JP2018181573A - Manufacturing method of negative electrode material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は負極材料を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a negative electrode material.
リチウムイオン二次電池用の負極活物質として、リチウムイオン吸蔵能力が高いSiを含有する負極活物質が知られている。例えば、特許文献1及び特許文献2には、負極活物質がシリコンであるリチウムイオン二次電池が記載されている。特許文献3及び特許文献4には、負極活物質がSiOであるリチウムイオン二次電池が記載されている。 As a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, a negative electrode active material containing Si having a high lithium ion storage capacity is known. For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 describe a lithium ion secondary battery in which the negative electrode active material is silicon. Patent Document 3 and Patent Document 4 describe lithium ion secondary batteries in which the negative electrode active material is SiO.
リチウムイオン二次電池の電池性能の更なる向上を目的として、Siを含有する新たな負極活物質の探索が進められている。Siを含有する新たな負極活物質として、特許文献5には、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料が開示されるとともに、当該シリコン材料がリチウムイオン二次電池の負極活物質として使用可能であることが記載されている。 In order to further improve the battery performance of lithium ion secondary batteries, search for new Si-containing negative electrode active materials is in progress. Patent Document 5 discloses a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are stacked in the thickness direction as a new negative electrode active material containing Si, and the silicon material is a lithium ion. It is described that it can be used as a negative electrode active material of a secondary battery.
ところで近年では、より電池性能に優れるリチウムイオン二次電池が要求されるようになっている。リチウムイオン二次電池用の負極活物質についても、リチウムイオン二次電池の電池性能の向上に寄与すべく、各種の機能の向上が望まれている。特許文献5に開示されているシリコン材料についても同様に、更なる機能の向上が望まれている。 By the way, in recent years, the lithium ion secondary battery which is more excellent in battery performance is required. Also for the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, improvement of various functions is desired to contribute to improvement of battery performance of lithium ion secondary batteries. Similarly to the silicon material disclosed in Patent Document 5, further improvement in function is desired.
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、シリコン材料を含有する負極材料について機能の更なる向上を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to further improve the function of a negative electrode material containing a silicon material.
上記の事情に鑑み、本発明の発明者は、負極材料としてのシリコン材料の機能向上を図るために、シリコン材料を異材によりコートするという着想を得た。更に、シリコン材料を様々な材料かつ様々な方法で実際にコートして負極材料を製造するとともに、当該負極材料の性能を評価する試験を重ねた結果、シリコン材料の各種の機能を向上させ得るコートを見出すとともに特定の方法でシリコン材料をコートすることによってシリコン材料の機能の更なる向上を図り得ることを見出し、本発明を完成した。 In view of the above-mentioned circumstances, the inventor of the present invention has obtained an idea of coating a silicon material with a different material in order to improve the function of the silicon material as the negative electrode material. Furthermore, a silicon material is coated with various materials and various methods to manufacture a negative electrode material, and as a result of repeated tests to evaluate the performance of the negative electrode material, a coat capable of improving various functions of the silicon material The present invention has been accomplished by finding that by further coating the silicon material in a specific manner, the function of the silicon material can be further improved.
すなわち、本発明の負極材料の製造方法は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料の粒子を、蟻酸銅、酢酸ニッケル、蟻酸ニッケル、又は蟻酸鉛から選ばれる少なくとも1種の金属塩と溶剤とを含む金属塩溶液に接触させ、前記金属塩の分解温度以上の温度に加熱する、前記シリコン材料の粒子上に金属粒が存在する負極材料の製造方法である。 That is, according to the method for producing a negative electrode material of the present invention, particles of a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are stacked in the thickness direction are made of copper formate, nickel acetate, nickel formate or lead formate. A method for producing a negative electrode material, wherein metal particles exist on particles of the silicon material, which is brought into contact with a metal salt solution containing at least one selected metal salt and a solvent, and heated to a temperature above the decomposition temperature of the metal salt. It is.
本発明の負極材料の製造方法によると、シリコン材料を含有する負極材料の機能の向上を図り得る。 According to the method for manufacturing a negative electrode material of the present invention, the function of the negative electrode material containing a silicon material can be improved.
本発明の発明者が鋭意検討したところ、シリコン材料を含む負極材料では、以下の点において、機能の更なる向上を図る必要があると考えられた。
先ず、シリコン材料は、理論容量が高い反面、黒鉛等に比べて導電性に劣る問題がある。
また、シリコン材料は充放電時の膨張収縮量が比較的大きい材料であるため、充放電に伴う膨張収縮を繰り返すと、例えばシリコン材料の割れ等、シリコン材料の疲労が推測される。
The inventors of the present invention conducted intensive studies, and it was considered that it is necessary to further improve the function of the negative electrode material containing a silicon material in the following points.
First, while silicon materials have high theoretical capacity, they have a problem that they are inferior in conductivity to graphite and the like.
Further, since the silicon material is a material having a relatively large amount of expansion and contraction at the time of charge and discharge, fatigue of the silicon material, such as cracking of the silicon material, is estimated when the expansion and contraction associated with the charge and discharge are repeated.
例えば、シリコン材料を金属コートすることで、導電性に優れた負極材料が得られると考えられる。負極材料の耐久性向上に着目すると、シリコン材料を金属コートで覆い、シリコン材料を物理的に補強することは、当該疲労を抑制する上でも有利だと考えられる。 For example, by metal-coating a silicon material, it is considered that a negative electrode material having excellent conductivity can be obtained. Focusing on the improvement of the durability of the negative electrode material, covering the silicon material with a metal coat and physically reinforcing the silicon material is considered to be advantageous also in suppressing the fatigue.
しかし乍ら、例えば金属コートによってシリコン材料を隈無く覆うと、当該金属コートがリチウムイオンの移動を阻害すると予想される。また、この場合にはシリコン材料に対する金属コートの量が過大となり、リチウムイオン二次電池の容量が低下する可能性がある。 However, if the silicon material is covered thoroughly with, for example, a metal coating, it is expected that the metal coating inhibits lithium ion migration. Further, in this case, the amount of the metal coating to the silicon material may be excessive, and the capacity of the lithium ion secondary battery may be reduced.
本発明の発明者は、当該問題を解決すべく、膜状の金属コートではなく、金属粒をシリコン材料の粒子上に形成することを志向した。そして発明者は、様々な方法で金属コートを形成したシリコン材料を実際に製造し、上記した本発明の負極材料の製造方法に到達した。本発明の負極材料の製造方法によると、シリコン材料の粒子上に金属粒が存在する負極材料を製造し得る。当該負極材料においては、シリコン材料の粒子上に存在する金属粒によって、負極材料に優れた導電性が付与され、かつ、シリコン材料が補強される。つまり、本発明の負極材料の製造方法によると、シリコン材料を含有する負極材料であって、機能の向上したものが得られる。 In order to solve the problem, the inventor of the present invention intended to form metal particles on particles of a silicon material rather than a film-like metal coat. And the inventor actually manufactured the silicon material which formed the metal coat by various methods, and reached the manufacturing method of the negative electrode material of the above-mentioned this invention mentioned above. According to the method for producing a negative electrode material of the present invention, it is possible to produce a negative electrode material in which metal particles are present on particles of a silicon material. In the negative electrode material, metal particles present on the particles of the silicon material impart excellent conductivity to the negative electrode material, and the silicon material is reinforced. That is, according to the method for producing a negative electrode material of the present invention, a negative electrode material containing a silicon material and having improved function can be obtained.
以下、必要に応じて、本発明の負極材料の製造方法を、本発明の製造方法というか、又は、単に製造方法という。また、本発明の負極材料の製造方法で得られた負極材料を、本発明の負極材料というか、又は、単に負極材料という。 Hereinafter, as necessary, the method for producing the negative electrode material of the present invention will be referred to as the production method of the present invention, or simply as the production method. Moreover, the negative electrode material obtained by the method for producing a negative electrode material of the present invention is referred to as the negative electrode material of the present invention, or simply referred to as the negative electrode material.
本発明の負極材料は、特許文献5に開示されているシリコン材料の粒子上に金属粒が存在するものである。本発明の負極材料は、特許文献5に開示されているシリコン材料を、銅、ニッケル、鉛から選ばれる少なくとも1種で粒状にコートした負極材料、と言い換えることも可能である。 In the negative electrode material of the present invention, metal particles are present on particles of a silicon material disclosed in Patent Document 5. The negative electrode material of the present invention can also be rephrased as a negative electrode material in which the silicon material disclosed in Patent Document 5 is coated in a granular form with at least one selected from copper, nickel, and lead.
本発明の負極材料の製造方法では、蟻酸銅、酢酸ニッケル、蟻酸ニッケル、又は蟻酸鉛から選ばれる少なくとも1種の金属塩と溶剤とを含む金属塩溶液にシリコン材料を接触させ、当該金属塩の分解温度以上の温度に加熱する。蟻酸銅、酢酸ニッケル、蟻酸ニッケル、又は蟻酸鉛から選ばれる少なくとも1種の金属塩を用いて上記工程を行うと、シリコン材料の粒子上において、シリサイドや金属酸化物でなく金属が粒状に生成する。 In the method for producing a negative electrode material of the present invention, a silicon material is brought into contact with a metal salt solution containing at least one metal salt selected from copper formate, nickel acetate, nickel formate or lead formate and a solvent, Heat to a temperature above the decomposition temperature. When the above process is performed using at least one metal salt selected from copper formate, nickel acetate, nickel formate, or lead formate, metal is formed in the form of particles, not silicides or metal oxides, on particles of silicon material. .
加熱時において、金属塩溶液は液状でシリコン材料に接触しても良いし、或いは、金属塩溶液から生じた金属塩が固体状でシリコン材料と接触しても良い。後述するように加熱前に粒子形成工程を行う場合、金属塩の一部は加熱時において既に金属となっていても良い。本発明の負極材料の製造方法によると、金属塩がその分解温度以上に加熱されて、銅、鉛、ニッケルから選ばれる少なくとも1種の金属を含む金属粒が、シリコン材料の表面に生じる。 At the time of heating, the metal salt solution may be in liquid state and in contact with the silicon material, or the metal salt generated from the metal salt solution may be in solid state and in contact with the silicon material. When the particle forming step is performed before heating as described later, part of the metal salt may be already metal at the time of heating. According to the method for producing the negative electrode material of the present invention, the metal salt is heated to a temperature above its decomposition temperature, and metal particles containing at least one metal selected from copper, lead and nickel are formed on the surface of the silicon material.
本発明の負極材料における金属粒によるシリコン材料の被覆の度合いに下限は特に無く、負極材料に少しでも金属粒が存在すれば(つまり金属が存在すれば)、上記した導電性向上等の本発明の効果が得られる。金属粒によるシリコン材料の被覆の度合いは、負極材料における金属粒の含有量で表すことが可能であり、本発明の負極材料における金属の含有量は0質量%を超えれば良い。但し、当該金属の含有量にあえて下限を設定するとすれば、当該金属の含有量は10質量%以上であるのが好ましく、15質量%以上であるのがより好ましく、20質量%以上であるのが更に好ましく、25質量%以上であるのがなお好ましい。本発明の負極材料においては、金属の含有量の上限も又特に限定しないが、あえていえば、負極材料における金属の含有量は50質量%以下であるのが好ましい。なお、金属の含有量の測定には、ICP発光分析、ICP質量分析、エネルギー分散型X線分析(EDX)等の既知の方法を用いれば良い。 The lower limit is not particularly set for the degree of coating of the silicon material with metal particles in the negative electrode material of the present invention, and if metal particles are present in the negative electrode material even a little (that is, metal is present), the present invention The effect of The degree of coating of the silicon material with metal particles can be represented by the content of metal particles in the negative electrode material, and the content of metal in the negative electrode material of the present invention may be more than 0% by mass. However, if the lower limit is set to the content of the metal, the content of the metal is preferably 10% by mass or more, more preferably 15% by mass or more, and 20% by mass or more Is more preferable, and 25% by mass or more is more preferable. In the negative electrode material of the present invention, the upper limit of the content of the metal is also not particularly limited. However, if desired, the content of the metal in the negative electrode material is preferably 50% by mass or less. In addition, what is necessary is just to use known methods, such as ICP emission analysis, ICP mass spectrometry, energy dispersive X ray analysis (EDX), for measurement of metal content.
したがって、本発明の負極材料の製造方法における金属塩溶液の金属含有量、及び、シリコン材料に対する金属の量もまた特に限定しない。しかし、金属塩溶液の濃度が過小になると、所望する量の金属をコートしようとした際に、シリコン材料に対する金属塩溶液の量が過大になり、シリコン材料上に金属粒が形成されるだけでなく、金属塩のみ又は金属のみからなり電池反応に寄与しない不要な金属粒子が、負極材料とは別に生成するおそれがある。この点を考慮すると、金属塩溶液の金属含有量は、所定量以上であるのが好ましいと考えられる。具体的には、金属塩溶液の金属含有量として、1.0質量%以上、2.0質量%以上、3.0質量%以上を挙げることができる。
シリコン材料に対する金属の量は、シリコン材料の粒子及び金属塩溶液を含むスラリーにおける金属の量として捉えることもできる。以下、必要に応じて、上記したシリコン材料の粒子及び金属塩溶液を含むスラリーを、原料スラリーと呼ぶ。
Therefore, the metal content of the metal salt solution and the amount of metal to silicon material in the method for producing a negative electrode material of the present invention are also not particularly limited. However, if the concentration of the metal salt solution is too low, when trying to coat the desired amount of metal, the amount of metal salt solution to silicon material becomes too large, and only metal particles are formed on the silicon material. In addition, unnecessary metal particles that are made of only a metal salt or only a metal and do not contribute to the battery reaction may be generated separately from the negative electrode material. In consideration of this point, it is considered that the metal content of the metal salt solution is preferably a predetermined amount or more. Specifically, the metal content of the metal salt solution can be 1.0% by mass or more, 2.0% by mass or more, and 3.0% by mass or more.
The amount of metal to silicon material can also be taken as the amount of metal in a slurry comprising particles of silicon material and a metal salt solution. Hereinafter, the slurry containing the particles of the silicon material and the metal salt solution described above is referred to as a raw material slurry, as necessary.
本発明の負極材料の製造方法において、シリコン材料上に形成される金属粒の大きさもまた特に限定しないが、当該金属粒は小径であるのが好ましい。金属粒の好ましい大きさの範囲として、平均粒子径1〜100nm、2〜75nm、5〜50nmの範囲を挙げ得る。当該平均粒子径は、例えば、負極材料のSEM像から測定及び算出すれば良い。具体的には、SEM像上で任意に金属粒50個を抽出し、当該50個の金属粒につき、各々最大径を実測し、その実測値の平均を金属粒の平均粒子径とみなすことができる。 In the method for producing a negative electrode material of the present invention, the size of the metal particles formed on the silicon material is also not particularly limited, but the metal particles preferably have a small diameter. The range of the preferable particle size of the metal particles may include an average particle diameter of 1 to 100 nm, 2 to 75 nm, and 5 to 50 nm. The average particle size may be measured and calculated from, for example, an SEM image of the negative electrode material. Specifically, 50 metal particles are arbitrarily extracted on the SEM image, the maximum diameter is measured for each of the 50 metal particles, and the average of the measured values is regarded as the average particle diameter of the metal particles. it can.
金属塩溶液にシリコン材料を接触させる工程と、金属塩とシリコン材料とを金属塩の分解温度以上の温度に加熱する工程と、は同時に行っても良いし、別々に行っても良い。何れの場合にも、微細な金属粒をシリコン材料上に密に形成するためには、加熱時において、金属塩がシリコン材料上に乾燥状態かつ微細な粒子状で付着しているのが好ましい。つまり、金属塩は、シリコン材料上で乾燥又は半乾燥した状態で加熱に供されるのが好ましい。金属塩をこのような状態にするために、本発明の負極材料の製造方法は、「シリコン材料の粒子と金属塩溶液とを含むスラリーを噴霧乾燥させる工程」を有するのが好ましい。当該工程を粒子形成工程という。また、「金属塩とシリコン材料とを金属塩の分解温度以上の温度に加熱する工程」を加熱工程という。更に、当該粒子形成工程で得られたスラリーの噴霧乾燥品であって、加熱工程に供される前のものを、コート粒子という。本発明の負極材料の製造方法は、加熱工程を必須とし、更に粒子形成工程を有するのが好ましい。 The step of contacting the silicon material with the metal salt solution and the step of heating the metal salt and the silicon material to a temperature above the decomposition temperature of the metal salt may be performed simultaneously or separately. In any case, in order to form fine metal particles densely on the silicon material, it is preferable that the metal salt adheres to the silicon material in a dry state and in the form of fine particles during heating. That is, the metal salt is preferably subjected to heating in a dried or semi-dried state on a silicon material. In order to bring the metal salt into such a state, the method for producing the negative electrode material of the present invention preferably has a step of "spray-drying a slurry containing particles of silicon material and a metal salt solution". The said process is called particle | grain formation process. Also, "the step of heating the metal salt and the silicon material to a temperature above the decomposition temperature of the metal salt" is referred to as a heating step. Furthermore, a spray-dried product of the slurry obtained in the particle forming step, which has not been subjected to the heating step, is referred to as coated particles. The method for producing a negative electrode material of the present invention requires a heating step, and preferably further includes a particle forming step.
本発明の負極材料の製造方法において、粒子形成工程は一段階で行っても良いし、多段階で行っても良い。粒子形成工程を多段階で行う場合については、追って詳説する。 In the method for producing a negative electrode material of the present invention, the particle forming step may be performed in one step or in multiple steps. The case of carrying out the particle formation process in multiple steps will be described in detail later.
粒子形成工程は、如何なる装置を用いても良く、例えば既知の乾燥装置を用いることができる。ここでいう噴霧乾燥とは、気体の流動を利用して原料スラリーを小径の粒子状に飛散させつつ乾燥させることをいう。したがって粒子形成工程に使用し得る乾燥装置としては、噴霧機能と乾燥機能とを有するものを選択し得る。このような乾燥装置としては、例えば、所謂スプレードライ式乾燥装置を始めとし、気流乾燥装置、流動層乾燥装置等の種々の乾燥装置を挙げることができる。 The particle forming process may use any apparatus, for example, a known drying apparatus can be used. The spray drying as referred to herein means drying while scattering the raw material slurry in the form of small-diameter particles by utilizing the flow of gas. Therefore, as a drying apparatus that can be used in the particle formation process, one having a spray function and a drying function can be selected. As such a drying device, for example, various drying devices such as a so-called spray drying type drying device, a flash drying device, a fluidized bed drying device and the like can be mentioned.
加熱工程においては、原料スラリーをそのまま加熱しても良いし、粒子形成工程で得られたコート粒子を加熱しても良い。つまり、加熱工程は、粒子形成工程と同時に行っても良いし、粒子形成工程後に行っても良い。粒子形成工程を行わなくても良い。何れの場合にも、金属粒を生成するために、加熱工程における加熱温度は、金属塩の分解温度以上の温度とする。当該分解温度は、コート粒子に含まれる金属塩の一部のみが分解し得る温度ではなく、当該金属塩の全部が分解して金属となる温度をいう。加熱温度は一定温度であっても良いし変動しても良い。
なお、酢酸ニッケルの分解温度は約350℃、蟻酸鉛の分解温度は約320℃、蟻酸ニッケルの分解温度は約280℃、蟻酸銅の分解温度は約220℃である。
In the heating step, the raw material slurry may be heated as it is, or the coated particles obtained in the particle forming step may be heated. That is, the heating step may be performed simultaneously with the particle forming step, or may be performed after the particle forming step. The particle forming step may not be performed. In any case, in order to form metal particles, the heating temperature in the heating step is set to a temperature higher than the decomposition temperature of the metal salt. The decomposition temperature is not a temperature at which only a part of the metal salt contained in the coated particles can be decomposed, but a temperature at which all of the metal salt is decomposed to be a metal. The heating temperature may be constant or may vary.
The decomposition temperature of nickel acetate is about 350 ° C., the decomposition temperature of lead formate is about 320 ° C., the decomposition temperature of nickel formate is about 280 ° C., and the decomposition temperature of copper formate is about 220 ° C.
具体的な温度を挙げると、加熱工程における加熱温度は、金属の種類にもよるが、220℃〜700℃の範囲であるのが好ましく、300℃〜600℃の範囲であるのがより好ましく、400℃〜500℃の範囲であるのが更に好ましい。 When the specific temperature is mentioned, the heating temperature in the heating step is preferably in the range of 220 ° C. to 700 ° C., more preferably in the range of 300 ° C. to 600 ° C., although it depends on the type of metal. More preferably, it is in the range of 400 ° C to 500 ° C.
加熱工程だけでなく、粒子形成工程における乾燥に際しても、加熱を行うのが好ましい。乾燥時の温度すなわち乾燥温度は、一定であっても良いし、一定でなくても良い。例えば乾燥温度は、徐々に昇温しても良いし、又は徐々に降温しても良い。何れの場合にも、乾燥温度の最高温度は、所定の温度以上であるのが好ましい。原料スラリーを比較的高温で乾燥すること、つまり、原料スラリー中の金属塩溶液成分を迅速に乾燥させることは、本発明の製造方法において小径な粒子状の金属粒を生成する上で有用であると考えられる。 It is preferable to carry out heating not only in the heating step but also in drying in the particle formation step. The drying temperature, that is, the drying temperature may or may not be constant. For example, the drying temperature may be gradually raised or may be gradually lowered. In any case, the maximum drying temperature is preferably equal to or higher than a predetermined temperature. Drying the raw material slurry at a relatively high temperature, that is, rapidly drying the metal salt solution component in the raw material slurry, is useful for producing small-diameter particulate metal particles in the production method of the present invention. it is conceivable that.
乾燥温度の最高温度は、金属塩の分解温度以上の温度であるのが好ましい。後述する実施例においても実証されているように、こうすることで、微細な金属粒子を有する負極材料を得ることができる。なお、シリコン材料に作用する熱の総量を抑えて、シリコン材料の劣化を抑制する目的で、乾燥温度の最高温度を金属塩の分解温度以上の温度とする場合には、乾燥温度は一定でなく当該分解温度よりも低い温度を含むのが好ましい。 The maximum drying temperature is preferably a temperature above the decomposition temperature of the metal salt. As demonstrated in the examples described later, this makes it possible to obtain an anode material having fine metal particles. In the case where the maximum temperature of the drying temperature is set to a temperature higher than the decomposition temperature of the metal salt for the purpose of suppressing the total amount of heat acting on the silicon material and suppressing the deterioration of the silicon material, the drying temperature is not constant. It is preferable to include a temperature lower than the decomposition temperature.
具体的には、粒子形成工程における乾燥装置の最高温度は、200℃〜700℃の範囲であるのが好ましく、250℃〜700℃の範囲であるのがより好ましく、300℃〜650℃の範囲であるのが更に好ましい。粒子形成工程における乾燥装置の好ましい温度範囲として、更に、400℃〜650℃、500℃〜650℃、600℃〜650℃の範囲を挙げることができる。なお、乾燥装置の最高温度とは、例えばスプレードライ式乾燥装置の入口温度をいう。 Specifically, the maximum temperature of the drying device in the particle forming step is preferably in the range of 200 ° C. to 700 ° C., more preferably in the range of 250 ° C. to 700 ° C., and in the range of 300 ° C. to 650 ° C. Is more preferred. As a preferable temperature range of the drying apparatus in a particle | grain formation process, the range of 400 degreeC-650 degreeC, 500 degreeC-650 degreeC, and 600 degreeC-650 degreeC can be mentioned further. Here, the maximum temperature of the drying device means, for example, the inlet temperature of the spray drying type drying device.
粒子形成工程において、乾燥装置には原料スラリーの噴霧及び/又は乾燥のためにガスを供給する。ガスの種類は特に問わないが、原料スラリー及びコート粒子との反応性を考慮すると、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを選択するのが好ましい。乾燥装置におけるガス流量の範囲としては、5.0〜20.0リットル/分、7.5〜15.0リットル/分、7.5〜10.0リットル/分、9.0〜15リットル/分の範囲を挙げることができる。 In the particle forming step, the drying apparatus is supplied with a gas for spraying and / or drying the raw material slurry. Although the type of gas is not particularly limited, it is preferable to select an inert gas such as argon gas or nitrogen gas in consideration of the reactivity with the raw material slurry and the coated particles. The gas flow rate range in the drying apparatus is 5.0 to 20.0 liters / minute, 7.5 to 15.0 liters / minute, 7.5 to 10.0 liters / minute, and 9.0 to 15 liters / minute. A range of minutes can be mentioned.
原料スラリーに含まれるシリコン材料の粒子の詳細は後述する。 Details of the particles of the silicon material contained in the raw material slurry will be described later.
原料スラリーは、上記のシリコン材料及び金属塩と溶剤とを含有すれば良いが、それ以外にも、増粘剤等の添加剤を含み得る。シリコン材料、金属塩及び溶剤の合計に対する添加剤の配合量は、質量比で、100:0〜80:20の範囲内であるのが好ましく、100:0〜85:15の範囲内であるのがより好ましく、100:0〜90:10の範囲内であるのが更に好ましく、100:0〜95:5の範囲内であるのがなお好ましい。溶剤は、金属塩が溶解可能であれば良く、特に限定しないが、コスト及び取り扱いの簡便性からみて水であるのが好ましい。 The raw material slurry may contain the silicon material and the metal salt described above and a solvent, but may further contain an additive such as a thickener. The blending ratio of the additive to the total of the silicon material, the metal salt and the solvent is preferably in the range of 100: 0 to 80:20 by mass ratio, and is in the range of 100: 0 to 85:15. Is more preferably 100: 0 to 90:10, and still more preferably 100: 0 to 95: 5. The solvent is not particularly limited as long as the metal salt can be dissolved, but is preferably water in view of cost and ease of handling.
上記したコート粒子、及び、本発明の負極材料は、粒子状であれば良く、その大きさは特に限定しないが、負極を製造する際の取り扱い性等を考慮すると、例えば、負極材料の平均粒子径は1.5〜50.0μmであるのが好ましく、3.0〜10.0μmであるのがより好ましく、4.0〜8.5μmであるのが更に好ましい。コート粒子の平均粒子径の好ましい範囲も負極材料と同様である。なお、本明細書でいう平均粒子径とは、一般的なレーザー回折散乱式粒度分布測定装置で測定した場合のD50を意味する。 The above-described coated particles and the negative electrode material of the present invention may be in the form of particles, and the size thereof is not particularly limited. However, in consideration of handleability and the like at the time of producing the negative electrode, for example, The diameter is preferably 1.5 to 50.0 μm, more preferably 3.0 to 10.0 μm, and still more preferably 4.0 to 8.5 μm. The preferable range of the average particle diameter of the coated particles is also the same as that of the negative electrode material. In addition, the average particle diameter as used in this specification means D50 at the time of measuring with a general laser diffraction scattering type particle size distribution measuring apparatus.
また、コート粒子の原料であるシリコン材料の粒子の平均粒子径は、コート粒子の平均粒子径よりも小さいのが好ましい。例えば、シリコン材料の粒子の平均粒子径は、0.6〜30μmであるのが好ましく、1〜20μmであるのがより好ましく、2〜10μmであるのがさらに好ましく、3〜8μmの範囲内が特に好ましい。 In addition, it is preferable that the average particle diameter of the particles of the silicon material which is the raw material of the coated particles is smaller than the average particle diameter of the coated particles. For example, the average particle diameter of the silicon material particles is preferably 0.6 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, still more preferably 2 to 10 μm, and more preferably 3 to 8 μm. Particularly preferred.
本発明の負極材料の製造方法は、加熱工程後の負極材料を更に炭素被覆する炭素被覆工程を具備しても良い。この場合、当該炭素被覆工程における加熱温度は500〜1000℃の範囲であるのが好ましく、600〜950℃の範囲であるのがより好ましく、700〜900℃の範囲であるのが特に好ましい。炭素被覆を好適に進行させ、かつ、シリコン材料に作用する熱量を抑制するためである。 The method for producing a negative electrode material of the present invention may further include a carbon coating step of further carbon-coating the negative electrode material after the heating step. In this case, the heating temperature in the carbon coating step is preferably in the range of 500 to 1000 ° C., more preferably in the range of 600 to 950 ° C., and particularly preferably in the range of 700 to 900 ° C. The purpose is to promote the carbon coating suitably and to suppress the amount of heat acting on the silicon material.
本発明の負極材料の製造方法において、粒子形成工程は一段階で行っても良いし、多段階で行っても良いが、シリコン材料上に均一に金属粒を形成するためには、粒子形成工程は多段階で行うのが好ましい。 In the method for producing a negative electrode material of the present invention, the particle forming step may be performed in one step or in multiple steps, but in order to form metal particles uniformly on a silicon material, the particle forming step Is preferably performed in multiple steps.
以下、1段階目の粒子形成工程をコート工程と呼び、2段階目以降の粒子形成工程を再コート工程と呼ぶ。再コート工程もまた多段階で行っても良い。
粒子形成工程は、コート工程と再コート工程とを包括する。コート粒子は、コート工程後の粒子をいい、コート工程のみを経たものと、コート工程後に再コート工程を経たものとを包括する。
Hereinafter, the particle formation process of the first step is referred to as a coating process, and the particle formation process of the second and subsequent steps is referred to as a recoating process. The recoating step may also be performed in multiple steps.
The particle formation process comprises a coating process and a recoating process. The coated particles refer to particles after the coating process, and include particles after the coating process and those after the coating process and the recoating process.
コート工程においては、シリコン材料の粒子と金属塩溶液とを含む原料スラリーを噴霧乾燥させ、コート粒子を形成する。再コート工程を複数回行う場合、初回の再コート工程においては、コート工程で得たコート粒子と、金属塩溶液とを含む原料スラリーを噴霧乾燥させ、再コートしたコート粒子を得る。2回目の再コート工程においては、初回の再コート工程で得たコート粒子と、金属塩溶液とを含む原料スラリーを噴霧乾燥させ、2度の再コートを行ったコート粒子を得る。
コート工程を第1コート工程、初回の再コート工程を第2コート工程、2回目の再コート工程を第3コート工程、i回目の再コート工程を第(i+1)コート工程、i回目の再コート工程を経たコート粒子を第(i+1)コート粒子とすると、コート工程及び再コート工程を有する粒子形成工程は、数1式のように表現することも可能である。
In the coating step, a raw material slurry containing particles of a silicon material and a metal salt solution is spray-dried to form coated particles. When the recoating step is performed multiple times, in the first recoating step, the raw material slurry containing the coated particles obtained in the coating step and the metal salt solution is spray-dried to obtain recoated coated particles. In the second recoating step, the raw material slurry containing the coated particles obtained in the first recoating step and the metal salt solution is spray-dried to obtain coated particles which have been recoated twice.
The first coating step, the first recoating step, the second coating step, the second recoating step, the third coating step, the i th recoating step, the (i + 1) th coating step, the i th recoating step Assuming that the coated particles having undergone the process are the (i + 1) -coated particles, the particle forming process having the coating process and the recoating process can also be expressed as Formula 1.
粒子形成工程をコート工程及び再コート工程を有する多段階で行う場合、コート工程又は再コート工程一回あたりにシリコン材料にコートする金属量を低減できるために、原料スラリー中のシリコン材料の含有量を多くすることが可能である。このため、この場合にはシリコン材料上に金属粒を均一に形成することが可能になると考えられる。粒子形成工程は、多段階、かつ、シリコン材料に対する溶剤の量を少なくしつつ行うのがより好ましい。 When the particle forming process is performed in multiple steps including a coating process and a recoating process, the content of the silicon material in the raw material slurry can be reduced because the amount of metal coated on the silicon material can be reduced per coating process or recoating process. It is possible to Therefore, in this case, it is considered possible to form metal particles uniformly on the silicon material. More preferably, the particle formation process is performed in multiple stages and with a reduced amount of solvent to silicon material.
粒子形成工程を多段階、かつ、シリコン材料に対する金属塩溶液の量を少なくしつつ行う場合、金属塩溶液の金属含有量は、1.0質量%以上であるのが好ましく、2.0質量%以上であるのがより好ましく、3.0質量%以上であるのが更に好ましい。又、この場合、原料スラリーにおけるシリコン材料と溶剤との比率は、質量比で、50:100〜150:100の範囲であるのが好ましく、75:100〜125:100の範囲であるのがより好ましく、90:100〜110:100の範囲であるのが更に好ましい。なお、ここに挙げた金属塩溶液の金属含有量、及び、原料スラリーにおけるシリコン材料と溶剤との比率は、コート工程(つまり第1コート工程)及び再コート工程(つまり第iコート工程、i≧2)に共通する。 When the particle formation process is performed in multiple steps and while reducing the amount of metal salt solution to silicon material, the metal content of the metal salt solution is preferably 1.0% by mass or more, and 2.0% by mass It is more preferable that it is the above, and it is still more preferable that it is 3.0 mass% or more. In this case, the ratio of the silicon material to the solvent in the raw material slurry is preferably in the range of 50: 100 to 150: 100 in mass ratio, and more preferably in the range of 75: 100 to 125: 100. Preferably, the range of 90: 100 to 110: 100 is more preferable. The metal content of the metal salt solution mentioned here and the ratio of the silicon material to the solvent in the raw material slurry are the coating step (that is, the first coating step) and the recoating step (that is, the i-th coating step, i ≧) Common to 2).
微細な金属粒を密に形成するためには、nは3以上であるのが好ましく、5以上であるのがより好ましく、8以上であるのが更に好ましく、10以上であるのがなお好ましい。nの上限は特に限定しないが、強いていえば、50以下、30以下、25以下の範囲を挙げることができる。 In order to form fine metal particles densely, n is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, still more preferably 8 or more, and still more preferably 10 or more. The upper limit of n is not particularly limited, but if it is strong, the range of 50 or less, 30 or less, 25 or less can be mentioned.
本発明の負極材料の製造方法が、コート工程及び再コート工程を有する場合、加熱工程は、コート工程及び再コート工程と同時に行っても良いし、コート工程と全ての再コート工程が終了した後に行っても良いし、コート工程の後及び各々の再コート工程後に毎回行っても良いし、或いは、複数回のコート工程及び/又は再コート工程後に一度ずつ合計2回以上行っても良い。何れの場合にも、好適な乾燥温度及び加熱温度は既述のとおりである。 When the method for producing the negative electrode material of the present invention has a coating step and a recoating step, the heating step may be performed simultaneously with the coating step and the recoating step, or after the coating step and all the recoating steps are completed. It may be performed, may be performed after the coating step and every time after each recoating step, or may be performed twice or more in total after one or more coating steps and / or recoating steps. In any case, suitable drying and heating temperatures are as described above.
以下、シリコン材料の詳細を説明する。
既述したように、シリコン材料は、特許文献5に開示されているシリコン材料である。シリコン材料は、例えば、CaSi2と酸とを反応させて、ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造できる。
The details of the silicon material will be described below.
As described above, the silicon material is the silicon material disclosed in Patent Document 5. The silicon material is, for example, a step of reacting CaSi 2 with an acid to synthesize a layered silicon compound mainly composed of polysilane, and further, a step of heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher to release hydrogen. It can be manufactured through.
特許文献5に記載のシリコン材料の製造方法を、酸としては塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi2+6HCl → Si6H6+3CaCl2
Si6H6 → 6Si+3H2↑
It can be as follows when the manufacturing method of the silicon material of patent document 5 is shown with an ideal reaction formula at the time of using hydrogen chloride as an acid.
3CaSi 2 +6 HCl → Si 6 H 6 +3 CaCl 2
Si 6 H 6 → 6Si + 3H 2 ↑
ただし、ポリシランであるSi6H6を合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Si6H6は水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がSi6H6のみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はSi6Hs(OH)tXu(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、s+t+u=6、0<s<6、0<t<6、0<u<6)で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るCaなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。 However, in the upper reaction for synthesizing Si 6 H 6 which is polysilane, water is generally used as a reaction solvent from the viewpoint of removal of by-products and impurities. And, since Si 6 H 6 can react with water, in the process of synthesizing the layered silicon compound including the reaction in the upper stage, the layered silicon compound is hardly produced as one containing only Si 6 H 6 , and the layered silicon compound is layered The silicon compound is represented by Si 6 H s (OH) t X u (X is an element or group derived from the anion of an acid, s + t + u = 6, 0 <s <6, 0 <t <6, 0 <u <6) Manufactured as In the above chemical formula, unavoidable impurities such as remaining Ca are not taken into consideration. And the silicon material obtained by heating the said layered silicon compound also contains the element derived from the anion of oxygen or an acid.
シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオン等の電荷担体の効率的な挿入及び脱離反応のためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長手方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のCaSi2におけるSi層の名残りであると考えられる。 The silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are stacked in the thickness direction. The plate-like silicon body preferably has a thickness in the range of 10 nm to 100 nm, and more preferably in the range of 20 nm to 50 nm for efficient insertion and desorption reaction of charge carriers such as lithium ions. . The length in the longitudinal direction of the plate-like silicon body is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm. The plate-like silicon body preferably has a (longitudinal length) / (thickness) in the range of 2 to 1000. The layered structure of the plate-like silicon body can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. Moreover, this laminated structure is considered to be a remnant of the Si layer in the raw material CaSi 2 .
シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定を行い、得られたX線回折チャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。 The silicon material preferably includes amorphous silicon and / or silicon crystallites. In particular, in the plate-like silicon body, it is preferable that amorphous silicon be a matrix and silicon crystallites be scattered in the matrix. The size of the silicon crystallite is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The size of the silicon crystallite is calculated from the Scheller equation using the half width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained X-ray diffraction chart by performing X-ray diffraction measurement on the silicon material. .
シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、350℃〜950℃の範囲内が好ましく、400℃〜900℃の範囲内がより好ましい。 The amount and size of the plate-like silicon body, amorphous silicon and silicon crystallite contained in the silicon material mainly depend on the heating temperature and heating time. The heating temperature is preferably in the range of 350 ° C. to 950 ° C., and more preferably in the range of 400 ° C. to 900 ° C.
上記の方法で製造されたシリコン材料につき、平均粒子径が既述した好ましい範囲を超える場合には、当該シリコン材料を一般的な粉砕装置を用いて粉砕しても良い。つまり、本発明の負極材料の製造方法は、粉砕工程を有し得る。また、より均一な粒子径のシリコン材料を得るため、当該粉砕工程は粉砕装置を変えて複数回行うのが好ましい。粉砕工程用の粉砕装置としてはジェットミル、ハンマーミル、ピンミル、転動ミル、振動ミル、遊星ミル、揺動ミル、水平ミル、ボールミル等の既知の粉砕装置を用いることができる。 With regard to the silicon material produced by the above method, when the average particle diameter exceeds the above-described preferred range, the silicon material may be pulverized using a general pulverizing apparatus. That is, the manufacturing method of the negative electrode material of this invention may have a grinding process. Further, in order to obtain a silicon material having a more uniform particle diameter, it is preferable to perform the grinding process a plurality of times by changing the grinding apparatus. As a pulverizing apparatus for the pulverizing process, known pulverizing apparatuses such as a jet mill, a hammer mill, a pin mill, a rolling mill, a vibrating mill, a planetary mill, a swinging mill, a horizontal mill, a ball mill and the like can be used.
本発明の負極材料は、リチウムイオン二次電池用の負極に使用することができる。以下、必要に応じて、本発明の負極材料を具備するリチウムイオン二次電池を本発明のリチウムイオン二次電池と呼ぶ。また、必要に応じて、負極と正極とを包括して電極と呼び、負極活物質と正極活物質とを包括して活物質と呼び、負極活物質層と正極活物質層とを包括して活物質層と呼ぶ。 The negative electrode material of the present invention can be used as a negative electrode for a lithium ion secondary battery. Hereinafter, the lithium ion secondary battery provided with the negative electrode material of the present invention is referred to as the lithium ion secondary battery of the present invention, as needed. In addition, if necessary, the negative electrode and the positive electrode are collectively referred to as an electrode, the negative electrode active material and the positive electrode active material are collectively referred to as an active material, and the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer are included. It is called an active material layer.
本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の負極材料を含む負極、正極、電解液及び必要に応じてセパレータを具備する。このうち負極は、集電体と、当該集電体上に形成された負極活物質層とを有する。
負極活物質層は、本発明の負極材料、及び、必要に応じて、結着剤、導電助剤、分散剤及び増粘剤に代表される各種の添加剤を含み得る。また、負極活物質層は、本発明の負極材料以外にも、リチウムイオン二次電池用の負極活物質を含んでも良い。
The lithium ion secondary battery of the present invention comprises a negative electrode containing the negative electrode material of the present invention, a positive electrode, an electrolytic solution and, if necessary, a separator. Among these, the negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector.
The negative electrode active material layer may contain the negative electrode material of the present invention and, if necessary, various additives typified by a binder, a conductive auxiliary, a dispersant and a thickener. Further, the negative electrode active material layer may contain a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery in addition to the negative electrode material of the present invention.
本発明の負極材料以外の負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能である単体、合金又は化合物であれば特に限定はない。たとえば、負極活物質としてLiや、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫などの14族元素、アルミニウム、インジウムなどの13族元素、亜鉛、カドミウムなどの12族元素、アンチモン、ビスマスなどの15族元素、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属、銀、金などの11族元素をそれぞれ単体で採用すればよい。合金又は化合物の具体例としては、Ag−Sn合金、Cu−Sn合金、Co−Sn合金等の錫系材料、各種黒鉛などの炭素系材料、ケイ素単体と二酸化ケイ素に不均化するSiOx(0.3≦x≦1.6)などのケイ素系材料、ケイ素単体若しくはケイ素系材料と炭素系材料を組み合わせた複合体が挙げられる。また、負極活物質して、Nb2O5、TiO2、Li4Ti5O12、WO2、MoO2、Fe2O3等の酸化物、又は、Li3−xMxN(M=Co、Ni、Cu)で表される窒化物を採用しても良い。負極活物質として、これらのものの一種以上を使用することができる。 The negative electrode active material other than the negative electrode material of the present invention is not particularly limited as long as it is a single body, an alloy or a compound capable of inserting and extracting lithium ions. For example, Li as a negative electrode active material, a Group 14 element such as carbon, silicon, germanium, tin, a Group 13 element such as aluminum or indium, a Group 12 element such as zinc or cadmium, a Group 15 element such as antimony or bismuth, magnesium And alkaline earth metals such as calcium, and Group 11 elements such as silver and gold may be used alone. Specific examples of the alloy or compound include tin-based materials such as Ag-Sn alloys, Cu-Sn alloys, Co-Sn alloys, carbon-based materials such as various types of graphite, and SiO x (disproportionate into silicon alone and silicon dioxide) Examples thereof include silicon-based materials such as 0.3 ≦ x ≦ 1.6), a simple substance of silicon, or a composite obtained by combining a silicon-based material and a carbon-based material. In addition, as the negative electrode active material, oxides such as Nb 2 O 5 , TiO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , WO 2 , MoO 2 , Fe 2 O 3 or Li 3-x M x N (M = A nitride represented by Co, Ni, Cu) may be employed. One or more of these can be used as the negative electrode active material.
負極活物質層は、負極活物質の他に、必要に応じて、導電助剤、結着剤、分散剤等の添加剤を適宜適切な量で含有し得る。なお、正極活物質層もまた同様に、後述する正極活物質の他に、これらの添加剤を適宜適切な量で含有し得るため、以下の項では負極活物質層及び正極活物質層を包括して説明する。以下、必要に応じて、負極及び正極を包括して電極といい、負極活物質及び正極活物質を包括して活物質といい、負極活物質層及び正極活物質層を包括して活物質層という。 The negative electrode active material layer may contain, in addition to the negative electrode active material, if necessary, additives such as a conductive aid, a binder, and a dispersant in an appropriate amount. In addition, since the positive electrode active material layer can also contain these additives in an appropriate amount in addition to the positive electrode active material described later, the following section includes the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer. To explain. Hereinafter, as necessary, the negative electrode and the positive electrode are collectively referred to as an electrode, the negative electrode active material and the positive electrode active material are collectively referred to as an active material, and the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer are collectively included It is said.
導電助剤は、電極の導電性を高めるために、必要に応じて活物質層に添加される。導電助剤は化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、及び各種金属粒子等が例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック等が例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。 A conductive aid is added to the active material layer as needed to enhance the conductivity of the electrode. The conductive support agent may be any chemically active high electron conductor, and carbon black fine particles such as carbon black, graphite, vapor grown carbon fiber (vapor grown carbon fiber), and various metal particles are exemplified. . Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black (registered trademark), furnace black, channel black and the like. These conductive assistants can be added to the active material layer singly or in combination of two or more.
結着剤は、活物質等を集電体の表面に繋ぎ止める役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂を例示することができる。また、結着剤として、親水基を有するポリマーを採用してもよい。親水基を有するポリマーの親水基としては、カルボキシル基、スルホ基、シラノール基、アミノ基、水酸基、リン酸基が例示される。親水基を有するポリマーの具体例として、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリメタクリル酸、ポリ(p−スチレンスルホン酸)を挙げることができる。 The binding agent plays a role of fixing the active material and the like to the surface of the current collector. Examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, and alkoxysilyl group-containing resins. be able to. Moreover, you may employ | adopt the polymer which has a hydrophilic group as a binding agent. As a hydrophilic group of the polymer which has a hydrophilic group, a carboxyl group, a sulfo group, a silanol group, an amino group, a hydroxyl group, and a phosphoric acid group are illustrated. Specific examples of the polymer having a hydrophilic group include polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, polymethacrylic acid and poly (p-styrenesulfonic acid).
なお、負極用の結着剤として、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。 In addition, as a binder for the negative electrode, a binder is disclosed in WO 2016/063882, which is a crosslinked polymer obtained by crosslinking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine. It may be used as
架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o−トリジン、2,4−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。
導電助剤及び結着剤以外の分散剤などの添加剤は、公知のものを採用することができる。
Examples of the diamine used for the cross-linked polymer include alkylene diamines such as ethylene diamine, propylene diamine and hexamethylene diamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophorone diamine, bis (4-aminocyclohexyl) methane and the like. Saturated carbocyclic ring diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenylether, bis (4-aminophenyl) sulfone, benzidine, o-tolidine, 2,4- Aromatic diamines such as tolylene diamine, 2,6-tolylene diamine, xylylene diamine and naphthalene diamine can be mentioned.
Well-known additives can be adopted as additives such as a dispersing agent other than the conductive aid and the binder.
集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。 The current collector refers to a chemically inactive electron conductor for keeping current flowing to the electrode during discharge or charge of the lithium ion secondary battery. As the current collector, at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, magnesium, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel Etc. can be exemplified.
集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。
また、集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。
The current collector may be coated with a known protective layer. What processed the surface of a collector by a well-known method may be used as a collector.
Further, the current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh or the like. Therefore, as the current collector, for example, metal foils such as copper foil, nickel foil, aluminum foil, and stainless steel foil can be suitably used.
集電体の表面に活物質層を形成するには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を有する電極合材を塗布すればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を混合してスラリー状の電極合材とし、当該スラリー状の電極合材を集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。 In order to form an active material layer on the surface of a current collector, current collection can be performed using conventionally known methods such as roll coating, die coating, dip coating, doctor blade method, spray coating, curtain coating and the like. An electrode mixture having an active material may be applied to the surface of the body. Specifically, the active material, the solvent, and, if necessary, the binder and the conductive auxiliary agent are mixed to form a slurry-like electrode mixture, and the slurry-like electrode mixture is applied to the surface of the current collector. ,dry. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone and water. The dried one may be compressed to increase the electrode density.
本発明のリチウムイオン二次電池の正極に用いる正極活物質については特に限定されず、リチウムイオン二次電池用の一般的な正極活物質を使用し得る。
リチウムイオン二次電池用の一般的な正極活物質としては、層状岩塩構造の一般式:LiaNibCocMndDeOf(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはW、Mo、Re、Pd、Ba、Cr、B、Sb、Sr、Pb、Ga、Al、Nb、Mg、Ta、Ti、La、Zr、Cu、Ca、Ir、Hf、Rh、Fe、Ge、Zn、Ru、Sc、Sn、In、Y、Bi、S、Si、Na、K、P、Vから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)で表されるリチウム複合金属酸化物、Li2MnO3を挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn2O4等のスピネル構造の金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物と層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO4、LiMVO4又はLi2MSiO4(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePO4FなどのLiMPO4F(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBO3などのLiMBO3(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。
It does not specifically limit about the positive electrode active material used for the positive electrode of the lithium ion secondary battery of this invention, The general positive electrode active material for lithium ion secondary batteries can be used.
As a general positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a general formula of a layered rock salt structure: Li a Ni b Co c Mn d De O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1, 0 ≦ e <1, D is W, Mo, Re, Pd, Ba, Cr, B, Sb, Sr, Pb, Ga, Al, Nb, Mg, Ta, Ti, La, Zr, Cu, Ca, Ir, Hf, At least one element selected from Rh, Fe, Ge, Zn, Ru, Sc, Sn, In, Y, Bi, S, Si, Na, K, P, V, and represented by 1.7 ≦ f ≦ 3) And lithium mixed metal oxides, Li 2 MnO 3 . In addition, as a positive electrode active material, a metal oxide of spinel structure such as LiMn 2 O 4 , a solid solution composed of a mixture of a metal oxide of spinel structure and a layered compound, LiMPO 4 , LiMVO 4 or Li 2 MSiO 4 M is selected from at least one of Co, Ni, Mn, and Fe), and the like. Furthermore, as the positive electrode active material, tavorite compound (the M a transition metal) LiMPO 4 F, such as LiFePO 4 F represented by, Limbo 3 such LiFeBO 3 (M is a transition metal) include borate-based compound represented by be able to. Any metal oxide used as a positive electrode active material may have the above composition formula as a basic composition, and one obtained by replacing the metal element contained in the basic composition with another metal element can also be used.
本発明の負極材料を含む負極は正極及び必要に応じて既知のセパレータとともに電池容器に入れ、電解液を注入してリチウムイオン二次電池とすれば良い。 The negative electrode containing the negative electrode material of the present invention may be placed in a battery container together with a positive electrode and, if necessary, a known separator, and an electrolyte may be injected to form a lithium ion secondary battery.
電解液は、有機溶媒と当該有機溶媒に溶解されたリチウム塩とを含む。
有機溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類等が使用できる。環状エステル類としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状エステル類としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを例示できる。電解液には、これらの有機溶媒を単独で用いてもよいし、又は、複数を併用してもよい。
The electrolytic solution contains an organic solvent and a lithium salt dissolved in the organic solvent.
As the organic solvent, cyclic esters, chain esters, ethers and the like can be used. Examples of cyclic esters include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma butyrolactone, vinylene carbonate, 2-methyl-gamma butyrolactone, acetyl-gamma butyrolactone, and gamma valerolactone. Examples of the chain ester include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate, alkyl propionic acid ester, malonic acid dialkyl ester, acetic acid alkyl ester and the like. As the ethers, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane can be exemplified. For the electrolytic solution, these organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
リチウム塩としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2等を例示できる。 Examples of lithium salts include LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (FSO 2 ) 2 and the like.
電解液としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒に、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3などのリチウム塩を0.5mol/lから1.7mol/l程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。 As an electrolytic solution, 0.5 mol / l of lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 and the like in an organic solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate A solution dissolved at a concentration of about 1.7 mol / l can be exemplified.
以上、本発明の負極材料の製造方法及び本発明の負極材料について実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。また、実施形態及び以下の実施例を含む本明細書に示した各構成要素は、それぞれ任意に抽出し組み合わせて実施することができる。 The embodiments of the method for producing the negative electrode material of the present invention and the negative electrode material of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments and may be modified within the scope of the present invention. It can implement in the various form which made the change, improvement, etc. which a maker can make. Moreover, each component shown here including embodiment and the following example can each be extracted arbitrarily, and can be implemented in combination.
以下に実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、上記の実施形態及び下記の実施例によって限定されるものではない。 The present invention will be more specifically described below by way of examples. In addition, this invention is not limited by said embodiment and the following example.
<負極材料#1>
(実施例1)
(シリコン材料製造工程)
アルゴン雰囲気下、0℃とした濃度35重量%のHCl水溶液507gに、50gのCaSi2(Ca含有率38.9wt%)を加え、撹拌した。CaSi2とHClのモル比は1:10であった。反応液から発泡が無くなったのを確認した後、さらに同条件下、合計で3時間攪拌した。その後、反応液を室温まで昇温し、濾過を行った。濾過残渣を300mLの蒸留水で3回洗浄した後、300mLのエタノールで洗浄し、減圧乾燥し、O2を1体積%以下の量で含むアルゴン雰囲気下にて900℃で1時間加熱した。これをシリコン材料とした。
<Anode material # 1>
Example 1
(Silicon material manufacturing process)
Under argon atmosphere, 50 g of CaSi 2 (Ca content: 38.9 wt%) was added to 507 g of a 35 wt% aqueous HCl solution at 0 ° C. and stirred. The molar ratio of CaSi 2 to HCl was 1:10. After confirming that the reaction solution had ceased bubbling, the mixture was further stirred under the same conditions for a total of 3 hours. Thereafter, the reaction solution was warmed to room temperature and filtered. The filter residue was washed 3 times with 300 mL of distilled water, then with 300 mL of ethanol, dried under reduced pressure, and heated at 900 ° C. for 1 hour under an argon atmosphere containing 1 volume% or less of O 2 . This is a silicon material.
(粉砕工程)
上記のシリコン材料製造工程で得たシリコン材料をジェットミルNJ−30(株式会社アイシンナノテクノロジーズ)で粉砕した。ジェットミルによる粉砕後のシリコン材料の粒子の平均粒子径D50は4.335μmであった。なお、当該シリコン材料の粒子のD10は1.404μmであり、D90は9.508μmであった。
(Crushing process)
The silicon material obtained by the above-mentioned silicon material manufacturing process was crushed by jet mill NJ-30 (Aisin Nano Technologies Inc.). The average particle diameter D50 of the particles of the silicon material after grinding by a jet mill was 4.335 μm. In addition, D10 of the particle | grains of the said silicon material was 1.404 micrometers, D90 was 9.508 micrometers.
(粒子形成工程)
水、酢酸ニッケル、及び上記のシリコン材料の粒子を、質量比1224:216:30となるようにとり、原料スラリーを調製した。具体的には、水に酢酸ニッケルを溶解させた酢酸ニッケル水溶液に、シリコン材料の粒子を加え、この液状の混合物をスターラーにて攪拌することで、酢酸ニッケル水溶液にシリコン材料の粒子を分散させて、原料スラリーを得た。なお、酢酸ニッケルとしては、酢酸ニッケル四水和物を用いた。
(Particle formation process)
The raw material slurry was prepared by taking particles of water, nickel acetate, and the above silicon material so as to have a mass ratio of 1224: 216: 30. Specifically, particles of silicon material are added to an aqueous solution of nickel acetate in which nickel acetate is dissolved in water, and the liquid mixture is stirred by a stirrer to disperse the particles of silicon material in an aqueous solution of nickel acetate. The raw material slurry was obtained. In addition, nickel acetate tetrahydrate was used as nickel acetate.
得られた原料スラリーを、スプレードライ装置(藤崎電機株式会社製、MDL−015CM−H)を用いて噴霧乾燥した。気体としては窒素ガスを用いた。このときのスプレードライの条件は、入口温度600℃、スラリーの送液速度16ml/分、ノズルガス流量34L/分であった。以上の工程で、実施例1のコート粒子を得た。 The raw material slurry obtained was spray-dried using a spray drying apparatus (MDL- 015 CM-H manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.). Nitrogen gas was used as the gas. The spray drying conditions at this time were an inlet temperature of 600 ° C., a slurry feed rate of 16 ml / min, and a nozzle gas flow rate of 34 L / min. The coated particles of Example 1 were obtained through the above steps.
(加熱工程)
実施例1のコート粒子を、アルゴンガス雰囲気下、400℃で1時間加熱して、実施例1の負極材料を得た。なお、当該加熱工程における加熱温度400℃は、酢酸ニッケルの分解温度以上である。実施例1並びに後述する実施例2〜実施例5、及び比較例1の負極材料の製造方法の詳細を、後述する表1に示す。
(Heating process)
The coated particles of Example 1 were heated at 400 ° C. for one hour in an argon gas atmosphere to obtain a negative electrode material of Example 1. The heating temperature of 400 ° C. in the heating step is equal to or higher than the decomposition temperature of nickel acetate. The detail of the manufacturing method of the negative electrode material of Example 1 and Example 2-Example 5 mentioned later, and the comparative example 1 is shown in Table 1 mentioned later.
(実施例2)
金属塩として蟻酸銅四水和物を用いたこと、及び、原料スラリーにおける水、金属塩、及びシリコン材料の粒子の配合割合以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2の負極材料を得た。
実施例2の負極材料の製造方法において、原料スラリーにおける水、蟻酸銅四水和物、及びシリコン材料の粒子の配合割合は、質量比で、1320:180:30であった。
(Example 2)
Negative electrode material of Example 2 in the same manner as in Example 1 except that copper formate tetrahydrate was used as the metal salt, and the mixing ratio of water, metal salt, and particles of silicon material in the raw material slurry I got
In the method of manufacturing the negative electrode material of Example 2, the mixing ratio of water, copper formate tetrahydrate, and particles of silicon material in the raw material slurry was 1320: 180: 30 by mass ratio.
(実施例3)
スプレードライ装置として藤崎電機株式会社製、MDL−015(C)MGC(−S)を用いたこと、スプレードライの条件が入口温度200℃、ノズルガス流量26L/分であったこと、溶剤としてエタノールを用いたこと、及び、原料スラリーにおける溶剤、金属塩、及びシリコン材料の粒子の配合割合以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3の負極材料を得た。
実施例3の負極材料の製造方法において、原料スラリーにおけるエタノール、酢酸ニッケル四水和物、及びシリコン材料の粒子の配合割合は、質量比で、1360:240:50であった。
(Example 3)
The use of MDL-015 (C) MGC (-S) manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd. as a spray drying apparatus, that the spray drying conditions were an inlet temperature of 200 ° C., a nozzle gas flow rate of 26 L / min, and ethanol as a solvent A negative electrode material of Example 3 was obtained in the same manner as Example 1, except that the raw material slurry was used and the blending ratio of the solvent, metal salt and particles of silicon material in the raw material slurry.
In the method of manufacturing the negative electrode material of Example 3, the blending ratio of particles of ethanol, nickel acetate tetrahydrate, and silicon material in the raw material slurry was 1360: 240: 50 by mass.
(実施例4)
金属塩として蟻酸銅四水和物を用いたこと、溶剤として水を用いたこと、及び、原料スラリーにおける溶剤、金属塩、及びシリコン材料の粒子の配合割合以外は、実施例3と同様の方法で、実施例4の負極材料を得た。
実施例4の負極材料の製造方法において、原料スラリーにおける水、蟻酸銅四水和物、及びシリコン材料の粒子の配合割合は、質量比で、550:75:75であった。
(Example 4)
The same method as in Example 3 except that copper formate tetrahydrate was used as the metal salt, water was used as the solvent, and the blending ratio of the solvent, metal salt, and particles of the silicon material in the raw material slurry Thus, the negative electrode material of Example 4 was obtained.
In the method of manufacturing the negative electrode material of Example 4, the mixing ratio of water, copper formate tetrahydrate and particles of silicon material in the raw material slurry was 550: 75: 75 in mass ratio.
(実施例5)
原料スラリーにおける溶剤、金属塩、及びシリコン材料の粒子の配合割合以外は、実施例3と同様の方法で、実施例5の負極材料を得た。
実施例5の負極材料の製造方法において、原料スラリーにおけるエタノール、酢酸ニッケル四水和物、及びシリコン材料の粒子の配合割合は、質量比で、240:60:50であった。
(Example 5)
A negative electrode material of Example 5 was obtained in the same manner as in Example 3 except for the blend ratio of the solvent, metal salt, and particles of the silicon material in the raw material slurry.
In the method of manufacturing the negative electrode material of Example 5, the blending ratio of particles of ethanol, nickel acetate tetrahydrate, and silicon material in the raw material slurry was 240: 60: 50 by mass.
(比較例1)
粒子形成工程及び加熱工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1の負極材料を得た。言い換えると、比較例1の負極材料は、実施例1で用いたシリコン材料である。
(Comparative example 1)
A negative electrode material of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the particle forming step and the heating step were not performed. In other words, the negative electrode material of Comparative Example 1 is the silicon material used in Example 1.
(評価1−1)
実施例1及び実施例3の負極材料につき、SEM像を撮像した。実施例1の負極材料のSEM像を図1に示し、実施例3の負極材料のSEM像を図2に示す。
図1及び図2に示すように、実施例の負極材料はシリコン材料の粒子と、当該粒子上に形成されている小径の金属粒とで構成されている。また、図2に示すように実施例3の負極材料においては粗大な金属粒と微小な金属粒とが混在しているが、図1に示すように実施例1の負極材料においては微細な金属粒が密に形成されている。
(Evaluation 1-1)
SEM images of the negative electrode materials of Example 1 and Example 3 were taken. The SEM image of the negative electrode material of Example 1 is shown in FIG. 1, and the SEM image of the negative electrode material of Example 3 is shown in FIG.
As shown in FIG.1 and FIG.2, the negative electrode material of the Example is comprised by the particle | grains of a silicon material, and the small diameter metal particle currently formed on the said particle | grain. Further, as shown in FIG. 2, coarse metal particles and fine metal particles are mixed in the negative electrode material of Example 3, but as shown in FIG. 1, fine metal particles are obtained in the negative electrode material of Example 1. The grains are densely formed.
(評価1−2)
実施例1〜実施例3及び比較例1の負極材料につき、金属含有量及び粉体抵抗を測定した。金属含有量については、ニッケル含有量又は銅含有量をEDXにより測定した。粉体抵抗については、抵抗測定装置(三菱化学アナリテック製、商品名 MCP−PD51)を用いて測定した。なお、粉体抵抗を測定するための試料は、負極材料各々1gを、直径1cmの円筒管に入れ、荷重20kNで圧縮したものを用いた。金属含有量及び粉体抵抗の測定結果を表2に示す。
(Evaluation 1-2)
The metal content and the powder resistance of the negative electrode materials of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured. For metal content, nickel content or copper content was measured by EDX. The powder resistance was measured using a resistance measuring apparatus (Mitsubishi Chemical Analytech, trade name MCP-PD51). As a sample for measuring powder resistance, 1 g of each of the negative electrode materials was put in a cylindrical tube of 1 cm in diameter and compressed with a load of 20 kN. The measurement results of the metal content and the powder resistance are shown in Table 2.
表2に示すように、実施例1〜実施例3の負極材料の粉体抵抗は非常に低く、これらの負極材料は導電性に優れていた。この結果から、本発明の製造方法によると、粉体抵抗の低い負極材料を製造し得ることがわかる。また、実施例1の負極材料の粉体抵抗は実施例3の負極材料の粉体抵抗を大きく下回ることから、粒子形成工程におけるスプレードライの入口温度を600℃とする場合には、当該温度を200℃にする場合に比べて、粉体抵抗の低い導電性に優れる負極材料を製造できることがわかる。なお、当該入口温度600℃は、酢酸ニッケルの分解温度約350℃以上の温度である。 As shown in Table 2, the powder resistances of the negative electrode materials of Examples 1 to 3 were very low, and these negative electrode materials were excellent in conductivity. From this result, it is understood that according to the production method of the present invention, a negative electrode material with low powder resistance can be produced. In addition, since the powder resistance of the negative electrode material of Example 1 is much lower than the powder resistance of the negative electrode material of Example 3, when the inlet temperature of spray drying in the particle forming step is 600 ° C. It can be seen that a negative electrode material excellent in conductivity with low powder resistance can be manufactured as compared to the case of 200 ° C. The inlet temperature of 600 ° C. is a temperature at which the decomposition temperature of nickel acetate is about 350 ° C. or more.
表2に示される結果と評価1のSEM像とを勘案すると、粒子形成工程において高温でスラリーを噴霧乾燥することで、シリコン材料の表面に微細な金属粒が緻密に形成された負極材料が得られること、及び、当該微細かつ緻密な金属粒を有する負極材料は導電性に優れることが推測される。
なお表2に示すように、比較例1の負極材料、つまり、シリコン材料については抵抗が高過ぎて、粉体抵抗は検出不能であった。この結果から、実施例の製造方法によると、粉体抵抗が高く導電性に劣るシリコン材料を用いつつ、導電性に優れる負極材料を製造できることがわかる。
Considering the results shown in Table 2 and the SEM image of Evaluation 1, the negative electrode material in which fine metal particles are densely formed on the surface of the silicon material is obtained by spray-drying the slurry at a high temperature in the particle formation step. It is speculated that the negative electrode material having fine and fine metal particles is excellent in conductivity.
As shown in Table 2, the resistance was too high for the negative electrode material of Comparative Example 1, that is, the silicon material, and the powder resistance could not be detected. From this result, it is understood that according to the manufacturing method of the example, it is possible to manufacture a negative electrode material having excellent conductivity while using a silicon material having high powder resistance and poor conductivity.
実施例1の負極材料及び比較例1の負極材料をそれぞれ用いた、実施例1のリチウムイオン二次電池及び比較例1のリチウムイオン二次電池を以下のとおり製造した。 The lithium ion secondary battery of Example 1 and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 using the negative electrode material of Example 1 and the negative electrode material of Comparative Example 1 were manufactured as follows.
(実施例1)
負極活物質として実施例1の負極材料72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック13.5質量部、及び結着剤としてポリアクリル酸をジアミンで架橋した架橋ポリマー14質量部を混合して混合物とした。この混合物を適量のN−メチル−2−ピロリドンに分散させて、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を乾燥してN−メチル−2−ピロリドンを除去し、その後、銅箔をプレスし、接合物を得た。得られた接合物を真空乾燥機で加熱乾燥して、負極活物質層が形成された銅箔からなる負極を製造した。
Example 1
72.5 parts by mass of the negative electrode material of Example 1 as a negative electrode active material, 13.5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 14 parts by mass of a crosslinked polymer obtained by crosslinking polyacrylic acid with diamine as a binder It was a mixture. The mixture was dispersed in an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a slurry. A copper foil was prepared as a current collector for the negative electrode. The slurry was applied in the form of a film on the surface of the copper foil using a doctor blade. The copper foil to which the slurry was applied was dried to remove N-methyl-2-pyrrolidone, and then the copper foil was pressed to obtain a joint. The obtained bonded product was dried by heating with a vacuum dryer to produce a negative electrode made of copper foil on which a negative electrode active material layer was formed.
実施例1の負極を評価極として用い、リチウムイオン二次電池(ハーフセル)を製造した。対極は厚さ500μmの金属リチウム箔とした。
対極をφ14mm、評価極をφ11mmに裁断し、セパレータ(ヘキストセラニーズ社製ガラスフィルター及びCelgard社製「Celgard2400」)を両極の間に介装して電極体とした。この電極体を電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースに、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:1で混合した混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解した非水電解液を注入し、電池ケースを密閉して、実施例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
Using the negative electrode of Example 1 as an evaluation electrode, a lithium ion secondary battery (half cell) was manufactured. The counter electrode was a metal lithium foil having a thickness of 500 μm.
The counter electrode was cut into a diameter of 14 mm, and the evaluation electrode was cut into a diameter of 11 mm, and a separator (a glass filter manufactured by Hoechst Celanese and "Celgard 2400" manufactured by Celgard) was interposed between both electrodes to form an electrode body. This electrode body was accommodated in a battery case (CR2032 type coin battery member, manufactured by Takasen Co., Ltd.). A non-aqueous electrolytic solution in which LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 M in a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1 is injected into a battery case, and the battery case is closed. A lithium ion secondary battery was manufactured.
(比較例1)
実施例1の負極材料にかえて比較例1の負極材料、すなわち、シリコン材料を用いたこと以外は、実施例1のリチウムイオン二次電池と同様に、比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative example 1)
The lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 is the same as the lithium ion secondary battery of Example 1 except that the negative electrode material of Comparative Example 1, ie, the silicon material, is used instead of the negative electrode material of Example 1. Manufactured.
(評価1−3)
(サイクル試験)
実施例1及び比較例1のリチウムイオン二次電池につき、温度25℃、電流0.5mAで評価極の対極に対する電圧が0.01Vになるまで初期充電を行い、次いで温度25℃、電流0.2mAで評価極の対極に対する電圧が1Vになるまで初期放電を行った。
なお、評価1−3では、評価極にLiを吸蔵させることを充電といい、評価極からLiを放出させることを放電という。
(Evaluation 1-3)
(Cycle test)
The lithium ion secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1 were initially charged at a temperature of 25 ° C. and a current of 0.5 mA until the voltage with respect to the counter electrode of the evaluation electrode was 0.01 V. Initial discharge was performed at 2 mA until the voltage to the counter electrode of the evaluation electrode was 1 V.
In the evaluation 1-3, occluding Li in the evaluation electrode is referred to as charging, and releasing Li from the evaluation electrode is referred to as discharging.
次いで、各リチウムイオン二次電池につき、温度25℃の条件下、電流0.5mAで1Vまで放電し0.01Vまで充電を行う1V−0.01Vの充放電サイクルを50サイクル行った。50サイクル後の充放電後の各リチウムイオン二次電池につき、初期放電容量の測定と同様の条件で、放電容量を測定した。これらの放電容量をサイクル後放電容量とした。容量維持率(%)を以下の式で求めた。
容量維持率(%)=(サイクル後放電容量/初期放電容量)×100
Next, for each lithium ion secondary battery, 50 cycles of 1 V-0.01 V charge and discharge cycles were performed under the conditions of a temperature of 25 ° C., discharging to 1 V at a current of 0.5 mA and charging to 0.01 V. The discharge capacity of each lithium ion secondary battery after charge and discharge after 50 cycles was measured under the same conditions as the measurement of the initial discharge capacity. These discharge capacities were taken as post-cycle discharge capacities. The capacity retention rate (%) was determined by the following equation.
Capacity retention rate (%) = (cycle after-discharge capacity / initial discharge capacity) x 100
表3に示すように、50サイクル後の実施例1のリチウムイオン二次電池の容量維持率は、50サイクル後の比較例1のリチウムイオン二次電池の容量維持率に比べて遙かに大きい値であった。このように、実施例1のリチウムイオン二次電池は比較例1のリチウムイオン二次電池に比べて耐久性に優れる。この結果から、金属粒が形成された本発明の負極材料は優れた耐久性を発揮することがわかる。 As shown in Table 3, the capacity retention ratio of the lithium ion secondary battery of Example 1 after 50 cycles is much larger than that of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 after 50 cycles. It was a value. Thus, the lithium ion secondary battery of Example 1 is superior in durability to the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1. From this result, it is understood that the negative electrode material of the present invention in which the metal particles are formed exhibits excellent durability.
<負極材料#2>
(実施例6)
(粒子形成工程)
(コート工程:第1コート工程)
原料スラリーにおける水、金属塩、及びシリコン材料の粒子の配合割合以外は、実施例1の製造方法における粒子形成工程と同様に、第1コート工程を行った。具体的には、水及び酢酸ニッケル四水和物を混合して金属塩溶液を調製し、当該金属塩溶液とシリコン材料の粒子との混合物を原料スラリーとした。水、酢酸ニッケル四水和物、及びシリコン材料の粒子の配合割合は、質量比で、200:35.3:200であった。なお、第1コート工程において、金属塩溶液の金属含有量は約3.5質量%であり、原料スラリーにおけるシリコン材料と水との比率は質量比で100:100であった。
得られた原料スラリーを、実施例1の製造方法における粒子形成工程と同様に、スプレードライ装置を用いて噴霧乾燥した。以上の工程で、実施例6のコート粒子である第1粒子を得た。
<Anode material # 2>
(Example 6)
(Particle formation process)
(Coating process: 1st coating process)
The first coating step was performed in the same manner as the particle formation step in the production method of Example 1 except for the mixing ratio of water, metal salt, and particles of silicon material in the raw material slurry. Specifically, water and nickel acetate tetrahydrate were mixed to prepare a metal salt solution, and a mixture of the metal salt solution and particles of silicon material was used as a raw material slurry. The blending ratio of particles of water, nickel acetate tetrahydrate, and silicon material was 200: 35.3: 200 by mass ratio. In the first coating step, the metal content of the metal salt solution was about 3.5 mass%, and the ratio of the silicon material to water in the raw material slurry was 100: 100 in mass ratio.
The obtained raw material slurry was spray-dried using a spray-drying apparatus in the same manner as in the particle forming step in the production method of Example 1. Through the above steps, the first particles, which are the coated particles of Example 6, were obtained.
(再コート工程:第2コート工程〜第10コート工程)
金属塩溶液の金属含有量が約3.5質量%、かつ、原料スラリーにおける第1粒子と水との比率が質量比で100:100となるように、水、酢酸ニッケル四水和物、及び第1粒子を混合した原料スラリーを、第1コート工程と同様に噴霧乾燥して、再コート粒子である第2粒子を得た。
(Recoating step: second to tenth coating steps)
Water, nickel acetate tetrahydrate, and so that the metal content of the metal salt solution is about 3.5% by mass, and the ratio of the first particles to water in the raw material slurry is 100: 100 in mass ratio The raw material slurry mixed with the first particles was spray-dried in the same manner as in the first coating step to obtain second particles which are recoated particles.
以下同様に、得られた再コート粒子を、金属塩溶液の金属含有量が約3.5質量%、かつ、原料スラリーにおける再コート粒子と水との比率が質量比で100:100となるよう混合して原料スラリーとし、当該原料スラリーを第1コート工程と同様に噴霧乾燥する工程を繰り返して、実施例6の再コート粒子である第3粒子〜第10粒子を得た。実施例6の第1コート工程〜第10コート工程における原料スラリーの組成を表4に示す。 Likewise, in the same manner, the obtained recoat particles are prepared so that the metal content of the metal salt solution is about 3.5% by mass, and the ratio of recoat particles to water in the raw material slurry is 100: 100 in mass ratio The step of mixing to obtain a raw material slurry and repeating the step of spray-drying the raw material slurry in the same manner as in the first coating step was repeated to obtain third to tenth particles which are recoated particles of Example 6. The composition of the raw material slurry in the first coating step to the tenth coating step of Example 6 is shown in Table 4.
(実施例7)
実施例6と同様に、金属塩溶液のニッケル含有量が約3.5質量%、かつ、原料スラリーにおけるシリコン材料の粒子(又は第i粒子)と水との比率が質量比で100:100となるように、水、酢酸ニッケル四水和物、及びシリコン材料の粒子(又は第i粒子)を混合した原料スラリーを噴霧乾燥する工程を繰り返して、実施例7の第1粒子〜第16粒子を得た。実施例7の第1コート工程〜第16コート工程における原料スラリーの組成を表5に示す。
(Example 7)
As in Example 6, the nickel content of the metal salt solution is about 3.5% by mass, and the ratio of the particles of silicon material (or the i-th particles) to water in the raw material slurry is 100: 100 in mass ratio The step of spray-drying the raw material slurry in which water, nickel acetate tetrahydrate and particles of silicon material (or i-th particles) are mixed is repeated to obtain first particles to 16th particles of Example 7 Obtained. The composition of the raw material slurry in the first coating step to the sixteenth coating step of Example 7 is shown in Table 5.
(実施例8)
スプレードライ装置として藤崎電機株式会社製、MDL−015(C)MGC(−S)を用いたこと、スプレードライの条件が入口温度200℃、ノズルガス流量26L/分であったこと以外は実施例6及び実施例7と同様に、金属塩溶液のニッケル含有量が約3.5質量%、かつ、原料スラリーにおけるシリコン材料の粒子(又は第i粒子)と水との比率が質量比で100:100となるように、水、酢酸ニッケル四水和物、及びシリコン材料の粒子(又は第i粒子)を混合した原料スラリーを噴霧乾燥する工程を繰り返して、実施例8の第1粒子〜第14粒子を得た。実施例8の第1コート工程〜第14コート工程における原料スラリーの組成を表6に示す。
(Example 8)
Example 6 using MDL-015 (C) MGC (-S) manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd. as a spray drying apparatus, except that the spray drying conditions were an inlet temperature of 200 ° C. and a nozzle gas flow rate of 26 L / min. And in the same manner as in Example 7, the nickel content of the metal salt solution is about 3.5% by mass, and the ratio of the particles of silicon material (or the i-th particles) to water in the raw material slurry is 100: 100 by mass ratio The step of spray-drying the raw material slurry in which water, nickel acetate tetrahydrate and particles of silicon material (or the i-th particle) are mixed so as to be I got The composition of the raw material slurry in the first coating step to the fourteenth coating step of Example 8 is shown in Table 6.
(加熱工程)
実施例6の第10粒子、実施例7の第11粒子〜第16粒子、実施例8の第11粒子〜第14粒子を、それぞれ、アルゴンガス雰囲気下、400℃で1時間加熱した。この工程で、実施例6の負極材料#10、実施例7の負極材料#11〜#16、及び実施例8の負極材料#11〜#14を得た
(Heating process)
The tenth particles of Example 6, the eleventh to sixteenth particles of Example 7, and the eleventh to fourteenth particles of Example 8 were each heated at 400 ° C. for one hour in an argon gas atmosphere. In this step, negative electrode material # 10 of Example 6, negative electrode material # 11 to # 16 of Example 7, and negative electrode material # 11 to # 14 of Example 8 were obtained.
(評価2−1)
実施例6の第10粒子を加熱して得られた実施例6の負極材料#10につき、SEM像を撮像した。実施例6の負極材料#10のSEM像を図3に示す。
図3に示すように、実施例6の負極材料#10においては非常に微細な金属粒が非常に密に形成されている。図3と図1とを比較すると、実施例6の負極材料#10における金属粒は、実施例1の負極材料における金属粒に比べても、より微細、かつ、より密にシリコン材料の表面に形成されている。この結果から、繰り返し再コート工程を行うことが金属粒の微細化及び緻密化に寄与することがわかる。
(Evaluation 2-1)
A SEM image of the negative electrode material # 10 of Example 6 obtained by heating the tenth particles of Example 6 was taken. The SEM image of negative electrode material # 10 of Example 6 is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, in the negative electrode material # 10 of Example 6, very fine metal particles are formed very densely. Comparing FIG. 3 with FIG. 1, the metal particles in the negative electrode material # 10 of Example 6 are finer and denser than the metal particles in the negative electrode material of Example 1 on the surface of the silicon material. It is formed. From this result, it can be seen that performing repeated recoating steps contributes to the refinement and densification of the metal particles.
(評価2−2)
実施例7の負極材料#11〜#16、及び実施例8の負極材料#11〜#14につき、粉体抵抗を測定した。実施例7の負極材料#11〜#16、及び実施例8の負極材料#11〜#14については、更に、ニッケル含有量及び酸素含有量を測定した。金属含有量及び粉体抵抗の測定結果を既述の比較例1の負極材料の測定結果とともに表7に示す。
(Evaluation 2-2)
The powder resistances of the negative electrode materials # 11 to # 16 of Example 7 and the negative electrode materials # 11 to # 14 of Example 8 were measured. For the negative electrode materials # 11 to # 16 of Example 7 and the negative electrode materials # 11 to # 14 of Example 8, the nickel content and the oxygen content were further measured. The measurement results of the metal content and the powder resistance are shown in Table 7 together with the measurement results of the negative electrode material of Comparative Example 1 described above.
表7に示すように、実施例7の負極材料は粉体抵抗が非常に低く、導電性に優れていた。この結果から、再コート工程を繰り返すことで、負極材料の導電性を更に向上させ得ること、及び、再コート工程を繰り返す場合にも粒子形成工程における乾燥を高温で行うことが負極材料の導電性向上に有効であることがわかる。 As shown in Table 7, the negative electrode material of Example 7 had very low powder resistance and was excellent in conductivity. From this result, it is possible to further improve the conductivity of the negative electrode material by repeating the recoating step, and to conduct drying at a high temperature in the particle forming step even when repeating the recoating step. It turns out that it is effective for improvement.
実施例6の負極材料#10、実施例7の負極材料#11〜#16、及び、実施例8の負極材料#11〜#14をそれぞれ用い、実施例1のリチウムイオン二次電池と同様に、実施例6のリチウムイオン二次電池#10、実施例7のリチウムイオン二次電池#11〜#16及び実施例8のリチウムイオン二次電池#11〜#14を製造した。 Similar to the lithium ion secondary battery of Example 1, using the negative electrode material # 10 of Example 6, the negative electrode materials # 11 to # 16 of Example 7, and the negative electrode materials # 11 to # 14 of Example 8, respectively. A lithium ion secondary battery # 10 of Example 6, a lithium ion secondary battery # 11 to # 16 of Example 7, and a lithium ion secondary battery # 11 to # 14 of Example 8 were manufactured.
(評価2−3)
(サイクル試験)
実施例1のリチウムイオン二次電池、実施例6のリチウムイオン二次電池#10、実施例7のリチウムイオン二次電池#11〜#16、実施例8のリチウムイオン二次電池#11〜#14、及び比較例1のリチウムイオン二次電池につき、評価1−3と同様に、初期充電容量及び初期放電容量を測定し、更にサイクル試験を行った。
各リチウムイオン二次電池についての初期効率及び50サイクル後の容量維持率を表8に示す。なお、初期効率については、(初期放電容量/初期充電容量)×100で算出した。
(Evaluation 2-3)
(Cycle test)
Lithium ion secondary battery of Example 1, lithium ion secondary battery # 10 of Example 6, lithium ion secondary batteries # 11 to # 16 of Example 7, lithium ion secondary batteries # 11 to # of Example 8 The initial charge capacity and the initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 and Comparative Example 1 were measured in the same manner as in Evaluation 1-3, and a cycle test was performed.
The initial efficiency and the capacity retention after 50 cycles for each lithium ion secondary battery are shown in Table 8. The initial efficiency was calculated by (initial discharge capacity / initial charge capacity) × 100.
表8に示すように、実施例6のリチウムイオン二次電池#10、及び、実施例7のリチウムイオン二次電池#11〜#16は、比較例1のリチウムイオン二次電池に比べて、初期効率が向上しており、容量維持率については大きく上回っていた。また、各実施例のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、見かけ上、比較例1のリチウムイオン二次電池に比べて低下しているようにも見える。しかし、各実施例の負極材料の質量にして25%以上が金属のコートで構成されていることを考慮すると、負極材料の体積あたりあるいはシリコン材料の質量あたりの初期放電容量も向上していると言える。この結果から、再コート工程を繰り返し行う実施例6及び実施例7の製造方法は、初期特性と、容量維持率つまりサイクル特性の向上に大きく寄与するといえる。
また、粒子形成工程における乾燥を比較的低温で行った実施例8のリチウムイオン二次電池#11〜#14については、初期効率については比較例1のリチウムイオン二次電池を上回っていたが、容量維持率は実施例6のリチウムイオン二次電池#10、及び、実施例7のリチウムイオン二次電池#11〜#16に比べて低かった。この結果から、粒子形成工程における乾燥は比較的高温で行った方がより電池特性を向上させ得る負極材料が得られることがわかる。
As shown in Table 8, the lithium ion secondary battery # 10 of Example 6 and the lithium ion secondary batteries # 11 to # 16 of Example 7 were compared with the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1. The initial efficiency has improved, and the capacity retention rate has been greatly exceeded. In addition, the initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery of each example appears to be apparently lower than that of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1. However, in consideration of the fact that at least 25% of the mass of the negative electrode material in each example is formed of a metal coat, it is considered that the initial discharge capacity per volume of the negative electrode material or the mass per silicon material is also improved. I can say that. From this result, it can be said that the manufacturing methods of Examples 6 and 7 in which the recoating step is repeated, greatly contribute to the improvement of the initial characteristics and the capacity retention rate, that is, the cycle characteristics.
In addition, regarding lithium ion secondary batteries # 11 to # 14 of Example 8 in which the drying in the particle forming step was performed at a relatively low temperature, the initial efficiency was higher than that of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1, The capacity retention rate was lower than that of the lithium ion secondary battery # 10 of Example 6 and the lithium ion secondary batteries # 11 to # 16 of Example 7. From this result, it can be seen that if the drying in the particle formation step is performed at a relatively high temperature, a negative electrode material that can improve the battery characteristics can be obtained.
更に、粒子形成工程を一度で行った実施例1の負極材料に比べて、粒子形成工程で再コート工程を繰り返した実施例6〜8の負極材料は初期効率及び初期放電容量に優れていた。この結果から、再コート工程を繰り返し行うことで、リチウムイオン二次電池用の負極材料に好適な金属粒を形成できることがわかる。 Furthermore, compared with the negative electrode material of Example 1 which performed the particle formation process at once, the negative electrode material of Examples 6-8 which repeated the recoating process in the particle formation process was excellent in initial stage efficiency and initial stage discharge capacity. From this result, it is understood that, by repeatedly performing the recoating step, metal particles suitable for a negative electrode material for a lithium ion secondary battery can be formed.
Claims (6)
前記コート工程の少なくとも一部において、前記コート粒子を前記金属塩の分解温度以上の温度に加熱する、請求項1に記載の負極材料の製造方法。 And a coating step of spray-drying a slurry containing particles of the silicon material and the metal salt solution to form coated particles containing the particles of the silicon material and the metal salt,
The manufacturing method of the negative electrode material of Claim 1 which heats the said coat particle | grain to the temperature more than the decomposition temperature of the said metal salt in at least one part of the said coating process.
前記コート粒子と前記金属塩溶液とを含むスラリーを噴霧乾燥させる再コート工程と、を具備する、請求項1に記載の負極材料の製造方法。 A coating step of spray-drying a slurry comprising particles of the silicon material and the metal salt solution to form coated particles comprising the particles of the silicon material and the metal salt;
The method for producing a negative electrode material according to claim 1, comprising a recoating step of spray-drying a slurry containing the coated particles and the metal salt solution.
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