JP2019023969A - Anode active material and battery - Google Patents

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亮平 宮前
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Abstract

To provide an anode active material having appropriate reaction potential and high discharge capacity.SOLUTION: Disclosed anode active material comprises: a layered structure constituted of carbon and boron; and strontium or barium. In the spectrum obtained by analyzing the anode active material by X-ray photoelectron spectroscopy, defining the total peak areas of all peaks which appears in the range of bound energy of 184.0-196.5 eV as S1, and defining the peak area of peaks appearing in the bound energy range of 187.0-188.5 eV as S2, the ratio S2/S1 is, for example, 0.4 or more.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、負極活物質及び電池に関する。   The present disclosure relates to a negative electrode active material and a battery.

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池の負極活物質として、黒鉛系の炭素材料が広く用いられている。黒鉛系の炭素材料において、リチウムイオンが吸蔵及び放出される反応電位は、リチウム金属の標準電位に対して約0.1Vである。この電位は、リチウム金属の析出電位(0V)に近い。そのため、外的要因などによって僅かな電圧降下が生じた場合、リチウム金属が析出し、正極と負極とが短絡する危険性がある。   As a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium ion secondary battery, a graphite-based carbon material is widely used. In a graphite-based carbon material, the reaction potential at which lithium ions are occluded and released is about 0.1 V with respect to the standard potential of lithium metal. This potential is close to the lithium metal deposition potential (0 V). Therefore, when a slight voltage drop occurs due to an external factor or the like, there is a risk that lithium metal is deposited and the positive electrode and the negative electrode are short-circuited.

負極活物質の反応電位を上昇させ、反応電位とリチウム金属の析出電位との差を拡大させることで、電圧降下が生じてもリチウム金属が容易に析出しないようにすることが可能である。ただし、負極活物質の反応電位が高くなりすぎると、電池の容量密度が低下する。安全性と容量密度とを両立した電池を実現するためには、負極活物質の反応電位を精査することが重要である。   By increasing the reaction potential of the negative electrode active material and increasing the difference between the reaction potential and the deposition potential of lithium metal, it is possible to prevent lithium metal from being easily deposited even if a voltage drop occurs. However, when the reaction potential of the negative electrode active material becomes too high, the capacity density of the battery decreases. In order to realize a battery having both safety and capacity density, it is important to examine the reaction potential of the negative electrode active material.

特許文献1には、リチウムチタン酸化物系材料を用いた電極が開示されている。この電極にリチウムイオンが吸蔵及び放出される反応電位は、リチウム金属の標準電位に対して約1.55Vと高い。   Patent Document 1 discloses an electrode using a lithium titanium oxide-based material. The reaction potential at which lithium ions are occluded and released from this electrode is as high as about 1.55 V with respect to the standard potential of lithium metal.

特許第4435926号公報Japanese Patent No. 4435926

しかし、負極活物質としてのリチウムチタン酸化物系材料の放電容量は本質的に小さい。そのため、適切な反応電位及び大きい放電容量を有する負極活物質が望まれている。   However, the discharge capacity of the lithium titanium oxide-based material as the negative electrode active material is essentially small. Therefore, a negative electrode active material having an appropriate reaction potential and a large discharge capacity is desired.

すなわち、本開示は、
炭素とホウ素とによって構成された層状構造と、
ストロンチウム又はバリウムと、
を備えた、負極活物質を提供する。
That is, this disclosure
A layered structure composed of carbon and boron;
With strontium or barium,
A negative electrode active material is provided.

本開示によれば、リチウム金属の析出の危険性が低く、かつ、大きい放電容量を有する負極活物質を実現できる。   According to the present disclosure, a negative electrode active material having a low risk of lithium metal deposition and a large discharge capacity can be realized.

図1は、本開示の一実施形態にかかる電池の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a battery according to an embodiment of the present disclosure. 図2は、シミュレーションによるXDRスペクトル並びにサンプル2,7,9及び10の負極活物質のXRDスペクトルである。FIG. 2 shows an XDR spectrum by simulation and an XRD spectrum of the negative electrode active materials of Samples 2, 7, 9, and 10. 図3は、サンプル2の負極活物質のB1sXPSスペクトルである。FIG. 3 is a B1sXPS spectrum of the negative electrode active material of Sample 2.

(本開示の基礎となった知見)
黒鉛のリチウムイオン反応電位を上昇させる方法として、黒鉛にホウ素を固溶させることが挙げられる。ただし、反応電位の上昇に寄与するのは、炭素原子と置換されることによって炭素骨格に固溶したホウ素である。このホウ素の状態は、X線光電子分光法によって得られたスペクトルにおいて、187eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークとして観測される。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
An example of a method for increasing the lithium ion reaction potential of graphite is to dissolve boron in the graphite. However, it is boron dissolved in the carbon skeleton by substitution with a carbon atom that contributes to an increase in the reaction potential. This boron state is observed as a peak appearing in a bound energy range of 187 eV or more and 188.5 eV or less in a spectrum obtained by X-ray photoelectron spectroscopy.

黒鉛にホウ素のみを固溶させる場合、ホウ素の上限濃度は、モル比率で5%以下である。そのため、反応電位を上昇させる効果は僅かである。本発明者らは、ホウ素以外の元素をホウ素とともに黒鉛に添加することによって、黒鉛系の炭素材料におけるホウ素の固溶濃度を高めることができ、反応電位を上昇させる効果も十分に得られることを予測した。その結果、本発明者らは、本開示の構成を想到するに至った。   When only boron is dissolved in graphite, the upper limit concentration of boron is 5% or less in terms of molar ratio. Therefore, the effect of raising the reaction potential is slight. The present inventors can increase the solid solution concentration of boron in the graphite-based carbon material by adding an element other than boron to graphite together with boron, and that the effect of increasing the reaction potential can be sufficiently obtained. Predicted. As a result, the inventors have arrived at the configuration of the present disclosure.

本開示の第1態様にかかる負極活物質は、
炭素とホウ素とによって構成された層状構造と、
ストロンチウム又はバリウムと、
を備えたものである。
The negative electrode active material according to the first aspect of the present disclosure is:
A layered structure composed of carbon and boron;
With strontium or barium,
It is equipped with.

第1態様によれば、リチウム金属の析出の危険性が低く、かつ、大きい放電容量を有する負極活物質を実現できる。   According to the first aspect, a negative electrode active material having a low risk of lithium metal deposition and a large discharge capacity can be realized.

本開示の第2態様において、例えば、第1態様にかかる負極活物質の前記層状構造は、層間を有し、前記ストロンチウム又は前記バリウムは、前記層間に存在する。このような構成によれば、より大きい放電容量を有する負極活物質を実現できる。   In the second aspect of the present disclosure, for example, the layered structure of the negative electrode active material according to the first aspect includes layers, and the strontium or the barium exists between the layers. According to such a configuration, a negative electrode active material having a larger discharge capacity can be realized.

本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様にかかる負極活物質では、X線光電子分光法によって前記負極活物質を分析したときに得られるスペクトルにおいて、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲にピークが存在する。このピークが観測されることは、炭素層にホウ素が十分に固溶していることを意味する。炭素層へのホウ素の固溶によって、負極活物質の反応電位を十分に上昇させることができる。   In the third aspect of the present disclosure, for example, in the negative electrode active material according to the first or second aspect, the spectrum obtained when the negative electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy is 187.0 eV or more and 188.5 eV. There are peaks in the following binding energy range. The observation of this peak means that boron is sufficiently dissolved in the carbon layer. The reaction potential of the negative electrode active material can be sufficiently increased by the solid solution of boron in the carbon layer.

本開示の第4態様において、例えば、第1〜第3態様にかかる負極活物質では、X線光電子分光法によって前記負極活物質を分析したときに得られるスペクトルにおいて、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に複数のピークが存在し、前記複数のピークのうち、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークのピーク面積が最も大きい。このような構成によれば、より放電電位が高く、放電容量の大きい負極活物質を実現できる。   In the fourth aspect of the present disclosure, for example, in the negative electrode active material according to the first to third aspects, the spectrum obtained when the negative electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy is 184.0 eV or more and 196.5 eV. There are a plurality of peaks in the following binding energy range, and the peak area of the peak appearing in the binding energy range of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less is the largest among the plurality of peaks. According to such a configuration, a negative electrode active material having a higher discharge potential and a larger discharge capacity can be realized.

本開示の第5態様において、例えば、第1〜第4態様にかかる負極活物質では、X線光電子分光法によって前記負極活物質を分析したときに得られるスペクトルにおいて、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れる全てのピークのピーク面積の合計をS1、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークのピーク面積をS2と定義したとき、比率S2/S1が0.4以上である。このような構成によれば、より放電電位が高く、放電容量の大きい負極活物質を実現できる。   In the fifth aspect of the present disclosure, for example, in the negative electrode active material according to the first to fourth aspects, the spectrum obtained when the negative electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy is 184.0 eV or more and 196.5 eV. When the sum of the peak areas of all the peaks appearing in the following binding energy range is defined as S1, and the peak area of the peak appearing in the binding energy range of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less is defined as S2, the ratio S2 / S1 is 0.4 or more. According to such a configuration, a negative electrode active material having a higher discharge potential and a larger discharge capacity can be realized.

本開示の第6態様において、例えば、第1〜第5態様にかかる負極活物質は、下記の組成式(1)で表される。このような構成によれば、放電電位が高く、放電容量の大きい負極活物質を実現できる。
xyz ・・・(1)
[式(1)中、Mは、ストロンチウム又はバリウムであり、
x、y及びzは、それぞれ、0よりも大きい値であり、
y/(y+z)≦0.2の関係が満たされる。]
In the sixth aspect of the present disclosure, for example, the negative electrode active material according to the first to fifth aspects is represented by the following composition formula (1). According to such a configuration, a negative electrode active material having a high discharge potential and a large discharge capacity can be realized.
M x B y C z ··· ( 1)
[In formula (1), M is strontium or barium;
x, y and z are each greater than 0;
The relationship y / (y + z) ≦ 0.2 is satisfied. ]

本開示の第7態様にかかる電池は、
第1〜第7態様のいずれか1つにかかる負極活物質を含む負極と、
正極と、
電解質と、
を備えたものである。
The battery according to the seventh aspect of the present disclosure is:
A negative electrode comprising a negative electrode active material according to any one of the first to seventh aspects;
A positive electrode;
Electrolyte,
It is equipped with.

第7態様によれば、リチウム金属の析出の危険性が低く、かつ、大きい放電容量を有する電池を実現できる。   According to the seventh aspect, a battery having a low risk of lithium metal deposition and a large discharge capacity can be realized.

本開示の第8態様において、例えば、第7態様にかかる電池の前記負極は、前記負極活物質を主成分として含む。このような構成によれば、より大きな放電容量密度を有する電池を実現できる。   In the eighth aspect of the present disclosure, for example, the negative electrode of the battery according to the seventh aspect includes the negative electrode active material as a main component. According to such a configuration, a battery having a larger discharge capacity density can be realized.

以下、本開示の実施形態について説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described. The present disclosure is not limited to the following embodiments.

(実施形態1)
本実施形態の負極活物質は、ストロンチウム又はバリウムと、層状構造とを備えている。ストロンチウム又はバリウムは、層状構造に支持されている。層状構造は、炭素及びホウ素によって構成されている。
(Embodiment 1)
The negative electrode active material of this embodiment includes strontium or barium and a layered structure. Strontium or barium is supported in a layered structure. The layered structure is composed of carbon and boron.

本発明者らは、炭素材料に添加されたホウ素の状態及び量が反応電位に及ぼす影響について検討した。その結果、炭素層に固溶したホウ素の比率の増加にともなって反応電位が上昇することを見出した。さらに、固溶状態のホウ素を安定に存在させるためには、ストロンチウム又はバリウムを炭素材料に含有させることが有効であることを突き止めた。この理由としては、例えば、以下のように考えられる。   The present inventors examined the influence of the state and amount of boron added to the carbon material on the reaction potential. As a result, it has been found that the reaction potential increases with an increase in the proportion of boron dissolved in the carbon layer. Furthermore, it has been found that it is effective to contain strontium or barium in the carbon material in order to allow boron in a solid solution state to exist stably. The reason is considered as follows, for example.

炭素材料中のホウ素の存在状態としては、炭素に結合したホウ素、ホウ素に結合したホウ素、微量に含まれる酸素又は窒素に結合したホウ素などが挙げられる。炭素に結合したホウ素原子には、炭素層に固溶したホウ素原子、炭素層と炭素層との間の層間に固溶したホウ素原子、B4Cなどの炭化物を構成するホウ素原子などが含まれる。ホウ素の電子数は炭素の電子数よりも1個少ないため、炭素層にホウ素原子が固溶すると、炭素層が有する共役電子の電子密度が減少する。炭素層に固溶したホウ素が存在する場合の材料(黒鉛類似化合物)のフェルミエネルギーは、ホウ素が存在しない場合(黒鉛)のフェルミエネルギーよりも低い。結果として、リチウムイオンが吸蔵及び放出される反応電位が上がる。 Examples of the presence state of boron in the carbon material include boron bonded to carbon, boron bonded to boron, boron bonded to oxygen or nitrogen contained in a minute amount, and the like. Boron atoms bonded to carbon include boron atoms that are solid-solved in the carbon layer, boron atoms that are solid-solved between layers between the carbon layers, boron atoms that constitute carbides such as B 4 C, and the like. . Since the number of electrons in boron is one less than the number of electrons in carbon, when boron atoms are dissolved in the carbon layer, the electron density of conjugated electrons in the carbon layer decreases. The Fermi energy of the material (graphite-like compound) in the case where boron dissolved in the carbon layer is present is lower than the Fermi energy in the case of no boron (graphite). As a result, the reaction potential at which lithium ions are occluded and released increases.

また、炭素層におけるホウ素の固溶状態の安定化にストロンチウム又はバリウムの添加が有効である理由は、以下のように考えられる。   The reason why the addition of strontium or barium is effective for stabilizing the solid solution state of boron in the carbon layer is considered as follows.

ホウ素の電子数は、炭素の電子数よりも1個少ない。固溶状態のホウ素の原子濃度を増加させると、電気的中性を保てなくなる。ただし、ホウ素が固溶した炭素層の網目の近傍又は炭素層の層間にストロンチウム原子又はバリウム原子が存在すると、不足分の電子の一部がストロンチウム又はバリウムから供給され、結果として、電気的中性が保障される。このように、ストロンチウム又はバリウムをホウ素とともに黒鉛などの炭素材料に添加することによって、これらの元素を添加しない場合と比較して、ホウ素の固溶状態が安定すると考えられる。   The number of electrons in boron is one less than the number of electrons in carbon. If the atomic concentration of boron in a solid solution state is increased, the electrical neutrality cannot be maintained. However, if strontium atoms or barium atoms exist in the vicinity of the network of the carbon layer in which boron is dissolved, or between the layers of the carbon layer, a part of the deficient electrons are supplied from strontium or barium, resulting in electrical neutrality. Is guaranteed. Thus, it is considered that by adding strontium or barium together with boron to a carbon material such as graphite, the solid solution state of boron is stabilized as compared with the case where these elements are not added.

本実施形態の負極活物質において、層状構造は、層間を有してもよい。このとき、ストロンチウム又はバリウムは、層間に存在してもよい。このような構成によれば、より大きい放電容量を有する負極活物質を実現できる。   In the negative electrode active material of this embodiment, the layered structure may have an interlayer. At this time, strontium or barium may exist between the layers. According to such a configuration, a negative electrode active material having a larger discharge capacity can be realized.

ホウ素の結合状態は、X線光電子分光法によって調べることができる。具体的には、ホウ素の結合状態の相違は、ホウ素の1s軌道に由来するピークの化学シフトとして観測される。B1s軌道に由来するピークは、概ね、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れる。本明細書において、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲のXPSスペクトルを「B1sXPSスペクトル」とも称する。   The bonding state of boron can be examined by X-ray photoelectron spectroscopy. Specifically, the difference in the bonding state of boron is observed as a chemical shift of a peak derived from the 1s orbital of boron. A peak derived from the B1s orbital appears in a range of binding energy of approximately 184.0 eV or more and 196.5 eV or less. In this specification, an XPS spectrum in the range of a binding energy of 184.0 eV or more and 196.5 eV or less is also referred to as “B1sXPS spectrum”.

本実施形態の負極活物質をX線光電子分光法によって分析して得られたスペクトルにおいて、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲にピークが存在する。このピークが観測されることは、炭素層にホウ素が十分に固溶していることを意味する。炭素層へのホウ素の固溶によって、負極活物質の反応電位を十分に上昇させることができる。   In the spectrum obtained by analyzing the negative electrode active material of this embodiment by X-ray photoelectron spectroscopy, a peak exists in the range of the binding energy of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less. The observation of this peak means that boron is sufficiently dissolved in the carbon layer. The reaction potential of the negative electrode active material can be sufficiently increased by the solid solution of boron in the carbon layer.

負極活物質に様々な結合状態のホウ素が存在する場合、B1sXPSスペクトルには複数のピークが現れる。言い換えれば、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に複数のピークが存在する。これらの複数のピークのうち、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークのピーク面積が最も大きいことが望ましい。このピークが観測されることは、炭素層にホウ素が十分に固溶していることを意味する。このような構成によれば、より放電電位が高く、放電容量の大きい負極活物質を実現できる。   When boron in various bonded states is present in the negative electrode active material, a plurality of peaks appear in the B1sXPS spectrum. In other words, there are a plurality of peaks in the bound energy range of 184.0 eV or more and 196.5 eV or less. Among these peaks, it is desirable that the peak area of the peak appearing in the bound energy range of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less is the largest. The observation of this peak means that boron is sufficiently dissolved in the carbon layer. According to such a configuration, a negative electrode active material having a higher discharge potential and a larger discharge capacity can be realized.

184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れる全てのピークのピーク面積の合計をS1と定義することができる。187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークのピーク面積をS2と定義する。このとき、比率S2/S1は、0.4以上であってもよい。このような構成によれば、より放電電位が高く、放電容量の大きい負極活物質を実現できる。比率S2/S1の上限は特に限定されず、例えば、1.0である。   The sum of the peak areas of all peaks that appear in the bound energy range of 184.0 eV or more and 196.5 eV or less can be defined as S1. A peak area of a peak appearing in a bound energy range of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less is defined as S2. At this time, the ratio S2 / S1 may be 0.4 or more. According to such a configuration, a negative electrode active material having a higher discharge potential and a larger discharge capacity can be realized. The upper limit of ratio S2 / S1 is not specifically limited, For example, it is 1.0.

本実施形態の負極活物質は、下記の組成式(1)で表される材料であってもよい。式(1)中、Mは、ストロンチウム又はバリウムである。x、y及びzは、それぞれ、0よりも大きい値である。式(1)において、y/(y+z)≦0.2の関係が満たされてもよい。つまり、本実施形態の負極活物質においては、ホウ素原子の数と炭素原子の数との合計(B+C)に対するホウ素原子の数の比率(B/(B+C))が0.2以下であってもよい。このような構成によれば、放電電位が高く、放電容量の大きい負極活物質を実現できる。比率(B/(B+C))の下限は特に限定されず、例えば、0.03である。   The negative electrode active material of the present embodiment may be a material represented by the following composition formula (1). In formula (1), M is strontium or barium. x, y, and z are values greater than 0, respectively. In the formula (1), the relationship y / (y + z) ≦ 0.2 may be satisfied. That is, in the negative electrode active material of this embodiment, even if the ratio of the number of boron atoms to the total (B + C) of the number of boron atoms and the number of carbon atoms (B / (B + C)) is 0.2 or less. Good. According to such a configuration, a negative electrode active material having a high discharge potential and a large discharge capacity can be realized. The lower limit of the ratio (B / (B + C)) is not particularly limited, and is 0.03, for example.

xyz ・・・(1) M x B y C z ··· ( 1)

本実施形態の負極活物質が層状構造を有していることは、X線回折(XRD)測定によって確認することができる。炭素とホウ素とストロンチウム(又はバリウム)との組成比は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光法によって特定することができる。   It can be confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurement that the negative electrode active material of this embodiment has a layered structure. The composition ratio of carbon, boron, and strontium (or barium) can be specified by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy.

様々な結合状態にあるホウ素の量は、X線光電子分光法によって定量することができる。具体的には、B1sXPSスペクトルに現れる各ピークをガウス関数又はローレンツ関数で規定し、フィッティングする。フィッティングカーブから各ピークの積分強度(=ピーク面積)を求める。ピークが非対称の場合には、非対称性を考慮して計算を行ってもよい。   The amount of boron in various bonded states can be quantified by X-ray photoelectron spectroscopy. Specifically, each peak appearing in the B1sXPS spectrum is defined by a Gaussian function or a Lorentz function, and fitting is performed. The integrated intensity (= peak area) of each peak is obtained from the fitting curve. When the peak is asymmetric, calculation may be performed in consideration of asymmetry.

本実施形態の負極活物質は、以下に説明する方法によって製造されうる。   The negative electrode active material of this embodiment can be manufactured by the method described below.

炭素源と、ホウ素源と、ストロンチウム源又はバリウム源とを十分に混合する。得られた混合物を不活性雰囲気下で焼成する。これにより、本実施形態の負極活物質が得られる。   A carbon source, a boron source, and a strontium source or a barium source are thoroughly mixed. The resulting mixture is fired under an inert atmosphere. Thereby, the negative electrode active material of this embodiment is obtained.

炭素源として、黒鉛材料、有機材料及び非晶質炭素材料から選ばれる少なくとも1つを使用できる。炭素源として黒鉛材料を用いた場合は、黒鉛材料へのホウ素とストロンチウム又はバリウムとの固溶が同時に進行する。炭素源として有機材料又は非晶質炭素材料を用いた場合は、炭素源の黒鉛化と、黒鉛への各元素の固溶とが同時に進行する。   As the carbon source, at least one selected from a graphite material, an organic material, and an amorphous carbon material can be used. When a graphite material is used as the carbon source, solid solution of boron and strontium or barium in the graphite material proceeds simultaneously. When an organic material or an amorphous carbon material is used as the carbon source, graphitization of the carbon source and solid solution of each element in the graphite proceed simultaneously.

有機材料として、ポリビニルアルコールなどの合成樹脂が使用されうる。合成樹脂の形状は特に限定されず、例えば、シート状、繊維状又は粒子状である。焼成後の加工を考慮すると、1〜100μmの大きさの粒子状又は短繊維状の合成樹脂が望ましい。   A synthetic resin such as polyvinyl alcohol can be used as the organic material. The shape of the synthetic resin is not particularly limited and is, for example, a sheet shape, a fiber shape, or a particle shape. In view of processing after firing, a particulate or short fiber synthetic resin having a size of 1 to 100 μm is desirable.

非晶質炭素材料として、石油コークス、石炭コークスなどのソフトカーボンが使用されうる。ソフトカーボンの形状も特に限定されず、例えば、シート状、繊維状又は粒子状である。焼成後の加工を考慮すると、1〜100μmの大きさの粒子状又は短繊維状のソフトカーボンが望ましい。   As the amorphous carbon material, soft carbon such as petroleum coke and coal coke can be used. The shape of the soft carbon is not particularly limited and is, for example, a sheet shape, a fiber shape or a particle shape. Considering processing after firing, particulate or short fiber soft carbon having a size of 1 to 100 μm is desirable.

ホウ素源として、ホウ素、ホウ酸、ホウ素化カルシウムなどが使用されうる。二ホウ化アルミニウム及び二ホウ化マグネシウムなどの二ホウ化物もホウ素源として使用可能である。   As the boron source, boron, boric acid, calcium boride and the like can be used. Diboride such as aluminum diboride and magnesium diboride can also be used as a source of boron.

ストロンチウム源として、ストロンチウム金属、ストロンチウム水素化物、ストロンチウム水酸化物、炭化ストロンチウム、炭酸ストロンチウム、ホウ素化ストロンチウムなどが使用されうる。   As the strontium source, strontium metal, strontium hydride, strontium hydroxide, strontium carbide, strontium carbonate, strontium boride and the like can be used.

バリウム源として、バリウム金属、バリウム水素化物、バリウム水酸化物、炭化バリウム、炭酸バリウム、ホウ素化バリウムなどが使用されうる。   As the barium source, barium metal, barium hydride, barium hydroxide, barium carbide, barium carbonate, barium boride and the like can be used.

焼成温度は、例えば、1000℃〜2200℃である。焼成雰囲気は、不活性雰囲気であることが望ましい。不活性雰囲気には、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスなどの不活性ガスが好適に使用されうる。コストの観点から、窒素ガスが望ましい。1000℃よりも低い温度での焼成によって、炭素源として使用された原料から炭素以外の元素が蒸発し、原料の炭素化が進行する。1000℃〜2200℃での焼成によって、炭素の黒鉛化が進行する。炭素の黒鉛化とともに、炭素源とホウ素源とストロンチウム源又はバリウム源とが反応することで、黒鉛結晶へのホウ素の固溶が進行し、黒鉛の層間へのストロンチウム又はバリウムの固溶が進行する。   The firing temperature is, for example, 1000 ° C. to 2200 ° C. The firing atmosphere is desirably an inert atmosphere. An inert gas such as nitrogen gas, argon gas, helium gas, or neon gas can be suitably used for the inert atmosphere. From the viewpoint of cost, nitrogen gas is desirable. By firing at a temperature lower than 1000 ° C., elements other than carbon evaporate from the raw material used as the carbon source, and carbonization of the raw material proceeds. The graphitization of carbon proceeds by firing at 1000 ° C. to 2200 ° C. Along with carbon graphitization, the carbon source, boron source and strontium source or barium source react to advance solid solution of boron in the graphite crystal and solid solution of strontium or barium between the graphite layers. .

負極活物質における構成元素の比率は、原料の種類、原料の混合比率、原料混合物の焼成条件、焼成後の再処理条件などを適切に選択することによって調整されうる。原料の種類は、炭素源の種類、ホウ素源の種類、ストロンチウム源の種類及びバリウム源の種類を意味する。原料の混合比率は、炭素源と、ホウ素源と、ストロンチウム源又はバリウム源との混合比率を意味する。焼成後の再処理には、酸洗浄、追加の熱処理などが含まれる。   The ratio of the constituent elements in the negative electrode active material can be adjusted by appropriately selecting the type of raw material, the mixing ratio of the raw materials, the firing conditions of the raw material mixture, the reprocessing conditions after firing, and the like. The kind of raw material means the kind of carbon source, the kind of boron source, the kind of strontium source, and the kind of barium source. The mixing ratio of the raw materials means a mixing ratio of a carbon source, a boron source, and a strontium source or a barium source. The reprocessing after firing includes acid cleaning, additional heat treatment, and the like.

以上のように、本実施形態の負極活物質は、原料を混合する工程と、得られた原料混合物を不活性雰囲気下で焼成する工程とを経て製造されうる。原料を混合する工程においては、炭素源と、ホウ素源と、ストロンチウム源又はバリウム源とが混合される。   As described above, the negative electrode active material of the present embodiment can be manufactured through a process of mixing raw materials and a process of firing the obtained raw material mixture in an inert atmosphere. In the step of mixing the raw materials, a carbon source, a boron source, and a strontium source or a barium source are mixed.

(実施形態2)
以下、実施形態2について説明する。実施形態1と重複する説明は、適宜省略する。
(Embodiment 2)
The second embodiment will be described below. The description overlapping with the first embodiment will be omitted as appropriate.

図1に示すように、本実施形態の電池10は、負極13、正極16、セパレータ17及び外装18を備えている。負極13は、負極集電体11及び負極活物質層12(負極合剤層)を有する。負極活物質層12は、負極集電体11の上に設けられている。正極16は、正極集電体14及び正極活物質層15(正極合剤層)を有する。正極活物質層15は、正極集電体14の上に設けられている。負極13と正極16との間にセパレータ17が配置されている。セパレータ17を介して、負極13と正極16とが互いに向かい合っている。負極13、正極16及びセパレータ17は、外装18に収められている。   As shown in FIG. 1, the battery 10 of this embodiment includes a negative electrode 13, a positive electrode 16, a separator 17, and an exterior 18. The negative electrode 13 includes a negative electrode current collector 11 and a negative electrode active material layer 12 (negative electrode mixture layer). The negative electrode active material layer 12 is provided on the negative electrode current collector 11. The positive electrode 16 includes a positive electrode current collector 14 and a positive electrode active material layer 15 (positive electrode mixture layer). The positive electrode active material layer 15 is provided on the positive electrode current collector 14. A separator 17 is disposed between the negative electrode 13 and the positive electrode 16. The negative electrode 13 and the positive electrode 16 face each other through the separator 17. The negative electrode 13, the positive electrode 16, and the separator 17 are housed in an exterior 18.

電池10は、例えば、非水電解質二次電池又は全固体二次電池である。電池10は、典型的には、リチウムイオン二次電池である。   The battery 10 is, for example, a nonaqueous electrolyte secondary battery or an all-solid secondary battery. The battery 10 is typically a lithium ion secondary battery.

負極活物質層12は、実施形態1で説明した負極活物質を含む。負極活物質層12は、必要に応じて、第2の負極活物質、導電助剤、イオン伝導体、バインダーなどを含んでいてもよい。第2の負極活物質とは、実施形態1で説明した負極活物質とは異なる組成を有する負極活物質であって、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料である。   The negative electrode active material layer 12 includes the negative electrode active material described in the first embodiment. The negative electrode active material layer 12 may contain a second negative electrode active material, a conductive additive, an ionic conductor, a binder, and the like as necessary. The second negative electrode active material is a negative electrode active material having a composition different from that of the negative electrode active material described in Embodiment 1, and is a material capable of inserting and extracting lithium ions.

負極活物質層12は、実施形態1で説明した負極活物質を主成分として含んでいてもよい。「主成分」は、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。負極活物質層12は、実施形態1で説明した負極活物質を負極活物質層12の全体に対する質量比で50%以上含んでいてもよく、70%以上含んでいてもよい。このような構成によれば、より大きな放電容量密度を有する電池10を実現できる。   The negative electrode active material layer 12 may contain the negative electrode active material described in Embodiment 1 as a main component. The “main component” means a component that is contained most by mass ratio. The negative electrode active material layer 12 may include 50% or more of the negative electrode active material described in Embodiment 1 in a mass ratio with respect to the entire negative electrode active material layer 12, or may include 70% or more. According to such a configuration, the battery 10 having a larger discharge capacity density can be realized.

負極活物質層12は、負極活物質を主成分として含み、さらに、不可避的な不純物を含んでいてもよい。不可避的な不純物には、負極活物質を合成する際に使用される出発原料、負極活物質を合成する際に生じる副生成物、それらの分解生成物などが含まれる。負極活物質層12は、不可避的な不純物を除き、実施形態1で説明した負極活物質を負極活物質層12の全体に対する質量比で100%含んでいてもよい。   The negative electrode active material layer 12 includes a negative electrode active material as a main component, and may further include inevitable impurities. The inevitable impurities include starting materials used when synthesizing the negative electrode active material, by-products generated when synthesizing the negative electrode active material, decomposition products thereof, and the like. The negative electrode active material layer 12 may contain 100% of the negative electrode active material described in Embodiment 1 in a mass ratio with respect to the entire negative electrode active material layer 12 except for inevitable impurities.

導電助剤及びイオン伝導体は、負極13の抵抗を低減するために用いられる。導電助剤として、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、グラフェン、フラーレン、酸化黒鉛などの炭素材料(炭素導電助剤)、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物が使用されうる。イオン伝導体として、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸メチルなどのゲル電解質、ポリエチレンオキシドなどの有機固体電解質、Li7La3Zr212などの無機固体電解質が使用されうる。 The conductive assistant and the ionic conductor are used for reducing the resistance of the negative electrode 13. Examples of conductive assistants include carbon materials such as carbon black, graphite, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, fullerene, graphite oxide, and conductive polymer compounds such as polyaniline, polypyrrole, and polythiophene. Can be used. As the ionic conductor, a gel electrolyte such as polymethyl methacrylate and polymethyl methacrylate, an organic solid electrolyte such as polyethylene oxide, and an inorganic solid electrolyte such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 can be used.

バインダーは、負極13を構成する材料の結着性を向上させるために用いられる。バインダーとして、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミドなどの高分子材料が使用されうる。   The binder is used for improving the binding property of the material constituting the negative electrode 13. As a binder, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, polytetrafluoroethylene, carboxymethylcellulose, polyacrylic acid, styrene-butadiene copolymer rubber, polypropylene, Polymer materials such as polyethylene and polyimide can be used.

負極集電体11として、ステンレス鋼、ニッケル、銅、それらの合金などの金属材料で作られたシート又はフィルムが使用されうる。シート又はフィルムは、多孔質であってもよく、無孔であってもよい。シート又はフィルムとして、金属箔、金属メッシュなどが用いられる。負極集電体11の表面には、カーボンなどの炭素材料が導電性補助材料として塗布されていてもよい。この場合、抵抗値が低減されたり、触媒効果が付与されたり、負極活物質層12と負極集電体11とを化学的又は物理的に結合させることによって負極活物質層12と負極集電体11との結合力が強化されたりする。   As the negative electrode current collector 11, a sheet or a film made of a metal material such as stainless steel, nickel, copper, or an alloy thereof can be used. The sheet or film may be porous or non-porous. As the sheet or film, a metal foil, a metal mesh or the like is used. A carbon material such as carbon may be applied to the surface of the negative electrode current collector 11 as a conductive auxiliary material. In this case, the resistance value is reduced, the catalytic effect is imparted, or the negative electrode active material layer 12 and the negative electrode current collector 11 are chemically or physically bonded to each other to thereby form the negative electrode active material layer 12 and the negative electrode current collector. 11 is strengthened.

正極活物質層15は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む。正極活物質層15は、必要に応じて、導電助剤、イオン伝導体、バインダーなどを含んでいてもよい。導電助剤、イオン伝導体及びバインダーとして、負極活物質層12に使用可能な材料と同じ材料を正極活物質層15に使用できる。   The positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions. The positive electrode active material layer 15 may contain a conductive additive, an ionic conductor, a binder, and the like as necessary. The same materials as those usable for the negative electrode active material layer 12 can be used for the positive electrode active material layer 15 as the conductive assistant, the ionic conductor, and the binder.

正極活物質として、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属フッ化物、ポリアニオン材料、フッ素化ポリアニオン材料、遷移金属硫化物などが使用されうる。製造コストが安く、平均放電電圧が高いことから、リチウム含有遷移金属酸化物が望ましい。   As the positive electrode active material, lithium-containing transition metal oxides, transition metal fluorides, polyanion materials, fluorinated polyanion materials, transition metal sulfides, and the like can be used. Lithium-containing transition metal oxides are desirable because of low manufacturing costs and high average discharge voltage.

正極集電体14として、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、それらの合金などの金属材料で作られたシート又はフィルムを使用できる。アルミニウム及びその合金は、安価で薄膜化しやすいので正極集電体14の材料に適している。シート又はフィルムは、多孔質であってもよく、無孔であってもよい。シート又はフィルムとして、金属箔、金属メッシュなどが用いられる。正極集電体14の表面には、カーボンなどの炭素材料が導電性補助材料として塗布されていてもよい。この場合、抵抗値が低減されたり、触媒効果が付与されたり、正極活物質層15と正極集電体14とを化学的又は物理的に結合させることによって正極活物質層15と正極集電体14との結合力が強化されたりする。   As the positive electrode current collector 14, a sheet or film made of a metal material such as aluminum, stainless steel, titanium, or an alloy thereof can be used. Aluminum and its alloys are suitable for the material of the positive electrode current collector 14 because they are inexpensive and easily thin. The sheet or film may be porous or non-porous. As the sheet or film, a metal foil, a metal mesh or the like is used. A carbon material such as carbon may be applied to the surface of the positive electrode current collector 14 as a conductive auxiliary material. In this case, the resistance value is reduced, the catalytic effect is imparted, or the positive electrode active material layer 15 and the positive electrode current collector 14 are chemically or physically combined to form the positive electrode active material layer 15 and the positive electrode current collector. 14 is strengthened.

電池10は、さらに、電解質を含む。電解質は、非水電解質であってもよい。電解質として、リチウム塩と非水溶媒とを含む電解液、ゲル電解質、固体電解質などが使用されうる。電解質が液体であるとき、電解質は、負極13、正極16及びセパレータ17のそれぞれに含浸されている。電解質が固体であるとき、セパレータ17がその電解質で構成されうる。固体の電解質は、負極13に含まれていてもよく、正極16に含まれていてもよい。   Battery 10 further includes an electrolyte. The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte. As the electrolyte, an electrolytic solution containing a lithium salt and a nonaqueous solvent, a gel electrolyte, a solid electrolyte, or the like can be used. When the electrolyte is a liquid, the electrolyte is impregnated in each of the negative electrode 13, the positive electrode 16, and the separator 17. When the electrolyte is solid, the separator 17 can be composed of the electrolyte. The solid electrolyte may be included in the negative electrode 13 or may be included in the positive electrode 16.

リチウム塩として、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(SO2CF32)、ビスパーフルオロエチルスルホニルイミドリチウム(LiN(SO2252)、ビスフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(SO2F)2)、LiAsF6、LiCF3SO3、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウムなどが使用されうる。これらの電解質塩から選ばれる1種を用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。電池10の安全性、熱安定性及びイオン伝導性の観点から、LiPF6が望ましい。 As lithium salts, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ), Bisperfluoroethylsulfonylimide lithium (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ), bisfluoromethylsulfonylimide lithium (LiN (SO 2 F) 2 ), LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , difluoro (oxalato) Lithium borate or the like can be used. One kind selected from these electrolyte salts may be used, or two or more kinds may be used in combination. From the viewpoint of safety, thermal stability and ion conductivity of the battery 10, LiPF 6 is desirable.

非水溶媒として、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル、環状エーテル、鎖状エーテル、ニトリル、アミドなどが使用されうる。これらの溶媒から選ばれる1種を用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   As the non-aqueous solvent, cyclic carbonate, chain carbonate, ester, cyclic ether, chain ether, nitrile, amide and the like can be used. One kind selected from these solvents may be used, or two or more kinds may be used in combination.

環状炭酸エステルとして、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などが使用されうる。これらの化合物において、水素原子の一部又は全部がフッ素で置換されていてもよい。フッ素置換された環状炭酸エステルとして、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネートなどが使用されうる。   As the cyclic carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, or the like can be used. In these compounds, some or all of the hydrogen atoms may be substituted with fluorine. As the fluorine-substituted cyclic carbonate, trifluoropropylene carbonate, fluoroethyl carbonate, or the like can be used.

鎖状炭酸エステルとして、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネートなどが使用されうる。これらの化合物において、水素原子の一部又は全部がフッ素で置換されていてもよい。   As the chain carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate and the like can be used. In these compounds, some or all of the hydrogen atoms may be substituted with fluorine.

エステルとして、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトンなどが使用されうる。   As the ester, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone and the like can be used.

環状エーテルとして、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテルなどが使用されうる。   1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,4-dioxane, 1,3,5-trioxane as cyclic ether , Furan, 2-methylfuran, 1,8-cineol, crown ether, and the like can be used.

鎖状エーテルとして、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルなどが使用されうる。   As chain ether, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl phenyl ether, Methoxytoluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, 1,1-dimethoxy Methane, 1,1-diethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene It recalls dimethyl may be used.

ニトリルとして、アセトニトリルなどが使用されうる。   As the nitrile, acetonitrile or the like can be used.

アミドとして、ジメチルホルムアミドなどが使用されうる。   As the amide, dimethylformamide or the like can be used.

固体電解質として、有機ポリマー固体電解質、酸化物固体電解質、硫化物固体電解質などが使用されうる。   As the solid electrolyte, an organic polymer solid electrolyte, an oxide solid electrolyte, a sulfide solid electrolyte, or the like can be used.

有機ポリマー固体電解質として、高分子とリチウム塩との化合物が使用されうる。高分子はエチレンオキシド構造を有していてもよい。高分子がエチレンオキシド構造を有している場合、有機ポリマー固体電解質はリチウム塩を多く含有することができ、有機ポリマー固体電解質のイオン導電率が高まる。   A compound of a polymer and a lithium salt can be used as the organic polymer solid electrolyte. The polymer may have an ethylene oxide structure. When the polymer has an ethylene oxide structure, the organic polymer solid electrolyte can contain a large amount of lithium salt, and the ionic conductivity of the organic polymer solid electrolyte is increased.

酸化物固体電解質として、LiTi2(PO43及びその元素置換体を代表とするNASICON型固体電解質、(LaLi)TiO3系のペロブスカイト型固体電解質、Li14ZnGe416、Li4SiO4、LiGeO4及びそれらの元素置換体を代表とするLISICON型固体電解質、Li7La3Zr212及びその元素置換体を代表とするガーネット型固体電解質、Li3N及びそのH置換体、Li3PO4及びそのN置換体などが使用されうる。 As an oxide solid electrolyte, a NASICON solid electrolyte typified by LiTi 2 (PO 4 ) 3 and its element substitution, a (LaLi) TiO 3 perovskite solid electrolyte, Li 14 ZnGe 4 O 16 , Li 4 SiO 4 LISICON type solid electrolytes typified by LiGeO 4 and their element substitutions, garnet type solid electrolytes typified by Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and its element substitutions, Li 3 N and its H substitutions, Li 3 PO 4 and its N-substituted product can be used.

硫化物固体電解質として、Li2S−P25、Li2S−SiS2、Li2S−B23、Li2S−GeS2、Li3.25Ge0.250.754、Li10GeP212などが使用されうる。これらの硫化物材料にLiX(X:F、Cl、Br、I)、MOp、LiqMOp(M:P、Si、Ge、B、Al、Ga又はIn)(p、q:自然数)などが添加されてもよい。 As a sulfide solid electrolyte, Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—GeS 2 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , Li 10 GeP such as 2 S 12 can be used. These sulfide materials include LiX (X: F, Cl, Br, I), MO p , Li q MO p (M: P, Si, Ge, B, Al, Ga, or In) (p, q: natural number) Etc. may be added.

硫化物固体電解質は、成形性に富み、高いイオン伝導性を有する。そのため、固体電解質として、硫化物固体電解質を用いることで、より高いエネルギー密度を有する電池10を実現できる。硫化物固体電解質の中でも、Li2S−P25は、高い電気化学的安定性及び高いイオン伝導性を有する。固体電解質として、Li2S−P25を使用すれば、より高いエネルギー密度を有する電池10を実現できる。 The sulfide solid electrolyte is rich in moldability and has high ionic conductivity. Therefore, the battery 10 which has a higher energy density is realizable by using a sulfide solid electrolyte as a solid electrolyte. Among sulfide solid electrolytes, Li 2 S—P 2 S 5 has high electrochemical stability and high ionic conductivity. If Li 2 S—P 2 S 5 is used as the solid electrolyte, the battery 10 having a higher energy density can be realized.

電池10の形状は特に限定されない。電池10の形状には、コイン型、円筒型、角型、シート型、ボタン型、扁平型、積層型などの種々の形状が採用されうる。   The shape of the battery 10 is not particularly limited. Various shapes such as a coin shape, a cylindrical shape, a square shape, a sheet shape, a button shape, a flat shape, and a laminated shape can be adopted as the shape of the battery 10.

以下の実施例は一例であって、本開示は以下の実施例のみに限定されない。   The following example is an example, and the present disclosure is not limited to the following example.

(サンプル1)
[負極活物質の作製]
平均粒径が1μmの黒鉛粉末と、水素化ストロンチウム粉末と、ホウ素粉末とをメノウ乳鉢を用いて粉砕及び混合し、原料混合物を得た。水素化ストロンチウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で93.4%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で22.5%であった。
(Sample 1)
[Production of negative electrode active material]
Graphite powder having an average particle diameter of 1 μm, strontium hydride powder, and boron powder were pulverized and mixed using an agate mortar to obtain a raw material mixture. The amount of strontium hydride powder was 93.4% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 22.5% in terms of mass with respect to graphite powder.

Ar雰囲気の焼成炉(Arガス流量1L/min)に原料混合物を入れ、焼成炉の内部の温度を室温から毎分5℃の速度で1800℃に到達するまで昇温し、1800℃で5時間保持した。その後、加熱を停止し、自然冷却後に焼成炉から焼成物を取り出した。焼成物をメノウ乳鉢で粉砕し、サンプル1の負極活物質の粉末を得た。   The raw material mixture is put in a firing furnace (Ar gas flow rate 1 L / min) in an Ar atmosphere, and the temperature inside the firing furnace is increased from room temperature to 1800 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute, and then at 1800 ° C. for 5 hours. Retained. Then, heating was stopped and the fired product was taken out from the firing furnace after natural cooling. The fired product was pulverized in an agate mortar to obtain a negative electrode active material powder of Sample 1.

[負極活物質の分析]
デスクトップX線回折装置(リガク社製MiniFlex300/600)を用い、サンプル1の負極活物質の粉末X線回折測定を行った。サンプル1の負極活物質は、層状構造を主相として有していた。層状構造は、炭素及びホウ素によって構成され、層状構造の層間にストロンチウムが存在していた。
[Analysis of negative electrode active material]
Using a desktop X-ray diffractometer (MiniFlex300 / 600 manufactured by Rigaku Corporation), powder X-ray diffraction measurement of the negative electrode active material of Sample 1 was performed. The negative electrode active material of Sample 1 had a layered structure as the main phase. The layered structure was composed of carbon and boron, and strontium was present between the layers of the layered structure.

誘導結合プラズマ発光分光分析装置(Spectro社製CIROS-120)を用い、サンプル1の負極活物質の組成を調べた。サンプル1の負極活物質の組成は、Sr0.070.190.74であり、比率B/(B+C)は19.56%であった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 1 was examined using an inductively coupled plasma emission spectrometer (CIROS-120 manufactured by Spectro). The composition of the negative electrode active material of Sample 1 was Sr 0.07 B 0.19 C 0.74 , and the ratio B / (B + C) was 19.56%.

X線光電子分光分析装置(アルバックファイ社製PHI5600)を用い、サンプル1の負極活物質のXPSスペクトルを得た。X線源はAl(AlKα)であった。184.0〜196.5eVの束縛エネルギーの範囲のXPSスペクトルを得た。先に説明した方法によって、得られたXPSスペクトルに存在する全てのピークのピーク面積を算出した。これらのピーク面積の合計S1を算出した。得られたXPSスペクトルに存在するピークのうち、187.0〜188.5eVの束縛エネルギーの範囲に現れたピークのピーク面積S2を算出した。比率(S2/S1)から、サンプル1の負極活物質に含まれた全てのホウ素のうち、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、48.81%であった。   An XPS spectrum of the negative electrode active material of Sample 1 was obtained using an X-ray photoelectron spectrometer (PHI5600 manufactured by ULVAC-PHI). The X-ray source was Al (AlKα). XPS spectra were obtained in the range of binding energy from 184.0 to 196.5 eV. The peak areas of all peaks present in the obtained XPS spectrum were calculated by the method described above. The total S1 of these peak areas was calculated. Among the peaks present in the obtained XPS spectrum, the peak area S2 of the peak that appeared in the bound energy range of 187.0 to 188.5 eV was calculated. From the ratio (S2 / S1), among all the boron contained in the negative electrode active material of Sample 1, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 48.81% in atomic ratio.

[試験電極の作製]
サンプル1の負極活物質と、導電助剤としてのアセチレンブラックと、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデンとをメノウ乳鉢を用いて十分に混合した。これにより、負極合剤を得た。負極活物質とアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとの質量比は7:2:1であった。負極合剤をNMP溶媒に分散させ、スラリーを作製した。塗工機を用いて、スラリーをCu集電体上に塗布した。Cu集電体上の塗膜を乾燥させ、極板を得た。極板を圧延機で圧延したのち、直径20mmの正方形の形状に打ち抜いた。正方形の形状の極板にリード端子を取り付けて、サンプル1の試験電極を得た。
[Production of test electrode]
The negative electrode active material of Sample 1, acetylene black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride as a binder were sufficiently mixed using an agate mortar. Thereby, a negative electrode mixture was obtained. The mass ratio of the negative electrode active material, acetylene black, and polyvinylidene fluoride was 7: 2: 1. The negative electrode mixture was dispersed in an NMP solvent to prepare a slurry. The slurry was apply | coated on Cu current collector using the coating machine. The coating film on the Cu current collector was dried to obtain an electrode plate. After rolling the electrode plate with a rolling mill, it was punched into a square shape with a diameter of 20 mm. A lead terminal was attached to a square electrode plate to obtain a test electrode of Sample 1.

[評価用セルの作製]
サンプル1の試験電極と、リチウム金属製の対極と、リチウム金属製の参照極とを用いてリチウム二次電池(評価用セル)を以下に説明する方法で作製した。電解液の調製及び評価用セルの作製は、露点−60度以下、酸素値1ppm以下のAr雰囲気のグローブボックス内で行った。
[Production of evaluation cell]
A lithium secondary battery (evaluation cell) was prepared by the method described below using the test electrode of Sample 1, a counter electrode made of lithium metal, and a reference electrode made of lithium metal. The electrolytic solution was prepared and the evaluation cell was produced in a glove box having an Ar atmosphere with a dew point of −60 degrees or less and an oxygen value of 1 ppm or less.

エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジメチルカーボネートとを5:70:25の体積比で混合し、混合溶媒を得た。この混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.4mol/リットルの濃度で溶解させ、電解液を得た。一辺が20mmの正方形のニッケルメッシュにリチウム金属箔を圧着させ、対極を得た。ポリエチレン微多孔膜のセパレータに電解液を含浸させた。試験電極と対極との間にセパレータを配置し、試験電極と対極とを対向させた。試験電極、対極及びセパレータを外装に収容し、外装を封口した。これにより、サンプル1の評価用セルを得た。 Ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, and dimethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 5:70:25 to obtain a mixed solvent. Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in this mixed solvent at a concentration of 1.4 mol / liter to obtain an electrolytic solution. A lithium metal foil was pressure-bonded to a square nickel mesh having a side of 20 mm to obtain a counter electrode. A separator of a polyethylene microporous membrane was impregnated with an electrolytic solution. A separator was disposed between the test electrode and the counter electrode, and the test electrode and the counter electrode were opposed to each other. The test electrode, the counter electrode, and the separator were accommodated in the exterior, and the exterior was sealed. Thereby, an evaluation cell of Sample 1 was obtained.

[充放電試験]
サンプル1の評価用セルの充放電試験を行い、充放電特性を評価した。充放電試験は25℃の恒温槽内で行った。充放電試験では、評価用セルを充電し、20分間休止した後、評価用セルを放電させた。1cm2の試験電極あたり5mAの定電流にて、試験電極と参照極との電位差が0Vに達するまで充電した。その後、1cm2の試験電極あたり5mAの定電流にて、試験電極と参照極との電位差が2Vに達するまで放電させた。サンプル1の負極活物質の反応電位は1.40Vであり、初回放電容量は299mAh/gであった。
[Charge / discharge test]
The charge / discharge test of the evaluation cell of Sample 1 was performed to evaluate the charge / discharge characteristics. The charge / discharge test was performed in a constant temperature bath at 25 ° C. In the charge / discharge test, the evaluation cell was charged and rested for 20 minutes, and then the evaluation cell was discharged. The battery was charged at a constant current of 5 mA per 1 cm 2 test electrode until the potential difference between the test electrode and the reference electrode reached 0V. Thereafter, discharging was performed at a constant current of 5 mA per 1 cm 2 of the test electrode until the potential difference between the test electrode and the reference electrode reached 2V. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 1 was 1.40 V, and the initial discharge capacity was 299 mAh / g.

(サンプル2)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル1と同じ方法でサンプル2の負極活物質を作製した。サンプル2において、水素化ストロンチウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で74.7%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で18.0%であった。
(Sample 2)
A negative electrode active material of Sample 2 was produced in the same manner as Sample 1, except that the ratio of raw materials was changed. In Sample 2, the amount of strontium hydride powder was 74.7% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 18.0% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル2の負極活物質のXRD測定の結果を図2に示す。図2において、四角印で示されたピークは、黒鉛類似化合物の層状構造に由来するピークである。サンプル9の回折パターンにおいて、三角印で示されたピークは、六ホウ化物に由来するピークである。サンプル2の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にストロンチウムが含有されていた。サンプル2において、不純物の生成は確認されなかった。   The result of the XRD measurement of the negative electrode active material of Sample 2 is shown in FIG. In FIG. 2, the peak indicated by a square mark is a peak derived from the layered structure of the graphite-like compound. In the diffraction pattern of sample 9, the peak indicated by a triangle is a peak derived from hexaboride. The negative electrode active material of Sample 2 had a layered structure composed of carbon and boron. Strontium was contained between the layers of the layered structure. In sample 2, the generation of impurities was not confirmed.

各サンプルが層状構造を有しているかどうかは、次の方法で判断した。まず、結晶構造描画ツール“VESTA”を用いて炭素及びホウ素によって構成された炭素六角網面の層間にSr又はBa原子が挿入された構造のモデルを作成した。次に、リートベルト解析ツール“Rietan-FP”を用い、そのモデルのXRDスペクトルをシミュレーションした。結果を図2に示す。実際の測定結果がシミュレーション結果と比較して良く一致していた場合、各サンプルの負極活物質が層状構造を有していると判断した。   Whether each sample has a layered structure was determined by the following method. First, using a crystal structure drawing tool “VESTA”, a model of a structure in which Sr or Ba atoms were inserted between layers of carbon hexagonal network composed of carbon and boron was created. Next, the XRD spectrum of the model was simulated using a Rietveld analysis tool “Rietan-FP”. The results are shown in FIG. When the actual measurement results were in good agreement with the simulation results, it was determined that the negative electrode active material of each sample had a layered structure.

サンプル2の負極活物質の組成は、Sr0.060.150.84であり、比率B/(B+C)は15.15%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、56.80%であった。サンプル2の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル2の負極活物質の反応電位は1.02Vであり、初回放電容量は308mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 2 was Sr 0.06 B 0.15 C 0.84 , and the ratio B / (B + C) was 15.15%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 56.80% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 2, a test electrode and an evaluation cell were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 2 was 1.02 V, and the initial discharge capacity was 308 mAh / g.

図3は、サンプル2の負極活物質のピーク分離後のB1sXPSスペクトルである。サンプル2において、184.0〜196.5eVの束縛エネルギーの範囲に5つのピークが現れた(ピークNo.1〜5)。まず、全てのピーク(ピークNo.1〜5)のピーク面積を算出し、それらの合計を算出した。次に、187.0〜188.5eVの束縛エネルギーの範囲に現れたピーク(ピークNo.1)のピーク面積を算出した。ピーク面積の合計S1に対する、No.1のピークのピーク面積S2の比率(S2/S1)は、56.80%であった。ピーク面積の合計に対する、各ピークのピーク面積の比率は、図3に示す通りであった。   FIG. 3 is a B1sXPS spectrum after peak separation of the negative electrode active material of Sample 2. In sample 2, five peaks appeared in the binding energy range of 184.0 to 196.5 eV (peak Nos. 1 to 5). First, the peak areas of all the peaks (peak Nos. 1 to 5) were calculated, and the sum thereof was calculated. Next, the peak area of the peak (peak No. 1) that appeared in the bound energy range of 187.0 to 188.5 eV was calculated. No. for the total peak area S1. The ratio of the peak area S2 of the peak 1 (S2 / S1) was 56.80%. The ratio of the peak area of each peak to the total peak area was as shown in FIG.

(サンプル3)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル1と同じ方法でサンプル3の負極活物質を作製した。サンプル3において、水素化ストロンチウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で62.2%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で15.0%であった。
(Sample 3)
A negative electrode active material of Sample 3 was produced in the same manner as Sample 1, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 3, the amount of strontium hydride powder was 62.2% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 15.0% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル3の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にストロンチウムが含有されていた。サンプル3において、不純物として少量の黒鉛の生成が確認された。   The negative electrode active material of Sample 3 had a layered structure composed of carbon and boron. Strontium was contained between the layers of the layered structure. In Sample 3, a small amount of graphite was confirmed as an impurity.

サンプル3の負極活物質の組成は、Sr0.060.130.83であり、比率B/(B+C)は13.13%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、52.20%であった。サンプル3の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル3の負極活物質の反応電位は0.93Vであり、初回放電容量は321mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 3 was Sr 0.06 B 0.13 C 0.83 , and the ratio B / (B + C) was 13.13%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 52.20% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 3, test electrodes and evaluation cells were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 3 was 0.93 V, and the initial discharge capacity was 321 mAh / g.

(サンプル4)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル1と同じ方法でサンプル4の負極活物質を作製した。サンプル4において、水素化ストロンチウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で53.3%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で12.9%であった。
(Sample 4)
A negative electrode active material of Sample 4 was produced in the same manner as Sample 1, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 4, the amount of strontium hydride powder was 53.3% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 12.9% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル4の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にストロンチウムが含有されていた。サンプル4において、不純物として少量の黒鉛の生成が確認された。   The negative electrode active material of Sample 4 had a layered structure composed of carbon and boron. Strontium was contained between the layers of the layered structure. In sample 4, the production of a small amount of graphite as an impurity was confirmed.

サンプル4の負極活物質の組成は、Sr0.040.100.85であり、比率B/(B+C)は10.40%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、50.10%であった。サンプル4の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル4の負極活物質の反応電位は0.82Vであり、初回放電容量は329mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 4 was Sr 0.04 B 0.10 C 0.85 , and the ratio B / (B + C) was 10.40%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 50.10% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 4, test electrodes and evaluation cells were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 4 was 0.82 V, and the initial discharge capacity was 329 mAh / g.

(サンプル5)
水素化ストロンチウム粉末に代えて水素化バリウム粉末を使用したことを除き、サンプル1と同じ方法でサンプル5の負極活物質を作製した。サンプル5において、水素化バリウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で145.1%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で22.5%であった。
(Sample 5)
A negative electrode active material of Sample 5 was prepared in the same manner as Sample 1, except that barium hydride powder was used instead of strontium hydride powder. In Sample 5, the amount of barium hydride powder was 145.1% in terms of mass with respect to the graphite powder. The amount of boron powder was 22.5% in terms of mass with respect to graphite powder.

サンプル5の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にバリウムが含有されていた。サンプル5において、不純物として少量のホウ化バリウムの生成が確認された。   The negative electrode active material of Sample 5 had a layered structure composed of carbon and boron. Barium was contained between the layers of the layered structure. In Sample 5, the production of a small amount of barium boride as an impurity was confirmed.

サンプル5の負極活物質の組成は、Ba0.090.130.76であり、比率B/(B+C)は16.82%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、40.05%であった。サンプル5の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル5の負極活物質の反応電位は1.78Vであり、初回放電容量は174mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 5 was Ba 0.09 B 0.13 C 0.76 , and the ratio B / (B + C) was 16.82%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 40.05% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 5, test electrodes and evaluation cells were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 5 was 1.78 V, and the initial discharge capacity was 174 mAh / g.

(サンプル6)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル5と同じ方法でサンプル6の負極活物質を作製した。サンプル6において、水素化バリウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で116.1%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で18.4%であった。
(Sample 6)
A negative electrode active material of Sample 6 was produced in the same manner as Sample 5, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 6, the amount of barium hydride powder was 116.1% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 18.4% in terms of mass with respect to graphite powder.

サンプル6の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にバリウムが含有されていた。サンプル6において、不純物の生成は確認されなかった。   The negative electrode active material of Sample 6 had a layered structure composed of carbon and boron. Barium was contained between the layers of the layered structure. In Sample 6, the generation of impurities was not confirmed.

サンプル6の負極活物質の組成は、Ba0.070.120.81であり、比率B/(B+C)は12.95%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、43.81%であった。サンプル6の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル6の負極活物質の反応電位は1.30Vであり、初回放電容量は176mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 6 was Ba 0.07 B 0.12 C 0.81 , and the ratio B / (B + C) was 12.95%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 43.81% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 6, a test electrode and an evaluation cell were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 6 was 1.30 V, and the initial discharge capacity was 176 mAh / g.

(サンプル7)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル5と同じ方法でサンプル7の負極活物質を作製した。サンプル7において、水素化バリウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で96.8%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で15.0%であった。
(Sample 7)
A negative electrode active material of Sample 7 was produced in the same manner as Sample 5, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 7, the amount of barium hydride powder was 96.8% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 15.0% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル7の負極活物質のXRD測定の結果を図2に示す。サンプル7の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にバリウムが含有されていた。サンプル7において、不純物の生成は確認されなかった。   The result of the XRD measurement of the negative electrode active material of Sample 7 is shown in FIG. The negative electrode active material of Sample 7 had a layered structure composed of carbon and boron. Barium was contained between the layers of the layered structure. In sample 7, the generation of impurities was not confirmed.

サンプル7の負極活物質の組成は、Ba0.060.100.83であり、比率B/(B+C)は10.79%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、40.20%であった。サンプル7の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル7の負極活物質の反応電位は0.83Vであり、初回放電容量は181mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 7 was Ba 0.06 B 0.10 C 0.83 , and the ratio B / (B + C) was 10.79%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 40.20% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 7, test electrodes and evaluation cells were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 7 was 0.83 V, and the initial discharge capacity was 181 mAh / g.

(サンプル8)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル5と同じ方法でサンプル8の負極活物質を作製した。サンプル8において、水素化バリウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で82.9%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で12.9%であった。
(Sample 8)
A negative electrode active material of Sample 8 was produced in the same manner as Sample 5, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 8, the amount of barium hydride powder was 82.9% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 12.9% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル8の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にバリウムが含有されていた。サンプル8において、不純物として少量の黒鉛の生成が確認された。   The negative electrode active material of Sample 8 had a layered structure composed of carbon and boron. Barium was contained between the layers of the layered structure. In Sample 8, the production of a small amount of graphite as an impurity was confirmed.

サンプル8の負極活物質の組成は、Ba0.050.090.86であり、比率B/(B+C)は9.04%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、41.32%であった。サンプル8の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル8の負極活物質の反応電位は0.79Vであり、初回放電容量は201mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 8 was Ba 0.05 B 0.09 C 0.86 , and the ratio B / (B + C) was 9.04%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 41.32% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 8, a test electrode and an evaluation cell were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 8 was 0.79 V, and the initial discharge capacity was 201 mAh / g.

(サンプル9)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル1と同じ方法でサンプル9の負極活物質を作製した。サンプル9において、水素化ストロンチウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で124.5%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で30.0%であった。
(Sample 9)
A negative electrode active material of Sample 9 was produced in the same manner as Sample 1, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 9, the amount of strontium hydride powder was 124.5% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 30.0% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル9の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を主相として有していた。層状構造の層間にストロンチウムが含有されていた。   The negative electrode active material of Sample 9 had a layered structure composed of carbon and boron as the main phase. Strontium was contained between the layers of the layered structure.

サンプル9の負極活物質の組成は、Sr0.090.210.70であり、比率B/(B+C)は23.86%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、39.91%であった。サンプル9の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル9の負極活物質の反応電位は1.54Vであり、初回放電容量は227mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 9 was Sr 0.09 B 0.21 C 0.70 , and the ratio B / (B + C) was 23.86%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 39.91% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 9, test electrodes and evaluation cells were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 9 was 1.54 V, and the initial discharge capacity was 227 mAh / g.

(サンプル10)
原料の比率を変更したことを除き、サンプル5と同じ方法でサンプル10の負極活物質を作製した。サンプル10において、水素化バリウム粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で193.5%であった。ホウ素粉末の量は、黒鉛粉末に対する質量換算で30.0%であった。
(Sample 10)
A negative electrode active material of Sample 10 was produced in the same manner as Sample 5, except that the ratio of the raw materials was changed. In Sample 10, the amount of barium hydride powder was 193.5% in terms of mass relative to the graphite powder. The amount of boron powder was 30.0% in terms of mass relative to graphite powder.

サンプル10の負極活物質は、炭素及びホウ素によって構成された層状構造を有していた。層状構造の層間にバリウムが含有されていた。サンプル10において、不純物として少量のホウ化バリウムの生成が確認された。   The negative electrode active material of Sample 10 had a layered structure composed of carbon and boron. Barium was contained between the layers of the layered structure. In Sample 10, the production of a small amount of barium boride as an impurity was confirmed.

サンプル10の負極活物質の組成は、Ba0.110.220.67であり、比率B/(B+C)は24.58%であった。XPS測定の結果から、炭素層に固溶したホウ素の割合を算出した。炭素層に固溶したホウ素の割合は、原子比にて、32.40%であった。サンプル10の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル10の負極活物質の反応電位は1.65Vであり、初回放電容量は114mAh/gであった。 The composition of the negative electrode active material of Sample 10 was Ba 0.11 B 0.22 C 0.67 , and the ratio B / (B + C) was 24.58%. From the result of XPS measurement, the ratio of boron dissolved in the carbon layer was calculated. The proportion of boron dissolved in the carbon layer was 32.40% in atomic ratio. Using the negative electrode active material of Sample 10, a test electrode and an evaluation cell were prepared in the same manner as Sample 1, and the charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 10 was 1.65 V, and the initial discharge capacity was 114 mAh / g.

(サンプル11)
公知の方法で作製したL4512をサンプル11の負極活物質として用いた。サンプル11の負極活物質を用い、サンプル1と同じ方法で試験電極及び評価用セルを作製し、充放電特性を評価した。サンプル11の負極活物質の反応電位は1.57Vであり、初回放電容量は172mAh/gであった。
(Sample 11)
L 4 T 5 O 12 produced by a known method was used as the negative electrode active material of Sample 11. Using the negative electrode active material of Sample 11, test electrodes and evaluation cells were prepared in the same manner as Sample 1, and charge / discharge characteristics were evaluated. The reaction potential of the negative electrode active material of Sample 11 was 1.57 V, and the initial discharge capacity was 172 mAh / g.

Figure 2019023969
Figure 2019023969

表1に示すように、ホウ素の固溶量が増加すると反応電位が増加した。ただし、炭素層に固溶したホウ素の比率が低い場合は、反応電位の増加する割合が小さかった。このことは、炭素層に固溶したホウ素によってリチウムイオンの吸蔵及び放出の反応電位が増加する一方、それ以外の存在状態のホウ素は同様の効果をもたらさないことを示唆している。   As shown in Table 1, the reaction potential increased as the solid solution amount of boron increased. However, when the ratio of boron dissolved in the carbon layer was low, the rate at which the reaction potential increased was small. This suggests that the reaction potential of occlusion and release of lithium ions is increased by boron dissolved in the carbon layer, while other existing boron does not have the same effect.

ホウ素の含有量が増加すると、層状構造を安定に維持するために必要なストロンチウム又はバリウムの量も増加する。ストロンチウム又はバリウムは、リチウムイオンの吸蔵サイトと競合する位置に存在するため、これらの比率が高すぎると、吸蔵可能なリチウムイオンの量が減少する。すなわち、放電容量が低下する。比率B/(B+C)を適切に調整することによって、高い反応電位と放電容量とを両立することができる。   As the boron content increases, the amount of strontium or barium required to maintain a stable layered structure also increases. Since strontium or barium is present at a position competing with the lithium ion storage site, if these ratios are too high, the amount of lithium ions that can be stored decreases. That is, the discharge capacity decreases. By appropriately adjusting the ratio B / (B + C), both a high reaction potential and a discharge capacity can be achieved.

本開示の負極活物質は、例えば、リチウム二次電池などの電池の負極活物質として有用である。   The negative electrode active material of the present disclosure is useful as a negative electrode active material of a battery such as a lithium secondary battery.

10 電池
11 負極集電体
12 負極活物質層
13 負極
14 正極集電体
15 正極活物質層
16 正極
17 セパレータ
18 外装
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Battery 11 Negative electrode collector 12 Negative electrode active material layer 13 Negative electrode 14 Positive electrode collector 15 Positive electrode active material layer 16 Positive electrode 17 Separator 18 Exterior

Claims (8)

炭素とホウ素とによって構成された層状構造と、
ストロンチウム又はバリウムと、
を備えた、負極活物質。
A layered structure composed of carbon and boron;
With strontium or barium,
A negative electrode active material comprising:
前記層状構造は、層間を有し、
前記ストロンチウム又は前記バリウムは、前記層間に存在する、請求項1に記載の負極活物質。
The layered structure has an interlayer,
The negative electrode active material according to claim 1, wherein the strontium or the barium is present between the layers.
X線光電子分光法によって前記負極活物質を分析したときに得られるスペクトルにおいて、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲にピークが存在する、請求項1又は2に記載の負極活物質。   3. The negative electrode active material according to claim 1, wherein a peak is present in a binding energy range of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less in a spectrum obtained when the negative electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy. . X線光電子分光法によって前記負極活物質を分析したときに得られるスペクトルにおいて、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に複数のピークが存在し、
前記複数のピークのうち、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークのピーク面積が最も大きい、請求項1〜3のいずれか1項に記載の負極活物質。
In the spectrum obtained when the negative electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, there are a plurality of peaks in the bound energy range of 184.0 eV or more and 196.5 eV or less,
4. The negative electrode active material according to claim 1, wherein a peak area of a peak appearing in a bound energy range of 187.0 eV or more and 188.5 eV or less is the largest among the plurality of peaks.
X線光電子分光法によって前記負極活物質を分析したときに得られるスペクトルにおいて、184.0eV以上196.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れる全てのピークのピーク面積の合計をS1、187.0eV以上188.5eV以下の束縛エネルギーの範囲に現れるピークのピーク面積をS2と定義したとき、
比率S2/S1が0.4以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の負極活物質。
In the spectrum obtained when the negative electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy, the sum of the peak areas of all peaks appearing in the bound energy range of 184.0 eV or more and 196.5 eV or less is S1, 187.0 eV or more. When the peak area of the peak appearing in the bound energy range of 188.5 eV or less is defined as S2,
The negative electrode active material according to claim 1, wherein the ratio S2 / S1 is 0.4 or more.
下記の組成式(1)で表される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の負極活物質。
xyz ・・・(1)
[式(1)中、Mは、ストロンチウム又はバリウムであり、
x、y及びzは、それぞれ、0よりも大きい値であり、
y/(y+z)≦0.2の関係が満たされる。]
The negative electrode active material according to claim 1, which is represented by the following composition formula (1).
M x B y C z ··· ( 1)
[In formula (1), M is strontium or barium;
x, y and z are each greater than 0;
The relationship y / (y + z) ≦ 0.2 is satisfied. ]
請求項1〜6のいずれか1項に記載の負極活物質を含む負極と、
正極と、
電解質と、
を備えた、電池。
A negative electrode comprising the negative electrode active material according to claim 1;
A positive electrode;
Electrolyte,
With a battery.
前記負極は、前記負極活物質を主成分として含む、請求項7に記載の電池。   The battery according to claim 7, wherein the negative electrode includes the negative electrode active material as a main component.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7435394B2 (en) 2020-10-06 2024-02-21 トヨタ自動車株式会社 Negative electrode active material, method for producing negative electrode active material, and lithium ion battery
CN116706076A (en) * 2023-08-09 2023-09-05 宁德新能源科技有限公司 Negative electrode material, negative electrode plate, electrochemical device and electronic device
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