JP2019145402A - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Yuki Maehara
有貴 前原
真平 宗
Shinpei So
真平 宗
浩平 間瀬
Kohei Mase
浩平 間瀬
隆弘 杉岡
Takahiro Sugioka
隆弘 杉岡
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Abstract

To provide a lithium ion secondary battery with a new silicon material and excellent thermal stability.SOLUTION: A lithium ion secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material and a lithium dopant, and a negative electrode including an Al-containing silicon material.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関するものである。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、携帯情報端末などの携帯機器や車両の電源として使用されている。そして、リチウムイオン二次電池の高容量化を図る目的で、理論容量に優れるシリコンを含有するシリコン材料を負極活物質として採用することが研究されている。   Lithium ion secondary batteries are used as power sources for portable devices such as portable information terminals and vehicles. For the purpose of increasing the capacity of the lithium ion secondary battery, it has been studied to employ a silicon material containing silicon that is excellent in theoretical capacity as the negative electrode active material.

例えば、特許文献1及び特許文献2には、負極活物質がシリコンであるリチウムイオン二次電池が記載されている。
特許文献3及び特許文献4には、負極活物質がSiOであるリチウムイオン二次電池が記載されている。
For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 describe lithium ion secondary batteries in which the negative electrode active material is silicon.
Patent Literature 3 and Patent Literature 4 describe lithium ion secondary batteries in which the negative electrode active material is SiO.

特許文献5には、CaSiを酸と反応させて層状ポリシランを合成することが記載されており、当該層状ポリシランを負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池が好適な容量を示すことが記載されている。 Patent Document 5 describes that CaSi 2 is reacted with an acid to synthesize a layered polysilane, and that a lithium ion secondary battery including the layered polysilane as a negative electrode active material exhibits a suitable capacity. Has been.

特許文献6には、CaSiを酸と反応させて層状ポリシランを合成し、当該層状ポリシランを300℃以上で加熱して水素を離脱させたナノシリコン材料を製造したこと、及び、当該ナノシリコン材料を負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池が好適な容量維持率を示すことが記載されている。 Patent Document 6 discloses that a layered polysilane was synthesized by reacting CaSi 2 with an acid, and the layered polysilane was heated at 300 ° C. or more to produce a nanosilicon material from which hydrogen was released, and the nanosilicon material. It is described that a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material exhibits a suitable capacity retention rate.

特開2014−203595号公報JP 2014-203595 A 特開2015−57767号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-57767 特開2015−185509号公報JP 2015-185509 A 特開2015−179625号公報JP-A-2015-179625 特開2011−090806号公報JP 2011-090806 A 国際公開第2014/080608号International Publication No. 2014/080608

上述したように、シリコン材料の研究が熱心に行われており、二次電池の負極活物質として採用し得る、新しいシリコン材料の提供が熱望されている。また、安全性の観点から、熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池が求められている。   As described above, research on silicon materials has been conducted eagerly, and the provision of new silicon materials that can be employed as negative electrode active materials for secondary batteries is eagerly desired. Moreover, the lithium ion secondary battery which is excellent in thermal stability is calculated | required from a viewpoint of safety.

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、新しいシリコン材料を具備し、かつ、熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of this situation, and it aims at providing the lithium ion secondary battery which comprises a new silicon material and is excellent in thermal stability.

本発明者は、新しいシリコン材料を提供すべく、試行錯誤を繰り返して鋭意検討した。シリコン自体は半導体であるため、シリコン材料を二次電池の負極活物質として利用する場合、何らかの方法でシリコン材料の導電性を高くするのが好ましいと本発明者は考えた。そこで、若干量のAlを添加してシリコン材料を製造し、当該シリコン材料を具備する二次電池の抵抗を測定したところ、Al無添加のシリコン材料を具備する二次電池と比較して、低抵抗であることを知見した。   The present inventor has intensively studied through trial and error in order to provide a new silicon material. Since silicon itself is a semiconductor, when the silicon material is used as the negative electrode active material of the secondary battery, the present inventor considered that it is preferable to increase the conductivity of the silicon material by some method. Therefore, when a small amount of Al was added to produce a silicon material and the resistance of a secondary battery comprising the silicon material was measured, the resistance was lower than that of a secondary battery comprising an Al-free silicon material. It was found that it was resistance.

また、シリコン材料には、不可逆容量が存在することが知られている。不可逆容量とは、初回充電時に正極から負極へ移動したリチウムのうち、負極活物質にトラップされて、通常の充放電反応への関与が出来なくなるリチウム量に関する容量を意味する。   Further, it is known that irreversible capacity exists in silicon materials. The irreversible capacity means a capacity related to an amount of lithium that is trapped by the negative electrode active material and cannot participate in a normal charge / discharge reaction among lithium transferred from the positive electrode to the negative electrode during the first charge.

本発明者は、シリコン材料の不可逆容量に相当するリチウム量を補填するために、負極の表面に金属リチウム箔を貼付する手段を試みた。かかる手段は、特開平6−325765号公報の実施例10に開示される方法である。実際に、金属リチウム箔を貼付した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造し、その熱安定性を評価したところ、熱安定性に改善の余地があることに本発明者は気が付いた。   The present inventor has tried a means for attaching a metal lithium foil to the surface of the negative electrode in order to compensate for the amount of lithium corresponding to the irreversible capacity of the silicon material. Such means is the method disclosed in Example 10 of JP-A-6-325765. When the lithium ion secondary battery was actually manufactured using the negative electrode with the metal lithium foil attached and its thermal stability was evaluated, the present inventor found that there was room for improvement in thermal stability.

本発明者は、シリコン材料の不可逆容量に相当するリチウム量を補填する手段として、正極にリチウムドープ剤を添加する手段を想起した。そして、実際に、リチウムドープ剤が添加された正極を用いてリチウムイオン二次電池を製造し、その熱安定性を評価したところ、熱安定性が著しく改善したことを知見した。   The inventor has conceived a means for adding a lithium dopant to the positive electrode as a means for compensating the amount of lithium corresponding to the irreversible capacity of the silicon material. And actually, when the lithium ion secondary battery was manufactured using the positive electrode to which the lithium dopant was added and the thermal stability was evaluated, it was found that the thermal stability was remarkably improved.

すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池は、正極活物質及びリチウムドープ剤を具備する正極と、Al含有シリコン材料を具備する負極と、を備えることを特徴とする。   That is, the lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material and a lithium dopant, and a negative electrode including an Al-containing silicon material.

本発明により、新しいシリコン材料を具備し、かつ、熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を提供できる。   According to the present invention, a lithium ion secondary battery having a new silicon material and excellent in thermal stability can be provided.

置換型固溶体CaSi2−xAlの状態図である。It is a phase diagram of substitutional solid solution CaSi 2-x Al x . 実施例2、比較例2及び比較例3のリチウムイオン二次電池についての、容量維持率の結果(N=2)を示すグラフである。It is a graph which shows the result (N = 2) of the capacity | capacitance maintenance factor about the lithium ion secondary battery of Example 2, the comparative example 2, and the comparative example 3. FIG.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「x〜y」は、下限xおよび上限yをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに数値範囲内から任意に選択した数値を上限、下限の数値とすることができる。   The best mode for carrying out the present invention will be described below. Unless otherwise specified, the numerical range “x to y” described in this specification includes the lower limit x and the upper limit y. The numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper limit value and lower limit value and the numerical values listed in the examples. Furthermore, numerical values arbitrarily selected from the numerical value range can be used as upper and lower numerical values.

本発明のリチウムイオン二次電池は、正極活物質及びリチウムドープ剤を具備する正極と、Al含有シリコン材料(以下、本発明のAl含有シリコン材料ということがある。)を具備する負極と、を備えることを特徴とする。本発明のリチウムイオン二次電池を充電することにより、リチウムドープ剤のリチウムが負極に導入される。   The lithium ion secondary battery of the present invention comprises a positive electrode comprising a positive electrode active material and a lithium dopant, and a negative electrode comprising an Al-containing silicon material (hereinafter sometimes referred to as the Al-containing silicon material of the present invention). It is characterized by providing. By charging the lithium ion secondary battery of the present invention, lithium of the lithium dopant is introduced into the negative electrode.

正極は正極活物質及びリチウムドープ剤を具備する。正極は、集電体と、集電体の表面に結着させた、正極活物質を含有する正極活物質層を有する。   The positive electrode includes a positive electrode active material and a lithium dopant. The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material that is bound to the surface of the current collector.

集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。   The current collector refers to a chemically inert electronic conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharge or charging of a lithium ion secondary battery. As the current collector, at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel, etc. Metal materials can be exemplified. The current collector may be covered with a known protective layer. What collected the surface of the electrical power collector by the well-known method may be used as an electrical power collector.

集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。   The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh, or the like. Therefore, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, and a stainless steel foil can be suitably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

正極活物質層は正極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。正極活物質層にはリチウムドープ剤が添加されているのが好ましい。   The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and, if necessary, a conductive additive and / or a binder. It is preferable that a lithium dopant is added to the positive electrode active material layer.

正極活物質としては、層状岩塩構造のLiNiCoMn(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはLi、Fe、Cr、Cu、Zn、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、Zr、Ti、P、Ga、Ge、V、Mo、Nb、W、Laから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)、LiNiCoAl(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはLi、Fe、Cr、Cu、Zn、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Zr、Ti、P、Ga、Ge、V、Mo、Nb、W、Laから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)、LiMnOを挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn等のスピネル構造の化合物、及びスピネル構造の化合物と層状岩塩構造の化合物との混合物で構成される固溶体、LiMPO、LiMVO又はLiMSiO(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePOFなどのLiMPOF(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBOなどのLiMBO(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の各組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも正極活物質として使用可能である。また、正極活物質として、充放電に寄与するリチウムイオンを含まない正極活物質材料、たとえば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiSなどの金属硫化物、V、MnOなどの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。 As the positive electrode active material, a layered rock salt structure Li a Ni b Co c Mn d De O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1, 0 ≦ e <1, D is Li, Fe, Cr, Cu , Zn, Ca, Mg, S, Si, Na, K, Al, Zr, Ti, P, Ga, Ge, V, Mo, Nb, W, La, at least one element, 1.7 ≦ f ≦ 3), Li a Ni b Co c Al d De O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1, 0 ≦ e <1, D is Li, Fe, Cr, Cu, Zn, Ca, Mg, At least one element selected from S, Si, Na, K, Zr, Ti, P, Ga, Ge, V, Mo, Nb, W, and La, 1.7 ≦ f ≦ 3), and Li 2 MnO 3 . be able to. In addition, as a positive electrode active material, a solid solution composed of a spinel structure compound such as LiMn 2 O 4 and a mixture of a spinel structure compound and a layered rock salt structure compound, LiMPO 4 , LiMVO 4, or Li 2 MSiO 4 (formula M in the middle is selected from at least one of Co, Ni, Mn, and Fe). Furthermore, as the positive electrode active material, tavorite compound (the M a transition metal) LiMPO 4 F, such as LiFePO 4 F represented by, Limbo 3 such LiFeBO 3 (M is a transition metal) include borate-based compound represented by be able to. Any metal oxide used as the positive electrode active material may have the above-described composition formula as a basic composition, and those obtained by substituting the metal elements contained in the basic composition with other metal elements can also be used as the positive electrode active material. . Further, as a positive electrode active material, a positive electrode active material that does not contain lithium ions that contribute to charge / discharge, for example, sulfur alone, a compound in which sulfur and carbon are combined, a metal sulfide such as TiS 2 , V 2 O 5 , MnO 2 and other oxides, polyaniline and anthraquinone, compounds containing these aromatics in the chemical structure, conjugated materials such as conjugated diacetate-based organic substances, and other known materials can also be used. Further, a compound having a stable radical such as nitroxide, nitronyl nitroxide, galvinoxyl, phenoxyl, etc. may be adopted as the positive electrode active material.

前段落のLiNiCoMn又はLiNiCoAlにおいて、b、c、dの値は、0<b<1、0<c<1、0<d<1であるものが良く、また、b、c、dの少なくともいずれか一つが30/100<b<95/100、1/100<c<70/100、1/100<d<50/100の範囲であることが好ましく、50/100<b<90/100、5/100<c<50/100、1/100<d<30/100の範囲であることがより好ましく、80/100<b<90/100、5/100<c<20/100、1/100<d<10/100の範囲であることがさらに好ましい。
a、e、fについては、好ましくは0.5≦a≦1.5、0≦e<0.2、1.8≦f≦2.5、より好ましくは0.8≦a≦1.3、0≦e<0.1、1.9≦f≦2.1を例示することができる。
In Li a Ni b Co c Mn d D e O f or Li a Ni b Co c Al d D e O f in the preceding paragraph, b, c, value of d, 0 <b <1,0 <c <1 , 0 <d <1, and at least one of b, c, d is 30/100 <b <95/100, 1/100 <c <70/100, 1/100 <d. It is preferably in the range of <50/100, more preferably in the range of 50/100 <b <90/100, 5/100 <c <50/100, 1/100 <d <30/100, More preferably, the ranges are 80/100 <b <90/100, 5/100 <c <20/100, and 1/100 <d <10/100.
For a, e and f, preferably 0.5 ≦ a ≦ 1.5, 0 ≦ e <0.2, 1.8 ≦ f ≦ 2.5, more preferably 0.8 ≦ a ≦ 1.3. , 0 ≦ e <0.1, 1.9 ≦ f ≦ 2.1.

また、LiMPOとしては、オリビン構造のLi(Mn,Fe1−x)PO(xは0≦x<1である。)が特に好ましい。リチウムイオン二次電池の正極活物質層にLi(Mn,Fe1−x)POが存在すると、電池の正極と負極の短絡時であっても、電池の発熱をある程度抑制することができる。なお、LiMPOとしては、その表面をカーボンコートしたものを採用するのが好ましい。 As the LiMPO 4, of olivine structure Li (Mn x, Fe 1- x) PO 4 (x is 0 ≦ x <1.) Is particularly preferred. When Li (Mn x , Fe 1-x ) PO 4 is present in the positive electrode active material layer of the lithium ion secondary battery, heat generation of the battery can be suppressed to some extent even when the positive electrode and negative electrode of the battery are short-circuited. . In addition, as LiMPO 4, it is preferable to employ a carbon-coated surface.

正極活物質層における正極活物質の配合量は、70〜97質量%の範囲内が好ましく、75〜96質量%の範囲内がより好ましく、80〜95質量%の範囲内がさらに好ましく、85〜95質量%の範囲内が特に好ましい。   The amount of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 70 to 97% by mass, more preferably in the range of 75 to 96% by mass, still more preferably in the range of 80 to 95% by mass, A range of 95% by mass is particularly preferable.

正極活物質は1種類でもよいが、複数の種類であってもよい。例えば、前記正極活物質が、第1正極活物質と、前記第1正極活物質よりも配合量の少ない第2正極活物質とを含む場合には、その配合質量比は、第1正極活物質:第2正極活物質=95:5〜60:40の範囲内が好ましく、90:10〜65:35の範囲内がより好ましく、85:15〜70:30の範囲内がさらに好ましい。   The positive electrode active material may be one type or a plurality of types. For example, when the positive electrode active material includes a first positive electrode active material and a second positive electrode active material having a smaller blending amount than the first positive electrode active material, the blending mass ratio thereof is the first positive electrode active material. : Second positive electrode active material = preferably in the range of 95: 5 to 60:40, more preferably in the range of 90:10 to 65:35, and still more preferably in the range of 85:15 to 70:30.

リチウムイオン二次電池の充放電の主体となる第1正極活物質としては、LiNiCoMn又はLiNiCoAlが好ましく、第2正極活物質としては、LiMPOが好ましい。 The first positive electrode active material composed mainly of charging and discharging of the lithium ion secondary battery, Li a Ni b Co c Mn d D e O f or Li a Ni b Co c Al d D e O f is preferably the second As the positive electrode active material, LiMPO 4 is preferable.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、および各種金属粒子などが例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive auxiliary agent may be added arbitrarily when the electrode conductivity is insufficient, and may not be added when the electrode conductivity is sufficiently excellent. The conductive auxiliary agent may be any chemically inert electronic high conductor, such as carbon black, graphite, acetylene black, ketjen black (registered trademark), vapor grown carbon fiber (Vapor Grown Carbon). Fiber) and various metal particles. These conductive assistants can be added to the active material layer alone or in combination of two or more.

正極活物質層における導電助剤の配合量は、0.5〜10質量%の範囲内が好ましく、1〜5質量%の範囲内がより好ましく、1〜3質量%の範囲内がさらに好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると正極活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The compounding amount of the conductive additive in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 0.5 to 10% by mass, more preferably in the range of 1 to 5% by mass, and still more preferably in the range of 1 to 3% by mass. This is because if the amount of the conductive auxiliary is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive auxiliary is too large, the formability of the positive electrode active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.

結着剤は、活物質や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止め、電極中の導電ネットワークを維持する役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、ポリ(メタ)アクリル酸やその誘導体を包含するポリ(メタ)アクリル系樹脂、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、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸アンモニウム等のアルギン酸塩、水溶性セルロースエステル架橋体、デンプン−アクリル酸グラフト重合体を例示することができる。これらの結着剤を単独で又は複数で採用すれば良い。   The binder plays a role of securing an active material or a conductive auxiliary agent to the surface of the current collector and maintaining a conductive network in the electrode. Examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, alkoxysilyl group-containing resins, poly ( Poly (meth) acrylic resins including meth) acrylic acid and derivatives thereof, styrene-butadiene rubber (SBR), alginate such as carboxymethylcellulose, sodium alginate, ammonium alginate, water-soluble cellulose ester crosslinked product, starch-acrylic acid A graft polymer can be illustrated. These binders may be used singly or in plural.

また、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。当該架橋ポリマーはポリ(メタ)アクリル系樹脂の一態様である。   A cross-linked polymer obtained by cross-linking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine disclosed in International Publication No. 2016/063882 may be used as a binder. The crosslinked polymer is an embodiment of a poly (meth) acrylic resin.

架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o−トリジン、2,4−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。   Examples of the diamine used in the crosslinked polymer include alkylene diamines such as ethylene diamine, propylene diamine, and hexamethylene diamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophorone diamine, and bis (4-aminocyclohexyl) methane. Saturated carbocyclic diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenyl ether, bis (4-aminophenyl) sulfone, benzidine, o-tolidine, 2,4- Aromatic diamines such as tolylenediamine, 2,6-tolylenediamine, xylylenediamine, and naphthalenediamine are exemplified.

正極活物質層における結着剤の配合量は、0.5〜10質量%の範囲内が好ましく、1〜7質量%の範囲内がより好ましく、2〜5質量%の範囲内がさらに好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The amount of the binder in the positive electrode active material layer is preferably in the range of 0.5 to 10% by mass, more preferably in the range of 1 to 7% by mass, and still more preferably in the range of 2 to 5% by mass. This is because when the amount of the binder is too small, the moldability of the electrode is lowered, and when the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode is lowered.

リチウムドープ剤は、負極のAl含有シリコン材料の不可逆容量に相当するリチウム量を補填するために添加される物質である。リチウムドープ剤は、本発明のリチウムイオン二次電池の初回充電時に、リチウムイオンを放出する。そして、放出されたリチウムイオンは負極に導入される。   The lithium dopant is a substance added to compensate for the amount of lithium corresponding to the irreversible capacity of the Al-containing silicon material of the negative electrode. The lithium dopant releases lithium ions when the lithium ion secondary battery of the present invention is charged for the first time. Then, the released lithium ions are introduced into the negative electrode.

リチウムドープ剤は、正極活物質層に添加されていてもよく、また、正極活物質層の表面にリチウムドープ剤含有層として結着剤と共に配置されてもよい。製造工程短縮の観点から、リチウムドープ剤は、正極活物質層に添加されているのが好ましい。   The lithium dopant may be added to the positive electrode active material layer, and may be disposed on the surface of the positive electrode active material layer together with a binder as a lithium dopant-containing layer. From the viewpoint of shortening the manufacturing process, the lithium dopant is preferably added to the positive electrode active material layer.

正極におけるリチウムドープ剤の量としては、負極の不可逆容量に対応する量とするのが好ましい。すなわち、正極におけるリチウムドープ剤の量は、負極の不可逆容量に応じて、適宜決定されるのが好ましい。
正極活物質層におけるリチウムドープ剤の量としては、0.5〜10質量%の範囲内、1〜7質量%の範囲内、2〜6質量%の範囲内を例示できる。
The amount of the lithium dopant in the positive electrode is preferably an amount corresponding to the irreversible capacity of the negative electrode. That is, the amount of the lithium dopant in the positive electrode is preferably determined as appropriate according to the irreversible capacity of the negative electrode.
Examples of the amount of the lithium dopant in the positive electrode active material layer include a range of 0.5 to 10% by mass, a range of 1 to 7% by mass, and a range of 2 to 6% by mass.

リチウムドープ剤としては、リチウムイオン二次電池の初回充電時にリチウムイオンを放出する物質であれば制限されない。1モルあたりのリチウムの割合が高い点から、リチウムドープ剤としては、LiFeO、LiMnO、LiCoO、LiZnO、LiAlO及びLiGaOが好ましい。 The lithium dopant is not limited as long as it is a substance that releases lithium ions when the lithium ion secondary battery is initially charged. From the viewpoint of a high ratio of lithium per mole, Li 5 FeO 4 , Li 6 MnO 4 , Li 6 CoO 4 , Li 6 ZnO 4 , Li 5 AlO 4 and Li 5 GaO 4 are preferable as the lithium dopant.

リチウムドープ剤としては、炭素で被覆されているものが好ましい。炭素被覆に因りリチウムドープ剤の導電性が向上するため、炭素被覆リチウムドープ剤は、リチウムイオン二次電池の初回充電時に、電子及びリチウムイオンを円滑に放出できる。炭素被覆リチウムドープ剤における炭素含有量は0.5〜8質量%が好ましく、1〜6質量%がより好ましく、2〜5質量%がさらに好ましい。   As a lithium dopant, what is coat | covered with carbon is preferable. Since the conductivity of the lithium dopant is improved due to the carbon coating, the carbon-coated lithium dopant can smoothly release electrons and lithium ions when the lithium ion secondary battery is charged for the first time. The carbon content in the carbon-coated lithium dopant is preferably 0.5 to 8% by mass, more preferably 1 to 6% by mass, and still more preferably 2 to 5% by mass.

本発明のAl含有シリコン材料は、Alの存在に因り、導電性が向上するため、低抵抗な二次電池用の負極活物質として有用であるといえる。ただし、Al含有シリコン材料を具備する負極にて電荷担体の授受を行うのは、シリコンであるので、Al質量%が高すぎるAl含有シリコン材料は、負極活物質として好ましいとはいえない。   Since the Al-containing silicon material of the present invention has improved conductivity due to the presence of Al, it can be said that it is useful as a negative electrode active material for a low-resistance secondary battery. However, since it is silicon that exchanges charge carriers in the negative electrode including the Al-containing silicon material, an Al-containing silicon material whose Al mass% is too high is not preferable as the negative electrode active material.

本発明のAl含有シリコン材料は、Al質量%(WAl%)が0<WAl<1を満足するのが好ましく、0<WAl≦0.9を満足するのがより好ましく、0.01≦WAl≦0.8を満足するのがさらに好ましく、0.05≦WAl≦0.7を満足するのがさらにより好ましく、0.1≦WAl≦0.7を満足するのが特に好ましく、0.15≦WAl≦0.7を満足するのが最も好ましい。 In the Al-containing silicon material of the present invention, the Al mass% (W Al %) preferably satisfies 0 <W Al <1, more preferably 0 <W Al ≦ 0.9, 0.01 ≦ W Al ≦ 0.8 is more preferable, 0.05 ≦ W Al ≦ 0.7 is more preferable, and 0.1 ≦ W Al ≦ 0.7 is particularly satisfied. It is preferable that 0.15 ≦ W Al ≦ 0.7 is satisfied.

リチウムイオン二次電池の充放電条件下においては、電解液の構成成分が分解して、負極活物質の表面に酸素を含むSEI(Solid Electrolyte Interphase)被膜が形成することが知られている。ここで、負極活物質がシリコンを含有するシリコン材料の場合、シリコン材料のシリコンがSEI被膜に含まれる酸素によって酸化されて劣化することが懸念される。
しかしながら、本発明のAl含有シリコン材料は、Alを含有するので、シリコンの酸化劣化が抑制されると考えられる。その理由は、Alはシリコンよりも電気陰性度が低いため酸素と優先的にかつ安定に結合すると考えられる点、Alと酸素とのAl−O結合がSi−O結合よりも安定である点、及び、安定なAl−O結合を形成した酸素はAlよりも電気陰性度の高いシリコンの酸化には関与し難いといえる点にある。
したがって、本発明のAl含有シリコン材料を負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池は、長寿命であることが期待できる。
It is known that the constituent components of the electrolytic solution are decomposed under the charge / discharge conditions of the lithium ion secondary battery to form a SEI (Solid Electrolyte Interface) film containing oxygen on the surface of the negative electrode active material. Here, when the negative electrode active material is a silicon material containing silicon, there is a concern that silicon of the silicon material is oxidized and deteriorated by oxygen contained in the SEI film.
However, since the Al-containing silicon material of the present invention contains Al, it is considered that oxidative degradation of silicon is suppressed. The reason is that Al is considered to preferentially and stably bond with oxygen because it has a lower electronegativity than silicon, and that the Al—O bond between Al and oxygen is more stable than the Si—O bond. In addition, oxygen that forms stable Al—O bonds is less likely to participate in the oxidation of silicon, which has a higher electronegativity than Al.
Therefore, a lithium ion secondary battery comprising the Al-containing silicon material of the present invention as a negative electrode active material can be expected to have a long life.

本明細書において、シリコン材料とは、シリコンを主な構成成分とする材料を意味する。本発明のAl含有シリコン材料におけるSi質量%(WSi%)は、60≦WSi≦90を満足するのが好ましく、65≦WSi≦85を満足するのがより好ましく、67≦WSi≦85を満足するのがさらに好ましい。
Si質量%が低すぎると、本発明のAl含有シリコン材料の単位質量あたりの容量が低くなるため、負極活物質としての能力が不十分となる場合がある。Si質量%が高すぎると、充放電時の本発明のAl含有シリコン材料の膨張及び収縮の程度が大きくなりすぎて、本発明のAl含有シリコン材料が破損する懸念がある。
In this specification, the silicon material means a material containing silicon as a main component. The Si mass% (W Si %) in the Al-containing silicon material of the present invention preferably satisfies 60 ≦ W Si ≦ 90, more preferably satisfies 65 ≦ W Si ≦ 85, and 67 ≦ W Si ≦. More preferably, 85 is satisfied.
When Si mass% is too low, since the capacity per unit mass of the Al-containing silicon material of the present invention is low, the ability as a negative electrode active material may be insufficient. If the Si mass% is too high, the degree of expansion and contraction of the Al-containing silicon material of the present invention at the time of charging / discharging becomes too large, and there is a concern that the Al-containing silicon material of the present invention is damaged.

本発明のAl含有シリコン材料には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、他の元素が存在してもよい。他の元素としては、原料や製造工程に由来するものが挙げられる。他の元素として具体的に、Fe、O、Ca、C、ハロゲンを例示できる。   Other elements may be present in the Al-containing silicon material of the present invention within a range not departing from the gist of the present invention. Examples of other elements include those derived from raw materials and manufacturing processes. Specific examples of other elements include Fe, O, Ca, C, and halogen.

本発明のAl含有シリコン材料におけるFe質量%(WFe%)は、0≦WFe≦3を満足するのが好ましく、0≦WFe≦1を満足するのがより好ましく、0≦WFe≦0.5を満足するのがさらに好ましく、0≦WFe≦0.3を満足するのが特に好ましく、0≦WFe≦0.1を満足するのが最も好ましい。Feの混入容易性及び除去困難性を鑑みると、本発明のAl含有シリコン材料におけるFe質量%(WFe%)は、0<WFeとなる場合が想定される。
また、Al質量%(WAl%)とFe質量%(WFe%)の関係が、WAl>WFeを満足するのが好ましく、WAl>2×WFeを満足するのがより好ましい。
The Fe mass% (W Fe %) in the Al-containing silicon material of the present invention preferably satisfies 0 ≦ W Fe ≦ 3, more preferably satisfies 0 ≦ W Fe ≦ 1, and 0 ≦ W Fe ≦ more preferably satisfies 0.5, particularly preferably satisfies the 0 ≦ W Fe ≦ 0.3, and most preferably satisfies 0 ≦ W Fe ≦ 0.1. In view of the ease of mixing and removal of Fe, the Fe mass% (W Fe %) in the Al-containing silicon material of the present invention is assumed to be 0 <W Fe .
Further, the relationship between Al mass% (W Al %) and Fe mass% (W Fe %) preferably satisfies W Al > W Fe, and more preferably satisfies W Al > 2 × W Fe .

本発明のAl含有シリコン材料におけるO質量%(W%)は、5≦W≦30を満足するのが好ましく、10≦W≦25を満足するのがより好ましく、12≦W≦22を満足するのがさらに好ましく、13≦W≦21を満足するのが特に好ましい。
本発明のAl含有シリコン材料が一定程度の酸素を含有することで、本発明のAl含有シリコン材料を負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池の寿命が長くなる。
The O mass% (W O %) in the Al-containing silicon material of the present invention preferably satisfies 5 ≦ W O ≦ 30, more preferably satisfies 10 ≦ W O ≦ 25, and 12 ≦ W O ≦ 22 is more preferable, and 13 ≦ W 2 O ≦ 21 is particularly preferable.
When the Al-containing silicon material of the present invention contains a certain amount of oxygen, the life of the lithium ion secondary battery including the Al-containing silicon material of the present invention as a negative electrode active material is extended.

本発明のAl含有シリコン材料におけるCa質量%(WCa%)は、0≦WCa≦3を満足するのが好ましく、0≦WCa≦1を満足するのがより好ましく、0≦WCa≦0.5を満足するのがさらに好ましく、0≦WCa≦0.3を満足するのが特に好ましい。Caの混入容易性及び除去困難性を鑑みると、本発明のAl含有シリコン材料におけるCa質量%(WCa%)は、0<WCaとなる場合が想定される。 The Ca mass% (W Ca %) in the Al-containing silicon material of the present invention preferably satisfies 0 ≦ W Ca ≦ 3, more preferably satisfies 0 ≦ W Ca ≦ 1, and 0 ≦ W Ca ≦ It is more preferable that 0.5 is satisfied, and it is particularly preferable that 0 ≦ W Ca ≦ 0.3 is satisfied. Considering the ease of mixing Ca and the difficulty of removal, it is assumed that the Ca mass% (W Ca %) in the Al-containing silicon material of the present invention satisfies 0 <W Ca.

本発明のAl含有シリコン材料におけるハロゲン質量%(W%)は、0≦W≦3を満足するのが好ましく、0≦W≦2を満足するのがより好ましく、0≦W≦1を満足するのがさらに好ましく、0≦W≦0.5を満足するのが特に好ましい。ハロゲンの混入容易性及び除去困難性を鑑みると、本発明のAl含有シリコン材料におけるハロゲン質量%(W%)は、0<Wとなる場合が想定される。 The halogen mass% (W X %) in the Al-containing silicon material of the present invention preferably satisfies 0 ≦ W X ≦ 3, more preferably satisfies 0 ≦ W X ≦ 2, and 0 ≦ W X ≦ 1 is more preferable, and 0 ≦ W X ≦ 0.5 is particularly preferable. In view of the ease of halogen incorporation and the difficulty of removal, it is assumed that the halogen mass% (W X %) in the Al-containing silicon material of the present invention is 0 <W X.

本発明のAl含有シリコン材料を構造の面から述べると、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものが好ましい。本発明のAl含有シリコン材料をリチウムイオン二次電池の活物質として使用することを考慮すると、リチウムイオンなどの電荷担体の効率的な挿入及び脱離反応のためには、上記板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。また、板状シリコン体の長軸方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長軸方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。   When the Al-containing silicon material of the present invention is described from the viewpoint of the structure, it is preferable to have a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. Considering the use of the Al-containing silicon material of the present invention as an active material of a lithium ion secondary battery, for efficient insertion and desorption reactions of charge carriers such as lithium ions, the plate-like silicon body is The thing with the thickness in the range of 10 nm-100 nm is preferable, and the thing within the range of 20 nm-50 nm is more preferable. The length of the plate-like silicon body in the major axis direction is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm. The plate-like silicon body preferably has a (length in the major axis direction) / (thickness) range of 2 to 1000.

本発明のAl含有シリコン材料は、アモルファスシリコンやシリコン結晶子を含有するものが好ましい。シリコン結晶子のサイズとしては、ナノサイズのものが好ましい。具体的には、シリコン結晶子サイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。シリコン結晶子サイズは、本発明のAl含有シリコン材料に対してX線回折測定(XRD測定)を行い、得られたXRDチャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。   The Al-containing silicon material of the present invention preferably contains amorphous silicon or silicon crystallites. The size of the silicon crystallite is preferably nano-sized. Specifically, the silicon crystallite size is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly in the range of 1 nm to 10 nm. preferable. The silicon crystallite size is an X-ray diffraction measurement (XRD measurement) performed on the Al-containing silicon material of the present invention, and Scherrer's formula using the half width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained XRD chart. Is calculated from

本発明のAl含有シリコン材料は、粒子状のものが好ましい。本発明のAl含有シリコン材料の平均粒子径としては、1〜30μmの範囲内が好ましく、2〜20μmの範囲内がより好ましく、3〜10μmの範囲内がさらに好ましい。なお、明細書において、平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合における、D50を意味する。 The Al-containing silicon material of the present invention is preferably particulate. The average particle diameter of the Al-containing silicon material of the present invention is preferably in the range of 1 to 30 μm, more preferably in the range of 2 to 20 μm, and still more preferably in the range of 3 to 10 μm. In the specification, the average particle diameter means D 50 when measured with a general laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.

次に、本発明のAl含有シリコン材料の製造方法の一態様を説明する。
本発明のAl含有シリコン材料の製造方法の一態様は、
a)Ca、Al及びSiを含む溶湯を冷却して、固体とする工程、
b)前記固体を酸と反応させて、Al含有シリコン材料の前駆体を得る工程、
c)前記前駆体を300℃以上で加熱する工程、
を含むことを特徴とする。
Next, one aspect of the method for producing an Al-containing silicon material of the present invention will be described.
One aspect of the method for producing an Al-containing silicon material of the present invention is:
a) a step of cooling a molten metal containing Ca, Al and Si to form a solid;
b) reacting the solid with an acid to obtain a precursor of an Al-containing silicon material;
c) heating the precursor at 300 ° C. or higher;
It is characterized by including.

上記製造方法は、本発明のAl含有シリコン材料として、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものを製造するのに好適である。上記製造方法のa)工程、b)工程及びc)工程における、化学変化の一例を、Alを無視して、理想的な反応式で示すと、以下のとおりとなる。
a)工程:Ca+2Si→CaSi
b)工程:3CaSi+6HCl→Si+3CaCl
c)工程:Si→6Si+3H
The above production method is suitable for producing an Al-containing silicon material of the present invention having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. An example of a chemical change in the a) step, b) step and c) step of the above production method is shown as an ideal reaction formula ignoring Al.
a) Process: Ca + 2Si → CaSi 2
b) Step: 3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
c) Step: Si 6 H 6 → 6Si + 3H 2

複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する本発明のAl含有シリコン材料の積層構造は、CaSiやSiにおけるSi層に由来すると考えられる。 It is considered that the laminated structure of the Al-containing silicon material of the present invention having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction is derived from the Si layer in CaSi 2 or Si 6 H 6 .

a)工程について説明する。a)工程で用いられるCa、Al及びSiとしては、元素単体又はこれら元素の合金が好ましい。CaSiを原料の一部として用いてもよい。溶湯におけるCa及びSiの元素組成比は、1:1.5〜1:2.5の範囲内が好ましく、1:1.8〜1:2.2の範囲内がより好ましく、1:1.9〜1:2.1の範囲内がさらに好ましい。 a) A process is demonstrated. As Ca, Al, and Si used in the step a), elemental elements or alloys of these elements are preferable. CaSi 2 may be used as a part of the raw material. The elemental composition ratio of Ca and Si in the molten metal is preferably in the range of 1: 1.5 to 1: 2.5, more preferably in the range of 1: 1.8 to 1: 2.2, and 1: 1. A range of 9 to 1: 2.1 is more preferable.

溶湯におけるAlの量としては、製造しようとする本発明のAl含有シリコン材料におけるAl質量比に応じて適宜決定すればよい。ただし、Alは酸に溶解し得るため、次工程のb)工程において、前駆体中のAl量が減少する場合がある。そのため、溶湯には、やや多めのAlを添加しておくことが好ましい。   The amount of Al in the molten metal may be appropriately determined according to the Al mass ratio in the Al-containing silicon material of the present invention to be manufactured. However, since Al can be dissolved in an acid, the amount of Al in the precursor may decrease in the subsequent step b). Therefore, it is preferable to add a little more Al to the molten metal.

本発明者は、a)工程にて、AlがCaSiのSiと置換してなる置換型固溶体CaSi2−xAlが製造されると考えた。そこで、当該固溶体の状態図を、熱力学平衡計算ソフト(FactSage、株式会社計算力学研究センター)を用いて算出した。図1に状態図を示す。 The present inventors have considered that in step a), Al is substituted solid solution CaSi 2-x Al x obtained by replacing the Si of CaSi 2 is manufactured. Therefore, the phase diagram of the solid solution was calculated using thermodynamic equilibrium calculation software (FactSage, Computational Mechanics Research Center, Inc.). FIG. 1 shows a state diagram.

図1の状態図からみて、xは、0<x<0.16の範囲内である。x=0.16の場合の置換型固溶体の組成式は、CaSi2−0.16Al0.16となる。当該置換型固溶体に対するAlの質量%は、100×26.98×0.16/(40.08+28.09×1.84+26.98×0.16)=4.5と計算される。ただし、図1の状態図からみて、常温での置換型固溶体の組成式におけるAlの量は著しく低い。
よって、溶湯における、Ca、Si及びAlの合計質量に対するAlの質量%は、4.5%未満が好ましく、0.01〜3%の範囲内がより好ましく、0.05〜2%の範囲内がさらに好ましく、0.1〜1%の範囲内が特により好ましいと考えられる。なお、過剰にAlを添加すると、CaAlSiも生成すると考えられるが、CaAlSiは次工程のb)工程において分解して消失する。
From the state diagram of FIG. 1, x is in the range of 0 <x <0.16. The composition formula of the substitutional solid solution in the case of x = 0.16 is CaSi 2-0.16 Al 0.16 . The mass% of Al with respect to the substitutional solid solution is calculated as 100 × 26.98 × 0.16 / (40.08 + 28.09 × 1.84 + 26.98 × 0.16) = 4.5. However, from the state diagram of FIG. 1, the amount of Al in the composition formula of the substitutional solid solution at room temperature is extremely low.
Therefore, the mass% of Al with respect to the total mass of Ca, Si and Al in the molten metal is preferably less than 4.5%, more preferably in the range of 0.01 to 3%, and in the range of 0.05 to 2%. Is more preferable, and the range of 0.1 to 1% is considered to be particularly preferable. In addition, it is thought that when Al is added excessively, CaAl 2 Si 2 is also generated, but CaAl 2 Si 2 decomposes and disappears in the next step b).

a)工程の溶湯温度としては、Ca、Al及びSiの混合物が溶湯となり得る温度であればよい。ここで、溶湯とは、Ca、Al及びSiの混合物の液体様の状態を意味する。溶湯温度としては1050℃〜1800℃の範囲内が好ましく、1100℃〜1500℃の範囲内がより好ましく、1200℃〜1400℃の範囲内がさらに好ましい。   The molten metal temperature in the step a) may be any temperature at which a mixture of Ca, Al and Si can become a molten metal. Here, the molten metal means a liquid-like state of a mixture of Ca, Al and Si. The molten metal temperature is preferably in the range of 1050 ° C to 1800 ° C, more preferably in the range of 1100 ° C to 1500 ° C, and still more preferably in the range of 1200 ° C to 1400 ° C.

a)工程で用いる加熱装置としては、例えば、高周波誘導加熱装置、電気炉、ガス炉を使用することができる。a)工程は、加圧又は減圧条件下としてもよいし、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気下としてもよい。   As the heating device used in the step a), for example, a high frequency induction heating device, an electric furnace, or a gas furnace can be used. The step a) may be performed under pressure or reduced pressure, or in an inert gas atmosphere such as argon, helium, or nitrogen.

溶湯の冷却は、できるだけ早い速度で温度を低下させるのが好ましい。置換型固溶体の生成と共に、侵入型固溶体の生成も期待できるためである。溶湯を冷却する方法としては、所定の型に溶湯を注いで室温で放置する方法でもよいが、急速冷却装置を用いた冷却方法でもよい。   It is preferable to cool the molten metal at a speed as low as possible. This is because generation of an interstitial solid solution can be expected along with the generation of a substitutional solid solution. As a method of cooling the molten metal, a method of pouring the molten metal into a predetermined mold and leaving it at room temperature may be used, or a cooling method using a rapid cooling device may be used.

本明細書で述べる急速冷却装置とは、溶湯を放置して冷却する装置は含まれず、溶湯を強制的に冷却する装置を意味する。急速冷却装置としては、回転する冷却ロール上に溶湯を噴射する冷却手段(いわゆるメルトスパン法、ストリップキャスト法、又は、メルトスピニング法)や、細流化した溶湯に対して流体を吹き付けるアトマイズ法などの冷却手段を用いた冷却装置を例示できる。アトマイズ法としては、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心力アトマイズ法、プラズマアトマイズ法を例示できる。具体的な急速冷却装置としては、液体急冷凝固装置、急冷薄片製造装置、液中紡糸装置、ガスアトマイズ装置、水アトマイズ装置、回転ディスク装置、回転電極法装置(以上、日新技研株式会社)、液体急冷装置、ガスアトマイズ装置(以上、株式会社真壁技研)を例示できる。好ましい冷却速度として、1000〜100000℃/秒を例示できる。   The rapid cooling device described in the present specification does not include a device that cools the molten metal by allowing it to stand, and means a device that forcibly cools the molten metal. Rapid cooling equipment includes cooling means (so-called melt span method, strip cast method, or melt spinning method) that injects molten metal onto a rotating cooling roll, and atomizing method that sprays fluid onto the trickled molten metal. A cooling device using the means can be exemplified. Examples of the atomizing method include a gas atomizing method, a water atomizing method, a centrifugal atomizing method, and a plasma atomizing method. Specific rapid cooling devices include a liquid rapid solidification device, a rapid cooling flake production device, a submerged spinning device, a gas atomizing device, a water atomizing device, a rotating disk device, a rotating electrode method device (above, Nisshin Giken Co., Ltd.), liquid Examples of the quenching device and the gas atomizing device (Makabe Giken Co., Ltd.) An example of a preferable cooling rate is 1000 to 100,000 ° C./second.

また、冷却して得られた固体の固体状態を維持しつつ加熱する、アニール工程を追加してもよい。図1の状態図から、900℃付近において、置換型固溶体CaSi2−xAlが最も生成しやすいと考えられる。そのため、アニール工程の加熱温度としては、800〜1000℃が好ましく、850〜950℃がより好ましい。加熱時間としては、1〜50時間、5〜30時間を例示できる。アニール工程後には、当然に、固体を冷却する。 Moreover, you may add the annealing process heated while maintaining the solid state of the solid obtained by cooling. From the state diagram of FIG. 1, it is considered that the substitutional solid solution CaSi 2-x Al x is most easily generated at around 900 ° C. Therefore, the heating temperature in the annealing step is preferably 800 to 1000 ° C, and more preferably 850 to 950 ° C. Examples of the heating time include 1 to 50 hours and 5 to 30 hours. After the annealing step, the solid is naturally cooled.

冷却して得られた固体を粉砕してもよく、さらに分級してもよい。   The solid obtained by cooling may be pulverized or further classified.

次に、b)工程について説明する。b)工程は、a)工程で得られた固体を酸と反応させて、Al含有シリコン材料の前駆体を得る工程である。Al含有シリコン材料の前駆体は、CaSi2−xAlやCaSiによるSi層の基本骨格が維持されているため、層状をなす。 Next, step b) will be described. Step b) is a step in which the solid obtained in step a) is reacted with an acid to obtain a precursor of an Al-containing silicon material. The precursor of the Al-containing silicon material has a layer shape because the basic skeleton of the Si layer is maintained by CaSi 2-x Al x or CaSi 2 .

酸としては、フッ化水素酸、塩化水素酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、硫酸、硝酸、リン酸、蟻酸、酢酸、メタンスルホン酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロヒ素酸、フルオロアンチモン酸、ヘキサフルオロケイ酸、ヘキサフルオロゲルマン酸、ヘキサフルオロスズ(IV)酸、トリフルオロ酢酸、ヘキサフルオロチタン酸、ヘキサフルオロジルコニウム酸、トリフルオロメタンスルホン酸、フルオロスルホン酸が例示される。これらの酸を単独又は併用して使用すれば良い。   Acids include hydrofluoric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, hydroiodic acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, formic acid, acetic acid, methanesulfonic acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hexafluoro Examples include arsenic acid, fluoroantimonic acid, hexafluorosilicic acid, hexafluorogermanic acid, hexafluorotin (IV) acid, trifluoroacetic acid, hexafluorotitanic acid, hexafluorozirconic acid, trifluoromethanesulfonic acid, and fluorosulfonic acid The These acids may be used alone or in combination.

b)工程において、酸は、モル比にて、a)工程で得られた固体に含まれるCaよりも過剰に用いるのが好ましい。同工程は無溶媒で行ってもよいが、目的物の分離やCaClなどの副生物の除去の観点から溶媒として水を採用するのが好ましい。同工程の反応条件は、真空などの減圧条件又は不活性ガス雰囲気下とすることが好ましく、また、氷浴などの室温以下の温度条件とするのが好ましい。同工程の反応時間は適宜設定すれば良い。 In the step b), the acid is preferably used in molar ratio in excess of Ca contained in the solid obtained in the step a). Although this step may be performed without a solvent, it is preferable to employ water as a solvent from the viewpoint of separation of a target product and removal of by-products such as CaCl 2 . The reaction conditions in this step are preferably reduced pressure conditions such as vacuum or an inert gas atmosphere, and are preferably temperature conditions of room temperature or lower such as an ice bath. What is necessary is just to set the reaction time of the same process suitably.

b)工程は、水存在下で行われるのが好ましく、そしてSiは水と反応し得る。そのため、b)工程においては、例えば、以下の反応も進行すると考えられる。
Si+3HO→Si(OH)+3H
したがって、Al含有シリコン材料の前駆体には、酸素が含まれ得る。また、使用した酸のアニオン由来の元素も含まれ得る。
The step b) is preferably carried out in the presence of water and Si 6 H 6 can react with water. Therefore, in the step b), for example, the following reaction is considered to proceed.
Si 6 H 6 + 3H 2 O → Si 6 H 3 (OH) 3 + 3H 2
Accordingly, the precursor of the Al-containing silicon material can include oxygen. Moreover, the element derived from the anion of the used acid may be contained.

次に、c)工程について説明する。c)工程は、Al含有シリコン材料の前駆体を300℃以上で加熱し、水素や水などを離脱させ、Al含有シリコン材料を得る工程である。   Next, step c) will be described. Step c) is a step in which an Al-containing silicon material is obtained by heating a precursor of the Al-containing silicon material at 300 ° C. or higher to release hydrogen, water, and the like.

c)工程は、通常の大気下よりも酸素含有量の少ない非酸化性雰囲気下で行われるのが好ましい。非酸化性雰囲気としては、真空を含む減圧雰囲気、不活性ガス雰囲気を例示できる。加熱温度は、350℃〜950℃の範囲内が好ましく、400℃〜900℃の範囲内がより好ましい。加熱温度が低すぎると水素の離脱が十分でない場合があり、また、加熱温度が高すぎるとエネルギーの無駄になる。加熱時間は加熱温度に応じて適宜設定すれば良い。反応系外に抜けていく水素などの量を測定しながら加熱時間を決定するのが好ましい。加熱温度及び加熱時間を適宜選択することにより、製造されるAl含有シリコン材料に含まれるアモルファスシリコン及びシリコン結晶子の割合、並びに、シリコン結晶子の大きさを調製することもできる。加熱温度及び加熱時間を適宜選択することにより、製造されるAl含有シリコン材料に含まれるアモルファスシリコン及びシリコン結晶子を含むナノ水準の厚みの層の形状を調製することもできる。   The step c) is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere having a lower oxygen content than in normal air. Examples of the non-oxidizing atmosphere include a reduced pressure atmosphere including a vacuum and an inert gas atmosphere. The heating temperature is preferably in the range of 350 ° C to 950 ° C, more preferably in the range of 400 ° C to 900 ° C. If the heating temperature is too low, hydrogen may not be released sufficiently, and if the heating temperature is too high, energy is wasted. What is necessary is just to set a heating time suitably according to heating temperature. It is preferable to determine the heating time while measuring the amount of hydrogen or the like that escapes from the reaction system. By appropriately selecting the heating temperature and the heating time, the ratio of amorphous silicon and silicon crystallites contained in the produced Al-containing silicon material and the size of the silicon crystallites can be adjusted. By appropriately selecting the heating temperature and the heating time, the shape of a nano-level layer containing amorphous silicon and silicon crystallites contained in the produced Al-containing silicon material can also be prepared.

得られたAl含有シリコン材料を粉砕してもよく、さらに分級してもよい。   The obtained Al-containing silicon material may be pulverized or further classified.

負極は、集電体と、集電体の表面に結着させた負極活物質層を有する。集電体については、正極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。負極活物質層は負極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。   The negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer bound to the surface of the current collector. What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode about a collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and, if necessary, a conductive additive and / or a binder.

負極活物質としては、本発明のAl含有シリコン材料のみを採用してもよいし、本発明のAl含有シリコン材料と公知の負極活物質を併用してもよい。本発明のAl含有シリコン材料を炭素で被覆したものを負極活物質として用いてもよい。   As the negative electrode active material, only the Al-containing silicon material of the present invention may be employed, or the Al-containing silicon material of the present invention and a known negative electrode active material may be used in combination. A material obtained by coating the Al-containing silicon material of the present invention with carbon may be used as the negative electrode active material.

本発明のAl含有シリコン材料の一態様である炭素被覆したAl含有シリコン材料において、C質量%(W%)は、0<W≦30を満足するのが好ましく、1≦W≦20を満足するのがより好ましく、2≦W≦15を満足するのがさらに好ましく、5≦W≦10を満足するのが特に好ましい。 In the carbon-coated Al-containing silicon material which is an embodiment of the Al-containing silicon material of the present invention, C mass% (W C %) preferably satisfies 0 <W C ≦ 30, and 1 ≦ W C ≦ 20. Is more preferable, 2 ≦ W C ≦ 15 is more preferable, and 5 ≦ W C ≦ 10 is particularly preferable.

負極活物質層における負極活物質の配合量は、70〜97質量%の範囲内が好ましく、75〜93質量%の範囲内がより好ましく、80〜90質量%の範囲内がさらに好ましい。負極活物質層におけるAl含有シリコン材料の配合量は、50〜97質量%の範囲内が好ましく、60〜93質量%の範囲内がより好ましく、70〜90質量%の範囲内がさらに好ましい。   The amount of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 70 to 97% by mass, more preferably in the range of 75 to 93% by mass, and still more preferably in the range of 80 to 90% by mass. The amount of the Al-containing silicon material in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 50 to 97% by mass, more preferably in the range of 60 to 93% by mass, and still more preferably in the range of 70 to 90% by mass.

負極に用いる導電助剤については、正極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。負極活物質層における導電助剤の配合量は、1〜20質量%の範囲内が好ましく、3〜15質量%の範囲内がより好ましく、5〜11質量%の範囲内がさらに好ましい。   What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode about the conductive support agent used for a negative electrode. The compounding amount of the conductive additive in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 1 to 20% by mass, more preferably in the range of 3 to 15% by mass, and still more preferably in the range of 5 to 11% by mass.

負極に用いる結着剤については、正極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。後述する評価例Eの結果からみて、初回充電後の本発明のリチウムイオン二次電池の負極は、水素発生抑制効果を奏する。そのため、負極に用いる結着剤として水素発生可能なものを選択したとしても、その水素発生は抑制されるといえる。この点と結着力が強力である点から、負極の結着剤としては、ポリアミド、ポリアミドイミド又はポリ(メタ)アクリル系樹脂を選択するのが好ましい。   What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode about the binder used for a negative electrode. In view of the result of evaluation example E described later, the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention after the initial charge exhibits an effect of suppressing hydrogen generation. Therefore, even if a binder capable of generating hydrogen is selected as the binder used for the negative electrode, it can be said that the generation of hydrogen is suppressed. In view of this point and the strong binding force, it is preferable to select polyamide, polyamideimide, or poly (meth) acrylic resin as the binder for the negative electrode.

負極活物質層における結着剤の配合量は、3〜20質量%の範囲内が好ましく、5〜15質量%の範囲内がより好ましく、7〜13質量%の範囲内がさらに好ましい。   The amount of the binder in the negative electrode active material layer is preferably in the range of 3 to 20% by mass, more preferably in the range of 5 to 15% by mass, and still more preferably in the range of 7 to 13% by mass.

集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を塗布すればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び/又は導電助剤を混合し、スラリーを調製する。上記溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。   In order to form an active material layer on the surface of the current collector, a current collecting method such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method can be used. An active material may be applied to the surface of the body. Specifically, an active material, a solvent, and, if necessary, a binder and / or a conductive aid are mixed to prepare a slurry. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. The slurry is applied to the surface of the current collector and then dried. In order to increase the electrode density, the dried product may be compressed.

電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。   The electrolytic solution includes a nonaqueous solvent and an electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent.

非水溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、鎖状カーボネート、鎖状エステル、エーテル類等が使用できる。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートを例示でき、環状エステルとしては、ガンマブチロラクトン、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネートを例示でき、鎖状エステルとしては、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを例示できる。非水溶媒としては、上記具体的な溶媒の化学構造のうち一部又は全部の水素がフッ素に置換した化合物を採用しても良い。   As the non-aqueous solvent, cyclic carbonates, cyclic esters, chain carbonates, chain esters, ethers and the like can be used. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate. Examples of the cyclic ester include gamma butyrolactone, 2-methyl-gammabutyrolactone, acetyl-gammabutyrolactone, and gamma valerolactone. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. Examples of the chain ester include propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, and acetic acid alkyl ester. Examples of ethers include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane. As the non-aqueous solvent, a compound in which part or all of hydrogen in the chemical structure of the specific solvent is substituted with fluorine may be employed.

電解質としては、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(FSO、LiN(CFSO等のリチウム塩を例示できる。 Examples of the electrolyte include lithium salts such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (FSO 2 ) 2 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .

電解液としては、フルオロエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、リチウム塩を0.5mol/Lから3mol/L程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。   As an electrolytic solution, a lithium salt was dissolved in a non-aqueous solvent such as fluoroethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate at a concentration of about 0.5 mol / L to 3 mol / L. A solution can be illustrated.

後述する評価例Dの結果からみて、負極表面のLiFの生成が、熱安定性の鍵となる要素であると考えられる。そのため、電解液としては、フッ素を含有するものが好ましいといえる。電解液の非水溶媒としてフッ素を含有するものを選択してもよいし、電解液の電解質としてフッ素を含有するリチウム塩を選択してもよい。フッ素を含有する非水溶媒は還元分解されやすいので、充電時に負極表面で分解してフッ素を供給しやすいといえる。
また、評価例Dで詳細に考察するように、LiFの生成を促進させるために、電解液におけるフッ素を含有するリチウム塩の濃度は、高濃度であるのが好ましいといえる。電解液におけるフッ素を含有するリチウム塩の濃度としては、1〜3mol/Lが好ましく、1.5〜2.7mol/Lがより好ましく、2〜2.5mol/Lがさらに好ましい。
From the results of Evaluation Example D described later, it is considered that the generation of LiF on the negative electrode surface is a key element of thermal stability. Therefore, it can be said that the electrolyte solution preferably contains fluorine. As the non-aqueous solvent of the electrolytic solution, one containing fluorine may be selected, or as the electrolyte of the electrolytic solution, a lithium salt containing fluorine may be selected. Since the non-aqueous solvent containing fluorine is likely to be reduced and decomposed, it can be said that it is easily decomposed on the negative electrode surface and charged with fluorine during charging.
Further, as will be discussed in detail in Evaluation Example D, in order to promote the production of LiF, it can be said that the concentration of the lithium salt containing fluorine in the electrolytic solution is preferably high. As a density | concentration of the lithium salt containing the fluorine in electrolyte solution, 1-3 mol / L is preferable, 1.5-2.7 mol / L is more preferable, 2-2.5 mol / L is further more preferable.

セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。   The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass while preventing a short circuit due to contact between the two electrodes. As separators, natural resins such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramid (Aromatic polymer), polyester, polyacrylonitrile and other polysaccharides, cellulose, amylose and other polysaccharides, fibroin, keratin, lignin and suberin Examples thereof include porous bodies, nonwoven fabrics, and woven fabrics using one or more electrically insulating materials such as polymers and ceramics. The separator may have a multilayer structure.

次に、リチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of a lithium ion secondary battery is demonstrated.

正極および負極に必要に応じてセパレータを挟装させ電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から、外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、電極に含まれる活物質の種類に適した電圧範囲で充放電を実行されればよい。   A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode as necessary to form an electrode body. The electrode body may be either a stacked type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are stacked, or a wound type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are sandwiched. After connecting the current collector of the positive electrode and the current collector of the negative electrode to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal that communicate with the outside using a lead for current collection, etc., an electrolyte is added to the electrode body and a lithium ion secondary Use batteries. Moreover, the lithium ion secondary battery of this invention should just be charged / discharged in the voltage range suitable for the kind of active material contained in an electrode.

本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。   The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a laminate shape can be adopted.

本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、たとえば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。   The lithium ion secondary battery of the present invention may be mounted on a vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a lithium ion secondary battery for all or a part of its power source, and may be, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, a plurality of lithium ion secondary batteries may be connected in series to form an assembled battery. Examples of devices equipped with lithium ion secondary batteries include various home appliances driven by batteries such as personal computers and portable communication devices, office devices, and industrial devices in addition to vehicles. Furthermore, the lithium ion secondary battery of the present invention includes wind power generation, solar power generation, hydroelectric power generation and other power system power storage devices and power smoothing devices, power supplies for ships and / or auxiliary power supply sources, aircraft, Power supply for spacecraft and / or auxiliary equipment, auxiliary power supply for vehicles that do not use electricity as a power source, power supply for mobile home robots, power supply for system backup, power supply for uninterruptible power supply, You may use for the electrical storage apparatus which stores temporarily the electric power required for charge in the charging station for electric vehicles.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.

以下に、実施例および比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited by these Examples.

(実施例1)
以下のとおり、実施例1のAl含有シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 1)
The Al-containing silicon material and lithium ion secondary battery of Example 1 were manufactured as follows.

a)工程
Ca、Al及びSiを炭素坩堝に秤量した。Ca及びSiの元素組成比は1:2であり、Alの添加量はCa、Al及びSiの全体の質量に対して1%とした。アルゴンガス雰囲気下の高周波誘導加熱装置にて、炭素坩堝を1300℃付近で加熱してCa、Al及びSiを含む溶湯とした。前記溶湯を所定の鋳型に注湯することで冷却して固体とした。当該固体を粉砕して粉末状にした後に、b)工程に供した。
a) Process Ca, Al, and Si were weighed in a carbon crucible. The elemental composition ratio of Ca and Si was 1: 2, and the amount of Al added was 1% with respect to the total mass of Ca, Al, and Si. The carbon crucible was heated near 1300 ° C. with a high-frequency induction heating apparatus in an argon gas atmosphere to obtain a molten metal containing Ca, Al, and Si. The molten metal was cooled by pouring into a predetermined mold to obtain a solid. The solid was pulverized into powder and then subjected to step b).

b)工程
窒素ガス雰囲気下にて、0℃の17wt%塩酸に、a)工程で得られた粉末状の固体を加え、撹拌した。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びメタノールで洗浄し、さらに、室温で減圧乾燥してAl含有シリコン材料の前駆体を得た。
b) Step Under a nitrogen gas atmosphere, the powdered solid obtained in step a) was added to 17 wt% hydrochloric acid at 0 ° C. and stirred. The reaction solution was filtered, the residue was washed with distilled water and methanol, and further dried under reduced pressure at room temperature to obtain a precursor of an Al-containing silicon material.

c)工程
Al含有シリコン材料の前駆体を、窒素ガス雰囲気下、900℃で1時間加熱して、実施例1のAl含有シリコン材料を製造した。
c) Process The Al-containing silicon material of Example 1 was manufactured by heating a precursor of the Al-containing silicon material at 900 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere.

実施例1のAl含有シリコン材料を用いて、以下のとおり、実施例1の負極及び実施例1のリチウムイオン二次電池を製造した。   Using the Al-containing silicon material of Example 1, the negative electrode of Example 1 and the lithium ion secondary battery of Example 1 were manufactured as follows.

重量平均分子量80万のポリアクリル酸をN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、ポリアクリル酸が10質量%で含有されるポリアクリル酸溶液を製造した。また、4,4’−ジアミノジフェニルメタン0.2g(1.0mmol)を0.4mLのN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液を製造した。撹拌条件下、ポリアクリル酸溶液7mL(アクリル酸モノマー換算で、9.5mmolに該当する。)に、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液の全量を滴下して、得られた混合物を室温で30分間撹拌した。その後、ディーンスターク装置を用いて、混合物を130℃で3時間撹拌して脱水反応を進行させることで、結着剤溶液を製造した。   A polyacrylic acid having a weight average molecular weight of 800,000 was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a polyacrylic acid solution containing 10% by mass of polyacrylic acid. Further, 4,4'-diaminodiphenylmethane 0.2 g (1.0 mmol) was dissolved in 0.4 mL of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a 4,4'-diaminodiphenylmethane solution. Under stirring conditions, the total amount of the 4,4′-diaminodiphenylmethane solution was added dropwise to 7 mL of a polyacrylic acid solution (corresponding to 9.5 mmol in terms of acrylic acid monomer), and the resulting mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. Stir. Thereafter, using a Dean Stark apparatus, the mixture was stirred at 130 ° C. for 3 hours to advance the dehydration reaction, thereby producing a binder solution.

負極活物質として実施例1のAl含有シリコン材料72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック13.5質量部、結着剤として固形分が14質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を80℃、15分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で180℃、30分加熱することで、負極活物質層が形成された実施例1の負極を製造した。   72.5 parts by mass of the Al-containing silicon material of Example 1 as the negative electrode active material, 13.5 parts by mass of acetylene black as the conductive additive, and the above binder solution in an amount such that the solid content is 14 parts by mass as the binder, An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was mixed to prepare a slurry. A copper foil was prepared as a negative electrode current collector. The slurry was applied in a film form on the surface of the copper foil using a doctor blade. The copper foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 15 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, the negative electrode of Example 1 in which the negative electrode active material layer was formed was manufactured by pressing and heating at 180 ° C. for 30 minutes in a reduced pressure atmosphere by a vacuum pump.

正極活物質としてLiNi82/100Co15/100Al3/100を96質量部、導電助剤としてアセチレンブラック2質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン2質量部、及び適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。正極用集電体としてアルミニウム箔を準備した。このアルミニウム箔の表面に、ドクターブレードを用いて上記スラリーが膜状になるように塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を80℃で20分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で120℃、6時間加熱することで、正極活物質層が集電体の表面に形成された正極を製造した。 96 parts by mass of LiNi 82/100 Co 15/100 Al 3/100 O 2 as a positive electrode active material, 2 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 2 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount of N-methyl A slurry was prepared by mixing -2-pyrrolidone. An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector. The slurry was applied to the surface of the aluminum foil using a doctor blade so as to form a film. The aluminum foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 20 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, it pressed and heated by 120 degreeC and 6 hours in the pressure reduction atmosphere by the vacuum pump, and manufactured the positive electrode with which the positive electrode active material layer was formed in the surface of an electrical power collector.

セパレータとして、ポリエチレン製多孔質膜を準備した。また、フルオロエチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比19:81で混合した混合溶媒に、LiPFを濃度2mol/Lで溶解した溶液を、電解液とした。 A polyethylene porous membrane was prepared as a separator. Furthermore, fluoroethylene carbonate, and ethyl methyl carbonate in a solvent mixture in a volume ratio eighty-one past seven p.m., a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 2 mol / L, and an electrolytic solution.

実施例1の負極、セパレータ、正極の順に積層して、積層体とした。この積層体及び電解液をラミネートフィルム製の袋に収容して、袋を密閉し、実施例1のリチウムイオン二次電池を製造した。   The negative electrode, separator, and positive electrode in Example 1 were laminated in this order to obtain a laminate. The laminate and the electrolytic solution were housed in a laminated film bag, and the bag was sealed, whereby the lithium ion secondary battery of Example 1 was manufactured.

(比較例1)
a)工程において、Alを添加しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のシリコン材料、比較例1の負極、比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 1)
In the step a), the silicon material of Comparative Example 1, the negative electrode of Comparative Example 1, and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 were produced in the same manner as in Example 1 except that Al was not added.

(評価例1)
誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES)を用いて、実施例1のAl含有シリコン材料と、比較例1のシリコン材料の元素分析を行った。元素分析の結果、実施例1のAl含有シリコン材料におけるAl質量%は0.25%、Fe質量%は0%であり、比較例1のシリコン材料におけるAl質量%は0%、Fe質量%は0%であった。
(Evaluation example 1)
Elemental analysis of the Al-containing silicon material of Example 1 and the silicon material of Comparative Example 1 was performed using an inductively coupled plasma optical emission analyzer (ICP-AES). As a result of elemental analysis, Al mass% in the Al-containing silicon material of Example 1 is 0.25%, Fe mass% is 0%, Al mass% in the silicon material of Comparative Example 1 is 0%, and Fe mass% is 0%.

(評価例2)
25℃の恒温層中で、実施例1のリチウムイオン二次電池をSOC(State of Charge)15%に調整した。そして、1Cレートの一定電流で、当該リチウムイオン二次電池を10秒間放電させた。放電前後の電圧の変化量を、電流値で除して、抵抗を算出した。比較例1のリチウムイオン二次電池についても同様の試験を行った。
実施例1のリチウムイオン二次電池の抵抗は3.3Ωであり、比較例1のリチウムイオン二次電池の抵抗は3.6Ωであった。Al含有シリコン材料を用いることで、リチウムイオン二次電池の抵抗が低下することが裏付けられた。
(Evaluation example 2)
In the constant temperature layer at 25 ° C., the lithium ion secondary battery of Example 1 was adjusted to 15% of SOC (State of Charge). Then, the lithium ion secondary battery was discharged for 10 seconds at a constant current of 1C rate. Resistance was calculated by dividing the amount of change in voltage before and after discharge by the current value. A similar test was performed on the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1.
The resistance of the lithium ion secondary battery of Example 1 was 3.3Ω, and the resistance of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was 3.6Ω. It was confirmed that the resistance of the lithium ion secondary battery is reduced by using the Al-containing silicon material.

(実施例2)
以下のとおり、実施例2のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 2)
The Al-containing silicon material, negative electrode, and lithium ion secondary battery of Example 2 were manufactured as follows.

a)工程
Ca、Al及びSiを炭素坩堝に秤量した。Ca及びSiの元素組成比は1:2であり、Alの添加量はCa、Al及びSiの全体の質量に対して1%とした。アルゴンガス雰囲気下の高周波誘導加熱装置にて、炭素坩堝を1300℃付近で加熱してCa、Al及びSiを含む溶湯とした。前記溶湯を所定の鋳型に注湯して冷却して固体とした。当該固体を粉砕して粉末状にした後に、b)工程に供した。
a) Process Ca, Al, and Si were weighed in a carbon crucible. The elemental composition ratio of Ca and Si was 1: 2, and the amount of Al added was 1% with respect to the total mass of Ca, Al, and Si. The carbon crucible was heated near 1300 ° C. with a high-frequency induction heating apparatus in an argon gas atmosphere to obtain a molten metal containing Ca, Al, and Si. The molten metal was poured into a predetermined mold and cooled to obtain a solid. The solid was pulverized into powder and then subjected to step b).

b)工程
窒素ガス雰囲気下にて、0℃の17wt%塩酸に、a)工程で得られた粉末状の固体を加え、撹拌した。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びメタノールで洗浄し、さらに、室温で減圧乾燥してAl含有シリコン材料の前駆体を得た。
b) Step Under a nitrogen gas atmosphere, the powdered solid obtained in step a) was added to 17 wt% hydrochloric acid at 0 ° C. and stirred. The reaction solution was filtered, the residue was washed with distilled water and methanol, and further dried under reduced pressure at room temperature to obtain a precursor of an Al-containing silicon material.

c)工程
Al含有シリコン材料の前駆体を、窒素ガス雰囲気下、900℃で1時間加熱して、実施例2のAl含有シリコン材料を製造した。
c) Step The Al-containing silicon material precursor of Example 2 was manufactured by heating the precursor of the Al-containing silicon material at 900 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere.

実施例2のAl含有シリコン材料を用いて、以下のとおり、実施例2の負極及び実施例2のリチウムイオン二次電池を製造した。   Using the Al-containing silicon material of Example 2, the negative electrode of Example 2 and the lithium ion secondary battery of Example 2 were manufactured as follows.

重量平均分子量80万のポリアクリル酸をN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、ポリアクリル酸が10質量%で含有されるポリアクリル酸溶液を製造した。また、4,4’−ジアミノジフェニルメタン0.2g(1.0mmol)を0.4mLのN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液を製造した。撹拌条件下、ポリアクリル酸溶液7mL(アクリル酸モノマー換算で、9.5mmolに該当する。)に、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液の全量を滴下して、得られた混合物を室温で30分間撹拌した。その後、ディーンスターク装置を用いて、混合物を130℃で3時間撹拌して脱水反応を進行させることで、結着剤溶液を製造した。   A polyacrylic acid having a weight average molecular weight of 800,000 was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a polyacrylic acid solution containing 10% by mass of polyacrylic acid. Further, 4,4'-diaminodiphenylmethane 0.2 g (1.0 mmol) was dissolved in 0.4 mL of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a 4,4'-diaminodiphenylmethane solution. Under stirring conditions, the total amount of the 4,4′-diaminodiphenylmethane solution was added dropwise to 7 mL of a polyacrylic acid solution (corresponding to 9.5 mmol in terms of acrylic acid monomer), and the resulting mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. Stir. Thereafter, using a Dean Stark apparatus, the mixture was stirred at 130 ° C. for 3 hours to advance the dehydration reaction, thereby producing a binder solution.

負極活物質として実施例2のAl含有シリコン材料72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック13.5質量部、結着剤として固形分が14質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を80℃、15分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で180℃、30分加熱することで、負極活物質層が形成された実施例2の負極を製造した。   72.5 parts by mass of the Al-containing silicon material of Example 2 as the negative electrode active material, 13.5 parts by mass of acetylene black as the conductive auxiliary agent, and the above binder solution in an amount such that the solid content is 14 parts by mass as the binder, An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was mixed to prepare a slurry. A copper foil was prepared as a negative electrode current collector. The slurry was applied in a film form on the surface of the copper foil using a doctor blade. The copper foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 15 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, the negative electrode of Example 2 in which the negative electrode active material layer was formed was manufactured by pressing and heating at 180 ° C. for 30 minutes in a reduced pressure atmosphere by a vacuum pump.

実施例2の負極を径11mmに裁断し、評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を径13mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。また、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比1:1で混合した混合溶媒にLiPF6を濃度1mol/Lで溶解した電解液を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを実施例2のリチウムイオン二次電池とした。 The negative electrode of Example 2 was cut into a diameter of 11 mm to obtain an evaluation electrode. A metal lithium foil having a thickness of 500 μm was cut into a diameter of 13 mm to form a counter electrode. As a separator, a glass filter (Hoechst Celanese) and celgard 2400 (Polypore Corporation), which is a single-layer polypropylene, were prepared. The volume ratio of ethylene carbonate and diethyl carbonate 1: LiPF 6 was prepared the electrolytic solution at a concentration 1 mol / L in a mixed solvent obtained by mixing 1. Two kinds of separators were sandwiched between the counter electrode and the evaluation electrode in the order of the counter electrode, the glass filter, celgard 2400, and the evaluation electrode, thereby forming an electrode body. This electrode body was accommodated in a coin-type battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and an electrolyte was further injected to obtain a coin-type battery. This was designated as the lithium ion secondary battery of Example 2.

(実施例3)
製造スケールを大きくした点、及び、c)工程の後に以下の炭素被覆工程を加えて、炭素被覆されたAl含有シリコン材料を実施例3のAl含有シリコン材料とし、これを負極活物質として用いた点以外は、実施例2と同様の方法で、実施例3のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 3)
The production scale was increased, and the following carbon coating step was added after step c), and the carbon-coated Al-containing silicon material was used as the Al-containing silicon material of Example 3, which was used as the negative electrode active material. Except for this point, the Al-containing silicon material, negative electrode, and lithium ion secondary battery of Example 3 were produced in the same manner as in Example 2.

・炭素被覆工程
c)工程を経たAl含有シリコン材料をロータリーキルン型の反応器に入れ、プロパン−アルゴン混合ガスの通気下にて880℃、滞留時間60分間の条件で熱CVDを行い、炭素被覆されたAl含有シリコン材料を得た。
Carbon coating process c) Al-containing silicon material that has undergone the process is placed in a rotary kiln-type reactor and subjected to thermal CVD under the conditions of 880 ° C. and residence time of 60 minutes under a propane-argon mixed gas flow. An Al-containing silicon material was obtained.

(実施例4)
不純物としてAl及びFeを含有する粉末状のCaSiを準備した。ICP−AESを用いて当該CaSiの元素分析を行ったところ、Ca:38質量%、Si:57質量%、Fe:4質量%、Al:1質量%であった。
当該CaSiを用いてb)工程以下を実施した以外は、実施例3と同様の方法で、実施例4のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
Example 4
Powdered CaSi 2 containing Al and Fe as impurities was prepared. When elemental analysis of the CaSi 2 was performed using ICP-AES, it was Ca: 38 mass%, Si: 57 mass%, Fe: 4 mass%, and Al: 1 mass%.
The Al-containing silicon material, negative electrode, and lithium ion secondary battery of Example 4 were manufactured in the same manner as in Example 3 except that the following steps b) and below were performed using the CaSi 2 .

(比較例2)
a)工程において、Alを添加しなかったこと以外は、実施例2と同様の方法で、比較例2のシリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 2)
In the step a), a silicon material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 were produced in the same manner as in Example 2, except that Al was not added.

(比較例3)
a)工程において、Alを添加せず、Feを添加したこと以外は、実施例2と同様の方法で、比較例3のシリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、a)工程のFeは、Ca、Fe及びSiの全体の質量に対して4%となる量で添加した。
(Comparative Example 3)
In the step a), the silicon material, the negative electrode, and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 were manufactured in the same manner as in Example 2 except that Fe was not added and Al was added.
In addition, Fe of the process a) was added in an amount of 4% with respect to the total mass of Ca, Fe and Si.

(評価例3)
蛍光X線分析装置(XRF)を用いて、実施例2〜実施例4のAl含有シリコン材料と、比較例2及び比較例3のシリコン材料の元素分析を行った。また、酸素・窒素・水素分析装置を用いて、実施例2〜実施例4のAl含有シリコン材料と、比較例2及び比較例3のシリコン材料に対して、酸素を対象とした元素分析を行った。さらに、炭素・硫黄分析装置を用いて、炭素被覆された実施例3及び実施例4のAl含有シリコン材料に対して、炭素を対象とした元素分析を行った。
(Evaluation example 3)
Elemental analysis of the Al-containing silicon materials of Examples 2 to 4 and the silicon materials of Comparative Examples 2 and 3 was performed using a fluorescent X-ray analyzer (XRF). In addition, using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer, elemental analysis for oxygen was performed on the Al-containing silicon materials of Examples 2 to 4 and the silicon materials of Comparative Examples 2 and 3. It was. Furthermore, the elemental analysis which made carbon the object was performed with respect to Al containing silicon material of Example 3 and Example 4 by which carbon was covered using the carbon and sulfur analyzer.

これらの元素分析の結果を、質量%として、表1に示す。実施例2、実施例3、比較例2に若干量のFeが存在するのは、原料の金属にFeが不純物として含まれていたためである。また、すべてのシリコン材料に含まれているO、Ca及びClは、製造で使用した溶媒(水)、原料、酸のアニオンなどに由来する。   The results of these elemental analyzes are shown in Table 1 as mass%. The reason why a slight amount of Fe is present in Example 2, Example 3, and Comparative Example 2 is that Fe was contained as an impurity in the raw material metal. Further, O, Ca, and Cl contained in all silicon materials are derived from the solvent (water), raw materials, acid anions, and the like used in the production.

(評価例4)
粉末X線回折装置にて、実施例2のAl含有シリコン材料のX線回折を測定した。
その結果、実施例2のAl含有シリコン材料のX線回折チャートから、シリコン結晶子に由来するピークが確認できた。
(Evaluation example 4)
The X-ray diffraction of the Al-containing silicon material of Example 2 was measured with a powder X-ray diffractometer.
As a result, a peak derived from silicon crystallites could be confirmed from the X-ray diffraction chart of the Al-containing silicon material of Example 2.

(評価例5)
実施例2〜実施例4、比較例2及び比較例3のリチウムイオン二次電池に対して、電流0.2mAで0.01Vまで放電を行い、その後、電流0.2mAで0.8Vまで充電を行うとの初回充放電を行った。
さらに、初回充放電後の実施例2、比較例2及び比較例3のリチウムイオン二次電池につき、電流0.5mAで0.01Vまで放電を行い、その後、電流0.5mAで1.0Vまで充電を行うとの充放電サイクルを複数回行った。
(Evaluation example 5)
The lithium ion secondary batteries of Examples 2 to 4, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 were discharged to 0.01 V at a current of 0.2 mA, and then charged to 0.8 V at a current of 0.2 mA. The first charge and discharge was performed.
Further, the lithium ion secondary batteries of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 after the first charge / discharge were discharged to 0.01 V at a current of 0.5 mA, and then to 1.0 V at a current of 0.5 mA. The charging / discharging cycle when charging was performed several times.

初期効率及び容量維持率を以下の各式で算出した。
初期効率(%)=100×(初回充電容量)/(初回放電容量)
容量維持率(%)=100×(各サイクル時の充電容量)/(1サイクル目の充電容量)
初回放電容量、初回充電容量及び初期効率の結果を、元素分析の結果の一部とともに表2に示す。また、容量維持率の結果(N=2)を図2に示す。
The initial efficiency and capacity retention rate were calculated by the following formulas.
Initial efficiency (%) = 100 × (initial charge capacity) / (initial discharge capacity)
Capacity maintenance rate (%) = 100 × (charge capacity at each cycle) / (charge capacity at the first cycle)
The results of the initial discharge capacity, initial charge capacity, and initial efficiency are shown in Table 2 together with a part of the results of elemental analysis. Further, the result of the capacity maintenance rate (N = 2) is shown in FIG.

表2の結果から、Feの存在に因り、初回放電容量、初回充電容量及び初期効率が低くなるといえる。また、図2の結果から、容量維持率の点からは、AlやFeの存在が好ましいといえる。これらの結果から総合的に考察すると、本発明のAl含有シリコン材料において、Feの存在量は少ない方が好ましく、Alの存在量は多い方が好ましいと考えられる。   From the results in Table 2, it can be said that the initial discharge capacity, the initial charge capacity, and the initial efficiency are lowered due to the presence of Fe. From the results of FIG. 2, it can be said that the presence of Al or Fe is preferable from the viewpoint of the capacity retention rate. Considering these results comprehensively, it is considered that in the Al-containing silicon material of the present invention, it is preferable that the Fe content is small and that the Al content is large.

(実施例5)
以下のとおり、実施例5のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 5)
The Al-containing silicon material, negative electrode, and lithium ion secondary battery of Example 5 were manufactured as follows.

a)工程
Ca、Al及びSiを炭素坩堝に秤量した。Ca及びSiの元素組成比は1:2であり、Alの添加量はCa、Al及びSiの全体の質量に対して0.1%とした。アルゴンガス雰囲気下の高周波誘導加熱装置にて、炭素坩堝を1300℃付近で加熱してCa、Al及びSiを含む溶湯とした。前記溶湯を所定の鋳型に注湯して冷却して固体とした。当該固体を粉砕して粉末状にした後に、b)工程に供した。
a) Process Ca, Al, and Si were weighed in a carbon crucible. The elemental composition ratio of Ca and Si was 1: 2, and the amount of Al added was 0.1% with respect to the total mass of Ca, Al, and Si. The carbon crucible was heated near 1300 ° C. with a high-frequency induction heating apparatus in an argon gas atmosphere to obtain a molten metal containing Ca, Al, and Si. The molten metal was poured into a predetermined mold and cooled to obtain a solid. The solid was pulverized into powder and then subjected to step b).

b)工程
窒素ンガス雰囲気下にて、0℃の17wt%塩酸に、a)工程で得られた粉末状の固体を加え、撹拌した。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びメタノールで洗浄し、さらに、室温で減圧乾燥してAl含有シリコン材料の前駆体を得た。
b) Step Under a nitrogen gas atmosphere, the powdered solid obtained in step a) was added to 17 wt% hydrochloric acid at 0 ° C. and stirred. The reaction solution was filtered, the residue was washed with distilled water and methanol, and further dried under reduced pressure at room temperature to obtain a precursor of an Al-containing silicon material.

c)工程
Al含有シリコン材料の前駆体を、窒素ガス雰囲気下、900℃で1時間加熱し、実施例5のAl含有シリコン材料を製造した。
c) Step The Al-containing silicon material precursor of Example 5 was manufactured by heating the precursor of the Al-containing silicon material at 900 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere.

実施例5のAl含有シリコン材料を用いて、以下のとおり、実施例5の負極及び実施例5のリチウムイオン二次電池を製造した。   Using the Al-containing silicon material of Example 5, the negative electrode of Example 5 and the lithium ion secondary battery of Example 5 were produced as follows.

重量平均分子量80万のポリアクリル酸をN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、ポリアクリル酸が10質量%で含有されるポリアクリル酸溶液を製造した。また、4,4’−ジアミノジフェニルメタン0.2g(1.0mmol)を0.4mLのN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液を製造した。撹拌条件下、ポリアクリル酸溶液7mL(アクリル酸モノマー換算で、9.5mmolに該当する。)に、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液の全量を滴下して、得られた混合物を室温で30分間撹拌した。その後、ディーンスターク装置を用いて、混合物を130℃で3時間撹拌して脱水反応を進行させることで、結着剤溶液を製造した。   A polyacrylic acid having a weight average molecular weight of 800,000 was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a polyacrylic acid solution containing 10% by mass of polyacrylic acid. Further, 4,4'-diaminodiphenylmethane 0.2 g (1.0 mmol) was dissolved in 0.4 mL of N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a 4,4'-diaminodiphenylmethane solution. Under stirring conditions, the total amount of the 4,4′-diaminodiphenylmethane solution was added dropwise to 7 mL of a polyacrylic acid solution (corresponding to 9.5 mmol in terms of acrylic acid monomer), and the resulting mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. Stir. Thereafter, using a Dean Stark apparatus, the mixture was stirred at 130 ° C. for 3 hours to advance the dehydration reaction, thereby producing a binder solution.

負極活物質として実施例5のAl含有シリコン材料72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック13.5質量部、結着剤として固形分が14質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を80℃、15分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で180℃、30分加熱することで、負極活物質層が形成された実施例5の負極を製造した。   72.5 parts by mass of the Al-containing silicon material of Example 5 as the negative electrode active material, 13.5 parts by mass of acetylene black as the conductive auxiliary agent, and the above binder solution in an amount such that the solid content is 14 parts by mass as the binder, An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone was mixed to prepare a slurry. A copper foil was prepared as a negative electrode current collector. The slurry was applied in a film form on the surface of the copper foil using a doctor blade. The copper foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 15 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, the negative electrode of Example 5 with which the negative electrode active material layer was formed was manufactured by pressing and heating at 180 degreeC for 30 minutes in the pressure reduction atmosphere with a vacuum pump.

実施例5の負極を径11mmに裁断し、評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を径13mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。また、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比1:1で混合した混合溶媒にLiPF6を濃度1mol/Lで溶解した電解液を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを実施例5のリチウムイオン二次電池とした。 The negative electrode of Example 5 was cut into a diameter of 11 mm to obtain an evaluation electrode. A metal lithium foil having a thickness of 500 μm was cut into a diameter of 13 mm to form a counter electrode. As a separator, a glass filter (Hoechst Celanese) and celgard 2400 (Polypore Corporation), which is a single-layer polypropylene, were prepared. The volume ratio of ethylene carbonate and diethyl carbonate 1: LiPF 6 was prepared the electrolytic solution at a concentration 1 mol / L in a mixed solvent obtained by mixing 1. Two kinds of separators were sandwiched between the counter electrode and the evaluation electrode in the order of the counter electrode, the glass filter, celgard 2400, and the evaluation electrode, thereby forming an electrode body. This electrode body was accommodated in a coin-type battery case CR2032 (Hosen Co., Ltd.), and an electrolyte was further injected to obtain a coin-type battery. This was designated as the lithium ion secondary battery of Example 5.

(実施例6)
a)工程において、Alの添加量をCa、Al及びSiの全体の質量に対して0.3%とした以外は、実施例5と同様の方法で、実施例6のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 6)
a) In the process, the Al-containing silicon material and negative electrode of Example 6 were prepared in the same manner as in Example 5 except that the amount of Al added was 0.3% with respect to the total mass of Ca, Al and Si. And the lithium ion secondary battery was manufactured.

(実施例7)
a)工程において、Alの添加量をCa、Al及びSiの全体の質量に対して0.5%とした以外は、実施例5と同様の方法で、実施例7のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 7)
a) In the process, the Al-containing silicon material and negative electrode of Example 7 were prepared in the same manner as in Example 5 except that the addition amount of Al was 0.5% with respect to the total mass of Ca, Al and Si. And the lithium ion secondary battery was manufactured.

(実施例8)
a)工程において、Alの添加量をCa、Al及びSiの全体の質量に対して1%とした以外は、実施例5と同様の方法で、実施例8のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example 8)
a) In the process, the Al-containing silicon material, negative electrode and lithium of Example 8 were prepared in the same manner as in Example 5 except that the amount of Al added was 1% with respect to the total mass of Ca, Al and Si. An ion secondary battery was manufactured.

(実施例9)
a)工程に以下のアニール工程を加えた以外は、実施例8と同様の方法で、実施例9のAl含有シリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
Example 9
a) The Al-containing silicon material, negative electrode, and lithium ion secondary battery of Example 9 were produced in the same manner as in Example 8, except that the following annealing process was added to the process.

・アニール工程
冷却されたCa、Al及びSiを含有する固体を、窒素雰囲気下、900℃で24時間加熱し、その後、冷却した。冷却後のCa、Al及びSiを含有する固体を、粉砕して粉末状にした後に、b)工程に供した。
-Annealing process The solid containing Ca, Al, and Si cooled was heated at 900 degreeC under nitrogen atmosphere for 24 hours, and was cooled after that. After cooling, the solid containing Ca, Al, and Si was pulverized into a powder and then subjected to step b).

(評価例6)
評価例3と同様の方法で、実施例5〜実施例9のAl含有シリコン材料の元素分析を行った。これらの元素分析の結果を、質量%として、表3に示す。各実施例のAl含有シリコン材料に若干量のFeが存在するのは、原料の金属にFeが不純物として含まれていたためである。また、各実施例のAl含有シリコン材料に含まれているCl、Ca、C及びOは、製造で使用した酸のアニオン、原料、炭素坩堝、溶媒(水)などに由来する。
(Evaluation example 6)
In the same manner as in Evaluation Example 3, elemental analysis of the Al-containing silicon materials of Examples 5 to 9 was performed. The results of these elemental analyzes are shown in Table 3 as mass%. The reason why a slight amount of Fe is present in the Al-containing silicon material of each example is that Fe was contained as an impurity in the raw material metal. In addition, Cl, Ca, C, and O contained in the Al-containing silicon material of each example are derived from the acid anion, raw material, carbon crucible, solvent (water), and the like used in the production.

表3から、a)工程でのAlの添加量が増加するに従い、Al含有シリコン材料におけるAl含有量も増加するのが確認できる。ただし、a)工程でのAlの添加量の増加割合に対して、Al含有シリコン材料におけるAl含有量の増加割合は、低いことがわかる。これらの結果から、a)工程で添加したAlの一部は、b)工程での酸処理において、酸溶液に溶解して除去されたと考えられる。
また、実施例8と実施例9の結果から、a)工程にアニール工程を加えることで、Al含有シリコン材料におけるAl含有量が増加するのがわかる。アニール工程により、比較的多くのAlが、CaSiのSiと置換するCaSi2−xAlなる置換型固溶体を形成したために、b)工程での酸処理において除去されるのを免れたと推察される。
From Table 3, it can be confirmed that the Al content in the Al-containing silicon material increases as the amount of Al added in the step a) increases. However, it can be seen that the increase rate of the Al content in the Al-containing silicon material is lower than the increase rate of the Al addition amount in the step a). From these results, it is considered that a part of Al added in the step a) was dissolved and removed in the acid solution in the acid treatment in the step b).
Moreover, it can be seen from the results of Example 8 and Example 9 that the Al content in the Al-containing silicon material is increased by adding an annealing step to the step a). The annealing process, a relatively large amount of Al, in order to form the CaSi 2-x Al x becomes substitutional solid solution is replaced with Si of CaSi 2, is presumed to have escaped from being removed in the acid treatment in b) step The

(評価例7)
実施例5〜実施例9のリチウムイオン二次電池に対して、電流0.2mAで0.01Vまで放電を行い、その後、電流0.2mAで1.0Vまで充電を行うとの初回充放電を行った。
さらに、初回充放電後の実施例5〜実施例9のリチウムイオン二次電池につき、電流0.5mAで0.01Vまで放電を行い、その後、電流0.5mAで1.0Vまで充電を行うとの充放電サイクルを50回行った。
また、実施例5〜実施例9のリチウムイオン二次電池に対して、電流0.2mAで0.01Vまで放電を行い、その後、電流0.2mAで0.8Vまで充電を行うとの初回充放電を行った。
(Evaluation example 7)
For the lithium ion secondary batteries of Example 5 to Example 9, discharging to 0.01 V at a current of 0.2 mA, and then charging to 1.0 V at a current of 0.2 mA after the initial charge / discharge went.
Furthermore, for the lithium ion secondary batteries of Examples 5 to 9 after the first charge / discharge, discharging to 0.01 V at a current of 0.5 mA and then charging to 1.0 V at a current of 0.5 mA The charge / discharge cycle was performed 50 times.
In addition, the lithium ion secondary batteries of Examples 5 to 9 were discharged to 0.01 V at a current of 0.2 mA, and then charged to 0.8 V at a current of 0.2 mA. Discharge was performed.

初期効率及び容量維持率を以下の各式で算出した。
初期効率(%)=100×(初回充電容量)/(初回放電容量)
容量維持率(%)=100×(50サイクル時の充電容量)/(1サイクル目の充電容量)
初回放電容量、初回充電容量(1.0V及び0.8V)、初期効率(1.0V及び0.8V)、容量維持率の結果を、Al質量%の結果とともに表4及び表5に示す。
The initial efficiency and capacity retention rate were calculated by the following formulas.
Initial efficiency (%) = 100 × (initial charge capacity) / (initial discharge capacity)
Capacity maintenance rate (%) = 100 × (charge capacity at 50 cycles) / (charge capacity at the first cycle)
The results of the initial discharge capacity, the initial charge capacity (1.0 V and 0.8 V), the initial efficiency (1.0 V and 0.8 V), and the capacity retention ratio are shown in Tables 4 and 5 together with the results of Al mass%.

表4から、特に、実施例7〜実施例9のリチウムイオン二次電池は、優れた初回充放電容量を示したといえる。表5から、実施例5〜実施例9のリチウムイオン二次電池は、同等の初期効率を示し、同等の容量維持率を示したといえる。容量維持率の観点からは、特に、実施例7〜実施例9のリチウムイオン二次電池が優れているといえる。
以上の結果から、本発明のAl含有シリコン材料における、Al質量%(WAl%)は、0.25%以上が特に好適といえる。
From Table 4, it can be said that the lithium ion secondary batteries of Examples 7 to 9 exhibited excellent initial charge / discharge capacities. From Table 5, it can be said that the lithium ion secondary batteries of Examples 5 to 9 exhibited the same initial efficiency and the same capacity retention rate. From the viewpoint of the capacity retention rate, it can be said that the lithium ion secondary batteries of Examples 7 to 9 are particularly excellent.
From the above results, it can be said that the Al mass% (W Al %) in the Al-containing silicon material of the present invention is particularly preferably 0.25% or more.

(実施例10)
以下のとおり、実施例10のAl含有シリコン材料を製造した。
(Example 10)
The Al-containing silicon material of Example 10 was manufactured as follows.

a)工程
Ca、Al及びSiを炭素坩堝に秤量した。Ca及びSiの元素組成比は1:2であり、Alの添加量はCa、Al及びSiの全体の質量に対して1%とした。アルゴンガス雰囲気下の高周波誘導加熱装置にて、炭素坩堝を1300℃付近で加熱してCa、Al及びSiを含む溶湯とした。前記溶湯を所定の鋳型に注湯することで冷却して固体とした。当該固体を粉砕して粉末状にした後に、b)工程に供した。
a) Process Ca, Al, and Si were weighed in a carbon crucible. The elemental composition ratio of Ca and Si was 1: 2, and the amount of Al added was 1% with respect to the total mass of Ca, Al, and Si. The carbon crucible was heated near 1300 ° C. with a high-frequency induction heating apparatus in an argon gas atmosphere to obtain a molten metal containing Ca, Al, and Si. The molten metal was cooled by pouring into a predetermined mold to obtain a solid. The solid was pulverized into powder and then subjected to step b).

b)工程
窒素ガス雰囲気下にて、0℃の17wt%塩酸に、a)工程で得られた粉末状の固体を加え、撹拌した。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びアセトンで洗浄し、さらに、室温で減圧乾燥してAl含有シリコン材料の前駆体を得た。
b) Step Under a nitrogen gas atmosphere, the powdered solid obtained in step a) was added to 17 wt% hydrochloric acid at 0 ° C. and stirred. The reaction solution was filtered, the residue was washed with distilled water and acetone, and further dried under reduced pressure at room temperature to obtain a precursor of an Al-containing silicon material.

c)工程
Al含有シリコン材料の前駆体を、窒素ガス雰囲気下、900℃で1時間加熱して、Al含有シリコン材料を製造した。
c) Process The precursor of Al containing silicon material was heated at 900 degreeC for 1 hour in nitrogen gas atmosphere, and Al containing silicon material was manufactured.

・炭素被覆工程
c)工程を経たAl含有シリコン材料をロータリーキルン型の反応器に入れ、プロパン−アルゴン混合ガスの通気下にて880℃、滞留時間60分間の条件で熱CVDを行い、炭素被覆されたAl含有シリコン材料を得た。この炭素被覆されたAl含有シリコン材料を実施例10のAl含有シリコン材料とした。
Carbon coating process c) Al-containing silicon material that has undergone the process is placed in a rotary kiln-type reactor and subjected to thermal CVD under the conditions of 880 ° C. and residence time of 60 minutes under a propane-argon mixed gas flow. An Al-containing silicon material was obtained. This carbon-coated Al-containing silicon material was used as the Al-containing silicon material of Example 10.

実施例10のAl含有シリコン材料を用いて、以下のとおり、実施例10の負極及び実施例10のリチウムイオン二次電池を製造した。   Using the Al-containing silicon material of Example 10, the negative electrode of Example 10 and the lithium ion secondary battery of Example 10 were produced as follows.

負極活物質として実施例10のAl含有シリコン材料80.8質量部、導電助剤としてアセチレンブラック10.2質量部、結着剤としてポリアミドイミド9質量部、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を80℃、15分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で180℃、30分加熱することで、負極活物質層が形成された実施例10の負極を製造した。   80.8 parts by mass of the Al-containing silicon material of Example 10 as a negative electrode active material, 10.2 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 9 parts by mass of polyamideimide as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2- Pyrrolidone was mixed to produce a slurry. A copper foil was prepared as a negative electrode current collector. The slurry was applied in a film form on the surface of the copper foil using a doctor blade. The copper foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 15 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, the negative electrode of Example 10 in which the negative electrode active material layer was formed was manufactured by pressing and heating at 180 ° C. for 30 minutes in a reduced pressure atmosphere by a vacuum pump.

正極活物質としてLiNi82/100Co15/100Al3/100を69質量部、正極活物質としてLiFePOを26質量部、導電助剤としてアセチレンブラック2質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。正極用集電体としてアルミニウム箔を準備した。このアルミニウム箔の表面に、ドクターブレードを用いて上記スラリーが膜状になるように塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を80℃で20分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で120℃、6時間加熱することで、正極活物質層が集電体の表面に形成された正極を製造した。 69 parts by mass of LiNi 82/100 Co 15/100 Al 3/100 O 2 as a positive electrode active material, 26 parts by mass of LiFePO 4 as a positive electrode active material, 2 parts by mass of acetylene black as a conductive assistant, polyfluoride as a binder 3 parts by mass of vinylidene and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone were mixed to produce a slurry. An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector. The slurry was applied to the surface of the aluminum foil using a doctor blade so as to form a film. The aluminum foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 20 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, it pressed and heated by 120 degreeC and 6 hours in the pressure reduction atmosphere by the vacuum pump, and manufactured the positive electrode with which the positive electrode active material layer was formed in the surface of an electrical power collector.

セパレータとして、ポリエチレン製多孔質膜を準備した。また、ジメチルカーボネート及びフルオロエチレンカーボネートを体積比81:19で混合した混合溶媒に、LiPFを濃度2mol/Lで溶解した溶液を、電解液とした。 A polyethylene porous membrane was prepared as a separator. Further, a solvent mixture of dimethyl carbonate and fluoroethylene carbonate in a volume ratio 81:19, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 2 mol / L, and an electrolytic solution.

実施例10の負極、セパレータ、正極の順に積層して、積層体とした。この積層体及び電解液をラミネートフィルム製の袋に収容して、袋を密閉し、実施例10のリチウムイオン二次電池を製造した。   A negative electrode, a separator, and a positive electrode in Example 10 were laminated in this order to obtain a laminate. The laminate and the electrolytic solution were accommodated in a laminated film bag, and the bag was sealed, whereby a lithium ion secondary battery of Example 10 was produced.

(比較例4)
a)工程において、Alを添加しなかったこと以外は、実施例10と同様の方法で、比較例4の炭素被覆シリコン材料、比較例4の負極、比較例4のリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example 4)
a) The carbon-coated silicon material of Comparative Example 4, the negative electrode of Comparative Example 4, and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 4 were produced in the same manner as in Example 10 except that Al was not added in the step. did.

(評価例8)
評価例3と同様の方法で、実施例10のAl含有シリコン材料及び比較例4の炭素被覆シリコン材料の元素分析を行った。これらの元素分析の結果を、質量%として、表6に示す。
(Evaluation example 8)
Element analysis of the Al-containing silicon material of Example 10 and the carbon-coated silicon material of Comparative Example 4 was performed in the same manner as in Evaluation Example 3. The results of these elemental analyzes are shown in Table 6 as mass%.

(評価例9)
実施例10のリチウムイオン二次電池を電圧4.1Vまで充電した。電圧4.1Vで充電状態の実施例10のリチウムイオン二次電池を解体して、充電状態の実施例10の負極を取り出した。取り出した負極を、ジメチルカーボネートで洗浄し、次いで乾燥した。以上の作業は、不活性ガス雰囲気下で行った。乾燥後の負極を大気下に曝した状態で、10℃/分の昇温速度で550℃まで加熱して、負極の温度変化を観測した。
比較例4のリチウムイオン二次電池についても同様の試験を行った。
(Evaluation example 9)
The lithium ion secondary battery of Example 10 was charged to a voltage of 4.1V. The lithium ion secondary battery of Example 10 in a charged state at a voltage of 4.1 V was disassembled, and the negative electrode of Example 10 in a charged state was taken out. The negative electrode taken out was washed with dimethyl carbonate and then dried. The above operation was performed in an inert gas atmosphere. While the dried negative electrode was exposed to the atmosphere, it was heated to 550 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and the temperature change of the negative electrode was observed.
A similar test was performed on the lithium ion secondary battery of Comparative Example 4.

実施例10の負極については、10℃/分での昇温に追従する温度変化が観測された。他方、比較例4の負極については、263℃に達した時点で、10℃/分での昇温から逸脱する急激な昇温が観測された。
以上の結果から、本発明のAl含有シリコン材料は、Alの存在に因り、充電状態での熱安定性に優れるといえる。
Regarding the negative electrode of Example 10, a temperature change following the temperature increase at 10 ° C./min was observed. On the other hand, for the negative electrode of Comparative Example 4, when the temperature reached 263 ° C., a rapid temperature increase deviating from the temperature increase at 10 ° C./min was observed.
From the above results, it can be said that the Al-containing silicon material of the present invention is excellent in thermal stability in a charged state due to the presence of Al.

(実施例A)
以下のとおり、実施例Aのリチウムイオン二次電池を製造した。
(Example A)
The lithium ion secondary battery of Example A was manufactured as follows.

正極活物質としてLiNi82/100Co15/100Al3/100を69質量部、正極活物質として3質量%で炭素被覆されたLiFe1/3Mn2/3POを21質量部、リチウムドープ剤として3質量%で炭素被覆されたLiFeOを5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック2質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。正極用集電体としてアルミニウム箔を準備した。このアルミニウム箔の表面に、ドクターブレードを用いて上記スラリーが膜状になるように塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を80℃で20分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で120℃、6時間加熱することで、正極活物質層が集電体の表面に形成された正極を製造した。 69 parts by mass of LiNi 82/100 Co 15/100 Al 3/100 O 2 as a positive electrode active material, 21 parts by mass of LiFe 1/3 Mn 2/3 PO 4 coated with 3% by mass as a positive electrode active material, 5 parts by mass of Li 5 FeO 4 coated with 3% by mass as a lithium dopant, 2 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount of N-methyl- 2-Pyrrolidone was mixed to produce a slurry. An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector. The slurry was applied to the surface of the aluminum foil using a doctor blade so as to form a film. The aluminum foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 20 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, it pressed and heated by 120 degreeC and 6 hours in the pressure reduction atmosphere by the vacuum pump, and manufactured the positive electrode with which the positive electrode active material layer was formed in the surface of an electrical power collector.

負極としては、実施例10の負極を用いた。   The negative electrode of Example 10 was used as the negative electrode.

セパレータとして、ポリエチレン製多孔質膜を準備した。また、ジメチルカーボネート及びフルオロエチレンカーボネートを体積比81:19で混合した混合溶媒に、LiPFを濃度2mol/Lで溶解した溶液を、電解液とした。 A polyethylene porous membrane was prepared as a separator. Further, a solvent mixture of dimethyl carbonate and fluoroethylene carbonate in a volume ratio 81:19, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 2 mol / L, and an electrolytic solution.

実施例10の負極、セパレータ、正極の順に積層して、積層体とした。この積層体及び電解液をラミネートフィルム製の袋に収容して、袋を密閉し、実施例Aのリチウムイオン二次電池を製造した。   A negative electrode, a separator, and a positive electrode in Example 10 were laminated in this order to obtain a laminate. The laminate and the electrolytic solution were accommodated in a laminated film bag, and the bag was sealed, whereby a lithium ion secondary battery of Example A was produced.

(比較例A)
以下のとおり、正極にリチウムドープ剤を具備せず、負極表面に金属リチウム箔を貼付した比較例Aのリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example A)
As described below, a lithium ion secondary battery of Comparative Example A was produced in which the positive electrode was not provided with a lithium dopant and a metal lithium foil was attached to the negative electrode surface.

正極活物質としてLiNi82/100Co15/100Al3/100を69質量部、正極活物質として3質量%で炭素被覆されたLiFe1/3Mn2/3POを26質量部、導電助剤としてアセチレンブラック2質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。正極用集電体としてアルミニウム箔を準備した。このアルミニウム箔の表面に、ドクターブレードを用いて上記スラリーが膜状になるように塗布した。スラリーが塗布されたアルミニウム箔を80℃で20分間乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレスし、真空ポンプによる減圧雰囲気で120℃、6時間加熱することで、正極活物質層が集電体の表面に形成された正極を製造した。 69 parts by mass of LiNi 82/100 Co 15/100 Al 3/100 O 2 as a positive electrode active material, 26 parts by mass of LiFe 1/3 Mn 2/3 PO 4 coated with 3% by mass as a positive electrode active material, A slurry was prepared by mixing 2 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone. An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector. The slurry was applied to the surface of the aluminum foil using a doctor blade so as to form a film. The aluminum foil coated with the slurry was dried at 80 ° C. for 20 minutes to remove N-methyl-2-pyrrolidone. Then, it pressed and heated by 120 degreeC and 6 hours in the pressure reduction atmosphere by the vacuum pump, and manufactured the positive electrode with which the positive electrode active material layer was formed in the surface of an electrical power collector.

実施例10の負極における負極活物質層の表面に、厚さ5μmの金属リチウム箔を貼付した。セパレータ及び電解液は実施例Aと同様のものを用いた。   A metal lithium foil having a thickness of 5 μm was pasted on the surface of the negative electrode active material layer in the negative electrode of Example 10. The separator and the electrolytic solution were the same as in Example A.

金属リチウム箔を貼付した負極、セパレータ、正極の順に積層して、積層体とした。この積層体及び電解液をラミネートフィルム製の袋に収容して、袋を密閉し、比較例Aのリチウムイオン二次電池を製造した。   A negative electrode with a metallic lithium foil attached, a separator, and a positive electrode were laminated in this order to obtain a laminate. The laminate and the electrolytic solution were housed in a laminated film bag, the bag was sealed, and a lithium ion secondary battery of Comparative Example A was produced.

なお、実施例Aのリチウムイオン二次電池及び比較例Aのリチウムイオン二次電池においては、負極に補填される、リチウムドープ剤由来のリチウム量及び金属リチウム箔由来のリチウム量が、同等となるように設計されている。   In addition, in the lithium ion secondary battery of Example A and the lithium ion secondary battery of Comparative Example A, the amount of lithium derived from the lithium dopant and the amount of lithium derived from the metal lithium foil, which are supplemented in the negative electrode, are equivalent. Designed to be

(比較例B)
負極表面への金属リチウム箔の貼付を行わなかったこと以外は、比較例Aと同様の方法で、正極にリチウムドープ剤を具備せず、負極表面に金属リチウム箔を貼付しない比較例Bのリチウムイオン二次電池を製造した。
(Comparative Example B)
Lithium of Comparative Example B, which does not have a lithium dopant on the positive electrode and does not have a metallic lithium foil attached to the negative electrode surface, in the same manner as in Comparative Example A, except that the metallic lithium foil was not attached to the negative electrode surface. An ion secondary battery was manufactured.

(評価例A)
実施例A及び比較例Aのリチウムイオン二次電池につき、以下の方法で強制短絡試験としての釘刺し試験を行った。
(Evaluation example A)
The lithium ion secondary batteries of Example A and Comparative Example A were subjected to a nail penetration test as a forced short circuit test by the following method.

リチウムイオン二次電池を径10mmの孔を有する拘束板で挟んだ。次に、拘束板で挟んだリチウムイオン二次電池に対して充電を行い、電圧4.1Vとした。上部に釘が取り付けられたプレス機に、拘束板で挟んだ充電後のリチウムイオン二次電池を配置した。そして、釘を上部から下部に移動させて、釘で電池を貫通させた。貫通状態の釘の温度を経時的に測定した。なお、使用した釘の形状は径5mm、先端角度60°であり、貫通前の釘の温度は25℃であった。   A lithium ion secondary battery was sandwiched between restraining plates having holes with a diameter of 10 mm. Next, the lithium ion secondary battery sandwiched between the restraining plates was charged to a voltage of 4.1V. A charged lithium ion secondary battery sandwiched between restraining plates was placed on a press with a nail attached to the top. Then, the nail was moved from the upper part to the lower part, and the battery was penetrated by the nail. The temperature of the penetrating nail was measured over time. The nail used had a diameter of 5 mm and a tip angle of 60 °, and the temperature of the nail before penetration was 25 ° C.

実施例Aのリチウムイオン二次電池を貫通させた釘の最高温度は、29℃であった。他方、比較例Aのリチウムイオン二次電池を貫通させた釘の最高温度は、316℃であった。実施例Aのリチウムイオン二次電池は、強制短絡時において、著しい発熱抑制効果を示すといえる。   The maximum temperature of the nail that penetrated the lithium ion secondary battery of Example A was 29 ° C. On the other hand, the maximum temperature of the nail which penetrated the lithium ion secondary battery of Comparative Example A was 316 ° C. It can be said that the lithium ion secondary battery of Example A shows a remarkable heat generation suppressing effect at the time of forced short circuit.

(評価例B)
実施例Aのリチウムイオン二次電池を電圧4.1Vまで充電した。電圧4.1Vの実施例Aのリチウムイオン二次電池を解体して、充電状態の負極を取り出した。取り出した負極を、ジメチルカーボネートで洗浄し、次いで乾燥した。以上の作業は、不活性ガス雰囲気下で行った。乾燥後の負極を大気下に曝した状態で、10℃/分の昇温速度で550℃まで加熱して、負極の温度変化を観測した。
比較例Aのリチウムイオン二次電池についても同様の試験を行った。
(Evaluation Example B)
The lithium ion secondary battery of Example A was charged to a voltage of 4.1V. The lithium ion secondary battery of Example A having a voltage of 4.1 V was disassembled, and the negative electrode in a charged state was taken out. The negative electrode taken out was washed with dimethyl carbonate and then dried. The above operation was performed in an inert gas atmosphere. While the dried negative electrode was exposed to the atmosphere, it was heated to 550 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and the temperature change of the negative electrode was observed.
A similar test was performed on the lithium ion secondary battery of Comparative Example A.

実施例Aのリチウムイオン二次電池の負極については、10℃/分での昇温に追従する温度変化が観測された。他方、比較例Aのリチウムイオン二次電池の負極については、350℃に達した時点で、10℃/分での昇温から逸脱する急激な昇温が観測された。   Regarding the negative electrode of the lithium ion secondary battery of Example A, a temperature change following the temperature increase at 10 ° C./min was observed. On the other hand, regarding the negative electrode of the lithium ion secondary battery of Comparative Example A, when the temperature reached 350 ° C., a rapid temperature increase deviating from the temperature increase at 10 ° C./min was observed.

(評価例C)
実施例Aのリチウムイオン二次電池を電圧4.1Vまで充電した。電圧4.1Vの実施例Aのリチウムイオン二次電池を解体して、充電状態の負極を取り出した。取り出した負極を、ジメチルカーボネートで洗浄し、次いで乾燥した。以上の作業は、不活性ガス雰囲気下で行った。乾燥後の負極について、以下のとおり、示差走査熱量計(DSC)にて、熱分析を行った。
(Evaluation Example C)
The lithium ion secondary battery of Example A was charged to a voltage of 4.1V. The lithium ion secondary battery of Example A having a voltage of 4.1 V was disassembled, and the negative electrode in a charged state was taken out. The negative electrode taken out was washed with dimethyl carbonate and then dried. The above operation was performed in an inert gas atmosphere. The negative electrode after drying was subjected to thermal analysis with a differential scanning calorimeter (DSC) as follows.

アルゴンガス雰囲気下、ステンレス製のDSC容器に乾燥後の負極を配置して、さらに、負極上に電解液を滴下した。その後、DSC容器に蓋をして、気密状態にした。そして、窒素ガス雰囲気下、5℃/分の速度で昇温し、250℃までの熱分析を行った。
比較例Aのリチウムイオン二次電池についても同様の試験を行った。
Under the argon gas atmosphere, the dried negative electrode was placed in a stainless DSC container, and the electrolyte was dropped onto the negative electrode. Then, the DSC container was covered and made airtight. And it heated up at the speed | rate of 5 degree-C / min in nitrogen gas atmosphere, and performed the thermal analysis to 250 degreeC.
A similar test was performed on the lithium ion secondary battery of Comparative Example A.

分析の結果、実施例Aのリチウムイオン二次電池の負極及び電解液の発熱量は、2500J/gであり、比較例Aのリチウムイオン二次電池の負極及び電解液の発熱量は、2750J/gであった。   As a result of the analysis, the calorific value of the negative electrode and the electrolytic solution of the lithium ion secondary battery of Example A was 2500 J / g, and the calorific value of the negative electrode and the electrolytic solution of the lithium ion secondary battery of Comparative Example A was 2750 J / g. g.

以上の評価例B及び評価例Cの結果から、負極表面の金属リチウム箔からリチウムをドープさせたリチウムイオン二次電池の負極よりも、正極のリチウムドープ剤からリチウムをドープさせたリチウムイオン二次電池の負極の方が、充電状態での熱安定性に優れるといえる。   From the results of Evaluation Example B and Evaluation Example C above, the lithium ion secondary in which lithium is doped from the positive electrode lithium dopant rather than the negative electrode of the lithium ion secondary battery in which lithium is doped from the metal lithium foil on the negative electrode surface. It can be said that the negative electrode of the battery is superior in thermal stability in a charged state.

(評価例D)
実施例Aのリチウムイオン二次電池を電圧4.1Vまで充電した。電圧4.1Vの実施例Aのリチウムイオン二次電池を解体して、充電状態の負極を取り出した。取り出した負極を、ジメチルカーボネートで洗浄し、次いで乾燥した。以上の作業は、不活性ガス雰囲気下で行った。乾燥後の負極をX線光電子分光法(XPS)で分析した。
比較例Aのリチウムイオン二次電池についても同様の試験を行った。
(Evaluation Example D)
The lithium ion secondary battery of Example A was charged to a voltage of 4.1V. The lithium ion secondary battery of Example A having a voltage of 4.1 V was disassembled, and the negative electrode in a charged state was taken out. The negative electrode taken out was washed with dimethyl carbonate and then dried. The above operation was performed in an inert gas atmosphere. The dried negative electrode was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
A similar test was performed on the lithium ion secondary battery of Comparative Example A.

その結果、両負極の表面からLi−F結合に由来するピークが観測された。また、当該ピークの強度は、実施例Aのリチウムイオン二次電池の負極の方が強かった。以上の結果から、負極表面のLiFの存在が熱安定性などの効果に寄与していたと考えられる   As a result, peaks derived from Li—F bonds were observed from the surfaces of both negative electrodes. Moreover, the intensity of the peak was stronger in the negative electrode of the lithium ion secondary battery of Example A. From the above results, it is considered that the presence of LiF on the negative electrode surface contributed to effects such as thermal stability.

実施例A及び比較例Aのリチウムイオン二次電池における負極表面のLiFは、以下の反応式で示されるとおり、リチウム塩の分解に因り、生じたものと考えられる。
式1: LiPF → Li + PF
式2: Li + PF ←→ LiF + PF
It is considered that LiF on the negative electrode surface in the lithium ion secondary batteries of Example A and Comparative Example A was generated due to decomposition of the lithium salt, as shown in the following reaction formula.
Formula 1: LiPF 6 → Li + + PF 6
Formula 2: Li + + PF 6 ← → LiF + PF 5

ここで、実施例Aのリチウムイオン二次電池においては、初回充電時に、リチウムドープ剤から大量のリチウムイオンが電解液に放出される。そうすると、Liの濃度が増加するので、式2における平衡反応において、右側に進行する反応が有利となる。かかるメカニズムに因り、実施例Aのリチウムイオン二次電池の負極表面においては、多くのLiFが生成したと考えられる。 Here, in the lithium ion secondary battery of Example A, a large amount of lithium ions is released from the lithium dopant into the electrolyte during the initial charge. Then, since the concentration of Li + increases, the reaction proceeding to the right side in the equilibrium reaction in Equation 2 is advantageous. Due to this mechanism, it is considered that a large amount of LiF was generated on the negative electrode surface of the lithium ion secondary battery of Example A.

式2における平衡反応において、右側に進行する反応を有利とするためには、電解液におけるリチウム塩濃度が高い方が有利となる。この点を鑑みると、本発明のリチウムイオン二次電池においては、高濃度のリチウム塩を含有する電解液を具備するものが好ましいと考えられる。   In the equilibrium reaction in Formula 2, in order to favor the reaction proceeding to the right side, it is advantageous that the lithium salt concentration in the electrolytic solution is high. In view of this point, it is considered preferable that the lithium ion secondary battery of the present invention includes an electrolyte containing a high concentration lithium salt.

(評価例E)
実施例Aのリチウムイオン二次電池を電圧4.1Vまで充電した。電圧4.1Vの実施例Aのリチウムイオン二次電池を解体して、充電状態の負極を取り出した。取り出した負極を、ジメチルカーボネートで洗浄し、次いで乾燥した。以上の作業は、不活性ガス雰囲気下で行った。乾燥後の負極を昇温脱離ガス分析装置(TPD−MS)に供して、室温から500℃までの間に発生するガスを分析した。
比較例Bのリチウムイオン二次電池についても同様の試験を行った。
(Evaluation Example E)
The lithium ion secondary battery of Example A was charged to a voltage of 4.1V. The lithium ion secondary battery of Example A having a voltage of 4.1 V was disassembled, and the negative electrode in a charged state was taken out. The negative electrode taken out was washed with dimethyl carbonate and then dried. The above operation was performed in an inert gas atmosphere. The dried negative electrode was subjected to a temperature-programmed desorption gas analyzer (TPD-MS) to analyze gas generated between room temperature and 500 ° C.
A similar test was performed on the lithium ion secondary battery of Comparative Example B.

分析の結果、実施例A及び比較例Bのリチウムイオン二次電池の負極から、加熱時に水素ガスが発生することが判明した。表7に、200℃及び500℃における各負極からの水素発生量について、MSで検出されたイオン強度で示す。   As a result of analysis, it was found that hydrogen gas was generated from the negative electrodes of the lithium ion secondary batteries of Example A and Comparative Example B during heating. Table 7 shows the amount of hydrogen generated from each negative electrode at 200 ° C. and 500 ° C. by the ionic strength detected by MS.

比較例Bの水素発生量と比較して、実施例Aの水素発生量が少ないことがわかる。負極における水素発生源は、主に結着剤のポリアミドイミドと考えられる。本発明のリチウムイオン二次電池の負極において、水素発生量を抑制できたことから、本発明のリチウムイオン二次電池の負極には、水素発生の可能性が有る結着剤を好適に用いることができる。   It can be seen that the hydrogen generation amount of Example A is smaller than that of Comparative Example B. It is considered that the hydrogen generation source in the negative electrode is mainly polyamideimide as a binder. Since the amount of hydrogen generation in the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention could be suppressed, a binder capable of generating hydrogen is preferably used for the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention. Can do.

Claims (6)

正極活物質及びリチウムドープ剤を具備する正極と、
Al含有シリコン材料を具備する負極と、
を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A positive electrode comprising a positive electrode active material and a lithium dopant;
A negative electrode comprising an Al-containing silicon material;
A lithium ion secondary battery comprising:
前記リチウムドープ剤がLiFeO、LiMnO、LiCoO、LiZnO、LiAlO及びLiGaOから選択される請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 Lithium-ion secondary battery according to claim 1, wherein the lithium dopant is selected from Li 5 FeO 4, Li 6 MnO 4, Li 6 CoO 4, Li 6 ZnO 4, Li 5 AlO 4 and Li 5 GaO 4. フッ素を含有する電解液を備える請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery of Claim 1 or 2 provided with the electrolyte solution containing a fluorine. 前記負極がポリアミド、ポリアミドイミド又はポリ(メタ)アクリル系樹脂を具備する請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative electrode includes polyamide, polyamideimide, or poly (meth) acrylic resin. 前記Al含有シリコン材料において、Al質量%(WAl%)が0<WAl<1を満足し、Si質量%(WSi%)が60≦WSi≦90を満足する請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 In the Al-containing silicon material, Al mass% (W Al %) satisfies 0 <W Al <1 and Si mass% (W Si %) satisfies 60 ≦ W Si ≦ 90. The lithium ion secondary battery according to any one of the above. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池を充電して、前記リチウムドープ剤のリチウムを前記負極に導入することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。   A method for producing a lithium ion secondary battery, comprising charging the lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 5 and introducing lithium of the lithium dopant into the negative electrode.
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