質材料としては、シリコン(Si)系負極活物質材料、スズ(Sn)系負極活物質材料が知られている。よりコンパクトで長寿命なリチウムイオン電池の実用化のために、上記合金系負極活物質材料に対して様々な検討がなされている。   Therefore, an alloy-based negative electrode active material having a higher capacity than a graphite-based negative electrode active material has attracted attention. As an alloy-based negative electrode active material, a silicon (Si) -based negative electrode active material and a tin (Sn) -based negative electrode active material are known. Various studies have been made on the above alloy-based negative electrode active material materials for practical use of a more compact and long-life lithium ion battery.

しかしながら、合金系負極活物質材料は、充放電時に大きな膨張及び収縮を繰り返す。そのため、合金系負極活物質材料は容量が劣化しやすい。たとえば、充電に伴う黒鉛の体積膨張収縮率は、12%程度である。これに対して、充電に伴うSi単体又はSn単体の体積膨張収縮率は400%前後である。このため、Si単体又はSn単体の負極板が充放電を繰り返すと、顕著な膨張収縮が起こり、集電体に塗布された負極合剤にき裂及び割れが発生する。その結果、負極の容量が顕著に低下する。これは、体積膨張収縮により負極活物質材料の一部が遊離して負極板が電子伝導性を失うことに起因する。   However, the alloy-based negative electrode active material repeatedly repeats large expansion and contraction during charging and discharging. Therefore, the capacity of the alloy-based negative electrode active material is likely to deteriorate. For example, the volume expansion / contraction rate of graphite accompanying charging is about 12%. On the other hand, the volume expansion / contraction rate of Si alone or Sn accompanying charging is about 400%. For this reason, when the negative electrode plate of Si simple substance or Sn simple substance repeats charging and discharging, remarkable expansion and contraction occur, and cracks and cracks occur in the negative electrode mixture applied to the current collector. As a result, the capacity of the negative electrode is significantly reduced. This is because part of the negative electrode active material is liberated by volume expansion and contraction, and the negative electrode plate loses electronic conductivity.

国際公開WO2013/141230号公報(特許文献1)は、高容量と良好なサイクル特性とを実現するリチウムイオン電池用の負極材料に好適な多孔質シリコン粒子及び多孔質シリコン複合体粒子を提案する。特許文献1の多孔質シリコン粒子は、複数のシリコン微粒子が接合して連続的な空隙を有する多孔質シリコン粒子であって、シリコン微粒子の粒径、支柱径又は支柱辺の平均xが2nm〜2μmであり、シリコン微粒子の粒径、支柱径又は支柱辺の標準偏差σが1〜500nmであり、平均xと標準偏差σとの比(σ/x)が0.01〜0.5である。これにより、充放電時にシリコン微粒子が熱膨張収縮するときに、空隙を埋めるように膨張するため、負極にクラックを生じにくい、と特許文献1には記載されている。   International Publication No. WO2013 / 141230 (Patent Document 1) proposes porous silicon particles and porous silicon composite particles suitable for a negative electrode material for a lithium ion battery that achieves high capacity and good cycle characteristics. The porous silicon particles of Patent Document 1 are porous silicon particles having a continuous void formed by joining a plurality of silicon fine particles, and the particle size of the silicon fine particles, the column diameter, or the average x of the column sides is 2 nm to 2 μm. The standard particle size σ of the silicon fine particles, the column diameter, or the column side is 1 to 500 nm, and the ratio (σ / x) of the average x to the standard deviation σ is 0.01 to 0.5. Thus, Patent Document 1 describes that when the silicon fine particles are thermally expanded and contracted during charge and discharge, the silicon fine particles expand so as to fill the voids, so that the negative electrode is hardly cracked.

特許文献1では、予め存在する空隙により、リチウムイオンの吸蔵及び放出に伴って起こるシリコン粒子の膨張収縮変化を抑制する。これにより、電池のサイクル特性を改善させている。しかしながら、特許文献1には、50サイクル後の容積維持率が示されているのみであり、特許文献1に開示された多孔質シリコン粒子でも、サイクル特性が低い場合があった。   In patent document 1, the expansion | swelling shrinkage | contraction change of the silicon particle which arises with occlusion and discharge | release of lithium ion is suppressed by the space | gap which exists beforehand. Thereby, the cycle characteristics of the battery are improved. However, Patent Document 1 only shows the volume maintenance rate after 50 cycles, and even the porous silicon particles disclosed in Patent Document 1 sometimes have low cycle characteristics.

国際公開WO2013/141230号公報International Publication WO2013 / 141230

Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition, Ed. T.B. Massalski, ASM International, Materials Park, Ohio(1990)2,1481‐1483Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition, Ed. T. T. B. Massalski, ASM International, Materials Park, Ohio (1990) 2, 1481-1483. J.K.Brandon,et al., Acta Cryst.(1975).B31,774−779J. et al. K. Brandon, et al. , Acta Cryst. (1975). B31, 774-779

本発明の目的は、充放電容量及びサイクル特性に優れた負極活物質材料を提供することである。   An object of the present invention is to provide a negative electrode active material excellent in charge / discharge capacity and cycle characteristics.

本実施形態による負極活物質材料は、ζ相を含むCu‐Sn系合金を含有する。   The negative electrode active material according to the present embodiment contains a Cu—Sn alloy containing a ζ phase.

本実施形態による負極活物質材料は、充放電容量及びサイクル特性に優れる。   The negative electrode active material according to the present embodiment is excellent in charge / discharge capacity and cycle characteristics.

図1は、Cu‐Sn系合金の平衡状態図である。FIG. 1 is an equilibrium diagram of a Cu—Sn alloy. 図2は、試験番号3の負極活物質材料の充電前後のX線回折測定の実測プロファイルと、ζ相及びε相の計算プロファイルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an actual measurement profile of X-ray diffraction measurement before and after charging of the negative electrode active material of test number 3 and calculation profiles of ζ phase and ε phase. 図3は、試験番号2の負極活物質材料(充電前)のX線回折測定の実測プロファイルと、ζ相の計算プロファイルとを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an actual measurement profile of the X-ray diffraction measurement of the negative electrode active material (Test No. 2) of test number 2 and a calculation profile of the ζ phase. 図4は、試験番号3のコイン電池のサイクル特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the cycle characteristics of the coin battery of test number 3. FIG. 図5は、試験番号18の負極活物質材料(充電前)のX線回折測定の実測プロファイルと、σ相及びD03相の計算プロファイルとを示す図である。Figure 5 is a diagram showing a measured profile of the X-ray diffraction measurement of the negative electrode active material (pre-charge), and a calculated profile of the σ phase and D0 3 phase Test No. 18. 図6は、試験番号19の負極活物質材料(充電前)のX線回折測定の実測プロファイルと、ε相の計算プロファイルとを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an actual measurement profile of X-ray diffraction measurement and a calculation profile of the ε phase of the negative electrode active material of test number 19 (before charging).

本実施形態による負極活物質材料は、ζ相を含むCu‐Sn系合金を含有する。   The negative electrode active material according to the present embodiment contains a Cu—Sn alloy containing a ζ phase.

本実施形態による負極活物質材料は、ζ相を含むCu‐Sn系合金を含有する。そのため、本実施形態による負極活物質材料は、高い充放電容量を有する。本実施形態による負極活物質材料はζ相を含む。これにより、リチウムイオンの吸蔵及び放出時における体積変化(膨張及び収縮)に伴う歪みが緩和され、二次電池のサイクル特性が高まる。   The negative electrode active material according to the present embodiment contains a Cu—Sn alloy containing a ζ phase. Therefore, the negative electrode active material according to the present embodiment has a high charge / discharge capacity. The negative electrode active material according to the present embodiment includes a ζ phase. Thereby, distortion accompanying volume change (expansion and contraction) at the time of occlusion and release of lithium ions is relieved, and the cycle characteristics of the secondary battery are enhanced.

好ましくは、上記Cu‐Sn系合金は、Sn:21.0〜24.0at%を含有し、残部はCu及び不純物からなる。   Preferably, the Cu-Sn based alloy contains Sn: 21.0 to 24.0 at%, with the balance being Cu and impurities.

上記Cu‐Sn系合金は、Cuの一部に代えてさらに、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。   The Cu-Sn alloy may be selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B, and C, instead of a part of Cu, or You may contain 2 or more types.

この場合、上記Cu‐Sn系合金は、Sn:21.0〜24.0at%と、Ti:2.0at%以下、V:2.0at%以下、Cr:2.0at%以下、Mn:2.0at%以下、Fe:2.0at%以下、Co:2.0at%以下、Ni:3.0at%以下、Zn:3.0at%以下、Al:3.0at%以下、Si:3.0at%以下、B:2.0at%以下、及び、C:2.0at%以下からなる群から選択される1種又は2種以上とを含有し、残部はCu及び不純物からなることが好ましい。   In this case, the Cu-Sn alloy has Sn: 21.0 to 24.0 at%, Ti: 2.0 at% or less, V: 2.0 at% or less, Cr: 2.0 at% or less, Mn: 2 0.0 at% or less, Fe: 2.0 at% or less, Co: 2.0 at% or less, Ni: 3.0 at% or less, Zn: 3.0 at% or less, Al: 3.0 at% or less, Si: 3.0 at% % Or less, B: 2.0 at% or less, and C: One or more selected from the group consisting of 2.0 at% or less, and the balance is preferably made of Cu and impurities.

好ましくは、上記負極活物質材料はζ相に加えてさらに、サイト欠損を含む、F−Cell構造のδ相、ε相、η’相、及びD03構造を有する相からなる群から選択される1種又は2種以上の相を有する。 Preferably, the negative electrode active material is in addition to the ζ phase is selected from the group consisting of phase with that contains the site deficiency, [delta] phase F-Cell structure, epsilon phase, eta 'phase, and D0 3 structure It has one or more phases.

サイト欠損を含むこれらのδ相、ε相、η’相、及びD03構造を有する相はいずれも、負極活物質材料中に、金属イオン(Liイオン等)の貯蔵サイト及び拡散サイトを形成する。そのため、負極活物質材料の体積放電容量及びサイクル特性がさらに改善される。 These δ phase containing site deficiency, epsilon phase, eta 'phase, and any phase having a D0 3 structure, the negative electrode active material material, to form a storage site and spreading site metal ions (Li ion) . Therefore, the volume discharge capacity and cycle characteristics of the negative electrode active material are further improved.

本実施形態による負極は、上述の負極活物質材料を含む。本実施形態による電池は、上述の負極を含む。   The negative electrode according to the present embodiment includes the negative electrode active material described above. The battery according to the present embodiment includes the above-described negative electrode.

本実施形態による負極活物質材料の製造方法は、上述の負極活物質材料の製造方法であって、溶製材の製造工程及び溶体化熱処理工程を備える。溶製材の製造工程では、原料の溶製材を製造する。溶体化熱処理工程では、溶製材を、550〜670℃に保持した後、室温以下に急冷する溶体化熱処理を行う。   The manufacturing method of the negative electrode active material according to the present embodiment is a manufacturing method of the above-described negative electrode active material, and includes a manufacturing process of a molten material and a solution heat treatment process. In the manufacturing process of the melting material, the melting material of the raw material is manufactured. In the solution heat treatment step, a solution heat treatment is performed in which the melted material is kept at 550 to 670 ° C. and then rapidly cooled to room temperature or lower.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

[負極活物質材料]
本実施形態による負極活物質材料は、ζ相を含むCu‐Sn系合金を含有する。そのため、本実施形態による負極活物質材料は、高い充放電容量を有する。ここで、Cu‐Sn系合金とは、Cu及びSnを合計で90at%以上含有する合金をいう。
[Negative electrode active material]
The negative electrode active material according to the present embodiment contains a Cu—Sn alloy containing a ζ phase. Therefore, the negative electrode active material according to the present embodiment has a high charge / discharge capacity. Here, the Cu—Sn alloy refers to an alloy containing Cu and Sn in total of 90 at% or more.

[負極活物質材料の結晶構造]
本実施形態による負極活物質材料は、Cu‐Sn系合金相の一種であるζ相を含む。ζ相とは、図1に示すCu‐Sn系合金の平衡状態図(非特許文献1)中に示される、高温における平衡相の1種である。ζ相は、六方晶の結晶構造を有することが知られている(
J.K.Brandon,et al., Acta Cryst.(1975).B31,774−779(非特許文献2))。ζ相の詳細な結晶構造は、空間群分類がInternational Table AによるNo.173であり、格子定数の測定数値例は、a=7.323Å、c=7.856Åであり、単位胞に含まれる構成元素の原子座標の例は表1に示される構造である。
[Crystal structure of negative electrode active material]
The negative electrode active material according to the present embodiment includes a ζ phase that is a kind of Cu—Sn alloy phase. The ζ phase is one type of equilibrium phase at a high temperature shown in the equilibrium diagram (Non-Patent Document 1) of the Cu—Sn alloy shown in FIG. The ζ phase is known to have a hexagonal crystal structure (
J. et al. K. Brandon, et al. , Acta Cryst. (1975). B31, 774-779 (Non-Patent Document 2)). For the detailed crystal structure of the ζ phase, the space group classification is No. by International Table A The measurement numerical example of the lattice constant is a = 7.332 Å and c = 7.856 、, and the example of atomic coordinates of the constituent elements contained in the unit cell is the structure shown in Table 1.

Figure 2017091662
Figure 2017091662

ζ相は、金属イオンを吸蔵するときに結晶構造が変化し、金属イオンを放出するときに元のζ相の結晶構造に戻る。ζ相の結晶構造が金属イオンを吸蔵すると、Cu‐Kα1線を用いてX線回折の主要な回折線を測定した場合に、38.0〜39.0°、及び、49.0〜51.0°のそれぞれの範囲に、角度2θにおいてピークトップを持つ結晶構造になる。   The crystal structure of the ζ phase changes when the metal ions are occluded, and returns to the original crystal structure of the ζ phase when the metal ions are released. When the crystal structure of the ζ phase occludes metal ions, 38.0 to 39.0 ° and 49.0 to 51.50 when main diffraction lines of X-ray diffraction are measured using Cu-Kα1 rays. The crystal structure has a peak top in each range of 0 ° at an angle 2θ.

ζ相は、金属イオンの吸蔵時に結晶構造が変化する。そのため、金属イオンの吸蔵における体積変化に伴う歪みが緩和される。歪みが緩和されると、充放電を繰り返しても、負極合剤の破損による充放電容量の低下が抑制される。これにより、負極活物質材料のサイクル特性が高まる。   The crystal structure of the ζ phase changes upon occlusion of metal ions. Therefore, the distortion accompanying the volume change in occlusion of metal ions is relieved. When the strain is alleviated, a decrease in charge / discharge capacity due to breakage of the negative electrode mixture is suppressed even if charge / discharge is repeated. Thereby, the cycle characteristics of the negative electrode active material are enhanced.

本実施形態による負極活物質材料は、ζ相を主相として含むことが好ましい。「主相」とは、50体積%以上を占める合金相を意味する。   The negative electrode active material according to the present embodiment preferably includes a ζ phase as a main phase. “Main phase” means an alloy phase occupying 50% by volume or more.

本実施形態による負極活物質材料は、金属イオンを吸蔵する、ζ相以外の他の合金相を含有してもよい。金属イオンを吸蔵する他の合金相はたとえば、図1の状態図に示される、ε相、η’相及びδ相である。ε相及びη’相は室温での平行安定相であり、δ相は高温における安定相である。他の合金相はさらに、状態図上の平衡相としては示されない、D03構造を持つ非平衡相等を含む。負極活物質材料は、これらの合金相を1種又は2種以上有してもよい。 The negative electrode active material according to the present embodiment may contain an alloy phase other than the ζ phase that occludes metal ions. Other alloy phases that occlude metal ions are, for example, the ε phase, η ′ phase, and δ phase shown in the phase diagram of FIG. The ε phase and η ′ phase are parallel stable phases at room temperature, and the δ phase is a stable phase at high temperatures. Other alloy phase is further not shown as an equilibrium phase diagram states, including non-equilibrium phase etc. with D0 3 structure. The negative electrode active material may have one or more of these alloy phases.

上述の他の合金相が、サイト欠損を含む場合、負極活物質材料の充放電容量及びサイクル特性が改善する。したがって、負極活物質材料は、サイト欠損を含む、F−Cell構造のδ相、ε相、η’相、及びD03構造を有する相からなる群から選択される1種又は2種以上の相を有することが好ましい。サイト欠損を含むこれらの合金相は、負極活物質材料中にリチウムイオン等の金属イオンの貯蔵サイト及び拡散サイトを形成する。そのため、負極活物質材料の充放電容量及びサイクル特性をさらに改善できる。ここで、「サイト欠損」とは、結晶構造中の特定の原子サイトにおいて、占有率が1未満の状態であることをいう。 When the other alloy phase described above includes site defects, the charge / discharge capacity and cycle characteristics of the negative electrode active material are improved. Thus, the negative electrode active material material comprises site deficiency, [delta] phase F-Cell structure, epsilon phase, eta 'phase, and D0 3 1 or two or more phases selected structure from the group consisting of phases with It is preferable to have. These alloy phases containing site defects form storage sites and diffusion sites for metal ions such as lithium ions in the negative electrode active material. Therefore, the charge / discharge capacity and cycle characteristics of the negative electrode active material can be further improved. Here, “site deficiency” means that the occupation ratio is less than 1 at a specific atomic site in the crystal structure.

[負極活物質材料の結晶構造の解析方法]
負極活物質材料の結晶構造は、たとえば次の方法で解析できる。負極活物質材料に対してX線回折測定を実施して、X線回折プロファイルの実測データを得る。得られたX線回折プロファイルに基づいて、リートベルト法により、負極活物質材料中の相の構成を解析する。リードベルト法による解析には、汎用の解析ソフトである「RIETAN‐2000」(プログラム名)及び「RIETAN‐FP」(プログラム名)のいずれかを使用する。
[Method for analyzing crystal structure of negative electrode active material]
The crystal structure of the negative electrode active material can be analyzed, for example, by the following method. X-ray diffraction measurement is performed on the negative electrode active material to obtain actual measurement data of the X-ray diffraction profile. Based on the obtained X-ray diffraction profile, the structure of the phase in the negative electrode active material is analyzed by the Rietveld method. For the analysis by the lead belt method, one of general-purpose analysis software “RIETA-2000” (program name) and “RIETAN-FP” (program name) is used.

電池内における、充電前の負極活物質材料の結晶構造については、たとえば次の方法で解析できる。充電前の状態で、電池をアルゴン雰囲気中のグローブボックス内で分解し、電池から負極を取り出す。取り出された負極をマイラ箔に包む。その後、マイラ箔の周囲を熱圧着機で密封する。マイラ箔で密封された負極をグローブボックス外に取り出す。   The crystal structure of the negative electrode active material before charging in the battery can be analyzed, for example, by the following method. In a state before charging, the battery is disassembled in a glove box in an argon atmosphere, and the negative electrode is taken out from the battery. The taken-out negative electrode is wrapped in mylar foil. Thereafter, the periphery of the mylar foil is sealed with a thermocompression bonding machine. The negative electrode sealed with Mylar foil is taken out of the glove box.

続いて、負極を無反射試料板(シリコン単結晶の特定結晶面が測定面に平行になるように切り出した板)にヘアスプレーで貼り付けて測定試料を作製する。測定試料をX線回折装置にセットして、測定試料のX線回折測定を行い、X線回折プロファイルを得る。得られたX線回折プロファイルに基づいて、リートベルト法により負極内の負極活物質材料の結晶構造を特定する。   Subsequently, the negative electrode is attached to a non-reflective sample plate (a plate cut out so that the specific crystal plane of the silicon single crystal is parallel to the measurement plane) with a hair spray to prepare a measurement sample. A measurement sample is set in an X-ray diffractometer, and X-ray diffraction measurement of the measurement sample is performed to obtain an X-ray diffraction profile. Based on the obtained X-ray diffraction profile, the crystal structure of the negative electrode active material in the negative electrode is specified by the Rietveld method.

充電後の負極活物質材料の結晶構造については、満充電された電池に対して上述の方法で測定試料を作製し、X線回折測定を行うことにより結晶構造を解析できる。放電後の負極活物質材料の結晶構造については、充電後の電池を完全に放電した後に同様の手順でX線回折測定を行うことにより結晶構造を解析できる。   Regarding the crystal structure of the negative electrode active material after charging, the crystal structure can be analyzed by preparing a measurement sample by the above-described method for a fully charged battery and performing X-ray diffraction measurement. About the crystal structure of the negative electrode active material after discharge, the crystal structure can be analyzed by performing X-ray diffraction measurement in the same procedure after the battery after charging is completely discharged.

充放電に伴う結晶構造変化を解析するためのX線回折測定については、次の方法によっても行うことができる。充電前及び充電後のコイン電池を、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で分解する。負極の電極板に塗布されている負極活物質材料をスパチュラー等で集電体箔上から剥がして、X線回折用サンプルホルダに充填し、密閉する。このサンプルホルダ内に負極活物質材料を保持したまま、負極活物質材料に対してX線回折測定を行う。この方法では、集電体の銅箔等に由来する回折線が除去され、結晶構造の解析が行いやすい。   The X-ray diffraction measurement for analyzing the crystal structure change accompanying charging / discharging can also be performed by the following method. The coin battery before and after charging is decomposed in an inert gas atmosphere such as argon. The negative electrode active material applied to the negative electrode plate is peeled off from the current collector foil with a spatula or the like, filled in a sample holder for X-ray diffraction, and sealed. An X-ray diffraction measurement is performed on the negative electrode active material while holding the negative electrode active material in the sample holder. In this method, diffraction lines derived from the copper foil or the like of the current collector are removed, and the crystal structure can be easily analyzed.

[負極活物質材料の化学組成]
本実施形態による負極活物質材料の化学組成は、負極活物質材料がζ相を含むCu‐Sn系合金を含有すれば、特に限定されないが、好ましくは、以下のとおりである。以下、化学組成について「at%」とは、原子組成百分率を意味する。
[Chemical composition of negative electrode active material]
The chemical composition of the negative electrode active material according to the present embodiment is not particularly limited as long as the negative electrode active material contains a Cu—Sn-based alloy containing a ζ phase, but is preferably as follows. Hereinafter, “at%” for the chemical composition means the atomic composition percentage.

好ましくは、負極活物質材料は、Snを含有し、残部はCu及び不純物である。Sn含有量は21.0〜24.0at%であることが好ましい。Sn含有量のより好ましい下限は22.0at%であり、Sn含有量のより好ましい上限は23.0at%である。   Preferably, the negative electrode active material contains Sn, and the balance is Cu and impurities. The Sn content is preferably 21.0 to 24.0 at%. A more preferable lower limit of the Sn content is 22.0 at%, and a more preferable upper limit of the Sn content is 23.0 at%.

負極活物質材料は、Cuの一部に代えて、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。   The negative electrode active material is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B, and C instead of part of Cu. It may contain.

この場合、好ましい負極活物質材料の化学組成は、Sn:21.0〜24.0at%と、Ti:2.0at%以下、V:2.0at%以下、Cr:2.0at%以下、Mn:2.0at%以下、Fe:2.0at%以下、Co:2.0at%以下、Ni:3.0at%以下、Zn:3.0at%以下、Al:3.0at%以下、Si:3.0at%以下、B:2.0at%以下、及び、C:2.0at%以下からなる群から選択される1種又は2種以上とを含有し、残部はCu及び不純物からなる。上記Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCは必要に応じて任意に添加される元素である。これらの元素のより好ましい含有量は以下のとおりである。   In this case, the chemical composition of a preferable negative electrode active material is Sn: 21.0 to 24.0 at%, Ti: 2.0 at% or less, V: 2.0 at% or less, Cr: 2.0 at% or less, Mn : 2.0 at% or less, Fe: 2.0 at% or less, Co: 2.0 at% or less, Ni: 3.0 at% or less, Zn: 3.0 at% or less, Al: 3.0 at% or less, Si: 3 0.0 at% or less, B: 2.0 at% or less, and C: one or more selected from the group consisting of 2.0 at% or less, with the balance being Cu and impurities. Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B, and C are elements that are arbitrarily added as necessary. The more preferable contents of these elements are as follows.

Ti含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。Ti含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Tiを含有させる場合、Ti含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Ti content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Ti content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When Ti is contained, the preferable lower limit of the Ti content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

V含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。V含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Vを含有させる場合、V含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable V content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable V content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When V is contained, the preferable lower limit of the V content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and still more preferably 0.1 at%.

Cr含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。Cr含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Crを含有させる場合、Cr含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Cr content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Cr content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When Cr is contained, the preferable lower limit of the Cr content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

Mn含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。Mn含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Mnを含有させる場合、Mn含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Mn content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Mn content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When Mn is contained, the preferable lower limit of the Mn content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

Fe含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。Fe含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Feを含有させる場合、Fe含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Fe content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Fe content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When Fe is contained, the preferable lower limit of the Fe content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

Co含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。Co含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Coを含有させる場合、Co含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Co content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Co content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When Co is contained, the preferable lower limit of the Co content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

Ni含有量の好ましい上限は、上述のとおり3.0at%である。Ni含有量のより好ましい上限は2.0at%であり、さらに好ましくは1.0at%である。Niを含有させる場合、Ni含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Ni content is 3.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Ni content is 2.0 at%, More preferably, it is 1.0 at%. When Ni is contained, the preferable lower limit of the Ni content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and still more preferably 0.1 at%.

Zn含有量の好ましい上限は、上述のとおり3.0at%である。Zn含有量のより好ましい上限は2.0at%であり、さらに好ましくは1.0at%である。Znを含有させる場合、Zn含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Zn content is 3.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Zn content is 2.0 at%, More preferably, it is 1.0 at%. When Zn is contained, the preferable lower limit of the Zn content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

Al含有量の好ましい上限は、上述のとおり3.0at%である。Al含有量のより好ましい上限は2.0at%であり、さらに好ましくは1.0at%である。Alを含有させる場合、Al含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Al content is 3.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Al content is 2.0 at%, More preferably, it is 1.0 at%. When Al is contained, the preferable lower limit of the Al content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and further preferably 0.1 at%.

Si含有量の好ましい上限は、上述のとおり3.0at%である。Si含有量のより好ましい上限は2.0at%であり、さらに好ましくは1.0at%である。Siを含有させる場合、Si含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable Si content is 3.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable Si content is 2.0 at%, More preferably, it is 1.0 at%. When Si is contained, the preferable lower limit of the Si content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and still more preferably 0.1 at%.

B含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。B含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Bを含有させる場合、B含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable B content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable B content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When B is contained, the preferable lower limit of the B content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and still more preferably 0.1 at%.

C含有量の好ましい上限は、上述のとおり2.0at%である。C含有量のより好ましい上限は1.0at%であり、さらに好ましくは0.5at%である。Cを含有させる場合、C含有量の好ましい下限は0.01at%であり、より好ましくは0.05at%であり、さらに好ましくは0.1at%である。   The upper limit with preferable C content is 2.0 at% as above-mentioned. The upper limit with more preferable C content is 1.0 at%, More preferably, it is 0.5 at%. When C is contained, the preferable lower limit of the C content is 0.01 at%, more preferably 0.05 at%, and still more preferably 0.1 at%.

[負極]
本実施形態の負極活物質材料は、負極合剤として集電体に塗布され、非水電解質二次電池の負極として使用される。この負極は、黒鉛からなる負極よりも高い充放電容量(体積当たりの充放電容量)を有する。
[Negative electrode]
The negative electrode active material of this embodiment is applied to a current collector as a negative electrode mixture, and is used as a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery. This negative electrode has a higher charge / discharge capacity (charge / discharge capacity per volume) than a negative electrode made of graphite.

[負極合剤の充電時の膨張率]
負極合剤は、充放電に伴い膨張及び収縮する。充電時における負極合剤の膨張が少ない程、二次電池のサイクル特性が向上する。シリコンを用いた従来の負極活物質材料を用いた場合、負極合剤の膨張率は30%を大幅に超える。しかしながら、本実施形態による負極活物質材料を用いた負極合剤は、充電後の体積膨張が小さい。たとえば、負極合剤を用いてラミネートセルを製造した場合、膨張率は好ましくは30%以下、より好ましくは20%以下である。
[Expansion coefficient during charging of negative electrode mixture]
The negative electrode mixture expands and contracts with charge and discharge. The smaller the expansion of the negative electrode mixture during charging, the better the cycle characteristics of the secondary battery. When the conventional negative electrode active material using silicon is used, the expansion coefficient of the negative electrode mixture greatly exceeds 30%. However, the negative electrode mixture using the negative electrode active material according to the present embodiment has a small volume expansion after charging. For example, when a laminate cell is produced using a negative electrode mixture, the expansion coefficient is preferably 30% or less, more preferably 20% or less.

負極合剤の膨張率はたとえば、次の方法によって求めることができる。負極合剤を製造して集電体に塗布する。得られた集電体をラミネートセルにし、充放電させる。充電後の膨張したラミネートセルの厚さ(A)と、元のラミネートセルの厚さ(B)を、次式に代入し、膨張率(%)を算出する。
膨張率(%)={(A/B)−1}×100
ただし、元のラミネートセルの厚さ(B)は、ラミネートセルを作製後に負極板に電解液が十分染み込んで膨潤した状態における測定値とする。
The expansion coefficient of the negative electrode mixture can be determined, for example, by the following method. A negative electrode mixture is produced and applied to the current collector. The obtained current collector is made into a laminate cell and charged and discharged. The thickness (A) of the expanded laminate cell after charging and the thickness (B) of the original laminate cell are substituted into the following formula to calculate the expansion rate (%).
Expansion rate (%) = {(A / B) -1} × 100
However, the thickness (B) of the original laminate cell is a measured value in a state where the electrolyte solution is sufficiently infiltrated into the negative electrode plate after the laminate cell is produced and swollen.

充放電サイクルの過程で、厚さ変化の挙動が変化する場合は、必要に応じて5〜20回程度の充放電を繰り返してから解析を行う。そして、信頼性の高い複数の膨張率の値から、平均値を求める。   When the behavior of the thickness change changes during the charge / discharge cycle, the analysis is performed after repeating the charge / discharge about 5 to 20 times as necessary. Then, an average value is obtained from a plurality of highly reliable expansion coefficient values.

[電池]
本実施形態の電池は、非水電解質二次電池である。非水系電解質二次電池はたとえば、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池、カルシウムイオン二次電池等の金属イオン二次電池である。電池は、上述の負極を含む。電池はたとえば、本実施形態の負極と、正極と、セパレータと、電解液又は電解質とを備える。
[battery]
The battery of this embodiment is a nonaqueous electrolyte secondary battery. Nonaqueous electrolyte secondary batteries are metal ion secondary batteries, such as a lithium ion secondary battery, a sodium ion secondary battery, a magnesium ion secondary battery, a calcium ion secondary battery, for example. The battery includes the above-described negative electrode. A battery is provided with the negative electrode of this embodiment, a positive electrode, a separator, and electrolyte solution or electrolyte, for example.

電池の形状は、円筒形、角形であってもよいし、コイン型、シート型等でもよい。本実施形態の電池は、ポリマー電池等の固体電解質を利用した電池でもよい。   The shape of the battery may be a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a sheet shape, or the like. The battery of this embodiment may be a battery using a solid electrolyte such as a polymer battery.

[正極]
電池の正極は、好ましくは、金属イオンを含有する遷移金属化合物を活物質として含有する。さらに好ましくは、正極は、リチウム(Li)含有遷移金属化合物を活物質として含有する。Li含有遷移金属化合物は例えば、LiM1−xM’xO2、又は、LiM2yM’O4である。ここで、式中、0≦x、y≦1、M及びM’はそれぞれ、バリウム(Ba)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、スズ(Sn)、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)の少なくとも1種である。
[Positive electrode]
The positive electrode of the battery preferably contains a transition metal compound containing a metal ion as an active material. More preferably, the positive electrode contains a lithium (Li) -containing transition metal compound as an active material. The Li-containing transition metal compound is, for example, LiM 1 -xM′xO 2 or LiM 2 yM′O 4 . Here, in the formula, 0 ≦ x, y ≦ 1, M and M ′ are barium (Ba), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), chromium (Cr), titanium (Ti), respectively. , Vanadium (V), iron (Fe), zinc (Zn), aluminum (Al), indium (In), tin (Sn), scandium (Sc), and yttrium (Y).

正極はたとえば、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物及びそのリチウム化合物、ニオブ酸化物及びそのリチウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェプレル相化合物、活性炭及び活性炭素繊維等の他の正極を用いてもよい。   Other positive electrodes such as transition metal chalcogenides, vanadium oxides and lithium compounds thereof, niobium oxides and lithium compounds thereof, conjugated polymers using organic conductive materials, sheprel phase compounds, activated carbon and activated carbon fibers May be used.

[電解液]
電解液は、一般に、支持電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水系電解液である。リチウム塩は例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiB(C65)、LiCF3SO3、LiCH3SO3、Li(CF3SO22N、LiC49SO3、Li(CF2SO22、LiCl、LiBr及びLiI等である。これらは、単独で用いられてもよく組み合わせて用いられてもよい。有機溶媒は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート及びジエチルカーボネート等の炭酸エステル類が好ましい。カルボン酸エステル、エーテルをはじめとする他の有機溶媒も使用可能である。これらの有機溶媒は、単独で用いられてもよいし、組み合わせて用いられてもよい。
[Electrolyte]
The electrolytic solution is generally a non-aqueous electrolytic solution in which a lithium salt as a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent. Examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiB (C 6 H 5 ), LiCF 3 SO 3 , LiCH 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , Li (CF 2 SO 2 ) 2 , LiCl, LiBr, LiI and the like. These may be used alone or in combination. The organic solvent is preferably a carbonic acid ester such as propylene carbonate, ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate. Other organic solvents such as carboxylic acid esters and ethers can also be used. These organic solvents may be used alone or in combination.

[セパレータ]
セパレータは、正極及び負極の間に設置される。セパレータは絶縁体としての役割を果たす。セパレータはさらに、電解質の保持にも大きく寄与する。本実施形態の電池は周知のセパレータを備えればよい。セパレータはたとえば、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はその両者の混合物、もしくは、ガラスフィルターなどの多孔体である。
[Separator]
The separator is installed between the positive electrode and the negative electrode. The separator serves as an insulator. Further, the separator greatly contributes to the retention of the electrolyte. The battery of this embodiment may be provided with a known separator. The separator is, for example, polypropylene, polyethylene, a mixture of both, or a porous body such as a glass filter.

[負極活物質材料の製造方法]
本実施形態の負極活物質材料の製造方法について説明する。負極活物質材料の製造方法は、溶製材の製造工程、溶体化熱処理工程及び粉砕工程を含む。
[Method for producing negative electrode active material]
The manufacturing method of the negative electrode active material of this embodiment is demonstrated. The manufacturing method of a negative electrode active material includes a manufacturing process of solution material, a solution heat treatment process, and a crushing process.

[溶製材の製造工程]
初めに、原料の溶湯を製造する。たとえば、上述の化学組成を有する溶湯を製造する。溶湯は、アーク溶解又は抵抗加熱溶解等の通常の溶解方法で製造される。次に、得られた溶湯を用いて溶製材を製造する。溶製材は、溶湯を造塊法によりインゴット(バルク合金)にすることで得られる。溶製材は、溶湯を急冷凝固させることにより製造してもよい。急冷凝固による方法はたとえば、ストリップキャスティング法、メルトスピン法、ガスアトマイズ法、油アトマイズ法である。
[Manufacturing process of melted lumber]
First, the raw material melt is manufactured. For example, a molten metal having the above-described chemical composition is manufactured. The molten metal is manufactured by a normal melting method such as arc melting or resistance heating melting. Next, a molten product is manufactured using the obtained molten metal. The molten material is obtained by making the molten metal into an ingot (bulk alloy) by an ingot-making method. The molten material may be produced by rapidly solidifying the molten metal. Examples of the rapid solidification method include a strip casting method, a melt spin method, a gas atomization method, and an oil atomization method.

[溶体化熱処理工程]
得られた溶製材に対して、溶体化熱処理を実施する。溶体化熱処理は、ζ相が平衡状態で安定に存在する温度域に、溶製材の温度を保持し、その後、室温以下に急冷することで行う。この溶体化熱処理により、高温相のζ相を室温で準安定相として得ることができる。溶製材の凝固偏析が顕著な場合には、溶体化熱処理に先立って、均一化熱処理を行ってもよい。均一化熱処理の温度域はζ相の温度域よりも高く、液相の温度域よりも低い温度域である。均一化熱処理を行う場合には、不活性ガスを用いて、雰囲気中の酸素濃度を極力低下させることが好ましい。
[Solution heat treatment process]
Solution heat treatment is performed on the obtained melted material. The solution heat treatment is performed by maintaining the temperature of the melted material in a temperature range where the ζ phase stably exists in an equilibrium state, and then rapidly cooling to a temperature below room temperature. By this solution heat treatment, the high-temperature ζ phase can be obtained as a metastable phase at room temperature. If solidification segregation of the melted material is significant, a homogenization heat treatment may be performed prior to the solution heat treatment. The temperature range of the homogenization heat treatment is higher than the temperature range of the ζ phase and lower than the temperature range of the liquid phase. When performing the homogenization heat treatment, it is preferable to reduce the oxygen concentration in the atmosphere as much as possible by using an inert gas.

温度保持時の溶製材の温度は550〜670℃である。温度保持の時間はたとえば、1〜72時間である。室温以下への急冷の方法は、たとえば水冷又は油冷による冷却(焼入れ)である。これらの熱処理により、高温相のζ相を室温で準安定相として得ることができる。急冷後に、液体窒素中に投入することにより、いわゆるサブゼロ処理を施してもよい。この場合、得られたζ相が、室温時効により平衡相に分解することを抑制できる。これにより、負極活物質材料の結晶構造を安定なζ相にする。   The temperature of the molten material at the time of temperature maintenance is 550-670 degreeC. The temperature holding time is, for example, 1 to 72 hours. The method of rapid cooling to below room temperature is cooling (quenching) by water cooling or oil cooling, for example. By these heat treatments, the high-temperature ζ phase can be obtained as a metastable phase at room temperature. After quenching, so-called sub-zero treatment may be performed by putting it in liquid nitrogen. In this case, decomposition of the obtained ζ phase into an equilibrium phase due to room temperature aging can be suppressed. Thereby, the crystal structure of the negative electrode active material is changed to a stable ζ phase.

ζ相を室温下で準安定相として得るためには、急冷が効果的に行われる必要がある。急冷を効果的に行うためには、十分に速い速度で溶製材を抜熱する必要がある。十分に速い速度で溶製材を抜熱するためには、溶製材をあらかじめ小さくしておくことが有効である。溶製材の大きさはたとえば、直径50mm以下、好ましくは10mm以下、より好ましくは5mm以下の粒状である。他の溶製材の形状はたとえば、厚さ20mm以下、好ましくは10mm以下、より好ましくは5mm以下の板状である。   In order to obtain the ζ phase as a metastable phase at room temperature, rapid cooling needs to be performed effectively. In order to perform the rapid cooling effectively, it is necessary to extract the molten material at a sufficiently high speed. In order to remove the molten material at a sufficiently high speed, it is effective to make the molten material small in advance. The size of the melted material is, for example, a granule having a diameter of 50 mm or less, preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less. The shape of the other melted material is, for example, a plate shape having a thickness of 20 mm or less, preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less.

[粉砕工程]
溶体化熱処理工程で得られた熱処理材(インゴット又は鋳片)を粉砕して負極活物質材料を製造する。粉砕方法はたとえば、熱処理材の切断、ハンマーミルによる粗粉砕、ボールミル、アトライタ、ディスクミル、ジェットミル及びピンミル等での機械的粉砕である。粉砕により、負極活物質材料を必要な粒度に調整する。負極活物質材料の粗粉末に対する粉砕は、酸化抑制のため、不活性ガス雰囲気またはドライ雰囲気で行うのが好ましい。粉砕工程において、溶体化熱処理を実施してζ相の比率を調整してもよい。
[Crushing process]
The heat treatment material (ingot or slab) obtained in the solution heat treatment step is pulverized to produce a negative electrode active material. The pulverization method is, for example, cutting of a heat treatment material, rough pulverization with a hammer mill, mechanical pulverization with a ball mill, an attritor, a disk mill, a jet mill, a pin mill, or the like. The negative electrode active material is adjusted to the required particle size by pulverization. The pulverization of the negative electrode active material material with respect to the coarse powder is preferably performed in an inert gas atmosphere or a dry atmosphere in order to suppress oxidation. In the pulverization step, solution heat treatment may be performed to adjust the ratio of the ζ phase.

負極活物質材料の粉末の平均粒径が小さい程、負極活物質材料の反応面積が増大し、レート特性に優れる。しかしながら、負極活物質材料の粉末の平均粒径が小さすぎれば、酸化などで粉末表面の性状が変化してリチウムイオンが負極活物質材料の中に進入しにくくなる。この場合、レート特性や溶量維持率が低下する場合がある。したがって、負極活物質材料の粉末の好ましい平均粒径は0.1〜100μmであり、さらに好ましくは、1〜50μmである。   The smaller the average particle size of the negative electrode active material powder, the greater the reaction area of the negative electrode active material and the better the rate characteristics. However, if the average particle diameter of the powder of the negative electrode active material is too small, the properties of the powder surface change due to oxidation or the like, and lithium ions do not easily enter the negative electrode active material. In this case, the rate characteristics and the solubility maintenance rate may be reduced. Therefore, the preferable average particle diameter of the powder of the negative electrode active material is 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 50 μm.

[負極及び電池の製造方法]
本実施形態による負極活物質材料を用いた負極は、周知の方法で製造することができる。たとえば、負極活物質材料の粉末に対して、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びスチレンブタジエンラバー(SBR)等のバインダを混合する。負極に十分な導電性を付与するために天然黒鉛、人造黒鉛及びアセチレンブラック等の炭溶製材料粉末を混合してもよい。これにN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)及び水等の溶媒を加えてバインダを溶解する。必要に応じて、ホモジナイザ又はガラスビーズを用いて攪拌し、負極合剤にする。この負極合剤を圧延銅箔及び電析銅箔等の活物質支持体に塗布して乾燥する。得られた乾燥物にプレスを施す。以上の工程により、負極板を製造できる。
[Negative Electrode and Battery Manufacturing Method]
The negative electrode using the negative electrode active material according to the present embodiment can be manufactured by a known method. For example, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polymethyl methacrylate (PMMA), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene butadiene rubber (SBR) is mixed with the negative electrode active material powder. In order to impart sufficient conductivity to the negative electrode, carbonaceous material powders such as natural graphite, artificial graphite and acetylene black may be mixed. A binder such as N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) and water is added to this to dissolve the binder. If necessary, the mixture is stirred using a homogenizer or glass beads to form a negative electrode mixture. This negative electrode mixture is applied to an active material support such as rolled copper foil and electrodeposited copper foil and dried. The obtained dried product is pressed. A negative electrode plate can be manufactured by the above process.

混合するバインダは、負極の機械的強度や電池特性の観点から5〜10質量%程度であることが好ましい。支持体は、銅箔に限定されない。支持体は例えば、ステンレス及びニッケル等の他の金属の薄箔や、ネット状のシートパンチングプレート、及び、金属素線ワイヤーで編み込んだメッシュ等でもよい。   The binder to be mixed is preferably about 5 to 10% by mass from the viewpoint of mechanical strength of the negative electrode and battery characteristics. The support is not limited to copper foil. The support may be, for example, a thin foil of another metal such as stainless steel or nickel, a net-like sheet punching plate, a mesh knitted with a metal wire, or the like.

負極板上に、セパレータ、金属Li薄板を順次積層した積層物を製造する。積層物をケースに収め、電池を製造する。以上の工程により、本実施形態による負極及び電池を製造できる。   A laminate in which a separator and a metal Li thin plate are sequentially laminated on the negative electrode plate is manufactured. The laminate is placed in a case to manufacture a battery. Through the above steps, the negative electrode and the battery according to the present embodiment can be manufactured.

表2に示す化学組成の負極活物質材料を用いて、各試験番号の電池を製造し、その特性を評価した。   Using the negative electrode active material having the chemical composition shown in Table 2, batteries of each test number were manufactured and their characteristics were evaluated.

Figure 2017091662
Figure 2017091662

[負極活物質材料の製造]
各試験番号において、表2に示す化学組成の原料を高周波溶解して溶湯を製造した。得られた溶湯を鋳造して直径約25mm、高さ約7mmのインゴットを製造した。インゴットを半分に切断し、得られた切断片をアルゴン雰囲気中、700℃で24時間均一化熱処理を実施した。均一化熱処理後、炉内で室温まで冷却した後、大気中に回収した。続いて、均一化熱処理を実施した溶製材に、溶体化熱処理を実施した。溶体化熱処理では、溶製材を、焼入れ用の熱処理炉で真空中、620℃で20時間温度保持し、氷水で急冷した。さらに、室温時効を抑制するために、溶体化熱処理により得られた熱処理材を液体窒素中に投入し、1時間保持した後、室温の大気中に回収した。得られた熱処理材を、粒度が45μm以下となるように、ロッドミルを用いて粉砕し、負極活物質材料の粉末を得た。得られた負極活物質材料は、表2に示す化学組成を有していた。
[Manufacture of negative electrode active material]
In each test number, a raw material having the chemical composition shown in Table 2 was melted at high frequency to produce a molten metal. The obtained molten metal was cast to produce an ingot having a diameter of about 25 mm and a height of about 7 mm. The ingot was cut in half, and the obtained cut piece was subjected to uniform heat treatment at 700 ° C. for 24 hours in an argon atmosphere. After the homogenization heat treatment, it was cooled to room temperature in the furnace and then recovered in the atmosphere. Subsequently, a solution heat treatment was performed on the melted material subjected to the uniform heat treatment. In the solution heat treatment, the melted material was kept at a temperature of 620 ° C. for 20 hours in a vacuum in a heat treatment furnace for quenching, and rapidly cooled with ice water. Furthermore, in order to suppress room temperature aging, the heat treatment material obtained by solution heat treatment was put into liquid nitrogen, held for 1 hour, and then recovered in the room temperature atmosphere. The obtained heat-treated material was pulverized using a rod mill so that the particle size was 45 μm or less to obtain a powder of a negative electrode active material. The obtained negative electrode active material had the chemical composition shown in Table 2.

[結晶構造の特定]
試験番号2、試験番号3、試験番号18及び試験番号19の負極活物質材料の結晶構造を次の方法により特定した。負極活物質材料に対してX線回折測定を実施して、実測プロファイルを得た。得られた実測プロファイルに含まれる主要な回折ピークの位置を特定した。さらに、ζ相の結晶構造を初期構造モデルとして、実測プロファイルからリートベルト法を用いて負極活物質材料に含まれる結晶構造を特定した。
[Identification of crystal structure]
The crystal structure of the negative electrode active material of Test No. 2, Test No. 3, Test No. 18 and Test No. 19 was specified by the following method. X-ray diffraction measurement was performed on the negative electrode active material to obtain an actual measurement profile. The positions of main diffraction peaks included in the obtained actual measurement profile were specified. Furthermore, using the crystal structure of the ζ phase as an initial structure model, the crystal structure contained in the negative electrode active material was identified from the measured profile using the Rietveld method.

具体的には、以下の測定条件でX線回折測定を実施した。得られた実測プロファイルを図2(c)、図3(b)、図5(c)及び図6(b)に示す。
・装置:リガク製 SmartLab
・X線管球:Cu‐Kα線
・X線出力:45kV、200mA
・入射側モノクロメータ:ヨハンソン素子(Cu‐Kα2線及びCu‐Kβ線をカット)
・光学系:Bragg−Bretano geometry
・入射平行スリット:5.0degree
・入射スリット:1/2degree
・長手制限スリット:10.0mm
・受光スリット1:8.0mm
・受光スリット2:13.0mm
・受光平行スリット:5.0degree
・ゴニオメータ:SmartLabゴニオメータ
・X線源‐ミラー間距離:90.0mm
・X線源‐選択スリット間距離:114.0mm
・X線源‐試料間距離:300.0mm
・試料‐受光スリット1間距離:187.0mm
・試料‐受光スリット2間距離:300.0mm
・受光スリット1‐受光スリット2間距離:113.0mm
・試料‐検出器間距離:331.0mm
・検出器:D/Tex Ultra
・スキャンレンジ:10‐120degree
・スキャンステップ:0.02degree
・スキャンモード:連続スキャン
・スキャン速度:0.1degree/min
Specifically, X-ray diffraction measurement was performed under the following measurement conditions. The obtained actual measurement profiles are shown in FIGS. 2 (c), 3 (b), 5 (c) and 6 (b).
・ Apparatus: Rigaku SmartLab
・ X-ray tube: Cu-Kα ray ・ X-ray output: 45 kV, 200 mA
-Incident-side monochromator: Johansson element (Cu-Kα2 and Cu-Kβ lines cut)
・ Optical system: Bragg-Bretano geometry
-Incident parallel slit: 5.0 degree
-Incident slit: 1/2 degree
・ Long limit slit: 10.0mm
-Light receiving slit 1: 8.0 mm
・ Reception slit 2: 13.0mm
-Light receiving parallel slit: 5.0 degree
Goniometer: SmartLab goniometer X-ray source-mirror distance: 90.0 mm
-Distance between X-ray source and selected slit: 114.0 mm
-Distance between X-ray source and sample: 300.0 mm
・ Distance between sample and light receiving slit 1: 187.0 mm
・ Distance between sample and receiving slit 2: 300.0mm
-Distance between light receiving slit 1 and light receiving slit 2: 113.0 mm
・ Distance between sample and detector: 331.0mm
・ Detector: D / Tex Ultra
・ Scan range: 10-120 degrees
Scan step: 0.02 degree
-Scan mode: Continuous scan-Scan speed: 0.1 degree / min

Cu‐Snの二元系状態図は公知であり、620℃において、Cu‐22.5at%Sn合金はζ相である。このζ相を十分な冷却速度で急冷した場合、得られる合金はほぼ全量がζ相である。つまり、試験番号3は、ほぼ全量がζ相であることが推測できる。   The binary phase diagram of Cu—Sn is known, and at 620 ° C., the Cu-22.5 at% Sn alloy is in the ζ phase. When this ζ phase is quenched at a sufficient cooling rate, almost all of the resulting alloy is the ζ phase. That is, it can be estimated that almost all of the test number 3 is the ζ phase.

ζ相の結晶構造は、上述のとおり、既知である。ζ相の結晶構造は六方晶構造であり、空間群の分類上、International Table AのNo.173(P63)となる。ζ相の空間群番号の結晶構造の格子定数及び原子座標は、表1に示すとおりである。このζ相の空間群番号の構造モデルをリートベルト解析の初期構造モデルとして、試験番号3について、実測プロファイルの計算値(以下、計算プロファイルという)を求めた。リートベルト解析にはRietan‐2000(プログラム名)を用いた。得られたε相の計算プロファイルを図2(a)に、ζ相の計算プロファイルを図2(b)に示す。   The crystal structure of the ζ phase is known as described above. The crystal structure of the ζ phase is a hexagonal crystal structure, and International Table A No. 173 (P63). The lattice constant and atomic coordinates of the crystal structure of the space group number of the ζ phase are as shown in Table 1. Using the structure model of the space group number of the ζ phase as an initial structure model for Rietveld analysis, a calculated value of an actual measurement profile (hereinafter referred to as a calculation profile) was obtained for test number 3. Rietan-2000 (program name) was used for Rietveld analysis. The calculated profile of the ε phase is shown in FIG. 2A, and the calculated profile of the ζ phase is shown in FIG.

試験番号3の負極活物質材料に対しては、後述するコイン電池を作製して充放電させた後、同様の方法で結晶構造を特定した。具体的には、コイン電池を満充電(1回)させた後、グローブボックス内で分解した。負極の電極板に塗布されている負極活物質材料をスパチュラ―で集電体箔上から剥がし、サンプルホルダに充填した。上述のX線回折測定の条件でX線回折測定を実施し、実測プロファイルを得た。結果を図2(d)に示す。さらに、このコイン電池を完全放電(1回)させ、同様の方法で実測プロファイルを得た。結果を図2(e)に示す。   For the negative electrode active material of Test No. 3, a coin battery described later was prepared and charged and discharged, and then the crystal structure was specified by the same method. Specifically, the coin battery was fully charged (once) and then disassembled in the glove box. The negative electrode active material applied to the negative electrode plate was peeled off from the current collector foil with a spatula and filled into a sample holder. X-ray diffraction measurement was performed under the above-mentioned X-ray diffraction measurement conditions, and an actual measurement profile was obtained. The results are shown in FIG. Further, the coin battery was completely discharged (once), and an actual measurement profile was obtained by the same method. The results are shown in FIG.

[コイン電池用負極の製造]
上述の各試験番号の負極活物質材料を用いて、コイン電池用負極を製造した。負極活物質材料、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)、バインダとしてスチレンブタジエンゴム(SBR)(2倍希釈)、及び、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を混合した。混合比は、質量比で75(1g):15(0.2g):10(0.134g):5(0.067g)であった。濃度が27.2%となるように混合物に蒸留水を加え、混練機を用いて負極合剤を製造した。
[Manufacture of negative electrode for coin battery]
A negative electrode for a coin battery was manufactured using the negative electrode active material of each test number described above. A negative electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive additive, styrene butadiene rubber (SBR) (2-fold dilution) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were mixed. The mixing ratio was 75 (1 g): 15 (0.2 g): 10 (0.134 g): 5 (0.067 g) by mass ratio. Distilled water was added to the mixture so that the concentration was 27.2%, and a negative electrode mixture was produced using a kneader.

製造された負極合剤を、アプリケータ(150μm)を用いて銅箔上に塗布した。負極合剤が塗布された銅箔を、100℃で20分間乾燥させた。乾燥後の銅箔は、表面に負極活物質材料からなる塗膜を有した。塗膜を有する銅箔に対して打ち抜き加工を実施して、直径13mmの円板状の銅箔を製造した。打ち抜き加工後の銅箔を、プレス圧500kgf/cm2で押圧して、板状の負極を製造した。 The manufactured negative electrode mixture was applied onto a copper foil using an applicator (150 μm). The copper foil coated with the negative electrode mixture was dried at 100 ° C. for 20 minutes. The copper foil after drying had a coating film made of a negative electrode active material on the surface. A punching process was performed on the copper foil having the coating film to produce a disc-shaped copper foil having a diameter of 13 mm. The copper foil after punching was pressed with a press pressure of 500 kgf / cm 2 to produce a plate-like negative electrode.

[コイン型電池の製造]
対極(正極)にLi金属箔を用いたコイン型電池(2016型)を製造した。具体的には、負極電極上に、直径19mmのセパレータを配置した。さらに、セパレータ上に、直径15mmの金属Li箔を配置して、積層物を形成した。積層物をケース内に納めた。積層物を収納したケースの外周部を、専用のかしめ機でプレス加工して、コイン型電池(2016型)を作製した。支持電解質をLiPF6とし、LiPF6:エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC):ジメチルカーボネート(DMC):ビニレンカーボネート(VC):フルオロエチレンカーボネート(FEC)=16:48:23:16:1:8(質量比)とした混合溶媒を、電解液として用いた。
[Manufacture of coin-type batteries]
A coin type battery (2016 type) using a Li metal foil as a counter electrode (positive electrode) was manufactured. Specifically, a separator having a diameter of 19 mm was disposed on the negative electrode. Further, a metal Li foil having a diameter of 15 mm was disposed on the separator to form a laminate. The laminate was placed in the case. The outer periphery of the case containing the laminate was pressed with a dedicated caulking machine to produce a coin-type battery (2016 type). The supporting electrolyte is LiPF 6 and LiPF 6 : ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC): dimethyl carbonate (DMC): vinylene carbonate (VC): fluoroethylene carbonate (FEC) = 16: 48: 23: 16: A mixed solvent at 1: 8 (mass ratio) was used as the electrolytic solution.

[コイン電池の放電容量測定試験]
得られた各試験番号のコイン電池に対して、放電容量の測定を実施した。対極に対して電位差0.005Vになるまで0.1mAの電流値(0.075mA/cm2の電流値)でコイン電池に対して定電流ドープ(電極へのリチウムイオンの挿入、リチウムイオン二次電池の充電に相当)を行った。その後、0.005Vを保持したまま、7.5μA/cm2になるまで定電圧で対極に対してドープを続けた。次に、0.1mAの電流値(0.075mA/cm2の電流値)で、電位差1.2Vになるまで脱ドープ(電極からのリチウムイオンの離脱、リチウムイオン二次電池の放電に相当)を行い、脱ドープ容量を測定した。同一の条件でドープと脱ドープとを100回繰り返した。
[Coin battery discharge capacity measurement test]
The discharge capacity was measured for the obtained coin battery of each test number. Constant current doping (insertion of lithium ions into the electrode, lithium ion secondary) with a current value of 0.1 mA (current value of 0.075 mA / cm 2 ) until the potential difference becomes 0.005 V with respect to the counter electrode Equivalent to charging the battery). Thereafter, while maintaining 0.005 V, the counter electrode was continuously doped at a constant voltage until 7.5 μA / cm 2 was reached. Next, it is dedoped at a current value of 0.1 mA (current value of 0.075 mA / cm 2 ) until the potential difference becomes 1.2 V (corresponding to detachment of lithium ions from the electrode and discharge of the lithium ion secondary battery). And the dedoping capacity was measured. Doping and dedoping were repeated 100 times under the same conditions.

脱ドープ容量は、この負極をリチウムイオン二次電池の負極として用いた時の放電容量に相当する。したがって、測定された脱ドープ容量を放電容量と定義した。測定試験の開始から数サイクル目までに放電容量が低下する場合は、放電容量が安定するまで測定を数回繰り返し、初回の放電容量とした。100回目の脱ドープ時の放電容量を100サイクル時放電容量とした。負極合剤の塗布厚さ、及び、負極合剤の単位面積当たりの塗布質量から、負極合剤の体積密度を算出した。放電容量に負極合剤の体積密度を掛けて、単位体積当たりの放電容量を得た。結果を表2に示す。   The dedoping capacity corresponds to the discharge capacity when this negative electrode is used as the negative electrode of a lithium ion secondary battery. Therefore, the measured dedoping capacity was defined as the discharge capacity. When the discharge capacity decreased from the start of the measurement test to several cycles, the measurement was repeated several times until the discharge capacity was stabilized to obtain the initial discharge capacity. The discharge capacity at the 100th undoping was defined as the discharge capacity at 100 cycles. The volume density of the negative electrode mixture was calculated from the coating thickness of the negative electrode mixture and the coating mass per unit area of the negative electrode mixture. A discharge capacity per unit volume was obtained by multiplying the discharge capacity by the volume density of the negative electrode mixture. The results are shown in Table 2.

[容積維持率の算出]
得られた初回放電容量と、100サイクル時放電容量とを次式に代入して、容積維持率を算出した。結果を表2に示す。
容積維持率(%)=100サイクル時放電容量/初回放電容量×100
[Calculation of volume maintenance rate]
The obtained initial discharge capacity and the discharge capacity at 100 cycles were substituted into the following equation to calculate the volume retention rate. The results are shown in Table 2.
Volume retention rate (%) = 100 cycle discharge capacity / initial discharge capacity × 100

[ラミネートセル用負極の製造]
上述の各試験番号の負極活物質材料と、黒鉛粉末とを用いて、ラミネートセル用負極を製造した。黒鉛粉末は以下のとおり準備した。球状化天然黒鉛にピッチ粉末を2質量%混合し、窒素気流中で1000℃で焼成して黒鉛粉末を得た。得られた黒鉛粉末の平均粒径(D50)は20μmであった。
[Manufacture of negative electrode for laminate cells]
A negative electrode for a laminate cell was manufactured using the negative electrode active material of each test number described above and graphite powder. The graphite powder was prepared as follows. Spherical natural graphite was mixed with 2% by mass of pitch powder and fired at 1000 ° C. in a nitrogen stream to obtain graphite powder. The average particle diameter (D50) of the obtained graphite powder was 20 μm.

上述の各試験番号の負極活物質材料と、黒鉛粉末とを混合し混合物を得た。混合比率は、質量%で20:80であった。この混合物を活物質材料として、コイン電池用負極と同様に負極合剤を製造した。製造された負極合剤を、アプリケータ(150μm)を用いて銅箔上に塗布した。負極合剤が塗布された銅箔を、100℃で20分間乾燥させた。乾燥後の銅箔は、表面に負極活物質材料からなる塗膜を有した。塗膜を有する銅箔から2.5cm四方の銅箔を切り出した。切り出した銅箔を、プレス圧500kgf/cm2で押圧して、負極を製造した。 The negative electrode active material of each test number described above and graphite powder were mixed to obtain a mixture. The mixing ratio was 20:80 by mass%. Using this mixture as an active material, a negative electrode mixture was produced in the same manner as the negative electrode for coin batteries. The manufactured negative electrode mixture was applied onto a copper foil using an applicator (150 μm). The copper foil coated with the negative electrode mixture was dried at 100 ° C. for 20 minutes. The copper foil after drying had a coating film made of a negative electrode active material on the surface. A 2.5 cm square copper foil was cut out from the copper foil having the coating film. The cut copper foil was pressed at a press pressure of 500 kgf / cm 2 to produce a negative electrode.

[ラミネートセル用正極の製造]
ラミネートセル用正極には、活物質としてコバルト酸リチウムを用いた。コバルト酸リチウム、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)、及び、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を混合した。混合比率は、質量比で80(0.8g):10(0.1g):10(0.1g)であった。N‐メチル‐2‐ピロリドン(NMP)を用いて混合物の濃度を調整し、混練機を用いて正極合剤を製造した。得られた正極合剤をアプリケータ(150μm)を用いてアルミ箔上に塗布した。正極合剤が塗布されたアルミ箔を、100℃で20分間乾燥させた。乾燥後のアルミ箔は、表面にコバルト酸リチウムからなる塗膜を有した。塗膜を有するアルミ箔から2.3cm四方のアルミ箔を切り出した。切り出したアルミ箔を、プレス圧500kgf/cm2で押圧して、正極を製造した。
[Manufacture of positive electrode for laminate cells]
Lithium cobaltate was used as the active material for the positive electrode for the laminate cell. Lithium cobaltate, acetylene black (AB) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed. The mixing ratio was 80 (0.8 g): 10 (0.1 g): 10 (0.1 g) by mass ratio. The concentration of the mixture was adjusted using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and a positive electrode mixture was produced using a kneader. The obtained positive electrode mixture was applied onto an aluminum foil using an applicator (150 μm). The aluminum foil coated with the positive electrode mixture was dried at 100 ° C. for 20 minutes. The aluminum foil after drying had a coating film made of lithium cobalt oxide on the surface. A 2.3 cm square aluminum foil was cut out from the aluminum foil having the coating film. The cut aluminum foil was pressed at a press pressure of 500 kgf / cm 2 to produce a positive electrode.

[ラミネートセルの製造]
得られた負極と正極とを用いて、ラミネートセルを製造した。具体的には、負極電極上に、ポリオレフィン製のセパレータを配置した。さらに、セパレータ上に、製造した正極を配置して積層物を形成した。積層物をアルミラミネートシート内に納めた。正極側にアルミ製のタブ、負極側にニッケル製のタブを用いて、ラミネートセルを製造した。支持電解質をLiPF6とし、LiPF6:エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC):ジメチルカーボネート(DMC):ビニレンカーボネート(VC):フルオロエチレンカーボネート(FEC)=16:48:23:16:1:8(質量比)とした混合溶媒を、電解液として用いた。電解液を注入するまでの操作は大気中で行い、電解液を注入して密封する最終組み立てをアルゴン雰囲気中のグローブボックス内で行った。
[Manufacture of laminate cells]
A laminate cell was manufactured using the obtained negative electrode and positive electrode. Specifically, a polyolefin separator was disposed on the negative electrode. Furthermore, the manufactured positive electrode was arrange | positioned on the separator and the laminated body was formed. The laminate was placed in an aluminum laminate sheet. A laminate cell was manufactured using an aluminum tab on the positive electrode side and a nickel tab on the negative electrode side. The supporting electrolyte is LiPF 6 and LiPF 6 : ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC): dimethyl carbonate (DMC): vinylene carbonate (VC): fluoroethylene carbonate (FEC) = 16: 48: 23: 16: A mixed solvent at 1: 8 (mass ratio) was used as the electrolytic solution. The operation until the electrolyte was injected was performed in the atmosphere, and the final assembly for injecting and sealing the electrolyte was performed in a glove box in an argon atmosphere.

[ラミネートセルの放電容量及び容積維持率の測定試験]
得られた各試験番号のラミネートセルに対して、放電容量の測定試験を実施した。試験方法はコイン電池に対する試験方法と同様の方法で実施した。さらに、得られた放電容量から、容積維持率をコイン電池と同様に算出した。結果を表2に示す。
[Measurement test of discharge capacity and volume retention ratio of laminate cell]
A discharge capacity measurement test was performed on the obtained laminate cell of each test number. The test method was the same as the test method for coin batteries. Further, the volume retention rate was calculated from the obtained discharge capacity in the same manner as the coin battery. The results are shown in Table 2.

[ラミネートセルの厚さ測定試験]
得られた各試験番号のラミネートセルに対して、厚さ測定試験を実施した。具体的には、ラミネートセルをテフロン(商標)板で挟み、さらにステンレス製の補強板でボルト締めをして固定した。光電子式透過型リニアエンコーダーを搭載したリニアゲージを用いて、充電後のラミネートセルの厚さ(A)と、元のラミネートセルの厚さ(B)とを測定した。得られた数値を上述の式に代入して膨張率(%)を算出した。結果を表2に示す。ここで、元のラミネートセルの厚さ(B)は、ラミネートセルを作製後に負極板に電解液が十分に染み込んで膨潤した状態における測定値を使用した。充電後のラミネートセルの厚さ(A)は、放電容量が安定しているサイクルにおける5回の平均値を使用した。
[Thickness measurement test of laminate cell]
A thickness measurement test was performed on the obtained laminate cell of each test number. Specifically, the laminate cell was sandwiched between Teflon (trademark) plates, and further bolted and fixed with a stainless steel reinforcing plate. Using a linear gauge equipped with an optoelectronic transmission type linear encoder, the thickness (A) of the laminate cell after charging and the thickness (B) of the original laminate cell were measured. The obtained numerical value was substituted into the above formula to calculate the expansion rate (%). The results are shown in Table 2. Here, as the thickness (B) of the original laminate cell, the measured value in a state where the electrolyte solution was sufficiently infiltrated into the negative electrode plate after the laminate cell was produced and used was used. As the thickness (A) of the laminate cell after charging, an average value of 5 times in a cycle in which the discharge capacity is stable was used.

[評価結果]
図2は試験番号3の負極活物質材料の充電前後のX線回折測定の実測プロファイルと、ζ相及びε相の計算プロファイルとを示す図である。図2中、(a)はε相の計算プロファイル、(b)はζ相の計算プロファイル、(c)は負極活物質材料(充電前)の実測プロファイル、(d)は1回充電させた後の負極活物質材料の実測プロファイル、(e)は1回放電させた後の負極活物質材料の実測プロファイルを示す。
[Evaluation results]
FIG. 2 is a diagram showing an actual measurement profile of X-ray diffraction measurement before and after charging of the negative electrode active material of test number 3 and calculation profiles of ζ phase and ε phase. In FIG. 2, (a) is a calculation profile of the ε phase, (b) is a calculation profile of the ζ phase, (c) is an actual measurement profile of the negative electrode active material (before charging), and (d) is after being charged once. (E) shows the measured profile of the negative electrode active material after being discharged once.

図2を参照して、充電前の負極活物質材料の実測プロファイル(c)は、主にζ相の計算プロファイル(b)と一致した。さらに、実測プロファイル(c)中には、ε相の計算プロファイル(a)にみられる回折ピークと同じ位置に弱い回折ピークがみられた。したがって、試験番号3の負極活物質材料の結晶構造は、充電前において、主にζ相であり、少量のε相を含むことが確認された。   Referring to FIG. 2, the actual measurement profile (c) of the negative electrode active material before charging mainly coincided with the calculated profile (b) of the ζ phase. Furthermore, in the actual measurement profile (c), a weak diffraction peak was observed at the same position as the diffraction peak found in the calculation profile (a) of the ε phase. Therefore, it was confirmed that the crystal structure of the negative electrode active material of Test No. 3 was mainly ζ phase and contained a small amount of ε phase before charging.

図2の1回充電状態の実測プロファイル(d)と、1回放電状態の実測プロファイル(e)とを比較した結果を説明する。充電状態の実測プロファイル(d)では、38.0〜39.0°、及び、49.0〜51.0°のそれぞれの範囲に、角度2θにおいて回折ピークがみられた。放電状態の実測プロファイル(e)では、これらの回折ピークが消失した。さらに、充電前の実測プロファイル(c)中に確認されるζ相由来の回折ピーク(図2中、●で表示)が、充電状態の実測プロファイル(d)中では、その強度が低下した。放電状態の実測プロファイル(e)では、これらのζ相由来の回折ピークの強度が再び増加した。したがって、試験番号3の負極活物質材料は、充電前の結晶構造は主にζ相であり、充電(すなわち、ζ相がリチウムを吸蔵する)に伴ってその結晶構造が変化することが確認された。さらに、放電により、負極活物質材料のζ相の比率は再び増加することが確認された。充電前の負極活物質材料に少量含まれたε相についても、同様の挙動を示すことが確認された。   The result of comparing the measured profile (d) in the once charged state and the measured profile (e) in the once discharged state in FIG. 2 will be described. In the measured profile (d) of the charged state, diffraction peaks were observed at an angle 2θ in the respective ranges of 38.0 to 39.0 ° and 49.0 to 51.0 °. In the measured profile (e) in the discharge state, these diffraction peaks disappeared. Further, the intensity of the diffraction peak derived from the ζ phase (indicated by ● in FIG. 2) confirmed in the actual measurement profile (c) before charging was reduced in the actual measurement profile (d) in the charged state. In the measured profile (e) of the discharge state, the intensity of the diffraction peaks derived from these ζ phases increased again. Therefore, it was confirmed that the negative electrode active material of Test No. 3 had a crystal structure mainly of ζ phase before charging, and the crystal structure changed with charging (that is, the ζ phase occludes lithium). It was. Furthermore, it was confirmed that the ratio of the ζ phase of the negative electrode active material increased again by discharge. It was confirmed that the ε phase contained in a small amount in the negative electrode active material before charging exhibits the same behavior.

図3は、試験番号2の負極活物質材料(充電前)のX線回折測定の実測プロファイルと、ζ相の計算プロファイルとを示す図である。図3中、(a)はζ相の計算プロファイル、及び、(b)は負極活物質材料(充電前)の実測プロファイルを示す。   FIG. 3 is a diagram showing an actual measurement profile of the X-ray diffraction measurement of the negative electrode active material (Test No. 2) of test number 2 and a calculation profile of the ζ phase. In FIG. 3, (a) shows the calculated profile of the ζ phase, and (b) shows the measured profile of the negative electrode active material (before charging).

図3を参照して、試験番号2の負極活物質材料(充電前)の実測プロファイル(b)は、ζ相の計算プロファイル(a)とほぼ一致した。したがって、試験番号2の負極活物質材料の結晶構造は、ほとんどζ相であることが確認された。   Referring to FIG. 3, the actual measurement profile (b) of the negative electrode active material (before charging) of Test No. 2 substantially coincided with the calculated profile (a) of the ζ phase. Therefore, it was confirmed that the crystal structure of the negative electrode active material of test number 2 was almost ζ phase.

表2に示す試験番号1〜試験番号16の負極活物質材料は、ζ相を含むCu‐Sn系合金を含有した。そのため、これらの負極活物質材料を用いてコイン電池を製造した場合、その初回放電容量は1500mAh/cm3以上となり、優れた放電容量を示した。さらに、これらのコイン電池の容積維持率は80%以上となり、優れたサイクル特性を示した。これらの負極活物質材料を用いてラミネートセルを製造した場合、その初回放電容量は700mAh/cm3以上となり、優れた放電容量を示した。さらに、これらのラミネートセルの容積維持率は80%以上、膨張率は30%以下となり、優れたサイクル特性を示した。 The negative electrode active material of Test No. 1 to Test No. 16 shown in Table 2 contained a Cu—Sn based alloy containing a ζ phase. Therefore, when a coin battery was manufactured using these negative electrode active material materials, the initial discharge capacity was 1500 mAh / cm 3 or more, indicating an excellent discharge capacity. Furthermore, the volume retention rate of these coin batteries was 80% or more, and excellent cycle characteristics were exhibited. When a laminate cell was manufactured using these negative electrode active material materials, the initial discharge capacity was 700 mAh / cm 3 or more, indicating an excellent discharge capacity. Further, these laminate cells had a volume retention rate of 80% or more and an expansion rate of 30% or less, and exhibited excellent cycle characteristics.

試験番号1〜試験番号4は、Cu‐Sn二元系の負極活物質材料の例である。試験番号2の負極活物質材料は特に、その結晶構造のほとんどがζ相であった。そのため、試験番号2では、試験番号1、試験番号3及び試験番号4と比較して、コイン電池及びラミネートセルの両方において、初回放電容量及び容積維持率が高かった。   Test Nos. 1 to 4 are examples of Cu—Sn binary negative electrode active material. In particular, the negative electrode active material of Test No. 2 was mostly ζ phase in its crystal structure. Therefore, in test number 2, compared with test number 1, test number 3, and test number 4, both the coin battery and the laminate cell had higher initial discharge capacity and volume retention rate.

図4は、試験番号3のコイン電池のサイクル特性を示す図である。図4を参照して、試験番号3のコイン電池の放電容量は、1サイクル目から7サイクル目まで徐々に低下して1808mAh/cm3となり、その後安定した。この放電容量は、黒鉛の放電容量の理論値の約2.2倍であった。試験番号3のコイン電池の放電容量は、100サイクル目で1758mAh/cm3となり、7サイクル目の放電容量に対して97%という高い容量維持率を示した。さらに、7サイクル目で放電容量が安定した後は、100サイクル目まで放電容量が大きく低下することなく、高い放電容量を維持した。 FIG. 4 is a diagram showing the cycle characteristics of the coin battery of test number 3. FIG. Referring to FIG. 4, the discharge capacity of the coin battery of test number 3 gradually decreased from the first cycle to the seventh cycle to 1808 mAh / cm 3 and then stabilized. This discharge capacity was about 2.2 times the theoretical value of the discharge capacity of graphite. The discharge capacity of the coin battery of Test No. 3 was 1758 mAh / cm 3 at the 100th cycle, showing a high capacity retention rate of 97% with respect to the discharge capacity at the 7th cycle. Furthermore, after the discharge capacity was stabilized at the 7th cycle, the high discharge capacity was maintained without significantly decreasing the discharge capacity until the 100th cycle.

試験番号5〜試験番号16は、Cu及びSnに加え、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCからなる群から選択される1種を含有する負極活物質材料の例である。試験番号5〜試験番号16に示すとおり、負極活物質材料にこれらの元素が含有されても、コイン電池及びラミネートセルは、高い放電容量及び高い容積維持率を示した。   Test number 5 to test number 16 contain one type selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B and C in addition to Cu and Sn. It is an example of a negative electrode active material. As shown in Test No. 5 to Test No. 16, even when these elements were contained in the negative electrode active material, the coin battery and the laminate cell exhibited a high discharge capacity and a high volume retention rate.

一方、試験番号17は、Siのみを用いた負極活物質材料の例である。試験番号17の負極活物質材料を用いて製造したコイン電池は、初回放電容量は1500mAh/cm3以上となったものの、容積維持率が5.3%となり、著しく低かった。試験番号17の負極活物質材料を用いて製造したラミネートセルは、初回放電容量は700mAh/cm3以上となったものの、容積維持率が7.5%となり、著しく低かった。さらに、このラミネートセルは、膨張率が75.0%と高かった。上述のとおり、Siは充放電に伴う体積変化が大きく、負極が一部破損したため、コイン電池及びラミネートセルの容積維持率が低下したと考えられる。 On the other hand, the test number 17 is an example of a negative electrode active material using only Si. The coin battery manufactured using the negative electrode active material of Test No. 17 had an initial discharge capacity of 1500 mAh / cm 3 or more, but the volume retention rate was 5.3%, which was extremely low. The laminate cell manufactured using the negative electrode active material of Test No. 17 had an initial discharge capacity of 700 mAh / cm 3 or more, but the volume retention rate was 7.5%, which was extremely low. Furthermore, this laminate cell had a high expansion rate of 75.0%. As described above, it is considered that the volume maintenance rate of the coin battery and the laminate cell is reduced because Si has a large volume change due to charge and discharge and the negative electrode is partially damaged.

試験番号18及び試験番号19は、ζ相を含まない負極活物質材料の例である。図5は、試験番号18の負極活物質材料(充電前)のX線回折測定の実測プロファイルと、σ相及びD03相の計算プロファイルとを示す図である。図5中、(a)はσ相の計算プロファイル、(b)はD03相の計算プロファイル、及び、(c)は負極活物質材料(充電前)の実測プロファイルを示す。 Test number 18 and test number 19 are examples of negative electrode active material that does not include a ζ phase. Figure 5 is a diagram showing a measured profile of the X-ray diffraction measurement of the negative electrode active material (pre-charge), and a calculated profile of the σ phase and D0 3 phase Test No. 18. In FIG. 5, shows the measured profiles of (a) the calculated profile of the σ phase, (b) the calculated profile of D0 3 phase, and, (c) the negative electrode active material material (before charging).

図5を参照して、充電前の実測プロファイル(c)は、σ相及びD03相の計算プロファイルと一致した。さらに、ζ相に由来する回折ピークは観察されなかった。したがって、試験番号18の負極活物質材料中には、ζ相が確認されなかった。 Referring to FIG. 5, the pre-charge measured profile (c) was consistent with the calculated profile of the σ phase and D0 3 phase. Furthermore, no diffraction peak derived from the ζ phase was observed. Therefore, the ζ phase was not confirmed in the negative electrode active material of test number 18.

図1に示す、Cu‐Sn二元系状態図を参照して、19at%Snを含有し残部はCu及び不純物からなる合金(試験番号18)は、ζ相を形成しない。したがって、二元系において試験番号18の化学組成では、ζ相が形成されなかった。そのため、試験番号18の負極活物質材料を用いたコイン電池の容積維持率は80%以上となったものの、初回放電容量は1500mAh/cm3未満となった。さらに、試験番号18の負極活物質材料を用いたラミネートセルの容積維持率は80%以上となったものの、初回放電容量は700mAh/cm3未満となった。 Referring to the Cu—Sn binary phase diagram shown in FIG. 1, an alloy (test number 18) containing 19 at% Sn with the balance being Cu and impurities does not form a ζ phase. Therefore, in the binary system, the ζ phase was not formed with the chemical composition of test number 18. Therefore, although the volume retention rate of the coin battery using the negative electrode active material of test number 18 was 80% or more, the initial discharge capacity was less than 1500 mAh / cm 3 . Furthermore, although the volume retention rate of the laminate cell using the negative electrode active material of test number 18 was 80% or more, the initial discharge capacity was less than 700 mAh / cm 3 .

図6は、試験番号19の負極活物質材料(充電前)のX線回折測定の実測プロファイルと、ε相の計算プロファイルとを示す図である。図6中、(a)はε相の計算プロファイル、及び、(b)は負極活物質材料(充電前)の実測プロファイルを示す。   FIG. 6 is a diagram showing an actual measurement profile of X-ray diffraction measurement and a calculation profile of the ε phase of the negative electrode active material of test number 19 (before charging). In FIG. 6, (a) shows the calculation profile of the ε phase, and (b) shows the actual measurement profile of the negative electrode active material (before charging).

図6を参照して、充電前の実測プロファイル(b)は、ε相の計算プロファイルと一致した。さらに、ζ相に由来する回折ピークは観察されなかった。したがって、試験番号19の負極活物質材料中には、ζ相が確認されなかった。   Referring to FIG. 6, the actual measurement profile (b) before charging coincided with the calculated profile of the ε phase. Furthermore, no diffraction peak derived from the ζ phase was observed. Therefore, no ζ phase was confirmed in the negative electrode active material of test number 19.

図1に示す、Cu‐Sn二元系状態図を参照して、25at%Snを含有し残部はCu及び不純物からなる合金(試験番号19)は、ζ相を形成しない。したがって、二元系において試験番号19の化学組成では、ζ相が形成されなかった。そのため、試験番号19の負極活物質材料を用いたコイン電池の初回放電容量は1500mAh/cm3以上となったものの、容積維持率は80%以下となった。さらに、試験番号19の負極活物質材料を用いたラミネートセルの初回放電容量は700mAh/cm3以上となったものの、容積維持率は80%以下となった。試験番号19の負極活物質材料を用いたラミネートセルの膨張率は30%を超えた。 Referring to the Cu—Sn binary phase diagram shown in FIG. 1, an alloy (test number 19) containing 25 at% Sn with the balance being Cu and impurities does not form a ζ phase. Therefore, the ζ phase was not formed with the chemical composition of test number 19 in the binary system. Therefore, although the initial discharge capacity of the coin battery using the negative electrode active material of test number 19 was 1500 mAh / cm 3 or more, the volume retention rate was 80% or less. Furthermore, although the initial discharge capacity of the laminate cell using the negative electrode active material of Test No. 19 was 700 mAh / cm 3 or more, the volume retention rate was 80% or less. The expansion rate of the laminate cell using the negative electrode active material of Test No. 19 exceeded 30%.

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above-described embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately changing the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

Claims (8)

ζ相を含むCu‐Sn系合金を含有する、負極活物質材料。   A negative electrode active material containing a Cu—Sn alloy containing a ζ phase. 請求項1に記載の負極活物質材料であって、
前記Cu‐Sn系合金は、
Sn:21.0〜24.0at%を含有し、
残部はCu及び不純物からなる、負極活物質材料。
The negative electrode active material according to claim 1,
The Cu-Sn alloy is
Sn: 21.0-24.0 at% is contained,
The balance is a negative electrode active material made of Cu and impurities.
請求項2に記載の負極活物質材料であって、
前記Cu‐Sn系合金は、Cuの一部に代えてさらに、
Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCからなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、負極活物質材料。
The negative electrode active material according to claim 2,
The Cu-Sn based alloy is further replaced with a part of Cu,
A negative electrode active material containing one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B, and C.
請求項3に記載の負極活物質材料であって、
前記Cu‐Sn系合金は、
Sn:21.0〜24.0at%と、
Ti:2.0at%以下、V:2.0at%以下、Cr:2.0at%以下、Mn:2.0at%以下、Fe:2.0at%以下、Co:2.0at%以下、Ni:3.0at%以下、Zn:3.0at%以下、Al:3.0at%以下、Si:3.0at%以下、B:2.0at%以下、及び、C:2.0at%以下からなる群から選択される1種又は2種以上とを含有し、
残部はCu及び不純物からなる、負極活物質材料。
The negative electrode active material according to claim 3,
The Cu-Sn alloy is
Sn: 21.0 to 24.0 at%,
Ti: 2.0 at% or less, V: 2.0 at% or less, Cr: 2.0 at% or less, Mn: 2.0 at% or less, Fe: 2.0 at% or less, Co: 2.0 at% or less, Ni: Group consisting of 3.0 at% or less, Zn: 3.0 at% or less, Al: 3.0 at% or less, Si: 3.0 at% or less, B: 2.0 at% or less, and C: 2.0 at% or less 1 type or 2 types or more selected from,
The balance is a negative electrode active material made of Cu and impurities.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の負極活物質材料であって、前記ζ相に加えてさらに、
サイト欠損を含む、F−Cell構造のδ相、ε相、η’相、及びD03構造を有する相からなる群から選択される1種又は2種以上の相を有する、負極活物質材料。
The negative electrode active material according to any one of claims 1 to 4, wherein in addition to the ζ phase,
It contains the site deficiency, [delta] phase F-Cell structure, having ε-phase, eta 'phase, and D0 3 1 or two or more phases selected structure from the group consisting of phase with the negative electrode active material material.
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の負極活物質材料を含む負極。   The negative electrode containing the negative electrode active material of any one of Claims 1-5. 請求項6に記載の負極を備える電池。   A battery comprising the negative electrode according to claim 6. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の負極活物質材料の製造方法であって、
原料の溶製材を製造する工程と、
前記溶製材を、550〜670℃に保持した後、室温以下に急冷する溶体化熱処理を行う工程とを備える、負極活物質材料の製造方法。
It is a manufacturing method of the negative electrode active material of any one of Claims 1-5,
A process for producing a raw material melt,
A method for producing a negative electrode active material comprising: a solution heat treatment in which the molten material is held at 550 to 670 ° C. and then rapidly cooled to room temperature or lower.
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