JP2019067579A - Lithium ion secondary battery and negative electrode material for lithium ion secondary battery - Google Patents

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

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千恵子 荒木
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Abstract

To provide a lithium ion secondary battery having long life and a negative electrode material used for the same.SOLUTION: A negative electrode material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery includes: composite particles having a structure where scale-like silicon particles are dispersed in a carbon material; and graphite-based particles. The carbon material is amorphous carbon or nano graphene, and the content of the composite particles with respect to the total amount of the composite particles and the graphite-based particles is 2 mass% or more and 50 mass% or less.SELECTED DRAWING: Figure 2A

Description

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

環境保護、省エネルギー等の観点から、エンジンとモーターとを動力源として併用するハイブリッド自動車が開発され、製品化されている。また、将来的には、燃料電池をエンジンの替わりに用いる燃料電池ハイブリッド自動車の開発も盛んになっている。   From the viewpoint of environmental protection, energy saving, etc., a hybrid vehicle using an engine and a motor together as a power source has been developed and commercialized. Further, in the future, development of a fuel cell hybrid vehicle that uses a fuel cell instead of an engine is also popular.

このハイブリッド自動車のエネルギー源として電気を繰返し充電放電可能な二次電池は、必須の技術である。なかでも、リチウムイオン二次電池は、その動作電圧が高く、高い出力を得やすい高エネルギー密度の特徴を有する電池であり、今後、電気自動車の電源として益々重要性が増している。電気自動車への用途では、更なる高容量及び高出力が求められるとともに長寿命であることが電池として重要視されている。これらの項目を実現する電池設計が重要となる。   A secondary battery capable of repeatedly charging and discharging electricity as an energy source of this hybrid vehicle is an essential technology. Among them, a lithium ion secondary battery is a battery having a feature of high energy density, which has a high operating voltage and can easily obtain a high output, and in the future, it is becoming more and more important as a power source of electric vehicles. In the application to electric vehicles, it is regarded as important as a battery that the further high capacity and high output are required and the long life is long. Battery design to realize these items is important.

リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、黒鉛系の炭素材料が広く用いられている。しかしながら、上記のように高容量を望まれているにもかかわらず、炭素を主体とする負極においては、炭素の理論容量が372mAhであるため、これ以上の容量を望むことが不可能である。   Graphite-based carbon materials are widely used as negative electrode active materials of lithium ion secondary batteries. However, although the high capacity is desired as described above, in the carbon-based negative electrode, since the theoretical capacity of carbon is 372 mAh, it is impossible to desire more capacity.

そこで、炭素以外の様々な理論容量の高い物質、特に金属粒子を負極に適用することが検討されてきている。   Therefore, application of various high theoretical capacity substances other than carbon, particularly metal particles, to the negative electrode has been studied.

例えば、特許文献1には、放電容量を高めることを目的として、黒鉛、非晶質炭素及び酸化珪素を電極活物質として有する非水電解質二次電池用電極を用いる技術が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a technique using an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having graphite, amorphous carbon and silicon oxide as an electrode active material, for the purpose of increasing the discharge capacity.

さらに、特許文献2には、少なくとも3種類の炭素材料を含有する非水系二次電池負極用炭素材であって、珪素元素を含む複合炭素粒子と、天然黒鉛粒子と、人造黒鉛粒子と、を含有する非水系二次電池負極用炭素材を用いた負極が開示されている。   Furthermore, Patent Document 2 discloses a carbon material for a non-aqueous secondary battery negative electrode containing at least three types of carbon materials, which is a composite carbon particle containing silicon element, a natural graphite particle, and an artificial graphite particle. The negative electrode using the carbon material for non-aqueous secondary battery negative electrodes to contain is disclosed.

特開2010−092834号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-092834 特開2015−164127号公報JP, 2015-164127, A

珪素(シリコン)は、理論容量が4197mAhであり、黒鉛に比べて11.3倍のリチウムを貯蔵できる魅力的な材料である。   Silicon is an attractive material that has a theoretical capacity of 4197 mAh and can store 11.3 times more lithium than graphite.

しかしながら、シリコン粒子にリチウムイオンを充填すると、体積が3.1倍程度に膨張するため、リチウムイオンの充填と放出を繰り返す間に、シリコン粒子が力学的に破壊される。その結果生じた微細シリコン粒子は、電気的に孤立する。また、破壊面に新しい電気化学的被覆層ができるため、不可逆容量が増加する。負極におけるこれらの現象により、電池の寿命特性が著しく低下する点で改善の余地がある。   However, when the silicon particles are filled with lithium ions, the volume expands to about 3.1 times, so the silicon particles are mechanically broken while repeating the lithium ion filling and discharging. The resulting fine silicon particles are electrically isolated. In addition, a new electrochemical coating layer is formed on the fracture surface, which increases the irreversible capacity. There is room for improvement in that these phenomena at the negative electrode significantly reduce the life characteristics of the battery.

本発明は、長寿命を有するリチウムイオン二次電池及びこれに用いる負極材料を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having a long life and an anode material used therefor.

本発明は、リチウムイオン二次電池の負極に用いられる負極材料であって、炭素材料に鱗片状シリコン粒子が分散した構成を有する複合粒子と、黒鉛系粒子と、を含み、炭素材料は、アモルファス炭素又はナノグラフェンであり、複合粒子及び黒鉛系粒子の合計量に対する複合粒子の含有量は、2質量%以上50質量%以下である。   The present invention is a negative electrode material for use in a negative electrode of a lithium ion secondary battery, comprising composite particles having a configuration in which scaly silicon particles are dispersed in a carbon material, and graphite-based particles, wherein the carbon material is amorphous It is carbon or nanographene, and the content of the composite particles is 2% by mass or more and 50% by mass or less based on the total amount of the composite particles and the graphite-based particles.

本発明によれば、長寿命を有するリチウムイオン二次電池用負極材料を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode material for lithium ion secondary batteries which has a long life can be provided.

実施例1の複合粒子について細孔容積の分布を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured distribution of pore volume about the composite particle of Example 1. FIG. 図1Aに対応する積算細孔容積の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the integral pore volume corresponding to FIG. 1A. 実施例1の複合粒子を模式的に示す図である。FIG. 2 is a view schematically showing a composite particle of Example 1. 図2Aのナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を示す拡大断面図である。FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of the nanographene coated scaly silicon particles of FIG. 2A. 実施例1の複合粒子の走査型電子顕微鏡画像である。3 is a scanning electron microscope image of the composite particles of Example 1. 実施例1の複合粒子の平滑断面を拡大した走査型電子顕微鏡画像である。It is the scanning electron microscope image to which the smooth cross section of the composite particle of Example 1 was expanded. 実施例の気相成長装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the vapor phase growth apparatus of an Example. 本発明の一実施形態に係る負極の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the negative electrode which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の内部構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the internal structure of the lithium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例2の複合粒子を模式的に示す図である。5 schematically shows a composite particle of Example 2. FIG. 図7Aのナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を示す拡大断面図である。FIG. 7B is an enlarged cross-sectional view of the nanographene coated scaly silicon particles of FIG. 7A. 実施例2の複合粒子の走査型電子顕微鏡画像である。5 is a scanning electron microscope image of the composite particles of Example 2. 実施例2の複合粒子の平滑断面を拡大した走査型電子顕微鏡画像である。7 is a scanning electron microscope image in which the smooth cross section of the composite particle of Example 2 is enlarged.

リチウムイオン二次電池に用いる負極は、負極材料及び結着材を含む負極合材を銅箔などの負極集電体に塗布することにより形成される。なお、電気抵抗の低減のために更に負極合材に導電材を加えてもよい。   The negative electrode used for a lithium ion secondary battery is formed by apply | coating negative electrode compound material containing negative electrode material and a binder on negative electrode collectors, such as copper foil. A conductive material may be further added to the negative electrode mixture in order to reduce the electrical resistance.

本発明の負極材料は、炭素材料に鱗片状シリコン粒子が分散した構成を有する複合粒子(以下単に「複合粒子」ともいう。)と、黒鉛系粒子と、を含む。言い換えると、黒鉛系粒子と、炭素及びシリコンの複合粒子と、を混合して用いている。   The negative electrode material of the present invention includes composite particles (hereinafter, also simply referred to as “composite particles”) having a configuration in which scaly silicon particles are dispersed in a carbon material, and graphite-based particles. In other words, graphite-based particles and composite particles of carbon and silicon are mixed and used.

黒鉛系粒子としては、天然黒鉛、天然黒鉛に乾式のCVD(Chemical Vapor Deposition)法や湿式のスプレイ法で形成される被膜を形成した複合炭素質材料、エポキシやフェノール等の樹脂原料若しくは石油や石炭から得られるピッチ系材料を原料として焼成して造られる人造黒鉛等を用いることができる。黒鉛系粒子としては、炭素002面の面間隔d002の広い材料が急速充放電や低温特性に優れ、好適である。   As the graphite-based particles, natural graphite, a composite carbonaceous material in which a film formed by natural chemical graphite by dry CVD (Chemical Vapor Deposition) method or wet spraying method is formed, resin raw material such as epoxy or phenol, or petroleum or coal The artificial graphite etc. which are manufactured by baking as a raw material the pitch type | system | group material obtained from these can be used. As the graphite-based particles, a material having a wide surface spacing d 002 of the carbon 002 plane is preferable because it is excellent in rapid charge / discharge and low temperature characteristics.

さらに、黒鉛系粒子としては、炭素002面の面間隔d002が0.3345nm以上0.338nm未満である黒鉛材料であることが望ましい。   Furthermore, it is desirable that the graphite-based particles be a graphite material in which the spacing d002 of the carbon 002 plane is 0.3345 nm or more and less than 0.338 nm.

また、電極を構成するには、黒鉛質、非晶質、活性炭などの導電性の高い炭素質材料を混合してもよい。   Moreover, in order to constitute an electrode, a highly conductive carbonaceous material such as graphitic, amorphous or activated carbon may be mixed.

また、黒鉛系粒子としては、次の(1)〜(3)の特徴を有する材料を用いてもよい。   Moreover, you may use the material which has the characteristic of following (1)-(3) as graphite type particle | grains.

(1)ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm−1の範囲にあるピーク強度(ID)とラマン分光スペクトルで測定される1580〜1620cm−1の範囲にあるピーク強度(IG)との強度比であるR値(ID/IG)が0.2以上0.4以下
(2)ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm−1の範囲にあるピークの半値幅Δ値が40cm−1以上100cm−1以下
(3)X線回折における(110)面のピーク強度(I(110))と(004)面のピーク強度(I(004))との強度比X値(I(110)/I(004))が0.1以上0.45以下
また、複合粒子は、シリコン粒子をナノ化することにより、リチウムイオンの充填と放出に伴う機械的破壊を防ぐことができる。
(1) the intensity ratio of the peak intensity in the range of 1300~1400Cm -1 as measured by Raman spectroscopy (ID) and the peak intensity in the range of 1580~1620Cm -1 as measured by Raman spectroscopy spectra (IG) in it R value (ID / IG) is 0.2 to 0.4 (2) half-value width Δ value of the peak in the range of 1300~1400Cm -1 as measured by Raman spectroscopy spectra is 40 cm -1 or more 100 cm - 1 or less (3) The intensity ratio X value (I (110) / I (I (110)) of the peak intensity (I (110)) of the (110) plane to the peak intensity (I (004)) of the (004) plane) in X-ray diffraction 004)) 0.1 or more and 0.45 or less Further, the composite particles can prevent mechanical destruction associated with the filling and release of lithium ions by nanoizing the silicon particles.

しかしながら、リチウムイオンの充填と放出に伴う体積変化により、シリコンナノ粒子の一部が電気的に孤立し、これが原因で寿命特性が大きく劣化するという問題がある。   However, there is a problem that part of the silicon nanoparticles is electrically isolated due to the volume change caused by the filling and releasing of lithium ions, which causes the life characteristics to be largely deteriorated.

そこで、鱗片状シリコン粒子を用い、膨張収縮の方向を低次元化することにより、機械的破壊を防止する。   Therefore, by using scaly silicon particles and reducing the direction of expansion and contraction, mechanical destruction is prevented.

例えば、鱗片状シリコン粒子の長径は、平均値で、10nm以上1μm以下がよい。10nm未満の場合は、シリコン粒子同士の凝集が激しく、所望の構造を有する負極材料を作製することが困難である。また、1μmを超える場合、リチウム吸蔵の際の機械的膨張により、破壊する可能性が高い。   For example, the major axis of the scaly silicon particles may have an average value of 10 nm or more and 1 μm or less. If the thickness is less than 10 nm, agglomeration of silicon particles is severe, making it difficult to produce a negative electrode material having a desired structure. Moreover, when it exceeds 1 μm, the possibility of breakage is high due to mechanical expansion at the time of lithium storage.

一方、鱗片状シリコン粒子の厚さは、平均値で、5nm以上100nm以下がよい。5nm未満では、機械的強度が弱く、電池作製時に、微粉化する可能性が高い。また、100nmを超える場合、リチウム吸蔵の際の機械的膨張により、破壊する可能性が高い。   On the other hand, the thickness of the scaly silicon particles is preferably 5 nm or more and 100 nm or less on average. If it is less than 5 nm, the mechanical strength is weak, and there is a high possibility of micronization at the time of battery preparation. Moreover, when it exceeds 100 nm, there is a high possibility of breakage due to mechanical expansion during lithium storage.

しかしながら、このような形状のシリコン粒子は、本質的に比表面積が数十m/g以上と大きいため、それに比例して電気化学的皮膜の生成量も多く、クーロン効率が低く、膨張収縮による機械的破壊抑制と電解液による被膜抑制との両立ができなかった。 However, since silicon particles with such a shape inherently have a large specific surface area of several tens of m 2 / g or more, the amount of electrochemical film formation is proportional to that and the coulombic efficiency is low, and expansion and contraction are caused. It was not possible to achieve both the mechanical destruction control and the film suppression by the electrolytic solution.

そこで、シリコン粒子を炭素材料に埋め込むことにより、露出する表面積を小さくし、電解液との反応を抑制し、活物質の劣化を抑制する。例えば、ナノグラフェンやアモルファス炭素などを使用し、そのような炭素材料中に鱗片状シリコンを分散させる。   Therefore, by embedding the silicon particles in the carbon material, the exposed surface area is reduced, the reaction with the electrolytic solution is suppressed, and the deterioration of the active material is suppressed. For example, nanographene or amorphous carbon is used to disperse scaly silicon in such a carbon material.

活物質の劣化抑制の観点から、複合粒子の比表面積は、0.1m/g以上40m/g以下であることが望ましい。 From the viewpoint of suppressing deterioration of the active material, the specific surface area of the composite particles is desirably 0.1 m 2 / g or more and 40 m 2 / g or less.

複合粒子に用いる炭素材料は、例えば、断面のSTEM−ADF測定におけるエネルギーロス像で90−150eVのL−Si端および、280−400eVのC−K端のエネルギーロス分布を示すものが望ましい。   As the carbon material used for the composite particles, for example, it is desirable that the energy loss image in the STEM-ADF measurement of the cross section exhibits an energy loss distribution of 90 to 150 eV L-Si end and 280 to 400 eV C—K end.

また、複合粒子とすることにより、シリコンの膨張収縮を炭素材料により緩和することができる。例えば、複合粒子は、細孔直径0.01〜1μmの範囲のうち、細孔直径100nm以上800nm以下の範囲に、細孔容積基準で80%以上の細孔を有するものが望ましい。   Moreover, expansion and contraction of silicon can be alleviated by the carbon material by using composite particles. For example, it is desirable that the composite particles have 80% or more of pores in the range of 100 nm or more and 800 nm or less in pore diameter within the range of 0.01 to 1 μm in pore diameter.

複合粒子中の炭素の含有量は、20質量%以上70質量%以下であることが望ましく、30質量%以上60質量%以下であることが更に望ましい。複合粒子中の炭素の含有量は、高周波燃焼赤外線吸収法により測定することができる。   The content of carbon in the composite particles is desirably 20% by mass to 70% by mass, and more desirably 30% by mass to 60% by mass. The content of carbon in the composite particles can be measured by high frequency combustion infrared absorption method.

結着材(バインダ樹脂)は、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアルギン酸、ポリアクリル酸等を用いることができる。   The binder (binder resin) is not particularly limited. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyamide imide, polyimide, styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC) ), Polyalginic acid, polyacrylic acid, etc. can be used.

(複合粒子の混合量について)
負極材料は、複合粒子及び黒鉛系粒子を含む。ここで、負極材料には、結着材は含まれない。
(About the mixing amount of composite particles)
The negative electrode material includes composite particles and graphite-based particles. Here, the negative electrode material does not contain a binder.

複合粒子と黒鉛系粒子との混合比は、質量基準で2:98〜50:50とすることが望ましい。言い換えると、複合粒子及び黒鉛系粒子の合計量に対する複合粒子の含有量は、2質量%以上50質量%以下である。   The mixing ratio of the composite particles to the graphite-based particles is preferably 2:98 to 50:50 on a mass basis. In other words, the content of the composite particles relative to the total amount of the composite particles and the graphite-based particles is 2% by mass or more and 50% by mass or less.

複合粒子の含有量が2質量%未満では、初回に炭素とシリコンの複合粒子に充電されるが、その後放電されないため、炭素とシリコンの複合粒子添加による容量増加が見られない。一方、複合粒子の含有量が50質量%を超えると、電極の結着性が低下し、電極作製段階で電極が剥離してしまう。   If the content of the composite particles is less than 2% by mass, the composite particles of carbon and silicon are initially charged but are not discharged thereafter, so that the capacity increase due to the addition of the composite particles of carbon and silicon is not observed. On the other hand, when the content of the composite particles exceeds 50% by mass, the binding property of the electrode is reduced, and the electrode is exfoliated at the electrode preparation stage.

このため、高容量と電極作製の観点から、複合粒子の混合量(含有量)は、複合粒子と黒鉛系粒子の合計量を基準として、2質量%から50質量%までの範囲に設定することが望ましい。   For this reason, from the viewpoint of high capacity and electrode production, the mixing amount (content) of the composite particles should be set in the range of 2% by mass to 50% by mass based on the total amount of the composite particles and the graphite-based particles. Is desirable.

(粒径について)
複合粒子は、粉砕および分級をすることにより、任意の平均粒径および粒径分布を有するものを作製することができる。複合粒子の平均粒径は、5μm以上30μm以下であることが望ましい。平均粒径5μm未満に加工するためには、製造コストが高くなる。また、30μmを超える場合には、大きすぎて、スラリー塗布による電極形成が困難である。
(About particle size)
The composite particles can be pulverized and classified to produce particles having any average particle size and particle size distribution. The average particle diameter of the composite particles is desirably 5 μm or more and 30 μm or less. In order to process to an average particle size of less than 5 μm, the manufacturing cost becomes high. Moreover, when it exceeds 30 micrometers, it is too large and electrode formation by slurry application is difficult.

(正極)
正極は、正極活物質、電子導電性材料及び結着材を含む正極合材を集電体であるアルミニウム箔の表面に塗布することにより作製される。また、電気抵抗の低減のため、更に正極合材に導電材を加えてもよい。
(Positive electrode)
The positive electrode is manufactured by applying a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, an electron conductive material, and a binder to the surface of an aluminum foil as a current collector. In addition, a conductive material may be further added to the positive electrode mixture in order to reduce the electrical resistance.

正極活物質は、組成式LiαMn で表されるリチウム複合酸化物が好ましい。ここで、Mは、Co及びNiの少なくとも1種であり、Mは、Co、Ni、Al、B、Fe、Mg及びCrからなる群から選ばれる少なくとも1種である。また、x+y+z=1、0<α<1.2、0.2≦x≦0.6、0.2≦y≦0.4、0.05≦z≦0.4が成り立つ。また、上記の組成式が成り立つもののうち、MがNi又はCoであって、MがCo又はNiであることが更に好ましい。 The positive electrode active material is preferably a lithium composite oxide represented by the composition formula Li α Mn x M 1 y M 2 z O 2 . Here, M 1 is at least one of Co and Ni, and M 2 is at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Al, B, Fe, Mg, and Cr. Further, x + y + z = 1, 0 <α <1.2, 0.2 ≦ x ≦ 0.6, 0.2 ≦ y ≦ 0.4, and 0.05 ≦ z ≦ 0.4 are satisfied. In addition, among those in which the above composition formula holds, it is more preferable that M 1 be Ni or Co and M 2 be Co or Ni.

組成中、Niを多くすると容量が大きく取れ、Coを多くすると低温での出力が向上できる。また、Mnを多くすると材料コストを抑制できる。また、添加元素は、サイクル特性を安定させるのに効果がある。   In the composition, if Ni is increased, the capacity can be increased, and if Co is increased, the output at low temperature can be improved. In addition, if the amount of Mn is increased, the material cost can be suppressed. In addition, the additive element is effective in stabilizing the cycle characteristics.

この他の正極活物質としては、一般式LiMPO(M:Fe又はMn、0.01≦a≦0.4)やLiMn1−aPO(M:Mn以外の2価のカチオン、0.01≦a≦0.4)である空間群Pmnbの対称性を有する斜方晶のリン酸化合物でもよい。 Examples of other positive electrode active materials include general formulas LiM a PO 4 (M: Fe or Mn, 0.01 ≦ a ≦ 0.4) and LiMn 1-a M a PO 4 (M: bivalent other than Mn) The cation may be an orthorhombic phosphate compound having the symmetry of the space group Pmnb in which 0.01 ≦ a ≦ 0.4).

結着剤(バインダ)は、正極を構成する材料と正極用集電体を密着させるものであればよく、例えば、フッ化ビニリデン、四フッ化エチレン、アクリロニトリル、エチレンオキシドなどの単独重合体又は共重合体、スチレン−ブタジエンゴムなどを挙げることができる。導電材は、例えば、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、金属炭化物などのカーボン材料であり、それぞれ単独でも混合して用いてもよい。   The binder (binder) may be any one that brings the material constituting the positive electrode into close contact with the current collector for the positive electrode, and, for example, homopolymers or copolymers of vinylidene fluoride, tetrafluoroethylene, acrylonitrile, ethylene oxide, etc. Examples include coalescence, styrene-butadiene rubber and the like. The conductive material is, for example, a carbon material such as carbon black, graphite, carbon fiber, metal carbide or the like, and may be used alone or in combination.

(セパレータ)
正極と負極との短絡を防止するセパレータとしては、公知のリチウムイオン電池に使用されているセパレータを用いることができ、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布などが挙げられる。電池の高出力化の観点からは、セパレータの厚さは、20μm以下とすることが好ましく、18μm以下とすることが更に好ましい。このような厚さのセパレータを用いることで、電池の体積あたりの容量を大きくすることができる。しかし、セパレータを薄くしすぎると、取り扱い性が損なわれたり、正負極間の隔離が不十分となって短絡が生じ易くなったりするため、厚さの下限は10μmである。
(Separator)
As a separator which prevents a short circuit with a positive electrode and a negative electrode, the separator used for the well-known lithium ion battery can be used, The microporous film made from polyolefins, such as polyethylene and a polypropylene, a nonwoven fabric, etc. are mentioned. From the viewpoint of increasing the output of the battery, the thickness of the separator is preferably 20 μm or less, and more preferably 18 μm or less. By using a separator of such a thickness, the capacity per volume of the battery can be increased. However, if the separator is too thin, the handleability may be impaired, or the separation between the positive and negative electrodes may be insufficient to easily cause a short circuit. Therefore, the lower limit of the thickness is 10 μm.

(電解液)
電解液としては、リチウムイオンを含む化合物を電解質とし、これを非水溶媒に溶解したものを用いる。非水溶媒としては、低温特性及び負極表面における被膜形成の観点から、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等が例示される。そして、これにビニレンカーボネート(VC)等の添加物を加えてもよい。
(Electrolyte solution)
As the electrolytic solution, one in which a compound containing lithium ion is used as an electrolyte and this is dissolved in a non-aqueous solvent is used. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and the like from the viewpoint of low temperature characteristics and film formation on the negative electrode surface. Then, an additive such as vinylene carbonate (VC) may be added to this.

電解液に用いるリチウム塩としては、特に限定はないが、無機リチウム塩では、LiPF、LiBF、LiClO、LiI、LiCl、LiBr等を用いることができる。また、有機リチウム塩では、LiB[OCOCF、LiB[OCOCFCF、LiPF(CF、LiN(SOCF、LiN(SOCFCF等を用いることができる。特に、LiPFは、品質の安定性の面から、好適な材料であり、民生用電池で多く用いられている。また、LiB[OCOCFは、解離性及び溶解性の面で好適であり、低い濃度で高い導電率を示すため有用である。 The lithium salt used in the electrolytic solution is not particularly limited, but as the inorganic lithium salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiI, LiCl, LiBr and the like can be used. Also, the organic lithium salt, LiB [OCOCF 3] 4, LiB [OCOCF 2 CF 3] 4, LiPF 4 (CF 3) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 CF 2 CF 3) 2 Etc. can be used. In particular, LiPF 6 is a preferable material from the viewpoint of quality stability, and is widely used in consumer batteries. In addition, LiB [OCOCF 3 ] 4 is suitable in terms of dissociativeness and solubility, and is useful because it exhibits high conductivity at low concentrations.

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

図1Aは、本実施例の複合粒子について細孔容積の分布を測定した結果を示すグラフである。横軸に細孔径(細孔直径)、縦軸に細孔容積をとっている。   FIG. 1A is a graph showing the results of measurement of pore volume distribution for the composite particles of this example. The abscissa represents the pore diameter (pore diameter), and the ordinate represents the pore volume.

本図に示すように、本実施例の複合粒子は、細孔径0.2μm付近にピークを有する。また、細孔径10μm以上の空隙も多い。   As shown to this figure, the composite particle of a present Example has a peak in 0.2 micrometer of pore diameters vicinity. Moreover, there are also many voids having a pore diameter of 10 μm or more.

図1Bは、図1Aに対応する積算細孔容積の分布を示すグラフである。横軸に細孔径、縦軸に積算細孔容積をとっている。   FIG. 1B is a graph showing the distribution of integrated pore volume corresponding to FIG. 1A. The abscissa represents the pore diameter, and the ordinate represents the integrated pore volume.

図1Bより、細孔径0.01〜1μmの範囲のうち、細孔径100nm以上800nm以下の範囲に、細孔容積基準で80%以上の細孔を有する。この細孔がクッション効果となり、サイクル時の膨張収縮を緩和し、表面被覆が壊れにくくしている。   As shown in FIG. 1B, in the range of pore diameters of 0.01 to 1 μm, the pores having a pore diameter of 100 nm or more and 800 nm or less have pores of 80% or more based on the pore volume. These pores serve as a cushioning effect to ease expansion and contraction during cycling, making the surface coating less likely to break.

図2Aは、本実施例の複合粒子を模式的に示す図である。   FIG. 2A is a view schematically showing a composite particle of the present example.

本図に示す複合粒子は、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101が、ナノグラフェン102に埋め込まれた構造を有する。言い換えると、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101は、ナノグラフェン102(炭素材料)に分散され、全体として粒子形状を形成している。   The composite particle shown in this figure has a structure in which nanographene coated scaly silicon particles 101 are embedded in nanographene 102. In other words, the nanographene coated scaly silicon particles 101 are dispersed in the nanographene 102 (carbon material) to form a particle shape as a whole.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101の長径は、平均値で、10nm以上1μm以下である。長径が10nm未満の場合は、シリコン粒子同士の凝集が激しく、所望の構造を有する複合粒子を作製することが困難である。また、長径が1μmを超える場合、リチウム吸蔵の際の機械的膨張により破壊する可能性が高い。   The major axes of the nanographene-coated scale-like silicon particles 101 are 10 nm or more and 1 μm or less on average. When the major diameter is less than 10 nm, the aggregation of silicon particles is severe, and it is difficult to produce composite particles having a desired structure. In addition, when the major axis exceeds 1 μm, there is a high possibility of breakage due to mechanical expansion at the time of lithium storage.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101は、ナノグラフェンで被覆する前における厚さが5nm以上200nm以下であることが望ましく、5nm以上100nm以下であることが更に望ましい。厚さが5nm未満では、機械的強度が弱く、電池を作製する際に、微粉化する可能性が高い。また、厚さが200nmを超える場合、リチウム吸蔵の際の機械的膨張により破壊する可能性が高い。   The thickness of the nanographene-coated scale-like silicon particle 101 is preferably 5 nm or more and 200 nm or less before being coated with nanographene, and more preferably 5 nm or more and 100 nm or less. If the thickness is less than 5 nm, the mechanical strength is weak and there is a high possibility of micronization when producing the battery. In addition, when the thickness exceeds 200 nm, the possibility of breakage due to mechanical expansion at the time of lithium absorption is high.

図2Bは、図2Aのナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を示す拡大断面図である。   FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of the nanographene coated scaly silicon particles of FIG. 2A.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101は、鱗片状シリコン粒子103の表面が、ナノグラフェン層104に覆われた構造を有する。   The nanographene coated scaly silicon particles 101 have a structure in which the surface of the scaly silicon particles 103 is covered with the nanographene layer 104.

ナノグラフェン層104の厚さは、2nm以上10nm以下であることが望ましい。厚さが2nm未満では、薄過ぎて、機械的強度が不十分である。また、厚さが10nmを超えると、ナノグラフェン層が、表面形状に沿って配列せず、電気伝導性を高めるという本来の目的を達成できなくなる。ナノグラフェン層104の作製には、プロピレンガスを用いた気相成長法を用いた。詳細については、後述する。   The thickness of the nanographene layer 104 is preferably 2 nm or more and 10 nm or less. If the thickness is less than 2 nm, it is too thin and mechanical strength is insufficient. In addition, when the thickness is more than 10 nm, the nanographene layer is not arranged along the surface shape, and the original purpose of enhancing the electrical conductivity can not be achieved. For the preparation of the nanographene layer 104, a vapor deposition method using propylene gas was used. Details will be described later.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子101が、ナノグラフェン102に埋め込まれた構造の作製にも、同じくプロピレンガスを用いた気相成長法を用いた。詳細については、後述する。   The same vapor phase growth method using propylene gas was also used to produce a structure in which nanographene-coated scale-like silicon particles 101 were embedded in nanographene 102. Details will be described later.

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

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

(炭素とシリコンとの複合粒子の作製方法)
本実施例の複合粒子は、以下の方法により作製した。
(Method of producing composite particles of carbon and silicon)
The composite particles of this example were produced by the following method.

まず、プロピレンガスを用いた気相成長法を用いて、鱗片状シリコン粒子の表面をナノグラフェンで被覆することにより、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を得た。その後、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子がナノグラフェンに埋め込まれた構造とするため、同様の気相成長法を用いた。   First, nanographene coated scaly silicon particles were obtained by covering the surface of scaly silicon particles with nanographene using a vapor phase growth method using propylene gas. Thereafter, in order to form nanographene-coated scale-like silicon particles embedded in nanographene, a similar vapor deposition method was used.

つぎに、ナノグラフェンを作製する装置について説明する。   Next, an apparatus for producing nanographene will be described.

図4は、ナノグラフェンの作製に用いた化学蒸着装置を示す概略構成図である。   FIG. 4 is a schematic block diagram showing a chemical vapor deposition apparatus used for producing nanographene.

本図に示す化学蒸着装置は、ナノグラフェン被覆層及びナノグラフェン埋込層を熱気相成長法により作製することができるものである。膜厚(積層されるナノグラフェンの量)は、成長時間等により制御可能である。   The chemical vapor deposition apparatus shown in this figure is capable of producing a nanographene covering layer and a nanographene embedded layer by thermal vapor deposition. The film thickness (the amount of nanographene to be stacked) can be controlled by the growth time or the like.

本図において、化学蒸着装置は、反応炉401と、プロピレン、アルゴン、ヘリウム等を反応炉401に供給する配管と、各配管に取り付けたマスフローメータ403a、403b、403c及び栓404a、404b、404cと、を含む。反応炉401には、サンプルボート402を設置することができる。   In the figure, the chemical vapor deposition apparatus includes a reaction furnace 401, piping for supplying propylene, argon, helium and the like to the reaction furnace 401, mass flow meters 403a, 403b and 403c attached to each piping, and plugs 404a, 404b and 404c. ,including. The sample boat 402 can be installed in the reaction furnace 401.

まず、鱗片状シリコン粒子の表面にナノグラフェン被覆層を作製する方法の例について説明する。   First, an example of a method for producing a nanographene covering layer on the surface of scaly silicon particles will be described.

サンプルボート402に鱗片状シリコン粒子を入れ、反応炉401の中央付近に設置した。反応炉401は、石英製であり、直径が5cm、長さが40cmである。   The scaly silicon particles were placed in a sample boat 402 and placed near the center of the reaction furnace 401. The reaction furnace 401 is made of quartz and has a diameter of 5 cm and a length of 40 cm.

そして、図中の水素ラインを用いて、水素ガスを200mL/minの流速で流し、反応炉401を室温から1000℃まで10℃/minの速度で昇温し、さらに1000℃で1時間保持した。この熱処理工程により、鱗片状シリコン粒子の表面に形成された自然酸化膜を還元することが可能である。   Then, using the hydrogen line in the figure, hydrogen gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min, the temperature of the reaction furnace 401 was raised from room temperature to 1000 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and was further held at 1000 ° C. for 1 hour . By this heat treatment step, it is possible to reduce the natural oxide film formed on the surface of the scaly silicon particles.

その後、水素ライン(栓404c)を閉じ、栓404bを開き、アルゴンガスを200mL/minの流速で流し、10℃/minの速度で降温し、800℃まで降温した。   Thereafter, the hydrogen line (plug 404c) was closed, the plug 404b was opened, argon gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min, the temperature was decreased at a rate of 10 ° C./min, and the temperature was decreased to 800 ° C.

800℃に達したところで、栓404aを開き、プロピレンガスを10mL/minの流速で導入し、同時にアルゴンガスの流速を190mL/minにして、ナノグラフェン被覆層を1時間成長させた。   When reaching 800 ° C., the plug 404a was opened and propylene gas was introduced at a flow rate of 10 mL / min, and at the same time, the flow rate of argon gas was 190 mL / min to grow a nanographene covering layer for 1 hour.

その後、栓404aを閉じてプロピレンガスの供給を停止する。アルゴンガスを200mL/minの流速で流し、15min保持した後、自然冷却した。   Thereafter, the plug 404a is closed to stop the supply of propylene gas. Argon gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min, held for 15 minutes, and then naturally cooled.

上記方法により作製したナノグラフェン被覆層は、ナノグラフェンが多層に積層した構造であり、1000S/m以上の電気伝導率を有する。   The nanographene covering layer produced by the above method has a structure in which nanographene is stacked in multiple layers, and has an electrical conductivity of 1000 S / m or more.

次に、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子をナノグラフェン埋込層に埋め込む方法の例について説明する。   Next, an example of a method of embedding nanographene-coated scale-like silicon particles in a nanographene embedded layer will be described.

サンプルボート402にナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子を入れ、反応炉401の中央付近に設置した。   The nanographene coated scaly silicon particles were placed in a sample boat 402 and placed near the center of the reaction furnace 401.

そして、アルゴンガスを200mL/minの流速で流し、10℃/minの速度で800℃まで昇温した。800℃に達したところで、プロピレンガスを30mL/minの流速で導入し、同時にアルゴンガスの流速を170mL/minにして、ナノグラフェン埋込層を4時間成長させた。   Then, argon gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min, and the temperature was raised to 800 ° C. at a rate of 10 ° C./min. When reaching 800 ° C., propylene gas was introduced at a flow rate of 30 mL / min, and at the same time, the flow rate of argon gas was 170 mL / min, and a nanographene embedded layer was grown for 4 hours.

その後、プロピレンガスラインを閉じ、アルゴンガスを200mL/minの流速で流し、15min保持した後、自然冷却した。   After that, the propylene gas line was closed, argon gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min, and after 15 minutes, natural cooling was performed.

図3Aは、本実施例の複合粒子の走査型電子顕微鏡画像(SEM画像)である。   FIG. 3A is a scanning electron microscope image (SEM image) of the composite particle of this example.

本図に示すとおり、複合粒子301は、粒径が約100μmの不定形の粒子である。製造の際における粉砕により生じた破断面や亀裂が観察できる。   As shown in the figure, the composite particle 301 is an irregularly shaped particle having a particle size of about 100 μm. The fracture surface and the crack which arose by grinding in the case of manufacture can be observed.

図3Bは、本実施例の複合粒子の平滑断面を拡大した画像である。   FIG. 3B is an enlarged image of the smooth cross section of the composite particle of this example.

本図に示すように、複合粒子は、鱗片状シリコン粒子302が炭素材料303に分散された構成を有する。鱗片状シリコン粒子302は、かなり緻密に炭素材料303に埋め込まれていることがわかる。また、複合粒子の内部には、空孔304も存在する。   As shown in the figure, the composite particles have a configuration in which scaly silicon particles 302 are dispersed in a carbon material 303. It can be seen that the scaly silicon particles 302 are embedded in the carbon material 303 fairly densely. In addition, pores 304 also exist inside the composite particles.

本図においては、鱗片状シリコン粒子302は、大きいものでも、長径が600nm以下であり、厚さが200nm以下であることがわかる。鱗片状シリコン粒子302の厚さは、大部分が5nm以上100nm以下である。なお、本図においては、ナノグラフェン被覆層は明瞭ではないが、鱗片状シリコン粒子302の表面に薄膜として存在していると考えられる。   In this figure, it can be seen that the large scale scaly silicon particles 302 have a major axis of 600 nm or less and a thickness of 200 nm or less. The thickness of the scaly silicon particles 302 is mostly 5 nm or more and 100 nm or less. In this figure, although the nanographene covering layer is not clear, it is considered to be present as a thin film on the surface of the scaly silicon particles 302.

本実施例においては、鱗片状シリコン粒子の寸法は、平均値で、長径が0.2μm、厚さが0.01μmである。これらの寸法は、SEM画像を用いて測定したものである。   In the present embodiment, the scale-like silicon particles have an average value of 0.2 μm in major axis and 0.01 μm in thickness. These dimensions are measured using SEM images.

(電極作製方法)
図5は、実施例の負極の断面構造を示す模式図である。
(Electrode preparation method)
FIG. 5: is a schematic diagram which shows the cross-section of the negative electrode of an Example.

本図において、負極105は、黒鉛系粒子106と、炭素とシリコンとを含む複合粒子107と、結着材(図示していない。)と、を混合して集電体108(集電箔)に塗布した構成を有する。黒鉛系粒子106及び複合粒子107は、負極材料の主要な構成要素である。   In this figure, the negative electrode 105 mixes the graphite particle 106, the composite particle 107 containing carbon and silicon, and a binder (not shown) to form a current collector 108 (current collector foil). The composition applied to Graphite-based particles 106 and composite particles 107 are the main components of the negative electrode material.

負極は、以下の手順により作製した。   The negative electrode was produced by the following procedure.

負極材料と、結着材としてのスチレン・ブタジエンゴム(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)とは、質量比で96:2:2となるように、水を溶媒として混合した。言い換えると、負極材料とSBRとCMCとの質量比は、96:2:2である。黒鉛系粒子106と複合粒子107との比率は、質量基準で90:10とした。   Water was used as a solvent so that the negative electrode material, and styrene-butadiene rubber (SBR) and carboxymethylcellulose (CMC) as a binder would have a mass ratio of 96: 2: 2. In other words, the mass ratio of the negative electrode material, SBR to CMC is 96: 2: 2. The ratio of the graphite-based particles 106 to the composite particles 107 was 90:10 on a mass basis.

上記のように負極材料と結着材とを混合したものを水に混合し、負極合材スラリーを調製した。そして、この負極合材スラリーを厚さ10μmの集電体108に塗布し、真空中で乾燥した。乾燥して得られた負極105をロールプレスにより密度1.5g/cmになるよう成形した。 The mixture of the negative electrode material and the binder as described above was mixed with water to prepare a negative electrode mixture slurry. Then, this negative electrode mixture slurry was applied to a 10 μm-thick current collector 108 and dried in vacuum. The negative electrode 105 obtained by drying was molded by a roll press to a density of 1.5 g / cm 3 .

次に、実施例について更に具体的に説明する。   Next, the embodiment will be described more specifically.

(リチウムイオン二次電池の作製)
捲回型のリチウムイオン二次電池は、次のようにして作製した。
(Preparation of lithium ion secondary battery)
The wound-type lithium ion secondary battery was manufactured as follows.

・正極
まず、正極活物質としての層状LiMO(Mは、Ni、Co及びMnからなる群から選択される1種類以上の元素を表す。)と、導電材としてのアセチレンブラックと、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とが質量比で93:4:3となるように定量し、これらすべてを混合した。そして、この混合物にN−メチルピロリドン(NMP)を溶媒として添加し、混練して、正極合材スラリーを調製した。そして、この正極合材スラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布し、大気中で乾燥した。乾燥して得られた正極をロールプレスにより成形し、正極を作製した。
-Positive electrode First, layered LiMO 2 (M represents one or more elements selected from the group consisting of Ni, Co and Mn) as a positive electrode active material, acetylene black as a conductive material, and a binder All were mixed so that polyvinylidene fluoride (PVdF) as was determined to be 93: 4: 3 in mass ratio. Then, N-methylpyrrolidone (NMP) was added as a solvent to this mixture, and the mixture was kneaded to prepare a positive electrode mixture slurry. Then, the positive electrode mixture slurry was applied to a 15 μm thick aluminum foil and dried in the air. The positive electrode obtained by drying was shape | molded by roll press, and the positive electrode was produced.

・セパレータ
セパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン及びポリプロピレンが3層に積層された総厚さ20μmのセパレータを用いた。
-Separator As a separator, a separator with a total thickness of 20 μm in which polypropylene, polyethylene and polypropylene were laminated in three layers was used.

・電解液
電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とを体積比1:2:2で混合した有機溶媒に、1.0mol/Lになるようにリチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF)を溶解させたものを用いた。添加材としてビニレンカーボネート(VC)を2質量%添加した。
Electrolyte As the electrolyte, 1.0 mol / L of an organic solvent in which ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC) are mixed at a volume ratio of 1: 2: 2 is obtained. A solution in which lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved was used. 2% by mass of vinylene carbonate (VC) was added as an additive.

(捲回型電池の作製)
図6は、リチウムイオン二次電池の内部構造を示す模式断面図である。
(Production of wound battery)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the internal structure of the lithium ion secondary battery.

本図に示すリチウムイオン二次電池200は、正極210、セパレータ211、負極212、電池容器213(電池缶)、正極集電タブ214、負極集電タブ215、内蓋216、内圧開放弁217、ガスケット218、PTC抵抗素子219、電池蓋220及び軸心221を備えている。電池蓋220には、内蓋216、内圧開放弁217、ガスケット218及びPTC抵抗素子219が一体化されている。また、軸心221には、正極210、セパレータ211及び負極212が捲回されている。ここで、PTCは、Positive Temperature Coefficientの略称であり、正温度係数という意味である。   The lithium ion secondary battery 200 shown in this figure includes a positive electrode 210, a separator 211, a negative electrode 212, a battery case 213 (battery can), a positive electrode current collection tab 214, a negative electrode current collection tab 215, an inner lid 216, an internal pressure release valve 217, A gasket 218, a PTC resistance element 219, a battery cover 220 and an axial center 221 are provided. In the battery cover 220, an inner cover 216, an internal pressure release valve 217, a gasket 218 and a PTC resistance element 219 are integrated. The positive electrode 210, the separator 211 and the negative electrode 212 are wound around the axial center 221. Here, PTC is an abbreviation for Positive Temperature Coefficient, and means positive temperature coefficient.

セパレータ211を正極210と負極212との間に挿入し、軸心221に捲回した電極群を作製する。軸心221は、正極210、セパレータ211及び負極212を担持できるものであれば、公知の任意のものを用いることができる。電極群は、図6に示す円筒形状の他に、短冊状電極を積層したもの、正極210と負極212とを扁平状等の任意の形状に捲回したもの等、種々の形状にすることができる。電池容器213の形状は、電極群の形状に合わせ、円筒形、偏平長円形状、扁平楕円形状、角形等の形状を選択してもよい。   The separator 211 is inserted between the positive electrode 210 and the negative electrode 212, and an electrode group wound around the axial center 221 is produced. The shaft center 221 may be any known one as long as it can support the positive electrode 210, the separator 211 and the negative electrode 212. In addition to the cylindrical shape shown in FIG. 6, the electrode group may be formed into various shapes, for example, one obtained by laminating strip electrodes, one obtained by winding the positive electrode 210 and the negative electrode 212 into an arbitrary shape such as a flat shape. it can. The shape of the battery case 213 may be a cylindrical shape, a flat oval shape, a flat oval shape, a square shape, or the like in accordance with the shape of the electrode group.

電池容器213の材質は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼製等、非水電解質に対し耐食性のある材料から選択される。また、電池容器213を正極210又は負極212に電気的に接続する場合は、非水電解質と接触している部分において、電池容器213の腐食やリチウムイオンとの合金化による材料の変質が起こらないように、電池容器213の材料の選定を行う。   The material of the battery case 213 is selected from materials having corrosion resistance to the non-aqueous electrolyte, such as aluminum, stainless steel, nickel plated steel, and the like. In addition, when the battery case 213 is electrically connected to the positive electrode 210 or the negative electrode 212, in the portion in contact with the non-aqueous electrolyte, deterioration of the material due to corrosion of the battery case 213 or alloying with lithium ions does not occur. Thus, the material of the battery case 213 is selected.

電池容器213に電極群を収納し、電池容器213の内壁に負極集電タブ215を接続し、電池蓋220の底面に正極集電タブ214を接続する。電解液は、電池の密閉の前に電池容器内部213に注入する。電解液の注入方法は、電池蓋220を解放した状態にて電極群に直接添加する方法、又は電池蓋220に設置した注入口から添加する方法がある。   The electrode group is housed in the battery case 213, the negative electrode current collection tab 215 is connected to the inner wall of the battery case 213, and the positive electrode current collection tab 214 is connected to the bottom surface of the battery cover 220. The electrolyte is injected into the battery container interior 213 before sealing the battery. As a method of injecting the electrolytic solution, there is a method of adding directly to the electrode group in a state in which the battery cover 220 is released, or a method of adding from an injection port provided on the battery cover 220.

その後、電池蓋220を電池容器213に密着させ、電池全体を密閉する。電解液の注入口がある場合は、それも密封する。電池を密閉する方法には、溶接、かしめ等、公知の技術がある。   After that, the battery cover 220 is closely attached to the battery case 213, and the entire battery is sealed. If there is an electrolyte inlet, seal it as well. Well-known techniques such as welding, caulking and the like can be used to seal the battery.

上記の電池を用いて、以下の評価を行った。   The following evaluation was performed using the above-mentioned battery.

(炭素とシリコンとの複合粒子の炭素質量比測定)
炭素とシリコンとの複合粒子の炭素質量比測定は、高周波燃焼赤外線吸収法で行った。
(Carbon mass ratio measurement of composite particles of carbon and silicon)
Carbon mass ratio measurement of composite particles of carbon and silicon was performed by high frequency combustion infrared absorption method.

(炭素とシリコンとの複合粒子の比表面積測定)
炭素とシリコンとの複合粒子の比表面積は、窒素ガス吸着測定の測定結果より算出した。測定条件は、吸着ガスが窒素(N)であり、測定相対圧P/Pが0〜1である。
(Specific surface area measurement of composite particles of carbon and silicon)
The specific surface area of the composite particles of carbon and silicon was calculated from the measurement results of nitrogen gas adsorption measurement. As the measurement conditions, the adsorption gas is nitrogen (N 2 ), and the measured relative pressure P / P 0 is 0 to 1.

(炭素とシリコンとの複合粒子の細孔分布測定)
細孔分布は、水銀圧入法により、測定細孔直径0.01〜10μmの範囲で測定した。
(Pore distribution measurement of composite particles of carbon and silicon)
The pore distribution was measured by mercury porosimetry in the range of a measured pore diameter of 0.01 to 10 μm.

(空孔面積率の測定)
図3Bに示すような炭素とシリコンの複合粒子の断面SEM像をとり、SEM像を用いて、画像解析をし、全画像に対する空孔が占める割合(空孔面積率)を算出した。
(Measurement of void area rate)
The cross-sectional SEM image of the composite particle of carbon and silicon as shown in FIG. 3B was taken, and the image analysis was performed using the SEM image to calculate the ratio of pores occupied by the entire image (pore area ratio).

(寿命評価方法)
電池を定電流定電圧充電100mA/gで4.2Vまで充電した。その後、定電流放電100mA/gで3.0Vまで放電した。この試験を100回繰り返した。
(Life evaluation method)
The battery was charged to 4.2 V at 100 mA / g constant current constant voltage charge. Thereafter, it was discharged to 3.0 V at a constant current discharge of 100 mA / g. This test was repeated 100 times.

図7Aは、本実施例の複合粒子を模式的に示す図である。   FIG. 7A is a view schematically showing a composite particle of the present example.

本図に示す複合粒子は、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子701が、アモルファス炭素702に埋め込まれた構造を有する。言い換えると、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子701は、アモルファス炭素702(炭素材料)に分散され、全体として粒子形状を形成している。   The composite particles shown in this figure have a structure in which nanographene coated scaly silicon particles 701 are embedded in amorphous carbon 702. In other words, nanographene-coated scale-like silicon particles 701 are dispersed in amorphous carbon 702 (carbon material) to form a particle shape as a whole.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子701の長径は、10nm以上1μm以下である。長径が10nm未満の場合は、シリコン粒子同士の凝集が激しく、所望の構造を有する負極材料を作製することが困難である。また、長径が1μmを超える場合、リチウム吸蔵の際の機械的膨張により、破壊する可能性が高い。   The major diameter of the nanographene-coated scale-like silicon particle 701 is 10 nm or more and 1 μm or less. When the major diameter is less than 10 nm, the aggregation of silicon particles is severe, and it is difficult to produce an anode material having a desired structure. When the major axis exceeds 1 μm, the possibility of breakage is high due to mechanical expansion at the time of lithium storage.

ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子701の厚さは、5nm以上100nm以下である。厚さが5nm未満では、機械的強度が弱く、電池を作製する際に、微粉化する可能性が高い。また、厚さが100nmを超える場合、リチウム吸蔵の際の機械的膨張により、破壊する可能性が高い。   The thickness of the nanographene-coated scale-like silicon particle 701 is 5 nm or more and 100 nm or less. If the thickness is less than 5 nm, the mechanical strength is weak and there is a high possibility of micronization when producing the battery. If the thickness exceeds 100 nm, the possibility of breakage is high due to mechanical expansion at the time of lithium storage.

図7Bは、図7Aのシリコン粒子を示す拡大断面図である。   FIG. 7B is an enlarged sectional view showing the silicon particle of FIG. 7A.

図7Bに示すように、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子701は、鱗片状シリコン粒子703の表面が、ナノグラフェン層704(グラファイト薄膜)で覆われた構造を有する。ナノグラフェン層704は、鱗片状シリコン粒子703の表面に直接接するように形成されていることが望ましい。   As shown in FIG. 7B, the nanographene coated scaly silicon particles 701 have a structure in which the surface of scaly silicon particles 703 is covered with a nanographene layer 704 (graphite thin film). The nanographene layer 704 is preferably formed to be in direct contact with the surface of the scaly silicon particles 703.

ナノグラフェン層704の厚さは、2nm以上10nm以下であることが望ましい。厚さが2nm未満では、薄過ぎて、機械的強度が不十分である。また、厚さが10nmを超えると、ナノグラフェン層704が、表面形状に沿って配列せず、電気伝導性を高めるという本来の目的を達成できなくなる。ナノグラフェン層704の作製は、実施例1と同様の方法を用いた。   The thickness of the nanographene layer 704 is preferably 2 nm or more and 10 nm or less. If the thickness is less than 2 nm, it is too thin and mechanical strength is insufficient. In addition, when the thickness is more than 10 nm, the nanographene layer 704 is not arranged along the surface shape, and the original purpose of enhancing the electrical conductivity can not be achieved. The same method as in Example 1 was used to produce the nanographene layer 704.

本実施例のアモルファス炭素702(炭素材料)を含む複合粒子は、以下の方法により作製した。   Composite particles containing amorphous carbon 702 (carbon material) of this example were produced by the following method.

炭素原料としてコールタールを使用し、この炭素原料と、ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子と、を3:2の質量比で混合し、熱処理炉にて高温処理を行った。高温処理においては、不活性ガスとして窒素を流しながら、10℃/hrの昇温速度で900℃まで昇温し、その後、900℃で5時間保持した。その後、自然冷却した。   Coal tar was used as a carbon source, this carbon source and nanographene coated scaly silicon particles were mixed at a mass ratio of 3: 2, and high-temperature treatment was performed in a heat treatment furnace. In the high temperature treatment, the temperature was raised to 900 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./hr while flowing nitrogen as an inert gas, and then held at 900 ° C. for 5 hours. Then it was naturally cooled.

なお、炭素原料としては、コールタールのほか、石油系ピッチ、ナフタレン、アントラセン、フェナントロレン、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール等を用いることができる。不活性ガスとしては、窒素のほか、アルゴン等を用いることができる。   In addition to coal tar, petroleum pitch, naphthalene, anthracene, phenanthrolene, phenol resin, polyvinyl alcohol and the like can be used as the carbon raw material. As the inert gas, in addition to nitrogen, argon or the like can be used.

作製した複合粒子は、粉砕および分級をすることにより、任意の平均粒径および粒径分布を有するものとすることができる。平均粒径は、5μm以上30μm以下であることが望ましい。平均粒径5μm未満に加工するためには、製造コストが高くなる。また、平均粒径が30μmを超えると、大きすぎて、スラリー塗布による電極形成が困難である。   The produced composite particles can be made to have any average particle size and particle size distribution by crushing and classification. The average particle size is desirably 5 μm or more and 30 μm or less. In order to process to an average particle size of less than 5 μm, the manufacturing cost becomes high. When the average particle size exceeds 30 μm, the size is too large, and it is difficult to form an electrode by slurry application.

図8Aは、本実施例の複合粒子の走査型電子顕微鏡画像である。   FIG. 8A is a scanning electron microscope image of the composite particle of this example.

本図に示すとおり、複合粒子801は、粒径が約50μmの不定形の粒子である。製造の際における粉砕により生じた破断面が観察できる。   As shown in the figure, the composite particle 801 is an irregularly shaped particle having a particle size of about 50 μm. It is possible to observe a fractured surface produced by grinding during production.

図8Bは、複合粒子の平滑断面を拡大した画像である。この平滑断面も、図3Bに示したものと同様の方法により作製したものである。   FIG. 8B is an enlarged image of the smooth cross section of the composite particle. This smooth cross section is also produced by the same method as that shown in FIG. 3B.

図8Bに示すように、複合粒子は、鱗片状シリコン粒子802が炭素材料803に分散された構成を有する。鱗片状シリコン粒子802は、図3Bに示すものよりも空孔が少なく、より緻密な構造を有することがわかる。   As shown in FIG. 8B, the composite particles have a configuration in which scaly silicon particles 802 are dispersed in a carbon material 803. It can be seen that the scaly silicon particles 802 have fewer holes and a more compact structure than that shown in FIG. 3B.

図8Bにおいては、鱗片状シリコン粒子802は、大きいものでも、長径が800nm以下であり、大部分の鱗片状シリコン粒子802で厚さが200nm以下であることがわかる。鱗片状シリコン粒子302の厚さは、多数が5nm以上100nm以下である。   In FIG. 8B, it can be seen that even if the scaly silicon particles 802 are large, the major axis is 800 nm or less, and most scaly silicon particles 802 have a thickness of 200 nm or less. The thickness of the scaly silicon particles 302 is 5 nm or more and 100 nm or less.

本実施例においては、鱗片状シリコン粒子の寸法は、平均値で、長径が0.2μm、厚さが0.01μmである。   In the present embodiment, the scale-like silicon particles have an average value of 0.2 μm in major axis and 0.01 μm in thickness.

炭素とシリコン粒子との複合粒子の評価については、実施例1と同様にして行った。   The composite particles of carbon and silicon particles were evaluated in the same manner as in Example 1.

複合粒子を図7Aで示される複合粒子に変更したこと以外実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を作製し、寿命を評価した。   A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the composite particles were changed to the composite particles shown in FIG. 7A, and the life was evaluated.

(比較例1)
本比較例においては、平均粒径5μmの球状シリコン粒子にナノグラフェンが20質量%の割合となるように被覆した構造を有する複合粒子を作製した。その方法は、基本的には実施例1と同様である。以下では、実施例1と異なる点のみを説明する。
(Comparative example 1)
In this comparative example, composite particles having a structure in which nano graphene particles were coated at a ratio of 20% by mass with spherical silicon particles having an average particle diameter of 5 μm were produced. The method is basically the same as that of the first embodiment. Only the differences from the first embodiment will be described below.

800℃に達したところで、栓404aを開き、プロピレンガスを10mL/minの流速で導入し、同時にアルゴンガスの流速を190mL/minにして、ナノグラフェン被覆層を成長させる時間は、2時間とした。   When the temperature reached 800 ° C., the plug 404a was opened and propylene gas was introduced at a flow rate of 10 mL / min, and at the same time the flow rate of argon gas was 190 mL / min, and the time for growing the nanographene covering layer was 2 hours.

作製したナノグラフェン被覆球状シリコン粒子は、実施例1と同様の方法によりナノグラフェン埋込層に埋め込んだ。   The prepared nanographene-coated spherical silicon particles were embedded in the nanographene embedded layer by the same method as in Example 1.

その後、負極を作製する方法、その負極を用いて電池を作製する方法等も、実施例1と同様であるため、ここでは説明を省略する。   Thereafter, the method of manufacturing the negative electrode, the method of manufacturing the battery using the negative electrode, and the like are also the same as in Example 1, and thus the description thereof is omitted here.

なお、評価については、実施例1と同様にして行った。   In addition, about evaluation, it carried out similarly to Example 1, and performed.

(比較例2)
本比較例においては、比較例1の平均粒径5μmの球状シリコン粒子を平均粒径100nm(0.1μm)の球状シリコン粒子に変えたこと以外は、比較例1と同様にして、複合粒子を作製し、評価した。
(Comparative example 2)
In this comparative example, composite particles are obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the spherical silicon particles having an average particle diameter of 5 μm in Comparative Example 1 are changed to spherical silicon particles having an average particle diameter of 100 nm (0.1 μm). Made and evaluated.

本実施例においては、鱗片状シリコン粒子にナノグラフェンが20質量%の割合となるように被覆した構造を有する粒子を作製した。その方法は、基本的には実施例1と同様である。以下では、実施例1と異なる点のみを説明する。なお、本実施例においては、鱗片状シリコン粒子の寸法は、平均値で、長径が0.2μm、厚さが0.01μmである。   In the present example, particles having a structure in which scaly silicon particles were coated with nanographene at a ratio of 20% by mass were produced. The method is basically the same as that of the first embodiment. Only the differences from the first embodiment will be described below. In the present example, the scaly silicon particles have an average value of 0.2 μm in major axis and 0.01 μm in thickness.

水素ガスを200mL/minの流速で流し、反応炉401を室温から1000℃まで10℃/minの速度で昇温した後における1000℃での保持時間を30分とした。   Hydrogen gas was flowed at a flow rate of 200 mL / min, and the reactor 401 was heated from room temperature to 1000 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and the holding time at 1000 ° C. was 30 minutes.

作製したナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子は、実施例1と同様の方法によりナノグラフェン埋込層に埋め込んだ。   The prepared nanographene-coated scale-like silicon particles were embedded in the nanographene embedded layer by the same method as in Example 1.

その後、負極を作製する方法、その負極を用いて電池を作製する方法等も、実施例1と同様であるため、ここでは説明を省略する。   Thereafter, the method of manufacturing the negative electrode, the method of manufacturing the battery using the negative electrode, and the like are also the same as in Example 1, and thus the description thereof is omitted here.

なお、評価については、実施例1と同様にして行った。   In addition, about evaluation, it carried out similarly to Example 1, and performed.

表1は、実施例及び比較例の構成及び評価結果を示したものである。   Table 1 shows the configurations and evaluation results of the examples and the comparative examples.

Figure 2019067579
Figure 2019067579

炭素材料に球状のシリコン粒子が分散した構成を有する複合粒子と、黒鉛系粒子と、を含む負極材料を用いた比較例1、2の場合は、100サイクル後の容量維持率が40%、45%と低かった。一方、炭素材料に鱗片状シリコン粒子が分散した構成を有する複合粒子と、黒鉛系粒子と、を含む負極材料を用いた実施例1〜3は、100サイクル後の容量維持率が75%以上であった。この結果から、炭素材料に鱗片状シリコン粒子が分散した構成を有する複合粒子と、黒鉛系粒子と、を含む負極材料を用いることにより、長寿命を有するリチウムイオン二次電池を作製することができることが分かる。   In the case of Comparative Examples 1 and 2 in which a negative electrode material containing composite particles having a configuration in which spherical silicon particles are dispersed in a carbon material and graphite-based particles, the capacity retention ratio after 100 cycles is 40%, 45 % Was low. On the other hand, in Examples 1 to 3 using the negative electrode material including the composite particles having a configuration in which scaly silicon particles are dispersed in the carbon material and the graphite-based particles, the capacity retention ratio after 100 cycles is 75% or more. there were. From this result, it is possible to produce a lithium ion secondary battery having a long life by using a negative electrode material including composite particles having a configuration in which scaly silicon particles are dispersed in a carbon material, and graphite-based particles. I understand.

実施例1、2と、実施例3と、の比較より、複合粒子の空孔面積率は1%以上3%以下、複合粒子の比表面積は45m/g未満、複合材料中の炭素の含有量を30質量%以上とすることにより、容量維持率を更に向上できることが分かった。 From the comparison of Examples 1 and 2 with Example 3, the void area ratio of the composite particles is 1% or more and 3% or less, the specific surface area of the composite particles is less than 45 m 2 / g, and carbon contained in the composite material It was found that the capacity retention rate can be further improved by setting the amount to 30% by mass or more.

101:ナノグラフェン被覆鱗片状シリコン粒子、102:ナノグラフェン埋込層、103:鱗片状シリコン粒子、104:ナノグラフェン被覆層、105:負極、106:黒鉛系粒子、107:複合粒子、108:集電体、200:リチウムイオン二次電池、210:正極、211:セパレータ、212:負極、213:電池容器、214:正極集電タブ、215:負極集電タブ、216:内蓋、217:内圧開放弁、218:ガスケット、219:PTC抵抗素子、220:電池蓋、221:軸心、301:複合粒子、302:鱗片状シリコン粒子、303:炭素材料、304:空孔。   101: nanographene coated scaly silicon particles, 102: nanographene embedded layer, 103: scaly silicon particles, 104: nanographene coated layer, 105: negative electrode, 106: graphitic particles, 107: composite particles, 108: current collector, 200: lithium ion secondary battery, 210: positive electrode, 211: separator, 212: negative electrode, 213: battery container, 214: positive electrode current collecting tab, 215: negative electrode current collecting tab, 216: inner lid, 217: internal pressure release valve, 218: Gasket, 219: PTC resistance element, 220: battery lid, 221: axial center, 301: composite particles, 302: scaly silicon particles, 303: carbon material, 304: holes.

Claims (8)

リチウムイオン二次電池の負極に用いられる負極材料であって、
炭素材料に鱗片状シリコン粒子が分散した構成を有する複合粒子と、黒鉛系粒子と、を含み、
前記炭素材料は、アモルファス炭素又はナノグラフェンであり、
前記複合粒子及び前記黒鉛系粒子の合計量に対する前記複合粒子の含有量は、2質量%以上50質量%以下である、リチウムイオン二次電池用負極材料。
A negative electrode material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery,
A composite particle having a configuration in which scaly silicon particles are dispersed in a carbon material, and a graphite-based particle,
The carbon material is amorphous carbon or nanographene,
The negative electrode material for a lithium ion secondary battery, wherein a content of the composite particles is 2% by mass or more and 50% by mass or less based on a total amount of the composite particles and the graphite-based particles.
前記複合粒子は、細孔直径0.01〜1μmの範囲のうち、前記細孔直径100nm以上800nm以下の範囲に、細孔容積基準で80%以上の細孔を有する、請求項1記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   2. The lithium according to claim 1, wherein the composite particle has 80% or more of pores in the range of 100 nm or more and 800 nm or less of the pore diameter in the range of 0.01 to 1 μm of pore diameter based on pore volume. Negative electrode material for ion secondary battery. 前記複合粒子の空孔面積率は、1%以上3%以下である、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein a pore area ratio of the composite particles is 1% or more and 3% or less. 前記複合粒子の比表面積は、0.1m/g以上40m/g以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 The specific surface area of the composite particles is less 0.1 m 2 / g or more 40 m 2 / g, a negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3. 前記複合粒子を構成する前記炭素材料は、断面のSTEM−ADF測定におけるエネルギーロス像で90−150eVのL−Si端および、280−400eVのC−K端のエネルギーロス分布を示す、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The carbon material constituting the composite particle exhibits an energy loss distribution of 90 to 150 eV L-Si end and 280 to 400 eV CK edge in an energy loss image in cross-section STEM-ADF measurement. The negative electrode material for lithium ion secondary batteries as described in any one of -4. 前記鱗片状シリコン粒子は、ナノグラフェンで被覆されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the scaly silicon particles are coated with nanographene. 前記鱗片状シリコン粒子は、平均値で、長径が10nm以上1μm以下であり、厚さが5nm以上200nm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the scaly silicon particles have an average value of a major axis of 10 nm to 1 μm and a thickness of 5 nm to 200 nm. material. 正極と、負極と、を含むリチウムイオン二次電池であって、
前記負極は、請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料を含む、リチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode,
The said negative electrode is a lithium ion secondary battery containing the negative electrode material for lithium ion secondary batteries as described in any one of Claims 1-7.
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