JP2017526144A - Anode materials for lithium-ion batteries - Google Patents

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Abstract

内部中空空間を有する炭素シェルと、該炭素シェルの内部の中空空間内のシリコン粒子を含むリチウムイオン電池用アノード材料。An anode material for a lithium ion battery, comprising: a carbon shell having an internal hollow space; and silicon particles in the hollow space inside the carbon shell.

Description

本発明は、リチウムイオン電池用負極(アノード)材料に関する。特に、本発明は、炭素とケイ素の複合負極材料に関する。   The present invention relates to a negative electrode (anode) material for a lithium ion battery. In particular, the present invention relates to a composite negative electrode material of carbon and silicon.

すべての再充電可能な電池技術の中で、リチウムイオン電池(LIB)は、優れた性能を提供し、携帯用電子機器の主電源に適している。LIBはまた、電気自動車のための最も有望な動力源であり、再生可能エネルギー技術に基づいて、スマートグリッドのイネーブラであることが予測されている。これらの用途の多くにとって、エネルギー密度とサイクル寿命は大幅な改善を必要とする二つの重要な技術的パラメータとして際立っている。例えば、2010年に米国エネルギー省は、電気自動車のために現在の電池の二倍のエネルギー密度を有し、かつ携帯用電子機器に使用される典型的な高エネルギーの電池は、ほんの500〜1000サイクルのサイクル寿命しか持っていないのに比較して80%の容量維持率をもって5000サイクルのサイクル寿命を有するLIBを作成するという目標を掲げている。LIBにおけるエネルギー密度を大きくすると、より高い電荷容量またはより高い電圧で電極材料を開発する必要がある。サイクル寿命を改善することは、活性電極材料及びそれと電解質との界面いわゆるSEI(Solid Electrolyte Interphase)の電池電極の2つの重要な構成要素を安定化させることを含む。   Among all rechargeable battery technologies, lithium ion batteries (LIBs) provide superior performance and are suitable for the main power source of portable electronic devices. LIB is also the most promising power source for electric vehicles and is predicted to be a smart grid enabler based on renewable energy technology. For many of these applications, energy density and cycle life stand out as two important technical parameters that require significant improvement. For example, in 2010, the US Department of Energy has twice the energy density of current batteries for electric vehicles, and typical high energy batteries used in portable electronics are only 500-1000 The goal is to create a LIB with a cycle life of 5000 cycles with 80% capacity retention compared to having only a cycle life of a cycle. Increasing the energy density in LIB requires the development of electrode materials with higher charge capacity or higher voltage. Improving cycle life involves stabilizing two important components of the battery electrode of the active electrode material and its interface with the electrolyte, the so-called SEI (Solid Electrolyte Interface).

近年、シリコン(Si)は、次世代の高エネルギーLIBのための最も有望な電極材料の一つとして浮上している。これは、負極に適した低い電圧と、従来の炭素負極(LiCの形成に相当する372mAh/g)よりも10倍高い、Li4.4Si合金の形成に基づく最大4,200のmAh/gの高い理論比容量を提供する。しかし、SiはLi4.4Si合金を形成するために、完全なリチウム挿入(リチウム化)の際に最大400%の体積膨張し、合金がリチウム抽出(脱リチウム化)の際のSiに戻る際に大幅に収縮し、Si負極材料の機械的完全性の低下及びSEI安定性というシリコン系負極材料に関連付けられている2つの重要な課題を形成している。 In recent years, silicon (Si) has emerged as one of the most promising electrode materials for next generation high energy LIBs. This is a low voltage suitable for the negative electrode and a maximum of 4,200 mAh / based on the formation of Li 4.4 Si alloy, 10 times higher than the conventional carbon negative electrode (372 mAh / g corresponding to the formation of LiC 6 ). Provides a high theoretical specific capacity of g. However, since Si forms a Li 4.4 Si alloy, the volume expands up to 400% upon complete lithium insertion (lithiation), and the alloy returns to Si upon lithium extraction (delithiation). It shrinks significantly and forms two important challenges associated with silicon-based negative electrode materials: reduced mechanical integrity of the Si negative electrode material and SEI stability.

大きな容量の変化によって誘導されるストレスは、電気的接続の消失と最終的な容量低下をもたらすSi負極材料の割れと粉砕を引き起こす。これは、シリコン負極材料の初期の研究において急速な容量損失の主な理由であると考えられていた。近年、カーボンナノワイヤー、カーボンナノチューブ、シリコンナノ粒子を有するカーボンナノ多孔膜の複合体を含む、ナノ構造材料を設計することにより、これらの材料中の安定性の問題に対処する上での成功がある。米国公開公報2012/0064409には、グラフェンシートとSiなどの負極活物質が相互に結合または凝集しているナノグラフェン強化粒子が開示されている。それらの小さなサイズとSiナノ粒子の周囲の解放空間により、ナノ構造の歪みは、機械的な破壊することなく、容易に緩和することができる。このナノ構造化戦略は、75%の容量保持率を有する数百サイクルまでアノード材料のサイクル寿命を大きく増加させた。しかし、それは期待値からまだ遠いものである。   The stress induced by the large capacity change causes cracking and crushing of the Si negative electrode material resulting in loss of electrical connection and eventual capacity reduction. This was believed to be the main reason for the rapid capacity loss in early studies of silicon negative electrode materials. In recent years, designing nanostructured materials, including composites of carbon nanowires, carbon nanotubes, and carbon nanoporous membranes with silicon nanoparticles, has been successful in addressing stability issues in these materials. is there. US Publication No. 2012/0064409 discloses nano graphene reinforced particles in which a graphene sheet and a negative electrode active material such as Si are bonded or aggregated to each other. Due to their small size and open space around the Si nanoparticles, the distortion of the nanostructures can be easily relaxed without mechanical destruction. This nanostructured strategy greatly increased the cycle life of the anode material up to several hundred cycles with 75% capacity retention. However, it is still far from the expected value.

Siと電解液との界面におけるSEIの安定性は、長いサイクル寿命を得るための別の重要な要因である。それは非常に困難な問題であり、効果的に大きな体積変化を有する材料に対処されていない。電解質の分解は、負極の低電位に起因して発生し、バッテリーの充電中、負極材料の表面にパッシベーションSEI層を形成する。SEI層は、電気絶縁体であるが、リチウムイオン伝導体であり、これは、一定の厚さでやがてはSEI成長が停止することにつながる。シリコンナノ構造が、主に機械的な破壊の問題を克服しているにもかかわらず、電解液との界面は、繰り返しの体積膨張・収縮により静的ではない。SEIの安定性の問題を、図2を参照して説明する。図2は、固体のSiからなる従来の負極材料の表面上にSEI形成の模式図である。Si粒子21は、Si−Li合金23に変化(リチウム化)することにより充電時に膨張する。リチウム化し傍証した状態でSi−Li合金23の表面にSEI22の薄い層が形成される。放電(脱リチウム化)中に、Si−Li合金23がSi粒子21に戻り、SEI22は個々の切片に分解され、電解液に新鮮なSi表面を露出させる。後のサイクルでは、新しいSEIが、新たに露出したSi表面上に形成し続け、これが最終的にSi粒子21の外側にSEI22の非常に厚い層をもたらす。これは、a)連続するSEI形成時の電解液及びリチウムイオンの消費、b)集電体と負極材料との間の電気的接触を弱めるSEIの電気絶縁性質、c)厚いSEIを通しての長いリチウム拡散距離、及びd)機械的ストレスによって引き起こされる負極材料の分解、を介して電池性能劣化を引き起こす。安定したSEIの形成は、大きな体積変化を受ける他の電池の電極材料においても一般的に保持している、Si負極材料で長寿命を実現するために重要である。   The stability of SEI at the Si / electrolyte interface is another important factor for obtaining a long cycle life. It is a very difficult problem and has not been addressed with materials that have effectively large volume changes. The decomposition of the electrolyte occurs due to the low potential of the negative electrode and forms a passivation SEI layer on the surface of the negative electrode material during battery charging. The SEI layer is an electrical insulator, but is a lithium ion conductor, which eventually leads to SEI growth stopping at a certain thickness. Despite the fact that silicon nanostructures mainly overcome the problem of mechanical breakdown, the interface with the electrolyte is not static due to repeated volume expansion and contraction. The problem of SEI stability will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram of SEI formation on the surface of a conventional negative electrode material made of solid Si. The Si particles 21 expand upon charging by being changed (lithiated) into the Si—Li alloy 23. A thin layer of SEI 22 is formed on the surface of the Si-Li alloy 23 in a lithiated state. During discharge (delithiation), the Si-Li alloy 23 returns to the Si particles 21 and the SEI 22 is broken into individual pieces, exposing the fresh Si surface to the electrolyte. In later cycles, new SEI continues to form on the newly exposed Si surface, which ultimately results in a very thick layer of SEI 22 on the outside of the Si particles 21. This is due to: a) consumption of electrolyte and lithium ions during continuous SEI formation, b) electrical insulation properties of SEI weakening electrical contact between current collector and negative electrode material, c) long lithium through thick SEI It causes battery performance degradation through diffusion distance, and d) decomposition of the negative electrode material caused by mechanical stress. The formation of a stable SEI is important for achieving a long life with the Si negative electrode material, which is generally maintained in the electrode materials of other batteries that undergo large volume changes.

米国公開公報2012/0064409US Publication 2012/0064409

ここで、我々は、上記問題を真摯に検討し、炭素シェル内部の中空空間が、リチウム化によりその中にカプセル化されたSi粒子の拡張に対して十分に広く、Si粒子を閉じ込めている炭素シェルは、リチウムイオンをそれを通して通過させることを可能にし、その表面に安定なSEIを形成する、新たなアノード材料を発見した。   Here, we have seriously studied the above problem, and the hollow space inside the carbon shell is wide enough for the expansion of the Si particles encapsulated therein by lithiation, and the carbon that traps the Si particles. The shell has discovered a new anode material that allows lithium ions to pass through and forms a stable SEI on its surface.

本発明の一態様によれば、内部中空空間を有する炭素シェルと、該炭素シェルの内部の中空空間内のシリコン粒子を含むリチウムイオン電池用アノード材料が提供される。   According to one aspect of the present invention, there is provided an anode material for a lithium ion battery including a carbon shell having an internal hollow space and silicon particles in the hollow space inside the carbon shell.

この設計では、液体電解質は炭素シェルの外側表面にのみ接触し、実質的に内部の中空空間に侵入することはない。リチウム化の際に、リチウムイオンが炭素シェルを貫通して内側のSi粒子と反応する。内側のSi粒子は、内部の中空空間で拡張することができるように炭素シェルは、機械的な剛性を有す。シリコンは、重要なリチウム挿入時にかなり軟化するため、この内部拡張が可能である。脱リチウム化の間に、内部のSi粒子に縮小して戻る。全体的に、電解質との界面は、機械的に拘束され、リチウム化及び脱リチウム化の両方の間に静止したままである。Si粒子は、炭素シェルの内部のみで伸縮し、電解質中のSEI形成物質と接触しない。そのように設計された材料は、アノード材料として2つの魅力的な点を提供する:第一に、静的な外面が安定SEIの展開を可能とし、第二に、内部の中空空間は、機械的な破壊することなく、Si粒子の自由体積膨張を可能にする。   In this design, the liquid electrolyte contacts only the outer surface of the carbon shell and does not substantially penetrate the internal hollow space. During lithiation, lithium ions penetrate the carbon shell and react with the inner Si particles. The carbon shell has mechanical rigidity so that the inner Si particles can expand in the inner hollow space. This internal expansion is possible because silicon softens significantly during critical lithium insertion. During delithiation, it shrinks back to internal Si particles. Overall, the interface with the electrolyte is mechanically constrained and remains stationary during both lithiation and delithiation. Si particles expand and contract only inside the carbon shell and do not come into contact with the SEI-forming substance in the electrolyte. The material so designed provides two attractive points as an anode material: first, the static outer surface allows for stable SEI deployment, and second, the internal hollow space is machine Allows free volume expansion of Si particles without disruption.

一実施形態例における、複合アノード材料の製造方法の概略図である。1 is a schematic view of a method for producing a composite anode material in an example embodiment. FIG. 従来の固体Siからなるアノード材料表面におけるSEI形成の模式図である。It is the schematic diagram of SEI formation in the anode material surface which consists of the conventional solid Si. 実施形態例の複合アノード材料の表面でのSEI形成の模式図である。It is a schematic diagram of SEI formation on the surface of the composite anode material of the embodiment. 活性物質としての実施形態例の複合アノード材料を用いた負極の走査型透過電子顕微鏡(STEM)断面画像である。It is a scanning transmission electron microscope (STEM) cross-sectional image of the negative electrode using the composite anode material of the embodiment example as an active substance. 実施例1の複合アノード材料の走査電子顕微鏡(SEM)画像である。2 is a scanning electron microscope (SEM) image of the composite anode material of Example 1. FIG. 活物質として、実施例1の複合アノード材料を用いた負極のSTEM断面画像である。It is a STEM cross-sectional image of the negative electrode using the composite anode material of Example 1 as an active material. 活物質として、実施例2の複合アノード材料を用いた負極のSTEM断面画像である。It is a STEM cross-sectional image of the negative electrode using the composite anode material of Example 2 as an active material.

本発明は、ここで実施形態例を参照して説明される。
一実施形態例に係る複合アノード材料の構成とその製造方法を、図1を参照して説明する。
The invention will now be described with reference to example embodiments.
A configuration of a composite anode material according to an embodiment and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIG.

まず、適切な粒子サイズを有するシリコンサブオキサイド(SiOx、0<X<2)粒子1が、出発材料として提供される。xの範囲は、好ましくは0.5〜1.6、より好ましくは約1である、すなわち、一酸化シリコンである。出発材料は、シリコンを酸化することによって、または二酸化シリコンで純粋なシリコンをコーティングすることによって調製することができる。固体一酸化シリコン粒子は、市販されている。シリコン粒子を含む二酸化シリコン粒子は、出発材料として使用することができる。SiOx(出発物質)の粒子径は、結果的に得られる複合アノード材料のサイズを規定する。   First, silicon suboxide (SiOx, 0 <X <2) particles 1 having an appropriate particle size are provided as a starting material. The range of x is preferably 0.5 to 1.6, more preferably about 1, i.e. silicon monoxide. The starting material can be prepared by oxidizing silicon or by coating pure silicon with silicon dioxide. Solid silicon monoxide particles are commercially available. Silicon dioxide particles containing silicon particles can be used as starting material. The particle size of the SiOx (starting material) defines the size of the resulting composite anode material.

第二に、SiOx粒子1は、炭素層で被覆されて炭素シェル2を形成する。炭素シェルは、糖類などの炭化水素の熱分解によって、またはCVD法を用いて形成することができる。熱分解の温度は、500℃〜1800℃とすることができる。CVD法は、炭素源を加熱して用いて行うことができる。炭素源の例としては、限定されるものではないが、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、ベンゼン等の炭化水素類、メタノール、エタノール、トルエン、キシレンなどの有機溶媒、一酸化炭素などが挙げられる。CVDの温度は400〜1200℃とすることができる。炭素層の厚さは、100nm以下とすることができ、好ましくは50nm以下、最も好ましくは10nm以下である。炭素層には、ホウ素(B)、窒素(N)、フッ素(F)等のハロゲン等をドープすることができる。炭素シェルの外径(直径)は出発物質(のSiOx粒子1)の大きさおよび厚みに依存し、300nm〜80μm、好ましくは800nm〜50μm、最も好ましくは1000nm〜20μmである。換言すれば、アノード材料の大きさは、炭素シェルの径である。   Second, the SiOx particles 1 are coated with a carbon layer to form a carbon shell 2. The carbon shell can be formed by thermal decomposition of hydrocarbons such as sugars or using CVD methods. The temperature of thermal decomposition can be 500 degreeC-1800 degreeC. The CVD method can be performed by heating a carbon source. Examples of the carbon source include, but are not limited to, hydrocarbons such as methane, ethane, ethylene, acetylene, and benzene, organic solvents such as methanol, ethanol, toluene, and xylene, and carbon monoxide. The temperature of CVD can be 400-1200 degreeC. The thickness of the carbon layer can be 100 nm or less, preferably 50 nm or less, and most preferably 10 nm or less. The carbon layer can be doped with halogens such as boron (B), nitrogen (N), and fluorine (F). The outer diameter (diameter) of the carbon shell depends on the size and thickness of the starting material (SiOx particles 1), and is 300 nm to 80 μm, preferably 800 nm to 50 μm, and most preferably 1000 nm to 20 μm. In other words, the size of the anode material is the diameter of the carbon shell.

第三に、炭素被覆されたSiOx粒子を熱処理する(加熱)。熱処理は例えば、N、アルゴンまたはそれらの混合物などの不活性雰囲気下、600〜2000℃、好ましくは800〜1200℃の温度範囲で行うことができる。炭素被覆時の加熱は、この熱処理の一部としてもよい。熱処理により、一酸化シリコンのSi及びSiO2への分解により、あるいはSiOx粒子1中のSi元素の結晶化と共にSiが抜けた部分がSiO4に変化することによってSi粒子3が発現する。Si粒子3の成長は加熱条件によって制御することができる。Si粒子の大きさと数は、リチウム化により拡張した状態のSi粒子の総体積が、炭素シェル2の内部空間よりも小さい場合、限定されない。Si粒子の大きさは、温度が上昇するにつれて減少する。Si粒子の数は、温度が上昇するにつれて増加する。Si粒子のサイズは1nm〜20μm、好ましくは5nm〜10μm、最も好ましくは10nm〜5μmである。炭素シェルの内部の中空空間に含まれるSi粒子の数は、100以下であり、好ましくは20以下であり、最も好ましくは5以下である。出発材料としてのシリコン粒子を含む二酸化シリコンの粒子を使用する場合、この熱処理は省略することができる。 Third, the carbon-coated SiOx particles are heat-treated (heating). The heat treatment can be performed, for example, in a temperature range of 600 to 2000 ° C., preferably 800 to 1200 ° C. under an inert atmosphere such as N 2 , argon, or a mixture thereof. Heating during carbon coating may be part of this heat treatment. The Si particles 3 are developed by heat treatment, decomposition of silicon monoxide into Si and SiO2, or change of a portion where Si is lost with crystallization of the Si element in the SiOx particles 1 to SiO 2 4. The growth of the Si particles 3 can be controlled by heating conditions. The size and number of Si particles are not limited when the total volume of Si particles expanded by lithiation is smaller than the internal space of the carbon shell 2. The size of the Si particles decreases as the temperature increases. The number of Si particles increases as the temperature increases. The size of the Si particles is 1 nm to 20 μm, preferably 5 nm to 10 μm, and most preferably 10 nm to 5 μm. The number of Si particles contained in the hollow space inside the carbon shell is 100 or less, preferably 20 or less, and most preferably 5 or less. If silicon dioxide particles containing silicon particles are used as starting material, this heat treatment can be omitted.

最後に、SiO4は、フッ化水素(HF)水溶液等のエッチング液でエッチングされる(エッチング)。エッチングは、0.5〜48時間、約0〜70℃の温度範囲で行うことができる。HF溶液の濃度は約5%〜約50%(濃HF)とすることができる。すべてのSiO4が除去されることが好ましいが、Si粒子3の膨張および収縮に影響を与えない場合、SiO4の一部が炭素シェル2内に残留しても良い。エッチングした後、内部中空空間(ボイド)5が炭素シェル2の内部に形成されて複合アノード材料10が完成する。内部中空空間5は、リチウムイオンが炭素シェルを通過する以外は実質的に炭素シェルの外部から閉鎖された空間である。 Finally, SiO 2 4 is etched (etching) with an etchant such as a hydrogen fluoride (HF) aqueous solution. The etching can be performed at a temperature range of about 0 to 70 ° C. for 0.5 to 48 hours. The concentration of the HF solution can be about 5% to about 50% (concentrated HF). It is preferable that all SiO 2 4 is removed. However, when the expansion and contraction of the Si particles 3 are not affected, a part of the SiO 2 4 may remain in the carbon shell 2. After etching, an internal hollow space (void) 5 is formed inside the carbon shell 2 to complete the composite anode material 10. The internal hollow space 5 is a space that is substantially closed from the outside of the carbon shell except that lithium ions pass through the carbon shell.

図3は、本実施形態例に係る複合アノード材料の表面上にSEI形成の模式図である。Si粒子3は、炭素シェル2の内部中空空間5内でSi−Li合金31に変化することによって充電時(リチウム化)に膨張する。 炭素シェル2の表面にリチウムイオン伝導性であるSEI32の薄層が形成される。放電(脱リチウム化)中に、Si−Li合金31はSi粒子3に戻るが、SEI32はそのままの形状を維持できる。後のサイクルでは、SEI32を安定的に維持することができる。このように、本実施形態例の複合アノード材料は、SEIを形成するために電解質の多くを消費しない。   FIG. 3 is a schematic view of SEI formation on the surface of the composite anode material according to this embodiment. The Si particles 3 expand at the time of charging (lithiation) by changing to the Si—Li alloy 31 in the internal hollow space 5 of the carbon shell 2. A thin layer of SEI 32 having lithium ion conductivity is formed on the surface of the carbon shell 2. During discharge (delithiation), the Si—Li alloy 31 returns to the Si particles 3, but the SEI 32 can maintain the shape as it is. In a later cycle, the SEI 32 can be stably maintained. Thus, the composite anode material of this example embodiment does not consume much of the electrolyte to form SEI.

図4は、活物質として実施形態例のアノード材料を用いた負極の走査型透過電子顕微鏡(STEM)断面画像である。図4に示すように、本実施形態例のアノード材料は、スラリーを調製する時及び電極形成時に圧縮しても壊れない。炭素シェルは容易に破壊されるだろうと思われたので、これには非常に驚いている。   FIG. 4 is a scanning transmission electron microscope (STEM) cross-sectional image of a negative electrode using the anode material of the embodiment as an active material. As shown in FIG. 4, the anode material of this embodiment does not break even when compressed during slurry preparation and electrode formation. This is very surprising because it seemed that the carbon shell would be easily destroyed.

別の実施形態例は、上記実施形態例に係るアノード材料を含む負極を含むリチウムイオン電池に関する。アノード材料は、好ましくは、少なくとも600mAh/gの容量、より好ましくは800mAh/g以上の容量を有している。電池はまた、活物質を含む正極と、少なくとも一種の非水系溶媒に溶解したリチウム塩を含む電解質と、電解質とリチウムイオンが第一の側から対向する第二の側に流れるように構成されたセパレータを備える。   Another exemplary embodiment relates to a lithium ion battery including a negative electrode including an anode material according to the above exemplary embodiment. The anode material preferably has a capacity of at least 600 mAh / g, more preferably a capacity of 800 mAh / g or more. The battery is also configured such that the positive electrode containing the active material, the electrolyte containing a lithium salt dissolved in at least one non-aqueous solvent, and the electrolyte and lithium ions flow from the first side to the opposing second side. A separator is provided.

正極活物質としては、種類またはその性質は特に制限されないが、公知のカソード材料が本発明を実施するために使用することができる。カソード材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムバナジウム酸化物、リチウム混合金属酸化物、リチウムリン酸鉄、リン酸マンガンリチウム、リン酸バナジウムリチウム、リチウム混合金属リン酸塩、金属硫化物、及びこれらの組み合わせがからなる群から選択される少なくとも一つの材料が挙げられる。正極活物質はまた、チタン二硫酸又はモリブデン二硫酸などのカルコゲン化合物から選ばれる少なくとも一種の化合物であってもよい。より好ましくは、リチウムコバルト酸化物(例えば、LiCoO、0.8<X<1)、リチウムニッケル酸化物(例えば、LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(例えば、LiMn及びLiMnO)である。リン酸鉄リチウムは、その安全性と低コストのために好ましい。すべてのこれらのカソード材料は微粉末、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノ繊維、またはナノチューブの形態で調製することができる。それらは、容易に、アセチレンブラック、カーボンブラック、及び超微細黒鉛粒子のような追加導電剤と混合することができる。 The type and properties of the positive electrode active material are not particularly limited, but known cathode materials can be used for carrying out the present invention. Cathode materials are lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium vanadium oxide, lithium mixed metal oxide, lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate, lithium mixed metal phosphate And at least one material selected from the group consisting of salts, metal sulfides, and combinations thereof. The positive electrode active material may also be at least one compound selected from chalcogen compounds such as titanium disulfuric acid or molybdenum disulfuric acid. More preferably, lithium cobalt oxide (eg, Li x CoO 2 , 0.8 <X <1), lithium nickel oxide (eg, LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (eg, LiMn 2 O 4 and LiMnO 2). ). Lithium iron phosphate is preferred because of its safety and low cost. All these cathode materials can be prepared in the form of fine powders, nanowires, nanorods, nanofibers or nanotubes. They can be easily mixed with additional conductive agents such as acetylene black, carbon black, and ultrafine graphite particles.

電極の製造のために、バインダーを用いることができる。バインダーの例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレンプロピレンジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)が挙げられる。正極および負極は、負極に対して銅箔、正極に対してアルミニウム又はニッケル箔などの集電体上に形成することができる。しかしながら、集電体がスムーズに電流を流し、比較的高い耐食性を有することができるのであれば、集電体の種類に特に重要な制限は全くない。正極および負極は、セパレータを挟んで積層することができる。セパレータは、合成樹脂製不織布、多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、または多孔性PTFEフィルムから選択することができる。   A binder can be used for the production of the electrode. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene propylene diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR). The positive electrode and the negative electrode can be formed on a current collector such as a copper foil for the negative electrode and an aluminum or nickel foil for the positive electrode. However, as long as the current can flow smoothly and have a relatively high corrosion resistance, there is no particular limitation on the type of current collector. The positive electrode and the negative electrode can be stacked with a separator in between. The separator can be selected from a synthetic resin nonwoven fabric, a porous polyethylene film, a porous polypropylene film, or a porous PTFE film.

本発明を実施するには、幅広い電解質を使用することができる。最も好ましいものは非水系およびポリマーゲル電解質であるが、他のタイプも使用することができる。ここで採用される非水系電解質は、電解質塩を非水系溶媒に溶解することで製造される。リチウム二次電池用溶媒として採用されてきた公知のあらゆる非水系溶媒を使用することができる。エチレンカーボネート(EC)と、融点が前述のエチレンカーボネートより低くドナーナンバーが18以下である非水系溶媒(以降、第二溶媒と称する)の少なくとも1種とからなる混合溶媒から主に構成される非水系溶媒が、好ましく採用される。この非水系溶媒は、(a)黒鉛構造がよく発達した炭素質材料を含む負極に対して安定であり、(b)電解質の還元または酸化分解を抑制するのに効果的であり、(c)高い導電性を有する、点で有利である。エチレンカーボネート(EC)のみから構成された非水系電解質は、黒鉛化炭素質材料による還元の際の分解に対して安定であるという点で有利である。しかしながら、ECの融点は39℃〜40℃と比較的高く、粘度が比較的高く、よって自身の導電性が低く、これにより室温あるいはそれ以下で動作させる二次電池電解質としてEC単独で作製することは適さない。ECと混合して使用される第二溶媒は、混合溶媒の粘度をEC単独の場合より低下させるべく機能し、これにより混合溶媒のイオン伝導性を向上させる。さらに、ドナーナンバー18以下(エチレンカーボネートのドナーナンバーは16.4)の第二溶媒が用いられると、上述のエチレンカーボネートは、容易にかつ選択的にリチウムイオンを溶媒和することができ、黒鉛化が良く発達した炭素質材料との第二溶媒の還元反応が抑制されると考えられる。さらに、第二溶媒のドナーナンバーが18以下に制御されると、リチウム電極に対する酸化分解電圧は容易に4V以上に増加させることができ、高電圧のリチウム二次電池を製造することができる。好ましい第二溶媒は、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピレンカーボネート(PC)、γブチロラクトン(γBL)、アセトニトリル(AN)、エチルアセテート(EA)、ギ酸プロピル(PF)、ギ酸メチル(MF)、トルエン、キシレンおよび酢酸メチル(MA)である。これら第二溶媒は、単独または2種以上を組み合わせて使用することができる。より好ましくは、この第二溶媒は、ドナーナンバーが16.5以下のものから選択されるべきである。第二溶媒の粘度は、好ましくは25℃において28cps以下である。混合溶媒中の上記エチレンカーボネートの混合比は、好ましくは10〜80体積%である。エチレンカーボネートの混合比がこの範囲を外れると、溶媒の導電性が低下するか溶媒がより容易に分解する傾向を示し、これにより充放電性能が悪化する。エチレンカーボネートのより好ましい混合比は、20〜75体積%である。非水系溶媒中でのエチレンカーボネートの混合比が20体積%以上に増加した場合、エチレンカーボネートのリチウムイオンに対する溶媒和効果が促進され、溶媒分解抑制効果が向上する。   A wide range of electrolytes can be used to practice the present invention. Most preferred are non-aqueous and polymer gel electrolytes, although other types can be used. The non-aqueous electrolyte employed here is manufactured by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Any known non-aqueous solvent that has been employed as a solvent for lithium secondary batteries can be used. A non-solvent mainly composed of a mixed solvent composed of ethylene carbonate (EC) and at least one non-aqueous solvent (hereinafter referred to as second solvent) having a melting point lower than that of the aforementioned ethylene carbonate and a donor number of 18 or less. An aqueous solvent is preferably employed. This non-aqueous solvent is (a) stable to a negative electrode containing a carbonaceous material with a well-developed graphite structure, (b) effective in suppressing reduction or oxidative decomposition of the electrolyte, and (c) It is advantageous in that it has high conductivity. A non-aqueous electrolyte composed only of ethylene carbonate (EC) is advantageous in that it is stable against decomposition upon reduction with a graphitized carbonaceous material. However, EC has a relatively high melting point of 39 ° C. to 40 ° C., a relatively high viscosity, and thus its own conductivity is low, so that EC can be produced alone as a secondary battery electrolyte operating at or below room temperature Is not suitable. The second solvent used by mixing with EC functions to lower the viscosity of the mixed solvent than that of EC alone, thereby improving the ionic conductivity of the mixed solvent. Furthermore, when a second solvent having a donor number of 18 or less (the donor number of ethylene carbonate is 16.4) is used, the above-mentioned ethylene carbonate can easily and selectively solvate lithium ions and graphitize. It is considered that the reduction reaction of the second solvent with the well-developed carbonaceous material is suppressed. Furthermore, when the donor number of the second solvent is controlled to 18 or less, the oxidative decomposition voltage with respect to the lithium electrode can be easily increased to 4 V or more, and a high voltage lithium secondary battery can be manufactured. Preferred second solvents are dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γBL), acetonitrile (AN), Ethyl acetate (EA), propyl formate (PF), methyl formate (MF), toluene, xylene and methyl acetate (MA). These 2nd solvents can be used individually or in combination of 2 or more types. More preferably, the second solvent should be selected from those having a donor number of 16.5 or less. The viscosity of the second solvent is preferably 28 cps or less at 25 ° C. The mixing ratio of the ethylene carbonate in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume. When the mixing ratio of ethylene carbonate is out of this range, the conductivity of the solvent tends to decrease or the solvent tends to decompose more easily, thereby deteriorating the charge / discharge performance. A more preferable mixing ratio of ethylene carbonate is 20 to 75% by volume. When the mixing ratio of ethylene carbonate in the non-aqueous solvent is increased to 20% by volume or more, the solvation effect of ethylene carbonate with respect to lithium ions is promoted, and the solvent decomposition suppressing effect is improved.

また、電解液には、負極の表面に安定した品質のSEI層を維持するために、添加剤が添加されてもよい。SEI層は、電解液との反応(分解)を抑制する、またリチウムイオン電池の脱リチウム化による脱溶媒反応に曝され、アノード材料の構造上の物理的な劣化を抑制する役割を有する。添加剤の例としては、ビニレンカーボネート(VC)、プロパンスルトン(PS)、環状スルホン酸エステルが挙げられる。   In addition, an additive may be added to the electrolytic solution in order to maintain a stable quality SEI layer on the surface of the negative electrode. The SEI layer suppresses reaction (decomposition) with the electrolytic solution, and is exposed to a desolvation reaction due to delithiation of the lithium ion battery, and has a role of suppressing physical deterioration in the structure of the anode material. Examples of the additive include vinylene carbonate (VC), propane sultone (PS), and cyclic sulfonic acid ester.

本実施形態例に係るLi塩の例としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LClO、LiAlCl,LiN(C2n+1SO)(C2m+1SO)(n、mは自然数)、およびLiCFSOが挙げられる。しかしながら、Li塩は、これらに限定されるものではない。これらのLi塩の1種を使用してもよいし、これらのLi塩の2種以上を併用してもよい。 Examples of Li salt according to this embodiment is, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, L 1 ClO 4, LiAlCl 4, LiN (C n F 2n + 1 SO 2) (C m F 2m + 1 SO 2) (N and m are natural numbers), and LiCF 3 SO 3 . However, the Li salt is not limited to these. One of these Li salts may be used, or two or more of these Li salts may be used in combination.

本実施形態例における電池用ケースは、例えば、基材、金属箔、およびシーラントが順次積層されたラミネートフィルムであってもよい。使用することができる基材としては、ポリエステル(PET)またはナイロン製の10〜25μmの厚さの樹脂フィルムが挙げられる。金属箔は、20〜40μmの厚さのアルミニウム膜であってもよい。シーラントは、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、変性ポリプロピレン(PP)またはアイオノマーからなる30〜70μmの厚さを有する樹脂膜であってもよい。   The battery case in the present embodiment may be, for example, a laminate film in which a base material, a metal foil, and a sealant are sequentially laminated. Examples of the substrate that can be used include a resin film made of polyester (PET) or nylon and having a thickness of 10 to 25 μm. The metal foil may be an aluminum film having a thickness of 20 to 40 μm. The sealant may be a resin film having a thickness of 30 to 70 μm made of polyethylene (PE), polypropylene (PP), modified polypropylene (PP), or ionomer.

実施例1
直径5μmSiO粒子10gをまずCVD法によりアモルファスカーボンで被覆した。その後の炭素コーティングされたSiOは、5時間950℃で加熱した。20%HFは、シリコン酸化物をエッチングするために使用された。最終生成物は洗浄され、真空オーブン中で24時間乾燥してアノード材料Aを得た。アノード材料AのSEM画像を図5に示す。
Example 1
First, 10 g of 5 μm diameter SiO particles were coated with amorphous carbon by the CVD method. The subsequent carbon coated SiO was heated at 950 ° C. for 5 hours. 20% HF was used to etch silicon oxide. The final product was washed and dried in a vacuum oven for 24 hours to obtain anode material A. An SEM image of anode material A is shown in FIG.

実施例2
直径5μmSiO粒子10gをまずCVD法によりアモルファスカーボンで被覆した。その後の炭素コーティングされたSiOは、5時間1100℃で加熱した。20%HFは、シリコン酸化物をエッチングするために使用された。最終生成物は洗浄され、真空オーブン中で24時間乾燥してアノード材料Bを得た。
Example 2
First, 10 g of 5 μm diameter SiO particles were coated with amorphous carbon by the CVD method. The subsequent carbon coated SiO was heated at 1100 ° C. for 5 hours. 20% HF was used to etch silicon oxide. The final product was washed and dried in a vacuum oven for 24 hours to obtain anode material B.

比較例1
直径5μmSiO粒子がアノード材料Cとして使用された。
Comparative Example 1
5 μm diameter SiO particles were used as anode material C.

(比較例2)
直径5μmSi粒子が、アノード材料Dとして使用された。
(Comparative Example 2)
5 μm diameter Si particles were used as anode material D.

テストセルの作製
アノード材料A〜Dのそれぞれと、カーボンブラック、およびポリイミドを90:1:9の重量比でN−メチルピロリドン(NMP)中に混合して、スラリーを調製した。
Preparation of Test Cell Each of anode materials A to D, carbon black, and polyimide were mixed in N-methylpyrrolidone (NMP) at a weight ratio of 90: 1: 9 to prepare a slurry.

該スラリーを、銅箔上に塗布し、15分間120℃で乾燥させ薄い基体を形成した。次に基体を50g/mの荷重で45μm厚にプレスし、N雰囲気下、2時間200℃で加熱処理して負極を作製した。実施例1のアノード材料Aをと実施例2のアノード材料Bを用いた負極のSETM断面画像を図6及び図7にそれぞれ示す。該負極を作用電極として用い、金属リチウム箔を対向電極として用いた。作用電極と対向電極間に多孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータを挿入した。ジエチルカーボネート(DEC)とエチレンカーボネート(EC)を7:3の体積比での混合溶媒に1MのLiPFを溶解して電解液を調製し、ラミネートハーフセルを作製した。 The slurry was applied on a copper foil and dried at 120 ° C. for 15 minutes to form a thin substrate. Next, the substrate was pressed to a thickness of 45 μm with a load of 50 g / m 2 , and heat-treated at 200 ° C. for 2 hours in an N 2 atmosphere to produce a negative electrode. The SETM cross-sectional images of the negative electrode using the anode material A of Example 1 and the anode material B of Example 2 are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. The negative electrode was used as a working electrode, and a metal lithium foil was used as a counter electrode. A separator made of a porous polypropylene film was inserted between the working electrode and the counter electrode. 1M LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of diethyl carbonate (DEC) and ethylene carbonate (EC) at a volume ratio of 7: 3 to prepare an electrolyte solution, and a laminated half cell was prepared.

テストセルは、初期充電容量、クーロン効率及び1C充電/0.1C放電及び6C充電/0.1C放電のレート特性、及び100サイクル後の容量維持率1Cで評価した。結果を表1に示す。   The test cell was evaluated with initial charge capacity, coulomb efficiency, rate characteristics of 1C charge / 0.1C discharge and 6C charge / 0.1C discharge, and a capacity maintenance ratio of 1C after 100 cycles. The results are shown in Table 1.

以上、実施形態例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に規定されたように本発明の精神及びスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができると理解されよう。   While the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments, the present invention is not limited to the above exemplary embodiments. It will be understood that various changes may be made to the structure and details of the invention which will be apparent to those skilled in the art within the spirit and scope of the invention as defined in the claims.

Claims (8)

内部中空空間を有する炭素シェルと、
該炭素シェルの内部の中空空間内のシリコン粒子
を含むリチウムイオン電池用アノード材料。
A carbon shell having an internal hollow space;
An anode material for a lithium ion battery comprising silicon particles in a hollow space inside the carbon shell.
前記シリコン粒子の大きさ及び数が、リチウム化により拡張した状態において、前記シリコン粒子の総体積が前記炭素シェルの前記内部中空空間の体積よりも小さいことを満たす請求項1に記載のアノード材料。   2. The anode material according to claim 1, wherein the size and number of the silicon particles satisfy a condition that a total volume of the silicon particles is smaller than a volume of the internal hollow space of the carbon shell in a state expanded by lithiation. 前記シリコン粒子の大きさが1nm〜20μmである請求項2に記載のアノード材料。   The anode material according to claim 2, wherein the silicon particles have a size of 1 nm to 20 μm. 前記シリコン粒子の数が100以下である請求項2に記載のアノード材料。   The anode material according to claim 2, wherein the number of silicon particles is 100 or less. 前記炭素シェルの厚みが100nm以下である請求項1に記載のアノード材料。   The anode material according to claim 1, wherein the carbon shell has a thickness of 100 nm or less. 前記アノード材料の大きさが前記炭素シェルの直径として300nm〜80μmである請求項1に記載のアノード材料。   The anode material according to claim 1, wherein the anode material has a diameter of 300 nm to 80 µm as a diameter of the carbon shell. 正負極電極を含むリチウムイオン電池であって、前記負極が請求項1〜6のいずれか1項に記載のアノード材料を含むリチウムイオン電池。   It is a lithium ion battery containing a positive / negative electrode, Comprising: The said negative electrode is a lithium ion battery containing the anode material of any one of Claims 1-6. 前記アノード材料が少なくとも600mAh/gの容量を有する請求項7に記載のリチウムイオン電池。   The lithium ion battery of claim 7, wherein the anode material has a capacity of at least 600 mAh / g.
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