JP2018147772A - Lithium ion secondary battery negative electrode material and lithium ion secondary battery - Google Patents

Lithium ion secondary battery negative electrode material and lithium ion secondary battery Download PDF

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千恵子 荒木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery negative electrode material having high capacity and capable of maintaining high charge/discharge efficiency even when charge/discharge is repeated.SOLUTION: The lithium ion secondary battery negative electrode material including silicon particles covered with nano graphene and a carbon material has a structure that silicon particles are embedded in the carbon material and is granular as a whole. Concerning a differential value dQ/dV in a relationship between a voltage V of a negative electrode to lithium metal used as a reference and a charge capacity Q of a lithium ion secondary battery, when defined that the first local maximum being the local maximum of differential value dQ/dV in a voltage V of 270-330 mV is dQ/dV, and the second local maximum being the local maximum of differential value dQ/dV in a voltage V of 420-480 mV is dQ/dV, a ratio (dQ/dV)/(dQ/dV) is 2.5 or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材料及びリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode material for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、黒鉛系の炭素材料が広く用いられている。黒鉛にリチウムイオンを充填した際の化学量論的組成は、LiCであり、その理論容量は372mAh/gと算出できる。 Graphite-based carbon materials are widely used as negative electrode active materials for lithium ion secondary batteries. The stoichiometric composition when graphite is filled with lithium ions is LiC 6 and its theoretical capacity can be calculated as 372 mAh / g.

これに対して、シリコンにリチウムイオンを充填した際の化学量論的組成は、Li15Si若しくはLi22Siであり、その理論容量は3577mAh/g若しくは4197mAh/gと算出できる。このように、シリコンは、黒鉛に比べて、9.6倍若しくは11.3倍のリチウムを貯蔵できる魅力的な材料である。しかしながら、シリコン粒子にリチウムイオンを充填すると、体積が2.7倍若しくは3.1倍程度に膨張するため、リチウムイオンの充填と放出を繰り返す間に、シリコン粒子が力学的に破壊する。シリコン粒子が破壊することにより、破壊した微細シリコン粒子が電気的に孤立し、また、破壊面に新しい電気化学的被覆層ができることにより、不可逆容量が増加し、充放電サイクル特性が著しく低下する。 On the other hand, the stoichiometric composition when silicon is filled with lithium ions is Li 15 Si 4 or Li 22 Si 5 , and the theoretical capacity can be calculated as 3577 mAh / g or 4197 mAh / g. Thus, silicon is an attractive material that can store 9.6 times or 11.3 times as much lithium as graphite. However, when the silicon particles are filled with lithium ions, the volume expands to about 2.7 times or 3.1 times, so that the silicon particles are mechanically destroyed while repeatedly filling and releasing lithium ions. When the silicon particles are broken, the broken fine silicon particles are electrically isolated, and a new electrochemical coating layer is formed on the broken surface, whereby the irreversible capacity is increased and the charge / discharge cycle characteristics are remarkably lowered.

リチウムイオン二次電池の負極活物質としてシリコン粒子をナノ化することにより、リチウムイオンの充填と放出に伴う物理的破壊を防ぐことができる。しかしながら、リチウムイオンの充填と放出に伴う体積変化により、シリコンナノ粒子の一部が電気的に孤立し、これが原因で寿命特性が大きく劣化するという問題があった。また、ナノ粒子は、本質的に比表面積が数十m/g以上と大きいため、それに比例して電気化学的皮膜の生成量も多く、クーロン効率が低いという問題があった。 By making silicon particles nano-sized as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, physical destruction associated with filling and releasing of lithium ions can be prevented. However, there has been a problem that due to the volume change accompanying the filling and releasing of lithium ions, some of the silicon nanoparticles are electrically isolated and the life characteristics are greatly deteriorated due to this. In addition, since nanoparticles have essentially a large specific surface area of several tens of m 2 / g or more, there is a problem that the amount of electrochemical film produced is proportionally large and the Coulomb efficiency is low.

特許文献1には、リチウムイオン二次電池等の蓄電装置の負極の構成要素として、ナノシリコン凝集粒子の少なくとも一部が炭素層で覆われているSi/C複合体と、水系バインダと、を含む負極活物質層が記載されている。   Patent Document 1 includes, as a constituent element of a negative electrode of a power storage device such as a lithium ion secondary battery, an Si / C composite in which at least a part of nanosilicon agglomerated particles is covered with a carbon layer, and an aqueous binder. A negative electrode active material layer is described.

特許文献2には、珪素含有材料を活物質とする作用極と、金属リチウムからなる参照極と、金属リチウムからなる対極と、リチウムイオン導電性電解質とを用いてなる3極セルを使用して充放電を行うことにより、充放電容量Qを測定し、参照極を基準とする作用極の電位Vで微分することにより、微分値dQ/dVを算出し、放電時における、260mVから320mVの間の微分値dQ/dVの極大値Aと、420mVから520mVの間の微分値dQ/dVの極大値Bとの比B/Aが2以下とした、珪素含有材料が記載されている。特許文献2においては、高容量でかつ容量維持率(サイクル性)を向上することを目的としている。   Patent Document 2 uses a three-electrode cell using a working electrode having a silicon-containing material as an active material, a reference electrode made of metallic lithium, a counter electrode made of metallic lithium, and a lithium ion conductive electrolyte. By charging / discharging, the charge / discharge capacity Q is measured, and the differential value dQ / dV is calculated by differentiating with the potential V of the working electrode with reference to the reference electrode, and between 260 mV and 320 mV at the time of discharging A silicon-containing material is described in which the ratio B / A between the maximum value A of the differential value dQ / dV and the maximum value B of the differential value dQ / dV between 420 mV and 520 mV is 2 or less. In patent document 2, it aims at improving a capacity | capacitance maintenance factor (cycle property) with high capacity | capacitance.

特開2015−179593号公報JP-A-2015-179593 特開2015−2036号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-2036

特許文献1には、Si/C複合体を覆っている炭素層を構成する炭素として、非晶質又は結晶質の炭素のみ、或いは非晶質の炭素と結晶質の炭素とが混在したものが挙げられている。特許文献1においては、炭素層の形成は、ナノシリコン凝集粒子と芳香性複素環化合物等の液体と思われる物質とを混合した状態で反応させるものである。したがって、炭素層を形成する際に気相成長法を用いる例は記載がなく、構成要素としてのグラフェンについては記載されていない。炭素源として液体を用いる場合、炭素層を緻密に形成することが困難である。炭素が緻密でない場合、炭素層を電解液が通りやすくなるため、ナノシリコン粒子表面で電解液と反応しやすくなり、充放電効率が低下するおそれがある。   In Patent Document 1, as the carbon constituting the carbon layer covering the Si / C composite, only amorphous or crystalline carbon, or a mixture of amorphous carbon and crystalline carbon is used. Are listed. In Patent Document 1, the formation of a carbon layer is performed by reacting nanosilicon aggregated particles with a substance considered to be a liquid such as an aromatic heterocyclic compound in a mixed state. Accordingly, there is no description of an example of using a vapor deposition method when forming a carbon layer, and no description of graphene as a constituent element. When a liquid is used as the carbon source, it is difficult to form a carbon layer densely. When carbon is not dense, the electrolyte solution easily passes through the carbon layer, so that it easily reacts with the electrolyte solution on the surface of the nanosilicon particles, and the charge / discharge efficiency may be reduced.

特許文献2に記載の珪素含有材料は、高容量でかつ容量維持率(サイクル性)を向上することを目的としていることから、dQ/dVの極大値に関する比B/Aが低い方が望ましいという結論に至っている。特許文献2は、充放電効率の維持に着目したものではない。充放電効率を維持するためには、リチウムを含むアモルファスのシリコン合金から部分的にリチウムが放出されるような反応を抑制することが重要である。そして、その場合、特許文献2に記載されている260mVから320mVの間の微分値dQ/dVの極大値Aは小さくなると考えられる。その場合、Aが小さいため、比B/Aは高くなる。したがって、特許文献2に記載されている、比B/Aが低いという特徴は、充放電効率の維持の観点からは望ましくないものとなる。   The silicon-containing material described in Patent Document 2 is intended to improve the capacity retention rate (cycleability) with a high capacity, and therefore it is desirable that the ratio B / A regarding the maximum value of dQ / dV is low. The conclusion has been reached. Patent Document 2 does not focus on maintaining charge / discharge efficiency. In order to maintain charge / discharge efficiency, it is important to suppress reactions in which lithium is partially released from an amorphous silicon alloy containing lithium. In this case, the maximum value A of the differential value dQ / dV between 260 mV and 320 mV described in Patent Document 2 is considered to be small. In that case, since A is small, the ratio B / A is high. Therefore, the feature described in Patent Document 2 that the ratio B / A is low is undesirable from the viewpoint of maintaining the charge / discharge efficiency.

本発明は、高容量で、かつ、充放電を繰り返しても高い充放電効率を維持することができるリチウムイオン二次電池用負極材料を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the negative electrode material for lithium ion secondary batteries which is high capacity | capacitance and can maintain high charging / discharging efficiency even if charging / discharging is repeated.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極材料は、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子と、炭素材料と、を含み、シリコン粒子が炭素材料に埋め込まれた構造を有し、全体として粒子状であり、基準となるリチウム金属に対する負極の電圧Vと、リチウムイオン二次電池の充電容量Qとの関係における微分値dQ/dVについて、電圧Vの範囲270mV〜330mVにおける微分値dQ/dVの極大値である第一の極大値をdQ/dV、電圧Vの範囲420mV〜480mVにおける微分値dQ/dVの極大値である第二の極大値をdQ/dVと定義したとき、比(dQ/dV)/(dQ/dV)は、2.5以上である。 The negative electrode material for a lithium ion secondary battery of the present invention includes a silicon particle coated with nanographene and a carbon material, and has a structure in which the silicon particle is embedded in the carbon material, and is in the form of particles as a whole. The differential value dQ / dV in the relationship between the negative electrode voltage V with respect to the reference lithium metal and the charge capacity Q of the lithium ion secondary battery is the maximum value of the differential value dQ / dV in the voltage V range of 270 mV to 330 mV. first dQ / dV 1 the maximum value, when defining a second maximum value dQ / dV 2 which is the maximum value of the differential value dQ / dV in a range 420mV~480mV voltage V, the ratio (dQ / dV 2 ) / (DQ / dV 1 ) is 2.5 or more.

本発明によれば、高容量で、かつ、充放電を繰り返しても高い充放電効率を維持することができる負極材料を得ることができ、高容量でかつ長寿命のリチウムイオン二次電池を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   According to the present invention, a negative electrode material having a high capacity and capable of maintaining high charge / discharge efficiency even after repeated charge / discharge can be obtained, and a high capacity and long life lithium ion secondary battery is provided. can do. Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.

電圧Vに対する充電容量Qの微分値dQ/dVを示すグラフである。4 is a graph showing a differential value dQ / dV of a charge capacity Q with respect to a voltage V. 実施例1のリチウムイオン二次電池用負極材料を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a negative electrode material for a lithium ion secondary battery of Example 1. FIG. 図2Aのナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the nano graphene covering scale-like silicon particle of FIG. 2A. リチウムイオン二次電池用負極材料のサイクル数とクーロン効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cycle number of the negative electrode material for lithium ion secondary batteries, and Coulomb efficiency. リチウムイオン二次電池用負極材料の細孔分布を示すグラフである。It is a graph which shows the pore distribution of the negative electrode material for lithium ion secondary batteries. (dQ/dV)/(dQ/dV)に対する充放電効率を示すグラフである。Is a graph showing the charge-discharge efficiency with respect to (dQ / dV 2) / ( dQ / dV 1). 本発明のリチウムイオン二次電池の例を示す部分縦断面図である。It is a fragmentary longitudinal cross-section which shows the example of the lithium ion secondary battery of this invention.

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は、本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明は、これらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions, but by those skilled in the art within the scope of the technical idea disclosed in this specification. Various changes and modifications are possible.

なお、本明細書においては、数値範囲「a〜b」すなわち「a乃至b」は、「aからbまで」と同義である。これは「a以上b以下」とも同義である。   In the present specification, the numerical range “a to b”, that is, “a to b” is synonymous with “from a to b”. This is also synonymous with “a or more and b or less”.

本発明は、負極活物質であるシリコン粒子の表面をナノグラフェンで被覆し、この被覆されたシリコン粒子をアモルファス炭素に埋め込むことにより、シリコンの表面における反応(表面反応)を抑制するものである。充電過程においてシリコンからリチウムが脱離する現象に対応する特徴的な電圧は、0.3V付近(300mV付近)及び0.45V付近(450mV付近)である。ここで、電圧は、基準となるリチウム金属に対する負極の電圧(電位差)である。   In the present invention, the surface of silicon particles as a negative electrode active material is coated with nanographene, and the coated silicon particles are embedded in amorphous carbon, thereby suppressing reaction (surface reaction) on the surface of silicon. Characteristic voltages corresponding to the phenomenon in which lithium is desorbed from silicon during the charging process are around 0.3 V (around 300 mV) and around 0.45 V (around 450 mV). Here, the voltage is the voltage (potential difference) of the negative electrode with respect to the reference lithium metal.

これらの電圧Vに対応する充電容量Qの微分値dQ/dVの2つのピーク値(極大値)について、0.45V付近におけるdQ/dVの極大値と、0.3V付近におけるdQ/dVの極大値との比が大きいことが望ましい。   Regarding two peak values (maximum values) of the differential value dQ / dV of the charge capacity Q corresponding to these voltages V, the maximum value of dQ / dV near 0.45V and the maximum value of dQ / dV near 0.3V. It is desirable that the ratio with the value is large.

なお、後述のとおり、第一の極大値(300mV付近におけるdQ/dVの極大値)及び第二の極大値(450mV付近におけるdQ/dVの極大値)を定義するが、本明細書においては、300mV付近は、270mV〜330mVの範囲を意味し、450mV付近は、420mV〜480mVの範囲を意味するものとする。   As will be described later, the first maximum value (dQ / dV maximum value near 300 mV) and the second maximum value (dQ / dV maximum value near 450 mV) are defined, but in this specification, The vicinity of 300 mV means the range of 270 mV to 330 mV, and the vicinity of 450 mV means the range of 420 mV to 480 mV.

ここで、グラフェン及びナノグラフェンについて定義する。   Here, graphene and nanographene are defined.

グラフェンとは、炭素原子が二次元の蜂の巣状格子内に稠密に詰め込まれた単層の集合体(分子)をいう。そして、ナノグラフェンとは、ナノメートルオーダーの寸法を有するグラフェンをいう。本明細書においては、ナノグラフェンとは、更に具体的に、グラフェンを構成する分子を円板状である仮定した場合における代表寸法である当該円板の直径が100nm以下のものをいう。   Graphene refers to a single-layer assembly (molecule) in which carbon atoms are densely packed in a two-dimensional honeycomb lattice. And nano graphene means the graphene which has a dimension of a nanometer order. In the present specification, the nano graphene more specifically refers to those having a diameter of the disc of 100 nm or less, which is a representative dimension when the molecules constituting the graphene are assumed to be disc-like.

図1は、電圧Vに対する充電容量Qの微分値dQ/dVを示すグラフである。横軸には、基準となるリチウム金属に対する負極の電圧V(電位差)、縦軸には、リチウムイオン二次電池の充電容量をQとした場合におけるdQ/dVをとっている。縦軸において、正の領域は放電側であり、負の領域は充電側である。後述の実施例1及び2並びに比較例を示している。   FIG. 1 is a graph showing a differential value dQ / dV of the charge capacity Q with respect to the voltage V. The horizontal axis represents the negative electrode voltage V (potential difference) relative to the reference lithium metal, and the vertical axis represents dQ / dV when the charge capacity of the lithium ion secondary battery is Q. On the vertical axis, the positive region is the discharge side and the negative region is the charge side. Examples 1 and 2 described later and a comparative example are shown.

本図に示すように、放電側においては、比較例において特に顕著であるが、電圧Vが約300mV、約450mV及び約500mVにピークが存在する。これらの3つのピークにおいては、それぞれ、次の反応が生じる。なお、以下では、「約」を省略して説明する場合がある。   As shown in this figure, on the discharge side, the peak is present at the voltage V of about 300 mV, about 450 mV, and about 500 mV, which is particularly noticeable in the comparative example. In each of these three peaks, the following reaction occurs. In the following description, “about” may be omitted.

i)300mVのピーク付近においては、アモルファスのLiSi(以下「a−LiSi」という。「a」がアモルファスを意味する。)がa−Lix’Si(x>x’)に変化する。 i) In the vicinity of the 300 mV peak, amorphous Li x Si (hereinafter referred to as “a-Li x Si”, where “a” means amorphous) changed to a-Li x ′ Si (x> x ′). To do.

ii)450mVのピーク付近においては、Lix’Siがa−Siに変化する。 ii) In the vicinity of the 450 mV peak, Li x ′ Si changes to a-Si.

iii)500mVのピーク付近においては、a−Lix’Siがa−Siに変化する。 iii) near the peak of 500 mV, a-Li x ′ Si changes to a-Si.

これらのピークのうち、450mVのピークが最も高い。   Of these peaks, the peak at 450 mV is the highest.

実施例1及び2においては、300mV及び500mVのピークは、明瞭ではなくなっている。すなわち、300mV及び500mVにおいては、電圧Vに対する微分値dQ/dVの微分値(二次微分値)dQ/dVが0とならない場合がある。これは、実施例1及び2においては、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子がアモルファス炭素又はナノグラフェンに埋め込まれた構造により、上記i)の反応が抑制されているからである。 In Examples 1 and 2, the 300 mV and 500 mV peaks are not clear. That is, at 300 mV and 500 mV, the differential value (secondary differential value) d 2 Q / dV 2 of the differential value dQ / dV with respect to the voltage V may not be zero. This is because, in Examples 1 and 2, the reaction i) is suppressed by the structure in which the silicon particles coated with nanographene are embedded in amorphous carbon or nanographene.

これに対して、比較例においては、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子が炭素材料に埋め込まれていないため、上記i)の反応が進行しやすくなっている。また、比較例の場合、負極材料の粒子が電解液と接触しやすく、SEI(Solid Electrolyte Interphase)が生じやすくなっている。   On the other hand, in the comparative example, since the silicon particles coated with nanographene are not embedded in the carbon material, the reaction i) is likely to proceed. Moreover, in the case of a comparative example, the particle | grains of negative electrode material are easy to contact with electrolyte solution, and it is easy to produce SEI (Solid Electrolyte Interface).

このように、実施例1及び2の場合、上記i)の反応が抑制され、かつ、SEIの発生も抑制されるため、高容量で、かつ、充放電を繰り返しても高い充放電効率を維持することができる。   Thus, in the case of Examples 1 and 2, since the reaction i) is suppressed and the generation of SEI is also suppressed, the capacity is high and high charge / discharge efficiency is maintained even after repeated charge / discharge. can do.

実施例1及び2においては、300mVにおけるdQ/dVの値は、2kAh・(kg・V)−1以下となっている。すなわち、2000Ah・(kg・V)−1以下である。これは、上記i)の反応が抑制された結果である。 In Examples 1 and 2, the value of dQ / dV at 300 mV is 2 kAh · (kg · V) −1 or less. That is, it is 2000 Ah · (kg · V) −1 or less. This is a result of the suppression of the reaction i).

実施例1及び2の場合、300mVにおいてピークが明瞭でないため、便宜上、300mVにおけるdQ/dVの値を第一の極大値とみなす。比較例の場合は、ピークが明瞭であるため、300mV付近(270mV〜330mVの範囲)におけるdQ/dVの値を第一の極大値とする。   In Examples 1 and 2, since the peak is not clear at 300 mV, for convenience, the value of dQ / dV at 300 mV is regarded as the first maximum value. In the case of the comparative example, since the peak is clear, the value of dQ / dV in the vicinity of 300 mV (range of 270 mV to 330 mV) is set as the first maximum value.

一方、450mV付近における極大値については、dQ/dVの実際の極大値を用い、これを第二の極大値とする。いずれの電圧においても、ピークが明瞭である場合は、そのピークにおける実際のdQ/dVの値を極大値として採用する。   On the other hand, for the local maximum value in the vicinity of 450 mV, the actual local maximum value of dQ / dV is used, and this is used as the second local maximum value. When the peak is clear at any voltage, the actual dQ / dV value at the peak is adopted as the maximum value.

以下では、第一の極大値をdQ/dVとし、第二の極大値をdQ/dVとする。したがって、電圧Vが低い方から順に、第一の極大値、第二の極大値が求められる。 Hereinafter, the first maximum value is dQ / dV 1 and the second maximum value is dQ / dV 2 . Therefore, the first maximum value and the second maximum value are obtained in order from the lowest voltage V.

本発明者は、検討を重ねた結果、dQ/dVとdQ/dVとの比(dQ/dV)/(dQ/dV)をQ’としたとき、Q’の値が高ければ、サイクル特性が高くなることを見出した。 As a result of repeated studies, the present inventor determined that the ratio of dQ / dV 2 to dQ / dV 1 (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) is Q ′, and the value of Q ′ is high. It has been found that the cycle characteristics are improved.

0.30V付近におけるQ’の値が高い場合は、表面反応の量が多く、被膜生成量が多くなっている。この場合には、電池の寿命が短い傾向がある。   When the value of Q ′ near 0.30 V is high, the amount of surface reaction is large and the amount of film formation is large. In this case, the battery life tends to be short.

Q’の値としては、2.5以上が望ましい。さらに、炭素材料並みの寿命にするためには、Q’は3.5以上が望ましい。   The value of Q ′ is preferably 2.5 or more. Further, in order to achieve a life similar to that of a carbon material, Q ′ is desirably 3.5 or more.

負極材料の平均粒径は、5μm以上30μm以下であることが望ましい。平均粒径を5μm以上にすることにより、製造コストを抑えることができる。また、平均粒径を30μm以下にすることにより、スラリー塗布による電極形成が容易となる。   The average particle size of the negative electrode material is desirably 5 μm or more and 30 μm or less. By making the average particle diameter 5 μm or more, the production cost can be suppressed. Further, when the average particle size is 30 μm or less, electrode formation by slurry application is facilitated.

負極活物質であるシリコンの細孔分布は、細孔径100nm以上1μm以下の範囲に多くの細孔を有することが望ましい。この範囲の細孔により、充放電サイクルにおける膨張収縮が緩和され、サイクルによるシリコンの表面の破壊を抑制することができる。これにより、新生面の生成によるサイクル劣化を抑制することができる。   The pore distribution of silicon, which is a negative electrode active material, desirably has many pores in a pore diameter range of 100 nm to 1 μm. The pores in this range alleviate expansion and contraction in the charge / discharge cycle, and can suppress the destruction of the silicon surface due to the cycle. Thereby, cycle deterioration due to generation of a new surface can be suppressed.

細孔径を100nm以上とすることにより、シリコンの膨張収縮を緩和することができる。一方、細孔径を1μm以下とすることにより、シリコン粒子と電解液とが接しないようにすることができ、表面被膜の発生を抑制し、シリコンの劣化を防止することができる。なお、以下では、細孔径は「細孔直径」ともいう。   By setting the pore diameter to 100 nm or more, expansion and contraction of silicon can be relaxed. On the other hand, by setting the pore diameter to 1 μm or less, the silicon particles and the electrolytic solution can be prevented from coming into contact with each other, the generation of the surface coating can be suppressed, and the deterioration of silicon can be prevented. Hereinafter, the pore diameter is also referred to as “pore diameter”.

負極材料に含まれるシリコンの含有量は、30質量%以上80質量%以下であることが望ましい。また、40質量%以上70質量%以下であることが更に望ましい。   The content of silicon contained in the negative electrode material is desirably 30% by mass or more and 80% by mass or less. Moreover, it is more desirable that it is 40 mass% or more and 70 mass% or less.

なお、使用するシリコン材料としては、鱗片状のものが望ましい。この形状にすることにより、リチウム吸蔵の際の膨張による破壊を抑制することができ、サイクル特性を向上することができる。   In addition, as a silicon material to be used, a scaly thing is desirable. By adopting this shape, destruction due to expansion during lithium occlusion can be suppressed, and cycle characteristics can be improved.

以下、実施例及び比較例の詳細について説明する。   Details of the examples and comparative examples will be described below.

図2Aは、本実施例のリチウムイオン二次電池用負極材料を模式的に示したものである。   FIG. 2A schematically shows the negative electrode material for a lithium ion secondary battery of this example.

本図に示す負極材料の粒子100は、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101がアモルファス炭素102に埋め込まれた構造を有する。言い換えると、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101は、アモルファス炭素102(炭素材料)に分散され、全体として粒子100を形成している。   The particle 100 of the negative electrode material shown in this drawing has a structure in which nanographene-coated scale-like silicon particles 101 are embedded in amorphous carbon 102. In other words, the nanographene-coated scale-like silicon particles 101 are dispersed in amorphous carbon 102 (carbon material) to form the particles 100 as a whole.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101の長径は、10nm以上1μm以下である。長径を10nm以上とすることにより、シリコン粒子同士の凝集を抑制することができ、所望の構造を有する負極材料を作製することができる。また、長径を1μm以下とすることにより、リチウム吸蔵の際の物理的膨張による破壊を抑制することができる。   The major axis of the nanographene-coated scale-like silicon particles 101 is 10 nm or more and 1 μm or less. By setting the major axis to 10 nm or more, aggregation of silicon particles can be suppressed, and a negative electrode material having a desired structure can be manufactured. In addition, by setting the major axis to 1 μm or less, it is possible to suppress breakage due to physical expansion during lithium storage.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101の厚さは、5nm以上100nm以下である。厚さを5nm以上とすることにより、物理的強度を高め、電池を作製する際の微粉化を防止することができる。また、厚さを100nm以下とすることにより、リチウム吸蔵の際の物理的膨張による破壊を防止することができる。   The thickness of the nanographene-coated scale-like silicon particles 101 is 5 nm or more and 100 nm or less. By setting the thickness to 5 nm or more, it is possible to increase physical strength and prevent pulverization when a battery is manufactured. Further, by setting the thickness to 100 nm or less, it is possible to prevent destruction due to physical expansion during lithium storage.

図2Bは、図2Aのシリコン粒子を示す拡大断面図である。   FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view showing the silicon particles of FIG. 2A.

図2Bに示すように、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101は、鱗片状シリコン粒子103の表面が、ナノグラフェン層104(グラファイト薄膜)で覆われた構造を有する。ナノグラフェン層104は、鱗片状シリコン粒子103の表面に直接接するように形成されていることが望ましい。   As shown in FIG. 2B, the nanographene-coated scale-like silicon particles 101 have a structure in which the surface of the scale-like silicon particles 103 is covered with a nanographene layer 104 (graphite thin film). The nano graphene layer 104 is preferably formed so as to be in direct contact with the surface of the scaly silicon particles 103.

ナノグラフェン層104の厚さは、2nm以上10nm以下であることが望ましい。厚さを2nm以上とすることにより、物理的強度を確保することができる。また、厚さを10nm以下とすることにより、ナノグラフェン層104がシリコンの表面に沿って配列するようにし、電気伝導性を高めることができる。   The thickness of the nanographene layer 104 is preferably 2 nm or more and 10 nm or less. By setting the thickness to 2 nm or more, physical strength can be ensured. In addition, by setting the thickness to 10 nm or less, the nano graphene layer 104 can be arranged along the surface of silicon, and electrical conductivity can be improved.

ナノグラフェン層104の形成には、反応炉を備えた化学蒸着装置(図示していない。)を用い、鱗片状シリコン粒子にプロピレンガスを供給し、加熱する気相成長法を用いた。膜厚(積層されるナノグラフェンの量)は、成長時間等を設定することにより、制御が可能である。   For the formation of the nano graphene layer 104, a chemical vapor deposition apparatus (not shown) equipped with a reaction furnace was used, and a vapor phase growth method in which propylene gas was supplied to the scaly silicon particles and heated was used. The film thickness (the amount of nanographene to be stacked) can be controlled by setting the growth time and the like.

以下、気相成長法によるナノグラフェン層の形成工程の例について説明する。   Hereinafter, an example of the formation process of the nano graphene layer by the vapor deposition method will be described.

化学蒸着装置においては、基材である鱗片状シリコン粒子を反応炉に入れ、反応炉に所定流量の水素ガスを供給し、室温から1000℃まで、10℃/minの速度で昇温し、更に1000℃で1時間保持した。この熱処理工程により、鱗片状シリコン粒子の表面に形成された自然酸化膜を還元することが可能である。   In the chemical vapor deposition apparatus, scale-like silicon particles as a base material are put into a reaction furnace, hydrogen gas at a predetermined flow rate is supplied to the reaction furnace, and the temperature is raised from room temperature to 1000 ° C. at a rate of 10 ° C./min. Hold at 1000 ° C. for 1 hour. By this heat treatment step, the natural oxide film formed on the surface of the scaly silicon particles can be reduced.

その後、水素ガスの供給を停止し、所定流量のアルゴンガスを供給するとともに、10℃/minの速度で降温し、800℃まで降温した。800℃に達したところで、所定流量のプロピレンガスを供給し、同時にアルゴンガスの流量を調整することにより、ナノグラフェン層を成長させた。   Thereafter, the supply of hydrogen gas was stopped, a predetermined flow rate of argon gas was supplied, and the temperature was lowered at a rate of 10 ° C./min, and the temperature was lowered to 800 ° C. When the temperature reached 800 ° C., a propylene gas having a predetermined flow rate was supplied, and at the same time, the flow rate of the argon gas was adjusted to grow a nanographene layer.

その後、プロピレンガスの供給を停止し、アルゴンガスだけを流し、自然冷却した。   Thereafter, the supply of propylene gas was stopped, and only argon gas was flowed to cool naturally.

上記の工程により作製したナノグラフェン層は、ナノグラフェンが多層に積層した構造である。酸化膜は、上記の工程において除去されているため、鱗片状シリコン粒子の表面においては、酸化膜がほとんどなく、シリコンにナノグラフェン層が直接接触した構成となっている。ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子の電気伝導率は、1000S/m以上である。
つぎに、図2Aに示す負極材料の粒子100の作製方法について説明する。
The nano graphene layer manufactured by the above process has a structure in which nano graphene is stacked in multiple layers. Since the oxide film has been removed in the above process, there is almost no oxide film on the surface of the scaly silicon particles, and the nanographene layer is in direct contact with silicon. The electrical conductivity of the nanographene-coated scaly silicon particles is 1000 S / m or more.
Next, a method for manufacturing the negative electrode material particle 100 illustrated in FIG. 2A will be described.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101がアモルファス炭素102に埋め込まれた構造は、下記の方法により作製した。   A structure in which nanographene-coated scale-like silicon particles 101 were embedded in amorphous carbon 102 was produced by the following method.

石油系ピッチ、ナフタレン、アントラセン、フェナントロレン、コールタール、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール等の炭素原料と、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子とを所定の質量比で混合し、高温処理を行った。すなわち、高温処理は、上記の混合物を熱処理炉に入れ、窒素、アルゴン等の不活性ガスを流しながら、10℃/hrの昇温速度で900℃まで昇温し、一定時間保持することにより行った。高温処理により、炭素原料を炭化させた。   Carbon raw materials such as petroleum pitch, naphthalene, anthracene, phenanthrolen, coal tar, phenol resin, and polyvinyl alcohol and nanographene-coated scaly silicon particles were mixed at a predetermined mass ratio and subjected to high temperature treatment. That is, the high-temperature treatment is performed by putting the above mixture into a heat treatment furnace, raising the temperature to 900 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./hr while flowing an inert gas such as nitrogen and argon, and holding the mixture for a certain time. It was. The carbon raw material was carbonized by high temperature treatment.

その後、自然冷却し、粒子状の負極材料とした。この負極材料を粉砕し、分級することにより、任意の平均粒径及び粒径分布を有する負極材料を得ることができる。   Then, it cooled naturally and it was set as the particulate negative electrode material. By pulverizing and classifying the negative electrode material, a negative electrode material having an arbitrary average particle size and particle size distribution can be obtained.

平均粒径は、5μm以上30μm以下であることが望ましい。5μm以上とすることにより、製造コストを抑制することができる。また、30μm以下とすることにより、スラリー塗布による電極形成を容易にすることができる。   The average particle size is desirably 5 μm or more and 30 μm or less. By setting the thickness to 5 μm or more, the manufacturing cost can be suppressed. Moreover, the electrode formation by slurry application | coating can be made easy by setting it as 30 micrometers or less.

本実施例においては、実施例1と同じ方法によりナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を作製した。   In this example, nanographene-coated scale-like silicon particles were produced by the same method as in Example 1.

そして、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子は、アモルファス炭素に埋め込む代わりに、ナノグラフェン(炭素材料)に埋め込む処理をした。これにより、図2Aに示すアモルファス炭素102の代わりに、ナノグラフェンに埋め込まれた構造を有する負極材料の粒子を作製した。   Then, the nanographene-coated scaly silicon particles were embedded in nanographene (carbon material) instead of being embedded in amorphous carbon. Thereby, instead of the amorphous carbon 102 shown in FIG. 2A, particles of a negative electrode material having a structure embedded in nanographene were produced.

ナノグラフェンに埋め込む処理は、上述の気相成長法を用いて行った。そして、処理後の粒子状の材料を粉砕し、分級することにより、実施例1と同様の平均粒径及び粒径分布を有する負極材料とした。   The process of embedding in nanographene was performed using the above-described vapor phase growth method. Then, the treated particulate material was pulverized and classified to obtain a negative electrode material having the same average particle diameter and particle size distribution as in Example 1.

(比較例)
比較例の負極材料は、実施例1と同じ方法でナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を作製し、アモルファス炭素等に埋め込む処理をしないで、そのまま用いた。平均粒径は、実施例1のナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子と同等である。
(Comparative example)
The negative electrode material of the comparative example was used as it was without producing nano-graphene-coated scale-like silicon particles by the same method as in Example 1 and embedding in amorphous carbon or the like. The average particle diameter is equivalent to the nano graphene-coated scale-like silicon particles of Example 1.

実施例1と同様の方法で細孔分布を測定し、電極を作製し、負極容量及び寿命の評価を行った。   The pore distribution was measured by the same method as in Example 1, electrodes were prepared, and negative electrode capacity and lifetime were evaluated.

以下、測定方法等について説明する。   Hereinafter, the measurement method and the like will be described.

(細孔分布の測定)
細孔分布は、水銀圧入法により測定した。細孔直径の測定範囲は、0.01〜10μmである。
(Measurement of pore distribution)
The pore distribution was measured by a mercury intrusion method. The measurement range of the pore diameter is 0.01 to 10 μm.

(電極作製方法)
負極は、以下の手順により作製した。
(Electrode fabrication method)
The negative electrode was produced by the following procedure.

上述の方法で作製した負極材料と、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)と、を質量比で90:5:5となるように混合した。ここで、SBR及びCMCは、結着材である。   The negative electrode material produced by the above-described method, styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethylcellulose (CMC) were mixed at a mass ratio of 90: 5: 5. Here, SBR and CMC are binders.

そして、この混合物を、水を分散媒として負極合材スラリーを調製した。   A negative electrode mixture slurry was prepared from this mixture using water as a dispersion medium.

この負極合材スラリーを厚さ10μmの銅箔に塗布し、真空中で乾燥した。   This negative electrode mixture slurry was applied to a copper foil having a thickness of 10 μm and dried in a vacuum.

これをロールプレスにより密度1.3g/cmになるように成形し、負極を作製した。 This was molded by a roll press so as to have a density of 1.3 g / cm 3 to produce a negative electrode.

(負極容量及び寿命の評価方法)
Li金属を対極とする電池を作製した。
(Negative electrode capacity and life evaluation method)
A battery having a Li metal counter electrode was produced.

そして、その電池を定電流200mA/gで0.01Vまで放電した。その後、200mA/gで1.5Vまで充電した。   The battery was discharged to 0.01 V at a constant current of 200 mA / g. Then, it charged to 1.5V at 200mA / g.

この放電及び充電を10回繰り返した。   This discharging and charging was repeated 10 times.

充電及び放電をする際における負極の電圧Vと、電池の放電容量と、電池の充電容量Qと、を測定した。   The negative electrode voltage V when charging and discharging, the battery discharge capacity, and the battery charge capacity Q were measured.

この測定結果に基いて、dQ/dVを算出し、電圧Vとの関係を評価した。   Based on this measurement result, dQ / dV was calculated and the relationship with the voltage V was evaluated.

そして、比(dQ/dV)/(dQ/dV)(=Q’)を算出し、評価した。 The ratio (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) (= Q ′) was calculated and evaluated.

以下、測定結果等について説明する。   Hereinafter, measurement results and the like will be described.

図3は、サイクル数とクーロン効率との関係を示すグラフである。ここで、クーロン効率(%)は、同一サイクルにおける放電容量と充電容量との比を百分率で表したものである。なお、クーロン効率は、充放電効率という。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the number of cycles and the coulomb efficiency. Here, the Coulomb efficiency (%) represents the ratio between the discharge capacity and the charge capacity in the same cycle as a percentage. Coulomb efficiency is called charge / discharge efficiency.

本図においては、実施例1及び比較例の結果を示している。   In this figure, the result of Example 1 and a comparative example is shown.

本図から、実施例1の方がクーロン効率が高いことがわかる。特に、初期においては顕著である。   From this figure, it can be seen that Example 1 has higher Coulomb efficiency. This is particularly noticeable in the initial stage.

図4は、負極材料の粒子の細孔分布を示すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the pore distribution of the negative electrode material particles.

本図においては、実施例1及び比較例の結果を示している。   In this figure, the result of Example 1 and a comparative example is shown.

実施例1の場合、細孔径0.2μmすなわち200nm付近に1つのピークがある。また、細孔径1μm以下の範囲では、0.1μm〜0.8μm(100nm〜800nm)の範囲に細孔容積が集中している。特に、0.1μm〜0.5μm(100nm〜500nm)の範囲に集中している。   In the case of Example 1, there is one peak around the pore diameter of 0.2 μm, that is, 200 nm. In addition, in the range where the pore diameter is 1 μm or less, the pore volume is concentrated in the range of 0.1 μm to 0.8 μm (100 nm to 800 nm). In particular, it is concentrated in the range of 0.1 μm to 0.5 μm (100 nm to 500 nm).

このような実施例1の細孔分布は、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子がアモルファス炭素に埋め込まれた構造を有する負極材料の粒子において、シリコン粒子の体積変化をアモルファス炭素が吸収し、負極材料の粒子の破壊を抑制することに寄与していると考えられる。   The pore distribution of Example 1 is such that in the negative electrode material particles having a structure in which silicon particles coated with nanographene are embedded in amorphous carbon, the amorphous carbon absorbs the volume change of the silicon particles, It is thought that it contributes to suppressing particle destruction.

一方、比較例の場合、細孔径0.04μm及び0.12μmすなわち40nm及び120nm付近に2つのピークがある。このため、比較例の場合、細孔径1μm以下の範囲では、0.1μm未満の範囲に多くの細孔がある。   On the other hand, in the case of the comparative example, there are two peaks in the pore diameters of 0.04 μm and 0.12 μm, that is, around 40 nm and 120 nm. For this reason, in the case of the comparative example, when the pore diameter is 1 μm or less, there are many pores in the range of less than 0.1 μm.

実施例1の細孔分布から、負極材料の粒子は、細孔直径0.01〜1μmの範囲のうち、細孔径0.1〜1μm(100nm以上1μm以下)の範囲に、細孔容積基準で80%以上の細孔が分布していることが望ましい。また、上記の基準で80%以上の細孔が分布している細孔径の範囲は、100nm〜800nmであることが更に望ましい。特に望ましい範囲は、100nm〜500nmである。   From the pore distribution of Example 1, the negative electrode material particles are within the pore diameter range of 0.01 to 1 μm and within the pore diameter range of 0.1 to 1 μm (100 nm to 1 μm) on the pore volume basis. It is desirable that 80% or more of the pores are distributed. Further, the range of the pore diameter in which 80% or more of the pores are distributed based on the above criteria is more preferably 100 nm to 800 nm. A particularly desirable range is 100 nm to 500 nm.

なお、実施例2の負極材料の粒子については、細孔分布を図示していないが、実施例1のような100nm〜800nmの範囲の細孔が少なく、シリコン粒子の体積変化を吸収し、負極材料の粒子の破壊を抑制する作用が実施例1に比べて小さい。この影響は、数十回の充放電サイクルを行った場合における一時的なクーロン効率の低下となって現れる。ただし、この低下は、実用上問題となるほどではない。   In addition, although the pore distribution is not illustrated for the particles of the negative electrode material of Example 2, there are few pores in the range of 100 nm to 800 nm as in Example 1, and the volume change of the silicon particles is absorbed. Compared with Example 1, the effect of suppressing the destruction of the particles of the material is small. This effect appears as a temporary decrease in Coulomb efficiency when several tens of charge / discharge cycles are performed. However, this decrease is not so problematic as to be practical.

図5は、(dQ/dV)/(dQ/dV)に対する10サイクル目の充放電効率(クーロン効率)を示すグラフである。図中の破線は、(dQ/dV)/(dQ/dV)が2.5、充放電効率が98.5%の位置を明示したものである。また、図中の斜めの実線は、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子に無電解銅めっき処理を施した負極材料を用いた例(図示していない。)のデータを加味して算出した近似式を表したものである。無電解銅めっき処理を施した負極材料は、実施例1と同様の平均粒径及び粒径分布を有する粒子状のものである。 FIG. 5 is a graph showing the charge / discharge efficiency (Coulomb efficiency) at the 10th cycle with respect to (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ). The broken line in the figure clearly shows the position where (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) is 2.5 and the charge / discharge efficiency is 98.5%. The oblique solid line in the figure represents an approximate expression calculated by taking into account data of an example (not shown) using a negative electrode material obtained by subjecting nanographene-coated scaly silicon particles to electroless copper plating. It is a thing. The negative electrode material subjected to the electroless copper plating treatment is in the form of particles having the same average particle size and particle size distribution as in Example 1.

本図において、実施例1及び2は、(dQ/dV)/(dQ/dV)及び充放電効率がともに高い右上の領域(望ましい領域)に属している。これに対して、比較例は、(dQ/dV)/(dQ/dV)及び充放電効率がともに低い左下の領域に属している。図示していないが、無電解銅めっき処理を施した負極材料も、左下の領域に属するものである。 In this figure, Examples 1 and 2 belong to the upper right region (desired region) where both (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) and charge / discharge efficiency are high. In contrast, the comparative example belongs to the lower left region where both (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) and the charge / discharge efficiency are low. Although not shown, the negative electrode material subjected to electroless copper plating also belongs to the lower left region.

本図に示す斜めの実線が充放電効率100%となる(dQ/dV)/(dQ/dV)の値は、約4.5である。よって、(dQ/dV)/(dQ/dV)の上限値は、4.5と考える。 The value of (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) at which the slanted solid line shown in FIG. Therefore, the upper limit value of (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) is considered to be 4.5.

表1は、実施例及び比較例のデータをまとめて示したものである。   Table 1 summarizes the data of the examples and comparative examples.

本表には、10サイクル後におけるクーロン効率(充放電効率)及びQ’を示している。   This table shows the Coulomb efficiency (charge / discharge efficiency) and Q 'after 10 cycles.

Figure 2018147772
Figure 2018147772

なお、図1に示すように、実施例1及び2においては、300mVのピークが明瞭でなくなっている。これは、実施例1及び2においては、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子がアモルファス炭素又はナノグラフェンに埋め込まれた構造により、a−LiSiがa−Lix’Si(x>x’)に変化する反応が抑制されているからである。 In addition, as shown in FIG. 1, in Example 1 and 2, the peak of 300 mV is not clear. In Examples 1 and 2, a-Li x Si is changed to a-Li x ′ Si (x> x ′) due to the structure in which silicon particles covered with nano graphene are embedded in amorphous carbon or nano graphene. It is because the reaction to suppress is suppressed.

また、比較例においては、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子が炭素材料に埋め込まれていないため、負極材料の粒子が電解液と接触しやすく、SEIが生じやすくなっている。   In the comparative example, since the silicon particles covered with nanographene are not embedded in the carbon material, the particles of the negative electrode material are likely to come into contact with the electrolytic solution, and SEI is likely to occur.

以下、本発明のリチウムイオン二次電池の全体構成について説明する。   Hereinafter, the whole structure of the lithium ion secondary battery of this invention is demonstrated.

図6は、リチウムイオン二次電池の例を示す部分断面図である。   FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing an example of a lithium ion secondary battery.

本図において、各符号は次のものを示している。   In this figure, each code | symbol has shown the following.

601は正極、602はセパレータ、603は負極、604は電池缶、605は正極集電タブ、606は負極集電タブ、607は内蓋、608は内圧開放弁、609はガスケット、610は正温度係数抵抗素子(「PTC抵抗素子」ともいう。PTCは、Positive Temperature Coefficientの略称である。)、611は電池蓋である。   601 is a positive electrode, 602 is a separator, 603 is a negative electrode, 604 is a battery can, 605 is a positive electrode current collecting tab, 606 is a negative electrode current collecting tab, 607 is an inner lid, 608 is an internal pressure release valve, 609 is a gasket, 610 is a positive temperature A coefficient resistance element (also referred to as a “PTC resistance element”. PTC is an abbreviation for Positive Temperature Coefficient), 611 is a battery lid.

電池蓋611は、内蓋607、内圧開放弁608、ガスケット609及び正温度係数抵抗素子610からなる一体化部品である。   The battery lid 611 is an integrated part including an inner lid 607, an internal pressure release valve 608, a gasket 609, and a positive temperature coefficient resistance element 610.

正極601は、例えば、以下の手順により作製できる。   The positive electrode 601 can be manufactured, for example, by the following procedure.

正極活物質には、LiMnを用いる。正極活物質の85.0質量%に、導電材として黒鉛粉末とアセチレンブラックをそれぞれ7.0質量%と2.0質量%を添加する。さらに、結着剤として6.0質量%のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)を1−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する。)に溶解した溶液を加え、プラネタリーミキサーで混合する。さらに、真空下でスラリー中の気泡を除去して、均質な正極合剤スラリーを調製する。 LiMn 2 O 4 is used as the positive electrode active material. 7.0% by mass and 2.0% by mass of graphite powder and acetylene black are added as conductive materials to 85.0% by mass of the positive electrode active material, respectively. Further, a solution in which 6.0% by mass of polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF) was dissolved in 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) as a binder was added, and planetary was added. Mix with a mixer. Furthermore, bubbles in the slurry are removed under vacuum to prepare a homogeneous positive electrode mixture slurry.

このスラリーを、塗布機を用いて厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一かつ均等に塗布する。塗布後、ロールプレス機により、電極密度が2.55g/cmになるように圧縮成形する。これを切断機で裁断し、厚さ100μm、長さ900mm、幅54mmの正極601を作製する。 This slurry is uniformly and evenly applied to both surfaces of an aluminum foil having a thickness of 20 μm using an applicator. After the application, compression molding is performed by a roll press so that the electrode density is 2.55 g / cm 3 . This is cut with a cutting machine to produce a positive electrode 601 having a thickness of 100 μm, a length of 900 mm, and a width of 54 mm.

一方、負極603は、例えば、以下の手順により作製できる。   On the other hand, the negative electrode 603 can be produced, for example, by the following procedure.

実施例1又は2の負極材料95.0質量%に、結着剤として5.0質量%のPVDF(NMPに溶解した溶液)を加える。それをプラネタリーミキサーで混合し、真空下でスラリー中の気泡を除去し、均質な負極合剤スラリーを調製する。   As a binder, 5.0% by mass of PVDF (solution dissolved in NMP) is added to 95.0% by mass of the negative electrode material of Example 1 or 2. It is mixed with a planetary mixer, and bubbles in the slurry are removed under vacuum to prepare a homogeneous negative electrode mixture slurry.

このスラリーを塗布機で厚さ10μmの圧延銅箔の両面に均一かつ均等に塗布する。塗布後、その電極をロールプレス機によって圧縮成形して、電極密度が1.3g/cmとする。これを切断機で裁断し、厚さ110μm、長さ950mm、幅56mmの負極603を作製する。 This slurry is uniformly and evenly applied to both surfaces of a rolled copper foil having a thickness of 10 μm with an applicator. After application, the electrode is compression-molded by a roll press to make the electrode density 1.3 g / cm 3 . This is cut with a cutting machine to produce a negative electrode 603 having a thickness of 110 μm, a length of 950 mm, and a width of 56 mm.

上述のようにして作製される正極601及び負極603の未塗布部(集電板露出面)にそれぞれ、正極集電タブ605及び負極集電タブ606を超音波溶接する。正極集電タブ605にはアルミニウム製リード片を用い、負極集電タブ606にはニッケル製リード片を用いることができる。   The positive electrode current collecting tab 605 and the negative electrode current collecting tab 606 are ultrasonically welded to the uncoated portions (current collector plate exposed surfaces) of the positive electrode 601 and the negative electrode 603 manufactured as described above. An aluminum lead piece can be used for the positive electrode current collecting tab 605, and a nickel lead piece can be used for the negative electrode current collecting tab 606.

その後、厚さ30μmの多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータ602を正極601と負極603との間に挟み込み、正極601、セパレータ602及び負極603を捲回する。この捲回体を電池缶604に収納し、負極集電タブ606を電池缶604の缶底に抵抗溶接機により接続する。正極集電タブ605は、内蓋607の底面に超音波溶接により接続する。   Thereafter, a separator 602 made of a porous polyethylene film having a thickness of 30 μm is sandwiched between the positive electrode 601 and the negative electrode 603, and the positive electrode 601, the separator 602, and the negative electrode 603 are wound. The wound body is accommodated in the battery can 604, and the negative electrode current collecting tab 606 is connected to the bottom of the battery can 604 by a resistance welder. The positive electrode current collecting tab 605 is connected to the bottom surface of the inner lid 607 by ultrasonic welding.

上部の電池蓋611を電池缶604に取り付ける前に、非水電解液を注入する。電解液の溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合物を用いる。溶媒の構成要素の体積比は、例えば1:1:1とする。溶質である電解質としては、例えば、LiPFを用いる。その濃度は、例えば1mol/L(約0.8mol/kg)である。このような電解液を捲回体の上から滴下する。そして、電池蓋611を電池缶604に、かしめて密封し、リチウムイオン二次電池を得ることができる。 Before attaching the upper battery lid 611 to the battery can 604, a non-aqueous electrolyte is injected. As a solvent for the electrolytic solution, for example, a mixture of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC) is used. The volume ratio of the solvent components is, for example, 1: 1: 1. For example, LiPF 6 is used as the solute electrolyte. The concentration is, for example, 1 mol / L (about 0.8 mol / kg). Such an electrolytic solution is dropped from above the wound body. Then, the battery lid 611 can be caulked and sealed to the battery can 604 to obtain a lithium ion secondary battery.

100:負極材料の粒子、101:ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子、102:アモルファス炭素、103:鱗片状シリコン粒子、104:ナノグラフェン層、601:正極、602:セパレータ、603:負極、604:電池缶、605:正極集電タブ、606:負極集電タブ、607:内蓋、608:内圧開放弁、609:ガスケット、610:正温度係数抵抗素子、611:電池蓋。   100: particles of negative electrode material, 101: nanographene-coated scale-like silicon particles, 102: amorphous carbon, 103: scale-like silicon particles, 104: nanographene layer, 601: positive electrode, 602: separator, 603: negative electrode, 604: battery can, 605: Positive current collecting tab, 606: Negative current collecting tab, 607: Inner lid, 608: Internal pressure release valve, 609: Gasket, 610: Positive temperature coefficient resistance element, 611: Battery lid.

Claims (15)

ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子と、
炭素材料と、を含み、
前記シリコン粒子が前記炭素材料に埋め込まれた構造を有し、全体として粒子状であり、
基準となるリチウム金属に対する負極の電圧Vと、リチウムイオン二次電池の充電容量Qとの関係における微分値dQ/dVについて、前記電圧Vの範囲270mV〜330mVにおける前記微分値dQ/dVの極大値である第一の極大値をdQ/dV、前記電圧Vの範囲420mV〜480mVにおける前記微分値dQ/dVの極大値である第二の極大値をdQ/dVと定義したとき、
比(dQ/dV)/(dQ/dV)は、2.5以上である、リチウムイオン二次電池用負極材料。
Silicon particles coated with nanographene;
Carbon material, and
The silicon particles have a structure embedded in the carbon material, and are in the form of particles as a whole,
About the differential value dQ / dV in the relationship between the voltage V of the negative electrode with respect to the reference lithium metal and the charge capacity Q of the lithium ion secondary battery, the maximum value of the differential value dQ / dV in the voltage V range of 270 mV to 330 mV. When the first maximum value is defined as dQ / dV 1 and the second maximum value that is the maximum value of the differential value dQ / dV in the voltage V range of 420 mV to 480 mV is defined as dQ / dV 2 ,
The negative electrode material for a lithium ion secondary battery having a ratio (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) of 2.5 or more.
前記第一の極大値dQ/dVは、2000Ah・(kg・V)−1以下である、請求項1記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 2. The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the first maximum value dQ / dV 1 is 2000 Ah · (kg · V) −1 or less. 前記第一の極大値dQ/dVに対応する前記電圧Vにおける二次微分値dQ/dVは、0でない、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 3. The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein a secondary differential value d 2 Q / dV 2 at the voltage V corresponding to the first maximum value dQ / dV 1 is not 0. 4. 前記炭素材料は、アモルファス炭素又はナノグラフェンを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon material includes amorphous carbon or nano graphene. 前記シリコン粒子は、シリコンにナノグラフェン層が直接接触した構成を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the silicon particles have a configuration in which a nano graphene layer is in direct contact with silicon. 全体としての平均粒径は、5μm以上30μm以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein an average particle size as a whole is 5 µm or more and 30 µm or less. 細孔直径0.01〜1μmの範囲のうち、前記細孔直径100nm以上800nm以下の範囲に、細孔容積基準で80%以上の細孔を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   7. The method according to claim 1, wherein the pore diameter ranges from 0.01 to 1 μm, and the pore diameter ranges from 100 nm to 800 nm, and the pore volume is 80% or more on a pore volume basis. The negative electrode material for lithium ion secondary batteries as described. シリコンの含有量は、30質量%以上80質量%以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the silicon content is 30% by mass or more and 80% by mass or less. 前記シリコン粒子は、前記炭素材料に分散された構造を有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the silicon particles have a structure dispersed in the carbon material. 前記比(dQ/dV)/(dQ/dV)は、4.5以下である、請求項1〜9のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the ratio (dQ / dV 2 ) / (dQ / dV 1 ) is 4.5 or less. 正極と、負極と、これらの間に挟まれたセパレータと、を備え、
前記負極は、リチウムイオン二次電池用負極材料を含み、
前記リチウムイオン二次電池用負極材料は、ナノグラフェンで被覆されたシリコン粒子と、炭素材料と、を含み、前記シリコン粒子が前記炭素材料に埋め込まれた構造を有し、全体として粒子状であり、基準となるリチウム金属に対する前記負極の電圧Vと、充電容量Qとの関係における微分値dQ/dVについて、前記電圧Vの範囲270mV〜330mVにおける前記微分値dQ/dVの極大値である第一の極大値をdQ/dV、前記電圧Vの範囲420mV〜480mVにおける前記微分値dQ/dVの極大値である第二の極大値をdQ/dVと定義したとき、比(dQ/dV)/(dQ/dV)は、2.5以上である、リチウムイオン二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a separator sandwiched between them,
The negative electrode includes a negative electrode material for a lithium ion secondary battery,
The negative electrode material for a lithium ion secondary battery includes silicon particles coated with nanographene and a carbon material, and has a structure in which the silicon particles are embedded in the carbon material. The differential value dQ / dV in the relationship between the negative electrode voltage V and the charge capacity Q with respect to the reference lithium metal is the first maximum value of the differential value dQ / dV in the voltage V range of 270 mV to 330 mV. dQ / dV 1 the maximum value, when the second maximum value the a maximum value of the differential values dQ / dV in a range 420mV~480mV of the voltage V was defined as dQ / dV 2, the ratio (dQ / dV 2) / (dQ / dV 1) is 2.5 or more, the lithium ion secondary battery.
前記第一の極大値dQ/dVは、2000Ah・(kg・V)−1以下である、請求項11記載のリチウムイオン二次電池。 12. The lithium ion secondary battery according to claim 11, wherein the first maximum value dQ / dV 1 is 2000 Ah · (kg · V) −1 or less. 前記第一の極大値dQ/dVに対応する前記電圧Vにおける二次微分値dQ/dVは、0でない、請求項11又は12に記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to claim 11 or 12, wherein a secondary differential value d 2 Q / dV 2 at the voltage V corresponding to the first maximum value dQ / dV 1 is not 0. 前記炭素材料は、アモルファス炭素又はナノグラフェンを含む、請求項11〜13のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to any one of claims 11 to 13, wherein the carbon material includes amorphous carbon or nanographene. 前記シリコン粒子は、シリコンにナノグラフェン層が直接接触した構成を有する、請求項11〜14のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to any one of claims 11 to 14, wherein the silicon particles have a configuration in which a nano graphene layer is in direct contact with silicon.
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