JP2019179731A - All solid-state battery negative electrode and all solid lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

To provide a new negative electrode successfully forming interface contact between a silicon-based negative electrode active material and a Li ion conductive resin so that the utilization efficiency of a negative electrode active material is increased thereby to achieve an increase in charge/discharge efficiency, relating to a negative electrode used in an all solid-state battery and containing the negative electrode active material.SOLUTION: There is proposed an all solid-state battery negative electrode including a Li ion conductive resin, a Si-containing negative electrode active material, and a conductive material.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、固体電解質を用いる全固体型電池を構成する負極(「全固体電池負極」と称する)、並びにそれを用いてなる全固体型リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode constituting an all solid state battery using a solid electrolyte (referred to as an “all solid state battery negative electrode”), and an all solid state lithium secondary battery using the negative electrode.

リチウム二次電池は、充電時には、正極からリチウムがイオンとして溶け出して負極へ移動して吸蔵され、放電時には、逆に負極から正極へリチウムイオンが戻る構造の二次電池である。このようなリチウム二次電池は、エネルギー密度が大きく、寿命が長いなどの特徴を有しているため、ビデオカメラ等の家電製品や、ノート型パソコン、携帯電話機等の携帯型電子機器、パワーツールなどの電動工具などの電源として広く用いられており、最近では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などに搭載される大型電池へも応用されている。   The lithium secondary battery is a secondary battery having a structure in which lithium is melted as ions from the positive electrode during charging and transferred to the negative electrode and stored, and lithium ions are returned from the negative electrode to the positive electrode during discharging. Such a lithium secondary battery has features such as high energy density and long life, so it can be used for home appliances such as video cameras, portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones, and power tools. It is widely used as a power source for power tools such as electric tools, and recently, it is also applied to large batteries mounted on electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV).

この種のリチウム二次電池は、正極、負極、及びこの両電極に挟まれたイオン伝導層から構成されるのが一般的であり、当該イオン伝導層には、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔質フィルムからなるセパレーターに非水系の電解液を満たしたものが一般的に用いられてきた。ところが、このように可燃性の有機電解液が使用されているため、揮発や漏出を防ぐための構造・材料面での改善が必要であったほか、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造・材料面での改善も必要であった。   This type of lithium secondary battery is generally composed of a positive electrode, a negative electrode, and an ion conductive layer sandwiched between the two electrodes. The ion conductive layer includes a porous film such as polyethylene or polypropylene. A separator filled with a non-aqueous electrolyte has been generally used. However, because flammable organic electrolytes are used in this way, it was necessary to improve the structure and materials in order to prevent volatilization and leakage, and the installation of safety devices that suppress the temperature rise during short circuits Improvements in structure and materials were also necessary to prevent short circuits.

これに対し、全固体型リチウム二次電池は、可燃性の有機電解液が必要ないため、安全装置の簡素化を図ることができ、しかも製造コストや生産性に優れたものとすることができるばかりか、セル内で直列に積層して高電圧化を図れるという特徴も有している。また、固体電解質では、Liイオン以外は動かないため、アニオンの移動による副反応が生じないなど、安全性や耐久性の向上につながることが期待される。   On the other hand, all solid-state lithium secondary batteries do not require a flammable organic electrolyte solution, so that the safety device can be simplified and the manufacturing cost and productivity can be improved. In addition, it has a feature that high voltage can be achieved by stacking in series in the cell. Moreover, in the solid electrolyte, since only Li ions do not move, side reactions due to the movement of anions do not occur, and it is expected to lead to improvements in safety and durability.

全固体型リチウム二次電池に用いる固体電解質には、できるだけイオン伝導率が高く、且つ化学的・電気化学的に安定であることが求められ、例えばハロゲン化リチウム、窒化リチウム、リチウム酸素酸塩又はこれらの誘導体などがその材料候補として知られている。   Solid electrolytes used in all solid-state lithium secondary batteries are required to have as high an ionic conductivity as possible and to be chemically and electrochemically stable. For example, lithium halide, lithium nitride, lithium oxyacid salt or These derivatives are known as material candidates.

他方、リチウム二次電池に用いる負極は、一般的に、充電によってリチウムイオンを挿入可能な材料からなる活物質の粒子を、バインダー、導電材及び溶剤と混合し、得られた合剤を集電体の表面に塗布して乾燥させて塗膜とし、更にプレス加工を施して製造されている。
しかし、現在、市販されている電池の負極は、そのほとんどが炭素材料(「グラファイト」とも称する)を負極活物質として使っているが、容量の面ではすでに理論限界に至っており、新たな負極活物質の開発が必要とされている。その有力候補の一つとして挙げられるのが、ケイ素を含有する負極活物質(「ケイ素系負極活物質」とも称する)である。
On the other hand, a negative electrode used for a lithium secondary battery is generally prepared by mixing active material particles made of a material capable of inserting lithium ions by charging with a binder, a conductive material, and a solvent, and collecting the resulting mixture. It is manufactured by applying to the surface of the body and drying to form a coating film, followed by pressing.
However, most of the negative electrodes of commercially available batteries use a carbon material (also referred to as “graphite”) as the negative electrode active material. However, the capacity has already reached the theoretical limit, and a new negative electrode active material is used. There is a need for material development. One possible candidate is a negative electrode active material containing silicon (also referred to as a “silicon-based negative electrode active material”).

ケイ素系負極活物質は、質量当たりの容量がグラファイトの5〜10倍というポテンシャルを有している。しかしその反面、リチウムイオンの挿入脱離による体積変化が大きく、充放電サイクル中に膨張・収縮を繰り返すため、充放電を繰り返すにつれて導電材との分離が起こりやすく、結果的にサイクルの劣化やエネルギー密度の減少を引き起こし、また、電池の安全性が低下するという課題を抱えていた。   The silicon-based negative electrode active material has a potential that the capacity per mass is 5 to 10 times that of graphite. However, the volume change due to insertion / desorption of lithium ions is large, and expansion and contraction are repeated during the charge / discharge cycle. Therefore, separation from the conductive material occurs easily as charge / discharge is repeated, resulting in cycle deterioration and energy. It has a problem of causing a decrease in density and reducing the safety of the battery.

この課題を解消するために、例えば特許文献1は、ケイ素を含む活物質粒子に関し、平均粒径が5μm以上25μm以下の活物質粒子を開示している。活物質粒子の平均粒径を5μm以上とすることで、元々の活物質の比表面積を低減でき、これにより電解質と活物質新生面の接触面積を低減できるため、サイクル特性の向上効果及び活物質膨化の抑制効果が大きくなる旨が記載されている。   In order to solve this problem, for example, Patent Document 1 discloses active material particles having an average particle diameter of 5 μm or more and 25 μm or less with respect to active material particles containing silicon. By setting the average particle size of the active material particles to 5 μm or more, the specific surface area of the original active material can be reduced, thereby reducing the contact area between the electrolyte and the new active material surface, thereby improving the cycle characteristics and expanding the active material It is described that the suppression effect of is increased.

また、特許文献2などにおいて、リチウムの挿入脱離の効率が高い電極材料として、シリコンを主成分とする固体状態の合金の粒子からなるリチウム二次電池用の電極材料において、前記固体状態の合金の粒子は微結晶シリコンあるいは非晶質化シリコンの中に、シリコン以外の元素からなる微結晶あるいは非晶質が分散していることを特徴とするリチウム二次電池用の電極材料を開示している。   In Patent Document 2, etc., as an electrode material having high lithium insertion / extraction efficiency, an electrode material for a lithium secondary battery composed of particles of a solid state alloy mainly composed of silicon, the solid state alloy Disclosed is an electrode material for a lithium secondary battery, characterized in that microparticles or amorphous materials composed of elements other than silicon are dispersed in microcrystalline silicon or amorphous silicon. Yes.

特許文献3では、正極と、セパレーターと、該セパレーターを介して該正極に対向する負極を含み、前記負極は、少なくともケイ素系化合物を含有する負極活物質と、バインダーとしてポリイミドを含むことを特徴とする、電解液を用いたリチウムイオン二次電池を開示している。   Patent Document 3 includes a positive electrode, a separator, and a negative electrode facing the positive electrode through the separator, wherein the negative electrode includes a negative electrode active material containing at least a silicon-based compound and polyimide as a binder. A lithium ion secondary battery using an electrolytic solution is disclosed.

特開2008−123814号公報JP 2008-123814 A 特開2010−135336号公報JP 2010-135336 A 国際公開第2013/042610号International Publication No. 2013/042610

ケイ素系負極活物質と、ポリイミドなどのLiイオン伝導性樹脂バインダー(「Liイオン伝導性樹脂」とも称する)と、電解液とを用いた液系のリチウム二次電池負極の場合、Liイオン伝導性樹脂は、電解液中でケイ素系負極活物質の表面の一部に固着した状態で存在し、当該樹脂バインダーは膨潤した状態であるので、Liイオンのやりとりは、主にケイ素系負極活物質と電解液の界面で行われる。これに対して、固体電解質を用いた場合、Liイオンのやりとりは、ケイ素系負極活物質とLiイオン伝導性樹脂との接点で行われることになると考えられる。   In the case of a liquid-type lithium secondary battery negative electrode using a silicon-based negative electrode active material, a Li ion conductive resin binder such as polyimide (also referred to as “Li ion conductive resin”), and an electrolyte, Li ion conductivity Since the resin exists in a state of being fixed to a part of the surface of the silicon-based negative electrode active material in the electrolytic solution, and the resin binder is in a swollen state, the exchange of Li ions is mainly performed with the silicon-based negative electrode active material. Performed at the electrolyte interface. On the other hand, when a solid electrolyte is used, the exchange of Li ions is considered to be performed at the contact point between the silicon-based negative electrode active material and the Li ion conductive resin.

電解質として電解液を用いる場合、Liイオンの挿入脱離によってケイ素系負極活物質の体積が変化しても、電解液は流動性があるため、ケイ素系負極活物質と電解液との接触を良好に維持することができ、Liイオンのやりとりも良好に維持することができる。
他方、電解質として固体電解質を用いる場合には、リチウムイオンの挿入脱離によってケイ素系負極活物質の体積が大きく変化すると、固体電解質とケイ素系負極活物質粒子との接点が取れなくなったり、或いは、負極層と固体電解質層との間でも接点が取れなくなったりするため、活物質の利用率が低下して、その結果、充放電効率が低下するという問題が想定される。
When using an electrolytic solution as the electrolyte, even if the volume of the silicon-based negative electrode active material changes due to insertion / extraction of Li ions, the electrolytic solution is fluid, so that the contact between the silicon-based negative electrode active material and the electrolytic solution is good. The exchange of Li ions can also be maintained satisfactorily.
On the other hand, when a solid electrolyte is used as the electrolyte, if the volume of the silicon-based negative electrode active material is greatly changed due to insertion / extraction of lithium ions, the contact between the solid electrolyte and the silicon-based negative electrode active material particles cannot be taken, or Since a contact cannot be obtained even between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer, the utilization factor of the active material is lowered, and as a result, a problem that charge / discharge efficiency is lowered is assumed.

そこで本発明は、ケイ素系負極活物質を含有する全固体電池負極に関し、当該負極活物質とLiイオン伝導性樹脂との界面接触を良好に形成して、負極活物質の利用率を高めて充放電効率を高めることができる、新たな全固体電池負極及びこれを用いた全固体型リチウム二次電池を提供せんとするものである。   Therefore, the present invention relates to an all-solid battery negative electrode containing a silicon-based negative electrode active material, and satisfactorily forms an interface contact between the negative electrode active material and a Li ion conductive resin to increase the utilization rate of the negative electrode active material. It is an object of the present invention to provide a new all-solid-state battery negative electrode and an all-solid-type lithium secondary battery using the same that can increase the discharge efficiency.

本発明は、Liイオン伝導性樹脂と、Siを含む負極活物質と、導電材とを備えた、全固体電池負極を提案する。   The present invention proposes an all solid state battery negative electrode comprising a Li ion conductive resin, a negative electrode active material containing Si, and a conductive material.

本発明はまた、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして、Siを含む負極活物質と、導電材とが、結合された状態にある全固体電池負極を提案する。   The present invention also proposes an all-solid battery negative electrode in which a negative electrode active material containing Si and a conductive material are combined with a Li ion conductive resin as a binder.

本発明は、Liイオン伝導性樹脂と、当該Liイオン伝導性樹脂に連続的に覆われている、Siを含む負極活物質と、導電材とを備えた、全固体電池負極を提案する。   The present invention proposes an all-solid-state battery negative electrode comprising a Li ion conductive resin, a negative electrode active material containing Si, which is continuously covered with the Li ion conductive resin, and a conductive material.

本発明はまた、当該全固体電池負極と、固体電解質と、正極活物質とを備えた全固体型リチウム二次電池であって、前記負極層と固体電解質層とが面で接触してなる構成を備えた全固体型リチウム二次電池を提案する。   The present invention is also an all-solid-state lithium secondary battery comprising the all-solid battery negative electrode, a solid electrolyte, and a positive electrode active material, wherein the negative electrode layer and the solid electrolyte layer are in contact with each other. We propose an all-solid-state lithium secondary battery equipped with

本発明が提案する全固体電池負極は、Liイオン伝導性樹脂とSiを含む負極活物質と導電材を備えることにより、負極活物質とLiイオン伝導性樹脂との界面接触を良好に形成し、負極活物質の利用率を高めることができ、その結果として充放電効率を向上させることができる。この際、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして、Siを含む負極活物質と、導電材とを結合することにより、負極の体積変化を効果的に抑えることができるため、サイクル特性の向上も両立させることができる。
さらに、Liイオン伝導性樹脂の種類や量などを調整することで、Liイオンが不可逆的にトラップされることを低減することができ、充放電効率の改善をさらに良くすることができる。
The all-solid-state battery negative electrode proposed by the present invention includes a negative electrode active material containing Li ion conductive resin and Si, and a conductive material, thereby favorably forming an interface contact between the negative electrode active material and the Li ion conductive resin. The utilization factor of the negative electrode active material can be increased, and as a result, the charge / discharge efficiency can be improved. At this time, by combining a negative electrode active material containing Si with a Li ion conductive resin as a binder and a conductive material, volume change of the negative electrode can be effectively suppressed. be able to.
Furthermore, by adjusting the type and amount of the Li ion conductive resin, it is possible to reduce the irreversible trapping of Li ions, and the charge / discharge efficiency can be further improved.

次に、実施形態の一例に基づいて本発明を説明する。但し、本発明が次に説明する実施形態の一例に限定されるものではない。   Next, the present invention will be described based on an example of the embodiment. However, this invention is not limited to an example of embodiment described below.

[本負極]
本実施形態の一例に係る全固体電池負極、すなわち全固体電池に用いる負極(以下「本負極」と称する)は、Liイオン伝導性樹脂と、Siを含む負極活物質と、導電材とを備えるものである。
[This negative electrode]
An all-solid battery negative electrode according to an example of the present embodiment, that is, a negative electrode used for an all-solid battery (hereinafter referred to as “main negative electrode”) includes a Li ion conductive resin, a negative electrode active material containing Si, and a conductive material. Is.

本負極は、前記Liイオン伝導性樹脂の他にさらに固体電解質が存在するものであっても、固体電解質が存在しないものであってもよい。なお、本負極中に固体電解質が存在しなくても全固体電池負極の負極として機能する点は、本発明の特徴の一つでもある。   The present negative electrode may be one in which a solid electrolyte is present in addition to the Li ion conductive resin, or may be one in which no solid electrolyte is present. In addition, it is one of the characteristics of this invention that it functions as a negative electrode of an all-solid-state battery negative electrode even if a solid electrolyte does not exist in this negative electrode.

本負極は、その形態として、ペレット状、シート状、その他の形状を呈することができる。中でも、取り扱いを簡便にし、大面積化に対応することができる観点から、シート状を呈するのが好ましい。
本負極の形態の一例として、例えばLiイオン伝導性樹脂、Si系負極活物質及び導電材、必要に応じてさらに固体電解質が存在するシート状の形態の本負極を挙げることができる。
The negative electrode can have a pellet shape, a sheet shape, or other shapes as its form. Especially, it is preferable to exhibit a sheet form from a viewpoint which can handle easily and can respond to enlargement.
As an example of the form of the present negative electrode, there can be mentioned, for example, a Li-ion conductive resin, a Si-based negative electrode active material and a conductive material, and a negative electrode in the form of a sheet in which a solid electrolyte is present if necessary.

<Liイオン伝導性樹脂>
Liイオン伝導性樹脂とは、電池の充放電に伴い、Liイオンを可逆的に輸送することができる樹脂である。
Liイオン伝導性樹脂としては、例えばポリイミド、ポリアミド及びポリアミドイミドのうちの何れか又はこれらのうち2種以上の組み合わせを挙げることができる(以下、これらを総称して「ポリイミド等」とも言う。)。これら以外の伝導性樹脂を併用してもよい。
<Li ion conductive resin>
The Li ion conductive resin is a resin capable of reversibly transporting Li ions as the battery is charged and discharged.
Examples of the Li ion conductive resin include any one of polyimide, polyamide, and polyamideimide, or a combination of two or more thereof (hereinafter, these are collectively referred to as “polyimide and the like”). . Conductive resins other than these may be used in combination.

上記ポリイミド等としては、Liイオンの輸送能力を向上させる観点から、Liイオンを輸送蔵可能な官能基を有していることが好ましい。また、官能基が極性を有していてもよい。上記官能基の例としては、芳香族やエ−テルを挙げることができる。但し、これらに限定するものではない。   The polyimide or the like preferably has a functional group capable of transporting and storing Li ions from the viewpoint of improving the transport capability of Li ions. Moreover, the functional group may have polarity. Examples of the functional group include aromatics and ethers. However, it is not limited to these.

上記ポリイミド等としては、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、フェニル基、又はフェノキシ基を有するポリイミド等を用いることができる。
アルキル基としては、炭素数1〜6のものが好ましく、メチル基、エチル基又はプロピル基がより好ましく、特にメチル基が好ましい。
アルコキシ基としては、炭素数1〜6のものが好ましく、メトキシ基、エトキシ基、又はプロポキシ基がより好ましく、特にメトキシ基が好ましい。
アシル基としては、炭素数2〜6のものが好ましく、アセチル基、プロピオニル基等を挙げることができる。
このような構造を有するポリイミド等が好ましい理由は、充電を行った際にLiイオンを吸蔵することで、イミド環の開環が抑制され、活物質と強固に結着する作用があるためである。
上記の中でも、Liイオンの伝導パスを確保し、Liイオンの輸送を促進する効果を得る観点から、全芳香族ポリイミドであるのが好ましく、中でもピロメリット酸系であり、且つジフェニルエーテルやアルキルビフェニル、アルキルポリフェニル基を有することが好ましく、さらにその中でも、ジフェニルエーテルを有することが特に好ましい。
As the polyimide or the like, a polyimide having an alkyl group, an alkoxy group, an acyl group, a phenyl group, or a phenoxy group can be used.
As an alkyl group, a C1-C6 thing is preferable, a methyl group, an ethyl group, or a propyl group is more preferable, and a methyl group is especially preferable.
As an alkoxy group, a C1-C6 thing is preferable, a methoxy group, an ethoxy group, or a propoxy group is more preferable, and a methoxy group is especially preferable.
As an acyl group, a C2-C6 thing is preferable and an acetyl group, a propionyl group, etc. can be mentioned.
The reason why a polyimide having such a structure is preferable is that, when charged, the Li ions are occluded to suppress the ring opening of the imide ring and to bind firmly to the active material. .
Among the above, from the viewpoint of securing the conduction path of Li ions and obtaining the effect of promoting the transport of Li ions, it is preferably a wholly aromatic polyimide, among them pyromellitic acid-based, and diphenyl ether or alkylbiphenyl, It is preferable to have an alkylpolyphenyl group, and among them, it is particularly preferable to have diphenyl ether.

本負極におけるLiイオン伝導性樹脂は、本負極中(但し、集電体は除く)に2〜20wt%の割合で存在するのが好ましい。
Liイオン伝導性樹脂が本負極中に2wt%以上存在すれば、本負極の体積変化を効果的に抑えることができる一方、20wt%以下であれば、充放電効率を改善することができるから、好ましい。
かかる観点から、本負極におけるLiイオン伝導性樹脂は、本負極中に2〜20wt%の割合で存在するのが好ましく、中でも4wt%より大きい、或いは20wt%より小さい、その中でも6wt%より大きい、或いは16wt%より小さい、特にその中でも8wt%より大きい、或いは12wt%より小さい割合で存在するのが好ましい。
The Li ion conductive resin in the present negative electrode is preferably present in a proportion of 2 to 20 wt% in the negative electrode (excluding the current collector).
If the Li ion conductive resin is present in the negative electrode in an amount of 2 wt% or more, the volume change of the negative electrode can be effectively suppressed, while if it is 20 wt% or less, the charge / discharge efficiency can be improved. preferable.
From such a viewpoint, the Li ion conductive resin in the present negative electrode is preferably present in a proportion of 2 to 20 wt% in the negative electrode, more than 4 wt%, or less than 20 wt%, and more than 6 wt%. Alternatively, it is preferably present at a ratio of less than 16 wt%, particularly more than 8 wt%, or less than 12 wt%.

<本Si系負極活物質>
上述のように、本負極におけるSi系負極活物質(「本Si系負極活物質」と称する)は、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして、導電材と結合された状態で存在するのが好ましい。
この際、「本Si系負極活物質と導電材とが、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして結合された状態」にあることは、本負極の断面を電子顕微鏡で観察することによって確かめることができる。
<This Si negative electrode active material>
As described above, the Si-based negative electrode active material (referred to as “the present Si-based negative electrode active material”) in the present negative electrode is preferably present in a state of being bonded to the conductive material using Li ion conductive resin as a binder.
At this time, it can be confirmed by observing the cross section of the negative electrode with an electron microscope that the Si negative electrode active material and the conductive material are in a state of being bonded with the Li ion conductive resin as a binder. .

Si系負極活物質がLiイオン伝導性樹脂と導電材と負極を構成することにより、負極活物質の利用率を高めることができ、充放電効率を向上させることができる。そればかりか、当該Si系負極活物質が膨張及び収縮したとしても、Liイオン伝導性樹脂がバインダーとして機能するため、本負極の体積変化を効果的に抑えることができ、これによりサイクル特性の向上を両立させることができる。   When the Si-based negative electrode active material constitutes the Li ion conductive resin, the conductive material, and the negative electrode, the utilization factor of the negative electrode active material can be increased, and the charge / discharge efficiency can be improved. In addition, even if the Si-based negative electrode active material expands and contracts, since the Li ion conductive resin functions as a binder, volume change of the negative electrode can be effectively suppressed, thereby improving cycle characteristics. Can be made compatible.

本Si系負極活物質と導電材とが、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして結合された状態とするには、例えばLiイオン伝導性樹脂の量を調整したり、本Si系負極活物質の形状や粒径を調整したり、混錬方法を調整したりするなどすればよい。この際、本Si系負極活物質は球状で且つ微粒である方が、本Si系負極活物質と導電材とが、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして結合された状態とし易いということが言える。   In order to make this Si type negative electrode active material and a conductive material combined with Li ion conductive resin as a binder, for example, the amount of Li ion conductive resin is adjusted or the shape of the present Si type negative electrode active material The particle size may be adjusted, the kneading method may be adjusted, or the like. At this time, it can be said that when the Si-based negative electrode active material is spherical and finer, the Si-based negative electrode active material and the conductive material are more likely to be combined with the Li ion conductive resin as a binder.

本負極におけるSi系負極活物質は、本負極中(但し、集電体は除く)に70wt%以上の割合で存在するのが好ましい。
負極活物質が本負極中に70wt%以上存在すれば、充放電に寄与する活物質が増加するため、容量およびエネルギー密度を高くすることができる。一方、98%以下であれば、イオン伝導性樹脂や導電材を含むことができ、Liイオンの伝導パスが確保できるため、サイクル特性を向上することができる。
かかる観点から、本負極におけるSi系負極活物質は、本負極中に70wt%以上の割合で存在するのが好ましく、中でも98wt%以下の割合で存在するのがより好ましく、その中でも75wt%より大きい、或いは95wt%より小さい、その中でも80wt%より大きい、或いは92wt%より小さい、特にその中でも84wt%より大きい、或いは88wt%より小さい割合で存在するのがさらに好ましい。
The Si-based negative electrode active material in the present negative electrode is preferably present in the negative electrode (excluding the current collector) at a ratio of 70 wt% or more.
If the negative electrode active material is present in the main negative electrode in an amount of 70 wt% or more, the active material contributing to charging / discharging increases, so that the capacity and energy density can be increased. On the other hand, if it is 98% or less, an ion conductive resin or a conductive material can be included, and a Li ion conduction path can be secured, so that cycle characteristics can be improved.
From this point of view, the Si-based negative electrode active material in the present negative electrode is preferably present in the negative electrode in a proportion of 70 wt% or more, more preferably in a proportion of 98 wt% or less, and in particular, greater than 75 wt%. Or more preferably less than 95 wt%, more preferably greater than 80 wt%, or even less than 92 wt%, especially greater than 84 wt% or less than 88 wt%.

本Si系負極活物質は、ケイ素(Si)を含む負極活物質であればよい。   The Si-based negative electrode active material may be a negative electrode active material containing silicon (Si).

(Si)
本Si系負極活物質は、例えば純ケイ素を主成分とするものほかに、SiOやSiO等のケイ素酸化物や、SiやSiCなどのケイ素含有物質を主成分とするものを挙げることができる。容量を向上させる観点から、この中でも、純ケイ素を主成分とするものが好ましい。
ここで、「純ケイ素を主成分とする」とは、ケイ素(Si)の45wt%以上、中でも50wt%以上、その中でも55wt%以上を純ケイ素が占めるものをいう。
(Si)
Examples of the present Si-based negative electrode active material include, in addition to pure silicon as a main component, silicon oxides such as SiO and SiO 2 , and silicon-containing materials such as Si 3 N 4 and SiC as main components. be able to. Among these, those containing pure silicon as the main component are preferable from the viewpoint of improving the capacity.
Here, “consisting of pure silicon as a main component” means that pure silicon occupies 45 wt% or more of silicon (Si), especially 50 wt% or more, of which 55 wt% or more.

本Si系負極活物質は、膨張収縮による割れを抑える観点から、Siのほかに、元素A(AはLi、Al、P、B、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ta及びWからなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素)を含有するものが好ましい。
この際、本Si系負極活物質において、Si以外の元素Aの含有量は、40at%以下であるのが好ましく、中でも0at%より多い或いは25at%未満、その中でも1at%より多い或いは15at%未満、さらにその中でも2at%より多い或いは10at%未満であるのが好ましい。
In addition to Si, the present Si-based negative electrode active material suppresses cracking due to expansion and contraction, and element A (A is Li, Al, P, B, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y , Zr, Nb, Mo, Ta, and W are preferably used.
In this case, in the present Si-based negative electrode active material, the content of the element A other than Si is preferably 40 at% or less, more than 0 at% or less than 25 at%, particularly more than 1 at% or less than 15 at%. Of these, more than 2 at% or less than 10 at% is preferable.

上記元素Aの状態としては、Siに固溶されていてもよいし、別の化合物(例えばTiSi、CoSi2、NiSi2、Mn11Si19で表させるシリサイド)を形成していてもよい。 As the state of the element A, it may be dissolved in Si, or another compound (for example, a silicide represented by TiSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , Mn 11 Si 19 ) may be formed.

本Si系負極活物質に含まれる酸素原子(O)の含有量は30wt%未満であることが好ましい。
本Si系負極活物質において、酸素原子(O)の含有量が30wt%未満であれば、充放電に寄与しない酸素原子(O)の比率が低くなり、容量や充放電効率を高めることができて好ましい。但し、酸素原子(O)が全く含まれていないと、大気中の酸素と急激な反応を起こし、発熱・発火の危険があり、好ましくない。
かかる観点から、本Si系負極活物質に含まれる酸素原子(O)の含有量は30wt%未満であるのが好ましく、中でも0wt%より多い或いは20wt%未満、その中でも0.1wt%より多い或いは15wt%未満、その中でも0.2wt%より多い或いは10wt%未満、さらにその中でも0.6wt%より多い或いは5wt%未満であるのが好ましい。
The content of oxygen atoms (O) contained in the present Si-based negative electrode active material is preferably less than 30 wt%.
In the present Si-based negative electrode active material, if the content of oxygen atoms (O) is less than 30 wt%, the ratio of oxygen atoms (O) that do not contribute to charge / discharge decreases, and the capacity and charge / discharge efficiency can be increased. It is preferable. However, when oxygen atoms (O) are not contained at all, a rapid reaction with oxygen in the atmosphere occurs, and there is a risk of heat generation and ignition, which is not preferable.
From this point of view, the content of oxygen atoms (O) contained in the present Si-based negative electrode active material is preferably less than 30 wt%, more than 0 wt%, or less than 20 wt%, and more than 0.1 wt%. It is preferably less than 15 wt%, more preferably more than 0.2 wt% or less than 10 wt%, more preferably more than 0.6 wt% or less than 5 wt%.

(本Si系負極活物質の製造方法)
本Si系負極活物質は、ケイ素又は、ケイ素含有物質と、必要に応じて元素A含有物質と、必要に応じてその他の原料物質とを混合して加熱溶融して微粒化し、必要に応じて解砕や分級を行い得ることができる。但し、このような方法に限定されるものではない。
(Method for producing the present Si-based negative electrode active material)
The present Si-based negative electrode active material is silicon or a silicon-containing material, an element A-containing material as required, and other raw material materials mixed as necessary, heated and melted to be atomized, and if necessary Crushing and classification can be performed. However, it is not limited to such a method.

上記微粒化の方法は、公知の方法を採用すればよい。例えば、ケイ素又はケイ素含有物質と、必要に応じて元素A含有物質と、必要に応じてその他の原料物質とを混合して加熱して溶融液とした後、アトマイズ法等によって微粒化してもよいし、前記溶融液とした後、ロール鋳造法により鋳造し、さらに非酸素雰囲気下で粉砕を行って微粒化してもよい。また、その後さらに、DCプラズマ装置を使用して発生させたプラズマ中に粒子を通過させて、球状の微粒粉としてもよい。   A known method may be employed as the atomization method. For example, silicon or a silicon-containing material, an element A-containing material as necessary, and other raw material materials as necessary may be mixed and heated to form a melt, and then atomized by an atomizing method or the like Then, after forming the melt, it may be cast by a roll casting method and further pulverized in a non-oxygen atmosphere to be atomized. Further, after that, particles may be passed through plasma generated using a DC plasma apparatus to form a spherical fine powder.

本Si系負極活物質は、電子伝導性を付与する観点から、電子伝導性を有する物質、中でも粒子内部よりも電子伝導性の高い物質で表面を被覆することが好ましい。当該物質の例としては、金属や半金属及びその化合物を挙げることができる。硫黄成分と反応し難いという観点から、カーボンが特に好ましい。
この際、当該物質は、粒子として存在していてもよいし、粒子が凝集してなる凝集粒子として存在してもよいし、層を形成して存在していてもよい。
ここで、「層として存在する」とは、本Si系負極活物質の表面全体、或いは一部の面を被覆している状態を意味するものである。
From the viewpoint of imparting electron conductivity, the Si-based negative electrode active material is preferably coated on the surface with a material having electron conductivity, particularly a material having higher electron conductivity than the inside of the particles. Examples of the substance include metals, metalloids, and compounds thereof. Carbon is particularly preferable from the viewpoint that it hardly reacts with the sulfur component.
In this case, the substance may be present as particles, may be present as aggregated particles obtained by agglomerating particles, or may be present in a layered form.
Here, “exists as a layer” means a state in which the entire surface or a part of the surface of the Si-based negative electrode active material is covered.

本Si系負極活物質の表面をカーボンで被覆する方法としては、CVD法や噴霧熱分解法、遊星ボールミル法、転動流動層を用いて活物質の表面に塗布する方法、などの方法を挙げることができる。但し、これらの方法に限定されるものではない。
なお、本Si系負極活物質の表面がカーボンで被覆されている状態は、例えば走査型透過電子顕微鏡(TEM)で確認することができる。
この際、本Si系負極活物質の表面がカーボンで被覆されている割合、すなわち、カーボンの被覆率は1%以上、或いは100%未満であるのが好ましく、その中でも10%より大きい或いは80%未満、さらにその中でも20%より大きい或いは50%未満であるのが好ましい。
このような範囲とすることで、界面抵抗層を形成させることなく、電子伝導性を付与することができる。
Examples of the method of coating the surface of the Si-based negative electrode active material with carbon include a CVD method, a spray pyrolysis method, a planetary ball mill method, and a method of applying to the surface of the active material using a rolling fluidized bed. be able to. However, it is not limited to these methods.
In addition, the state by which the surface of this Si type negative electrode active material is coat | covered with carbon can be confirmed with a scanning transmission electron microscope (TEM), for example.
At this time, the ratio of the surface of the Si-based negative electrode active material covered with carbon, that is, the coverage of carbon is preferably 1% or more, or less than 100%, and more preferably, more than 10% or 80%. Less than that, more preferably more than 20% or less than 50%.
By setting it as such a range, electronic conductivity can be provided, without forming an interface resistance layer.

本Si系負極活物質は、原料由来の不回避不純物を含有していてもよい。
この際、本Si系負極活物質において、不回避不純物の含有量は、2wt%未満であるのが好ましく、中でも1wt%未満、その中でも0.5wt%未満であるのが好ましい。
The present Si-based negative electrode active material may contain unavoidable impurities derived from raw materials.
At this time, in the present Si-based negative electrode active material, the content of inevitable impurities is preferably less than 2 wt%, more preferably less than 1 wt%, and particularly preferably less than 0.5 wt%.

本Si系負極活物質は、単独の負極活物質として使用することも可能であるし、また、グラファイトと組み合わせて使用することも可能である。   The Si-based negative electrode active material can be used as a single negative electrode active material, or can be used in combination with graphite.

(粒子形状)
本Si系負極活物質の粒子形状は、特に限定されるものではない。例えば球状、多面体状、紡錘状、板状、鱗片状若しくは不定形又はそれらの組み合わせを用いることができる。中でも、膨張収縮を均一にする観点から、対称性の良い形状、例えば球状であるのが好ましい。
例えばガスアトマイズによれば球状となり、ジェットミルなどにより粉砕すると、粒界に沿って粒子が割れるために不定形状になることが確認されている。
(Particle shape)
The particle shape of the Si-based negative electrode active material is not particularly limited. For example, a spherical shape, a polyhedral shape, a spindle shape, a plate shape, a scale shape, an amorphous shape, or a combination thereof can be used. Among these, from the viewpoint of uniform expansion and contraction, a shape having good symmetry, for example, a spherical shape is preferable.
For example, it has been confirmed that when it is sphered by gas atomization and pulverized by a jet mill or the like, the particle breaks along the grain boundary, resulting in an indefinite shape.

(比表面積)
本Si系負極活物質の比表面積(SSA)は2m/g以上であるのが好ましい。
本Si系負極活物質の比表面積(SSA)が2m/g以上であれば、Liイオンの挿入脱離できる面積が増えるため、抵抗を低下させることができ、好ましい。
かかる観点から、本Si系負極活物質の比表面積(SSA)は2m/g以上であるのが好ましく、中でも140m/g未満であるのがさらに好ましく、その中でも2m/gより大きい或いは60m/g未満、その中でも30m/g未満、さらにその中でも2.5m/gより大きい或いは20m/g未満であるのが特に好ましい。
本Si系負極活物質のSSAを上記範囲に調整するには、粉砕条件や改質条件を調整するのが好ましい。但し、これらの調整方法に限定されるものではない。
(Specific surface area)
The specific surface area (SSA) of the present Si-based negative electrode active material is preferably 2 m 2 / g or more.
If the specific surface area (SSA) of the present Si-based negative electrode active material is 2 m 2 / g or more, the area in which Li ions can be inserted and desorbed increases, so that the resistance can be lowered.
From this point of view, the specific surface area (SSA) of the present Si-based negative electrode active material is preferably 2 m 2 / g or more, more preferably less than 140 m 2 / g, of which more than 2 m 2 / g or 60m less than 2 / g, 30 m less than 2 / g among them, particularly preferably more 2.5 m 2 / g less than greater than or 20 m 2 / g among them.
In order to adjust the SSA of the present Si-based negative electrode active material within the above range, it is preferable to adjust the pulverization conditions and the modification conditions. However, it is not limited to these adjustment methods.

本Si系負極活物質の比表面積(SSA):M(m/g)に対する、Liイオン伝導性樹脂の含有割合:L(wt%)の比率:L/M(wt%/(m/g))は、0.01〜10.0以下であるのが好ましい。
L/Mを大きくするには、2つの方法を挙げることができる。その1つはLを多くする、もう1つはMを小さくする方法である。前者は、負極活物質に対して、Liイオン伝導性樹脂が多く存在することを意味するので、Liイオンの伝導性パスを確保でき、サイクル特性の改善が期待される。後者は、例えば、粒径が大きくなることで、Mが小さくなる場合は、負極活物質の膨張収縮の程度も大きくなり、サイクル特性の悪化が懸念される。以上のことから、L/Mには適切な範囲が存在すると考えられる。L/Mの値が小さい場合は、上述した内容と逆の作業が生じると考えられる。
かかる観点から、L/Mには適切な範囲が存在し、該L/Mは0.01〜10.0であるのが好ましく、中でも0.02以上或いは5.0以下、その中でも0.05以上或いは4.5以下、特にその中でも、4.0以下、さらにその中でも0.1以上或いは3.5以下であるのが好ましい。
Ratio of content ratio of Li ion conductive resin: L (wt%) to specific surface area (SSA): M (m 2 / g) of the present Si-based negative electrode active material: L / M (wt% / (m 2 / g)) is preferably from 0.01 to 10.0.
There are two methods for increasing L / M. One is to increase L and the other is to decrease M. The former means that a large amount of Li ion conductive resin exists with respect to the negative electrode active material, so that a conductive path of Li ions can be secured, and improvement in cycle characteristics is expected. In the latter case, for example, when M is reduced by increasing the particle size, the degree of expansion and contraction of the negative electrode active material is increased, and there is a concern that the cycle characteristics may deteriorate. From the above, it is considered that there is an appropriate range for L / M. When the value of L / M is small, it is considered that the reverse operation to the above-described content occurs.
From this point of view, there is an appropriate range for L / M, and the L / M is preferably 0.01 to 10.0, more preferably 0.02 or more, or 5.0 or less, of which 0.05 Above or 4.5 or less, especially 4.0 or less, more preferably 0.1 or more or 3.5 or less.

(D50)
レーザー回折散乱式粒度分布測定法は、凝集した粉粒を一個の粒子(凝集粒子)として捉えて粒径を算出する測定方法である。その測定方法によるD50とは、50%体積累積粒径、すなわち体積基準粒度分布のチャートにおいて体積換算した粒径測定値の累積百分率表記の細かい方から累積50%の径を意味する。
(D50)
The laser diffraction / scattering particle size distribution measurement method is a measurement method in which agglomerated particles are regarded as one particle (aggregated particle) and the particle size is calculated. D50 by the measurement method means 50% volume cumulative particle diameter, that is, a diameter of 50% cumulative from the finer one of the cumulative percentage notation of the particle size measurement value converted into volume in the volume reference particle size distribution chart.

本Si系負極活物質のD50は、4μm未満であるのが好ましい。D50が4μm未満であれば、膨張・収縮の影響を小さくできるから好ましい。但し、本Si系負極活物質が小さ過ぎると比表面積が大きくなり、前記活物質を結合するためのLiイオン伝導性樹脂量の調整、及び混錬が難しくなる。
かかる観点から、本Si系負極活物質のD50は4μm未満であるのが好ましく、中でも0.01μmより大きい或いは3.5μm未満、その中でも0.05μmより大きい或いは3.0μm未満、さらにその中でも0.1μmより大きい或いは2.7μm未満、さらにまたその中でも0.2μmより大きい或いは2.0μm未満であるのが好ましい。
本Si系負極活物質のD50を上記範囲に調整するには、出発原料の調整、溶融温度或いは溶融時間の調整、或いは、溶融後後の解砕・粉砕によるD50の調整をするのが好ましい。但し、これらの調整方法に限定されるものではない。
The D50 of the present Si-based negative electrode active material is preferably less than 4 μm. If D50 is less than 4 μm, it is preferable because the influence of expansion and contraction can be reduced. However, if the Si-based negative electrode active material is too small, the specific surface area increases, and it becomes difficult to adjust and knead the amount of Li ion conductive resin for bonding the active material.
From this point of view, the D50 of the present Si-based negative electrode active material is preferably less than 4 μm, more preferably greater than 0.01 μm or less than 3.5 μm, more preferably greater than 0.05 μm or less than 3.0 μm, and even more preferably 0 More preferably, it is larger than 0.1 μm or smaller than 2.7 μm, and more preferably, it is larger than 0.2 μm or smaller than 2.0 μm.
In order to adjust the D50 of the present Si-based negative electrode active material to the above range, it is preferable to adjust the starting material, the melting temperature or the melting time, or the D50 by crushing and pulverization after melting. However, it is not limited to these adjustment methods.

本Si系負極活物質の粒度(D50):P(μm)に対する、Liイオン伝導性樹脂の含有割合:L(wt%)の比率:L/P(wt%/(μm)が0.5より大きく、100以下であるのが好ましい。
L/Pを大きくするには、2つの方法を挙げることができる。その1つはLを多くする、もう1つはPを小さくする方法である。
前者は、負極活物質に対して、Liイオン伝導性樹脂が多く存在することを意味するので、Liイオンの伝導性パスを確保でき、サイクル特性の改善が期待される。
一方で、Liイオン伝導性樹脂の含有割合が多すぎると、充放電効率が下がるリスクがある。後者は、粒径が小さくなることを意味し、Pが小さくなる場合は、負極活物質の膨張収縮の程度も小さくなるので、サイクル特性の改善が期待される。以上のことから、L/Pには適切な範囲が存在すると考えられる。L/Pの値が小さい場合は、上述した内容と逆の作業が生じると考えられる。
かかる観点から、L/Pには適切な範囲が存在し、該L/Pは0.5より大きく、100以下であるのが好ましく、中でも0.7より大きく、或いは60未満、その中でも1.0より大きく或いは50未満、特にその中でも、35未満以下、さらにその中でも2.0より大きく或いは20未満であるのが好ましい。
The ratio of the content of Li ion conductive resin: L (wt%) to the particle size (D50): P (μm) of the Si-based negative electrode active material: L / P (wt% / (μm) is from 0.5 It is large and preferably 100 or less.
There are two methods for increasing L / P. One is to increase L, and the other is to decrease P.
The former means that a large amount of Li ion conductive resin exists with respect to the negative electrode active material, so that a conductive path of Li ions can be secured, and improvement in cycle characteristics is expected.
On the other hand, when there is too much content rate of Li ion conductive resin, there exists a risk that charging / discharging efficiency will fall. The latter means that the particle size is reduced. When P is reduced, the degree of expansion and contraction of the negative electrode active material is also reduced, so that improvement in cycle characteristics is expected. From the above, it is considered that there is an appropriate range for L / P. When the value of L / P is small, it is considered that the reverse operation to the above-described content occurs.
From this point of view, there is an appropriate range for L / P, and the L / P is preferably greater than 0.5 and less than or equal to 100, more preferably greater than 0.7, or less than 60. It is preferably greater than 0 or less than 50, particularly preferably less than 35, and more preferably greater than 2.0 or less than 20.

<導電材>
本負極の導電材としては、例えば金属微粉や、カーボンナノチューブ、アセチレンブラック等の導電性炭素材料の粉末等を用いることができる。ホウ素(B)又はリン(P)又はこれらを含有する化合物も導電材として機能することができる。
金属微粉を用いる場合には、Sn、Zn、Ag及びIn等の導電性を有する金属又はこれらの金属の合金等の微粉を用いることが好ましい。
<Conductive material>
As the conductive material of the present negative electrode, for example, metal fine powder, powder of conductive carbon material such as carbon nanotube, acetylene black, or the like can be used. Boron (B) or phosphorus (P) or a compound containing these can also function as a conductive material.
When metal fine powder is used, it is preferable to use fine powder such as a conductive metal such as Sn, Zn, Ag and In or an alloy of these metals.

導電材の形状は、球状、ファイバー状、不定形状などを挙げることができる。中でも、電子伝導性パスを維持する観点から、球状、ファイバー状であるのが好ましい。   Examples of the shape of the conductive material include a spherical shape, a fiber shape, and an indefinite shape. Among them, the spherical shape and the fiber shape are preferable from the viewpoint of maintaining the electron conductive path.

本負極における導電材は、本負極中(但し、集電体は除く)に1〜15wt%であるのが好ましく、中でも10wt%以下であることがさらに好ましい。   The conductive material in the negative electrode is preferably 1 to 15 wt% in the negative electrode (excluding the current collector), more preferably 10 wt% or less.

<固体電解質>
上述したように、本負極においては、前記Liイオン伝導性樹脂の他にさらに固体電解質が存在するものであってもよい。
Liイオン伝導性樹脂の他にさらに固体電解質が存在することによって、電極のLiイオン伝導性を高めることができる。
<Solid electrolyte>
As described above, in the present negative electrode, a solid electrolyte may be present in addition to the Li ion conductive resin.
The presence of a solid electrolyte in addition to the Li ion conductive resin can increase the Li ion conductivity of the electrode.

なお、本明細書で記載する「固体電解質」とは、電池製造後の初回充放電反応等で電極材界面に生じる膜(所謂SEI(Solid Electrolyte Interphase))ではなく、電池設計に際し、電解液及びセパレーターの代替として用いることが可能なLiイオン伝導性を有する固体のことを指す。   The “solid electrolyte” described in the present specification is not a film (so-called SEI (Solid Electrolyte Interface)) generated at the electrode material interface in the first charge / discharge reaction after the battery is manufactured, but in the battery design, the electrolyte solution and It refers to a solid having Li ion conductivity that can be used as an alternative to a separator.

前記固体電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質、高分子系固体電解質、その他の固体電解質であってもよい。例えばハロゲン化リチウム、窒化リチウム、リン酸リチウム、リチウム酸素酸塩又はこれらの誘導体などを挙げることができる。
中でも、硫化物系固体電解質、その中でも、Argyrodite型結晶構造からなる硫化物系化合物を含むものが好ましく、中でも主相として含むものであるのが好ましい。ここで「主相」とはmol比率で化合物中に最も多く含まれている組成の意味である。
The solid electrolyte may be an oxide solid electrolyte, a sulfide solid electrolyte, a polymer solid electrolyte, or other solid electrolyte. For example, lithium halide, lithium nitride, lithium phosphate, lithium oxyacid salt, or derivatives thereof can be given.
Among them, a sulfide-based solid electrolyte, and among them, those containing a sulfide-based compound having an Argyrodite type crystal structure are preferable, and among them, those containing as a main phase are preferable. Here, the “main phase” means a composition that is contained most in the compound by a molar ratio.

硫化物系固体電解質は、結晶性材料、ガラスセラミックス、ガラスのいずれであってもよい。例えばLiPS、Li10GeP12、Li3.25Ge0.250.75、30LiS・26B・44LiI、63LiS・36SiS・LiPO、57LiS・38SiS・5LiSi、70LiS・30P、50LiS・50GeS、Li11、Li3.250.95などで表される化合物を挙げることができる。 The sulfide solid electrolyte may be any of a crystalline material, glass ceramics, and glass. For example, Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , 30Li 2 S · 26B 2 S 3 · 44LiI, 63Li 2 S · 36SiS 2 · Li 3 PO 4 57Li 2 S · 38SiS 2 · 5Li 4 Si 4 , 70Li 2 S · 30P 2 S 5 , 50Li 2 S · 50GeS 2 , Li 7 P 3 S 11 , Li 3.25 P 0.95 S 4 and the like. Can be mentioned.

Argyrodite型結晶構造からなる硫化物系化合物を主相として含むものとしては、立方晶系Argyrodite型結晶構造を有し、中でもLi7−xPS6−xHa(Ha:ハロゲン、x:0.2〜1.8)で表される化合物であるのが好ましい。前記化合物を用いると、Liイオンがより速やかに移動できるため、レート特性を高めつつ、サイクル特性を高めることができ、本発明の効果をより一層享受することができる。 The main phase containing a sulfide compound having an Argyrodite type crystal structure has a cubic Argyrodite type crystal structure, among which Li 7-x PS 6-x Ha x (Ha: halogen, x: 0. 2-1.8) are preferred. When the above compound is used, Li ions can move more quickly, so that the cycle characteristics can be improved while improving the rate characteristics, and the effects of the present invention can be further enjoyed.

本負極中に固体電解質が存在する場合、Si系負極活物質と固体電解質が接点を持つように存在するのが好ましい。   When a solid electrolyte is present in the negative electrode, it is preferable that the Si-based negative electrode active material and the solid electrolyte exist so as to have a contact.

本負極中に固体電解質が存在する場合、本負極中(但し、集電体は除く)における固体電解質の含有割合は1〜15wt%であるのが好ましく、中でも10wt%以下、さらにその中でも5wt%以下であることが好ましい。
固体電解質の量は、Liイオン伝導性樹脂の量よりも少ないことが好ましい。
When a solid electrolyte is present in the negative electrode, the content of the solid electrolyte in the negative electrode (excluding the current collector) is preferably 1 to 15 wt%, more preferably 10 wt% or less, and more preferably 5 wt%. The following is preferable.
The amount of the solid electrolyte is preferably smaller than the amount of the Li ion conductive resin.

<本負極の製造方法>
本負極は、本Si系負極活物質(粒子状)と、Liイオン伝導性樹脂と、導電材と、溶媒と、必要に応じてグラファイトなどの他の材料とを混合し、混錬機により混錬して負極合剤を調製し、この負極合剤をCu等からなる集電体の表面に塗布して乾燥させることで負極活物質層を形成し、その後、必要に応じて活物質層をプレスして形成することができる。
<Method for producing the present negative electrode>
This negative electrode is prepared by mixing the present Si-based negative electrode active material (particulate), Li ion conductive resin, conductive material, solvent, and other materials such as graphite as necessary, and mixing them with a kneader. A negative electrode mixture is prepared by smelting, and this negative electrode mixture is applied to the surface of a current collector made of Cu or the like and dried to form a negative electrode active material layer, and then the active material layer is formed as necessary. It can be formed by pressing.

上記製造方法において、Si系負極活物質を電極内に均一に分散させてLiイオン伝導性樹脂と密着させることにより、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとしてSi系負極活物質と導電材とを結合させることができ、Liイオンの伝導性パスを確保することができる。   In the above manufacturing method, the Si-based negative electrode active material is uniformly dispersed in the electrode and is closely adhered to the Li-ion conductive resin, thereby bonding the Si-based negative electrode active material and the conductive material using the Li-ion conductive resin as a binder. And a conductive path of Li ions can be secured.

負極合剤を集電体の表面に塗布した後の乾燥は、大気雰囲気、非酸素雰囲気、例えば窒素雰囲気下やアルゴン雰囲気下において、1時間〜10時間、特に1時間〜7時間乾燥を行うことができる。このうち、非酸素雰囲気、例えば窒素雰囲気下やアルゴン雰囲気下で乾燥を行うのが好ましい。   Drying after applying the negative electrode mixture to the surface of the current collector is performed for 1 hour to 10 hours, particularly 1 hour to 7 hours in an air atmosphere or a non-oxygen atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. Can do. Among these, it is preferable to perform drying in a non-oxygen atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere.

なお、Liイオン伝導性樹脂としてポリイミドを用いる場合は、上記負極合剤を調製する際に用いるLiイオン伝導性樹脂としては、ポリイミドの前駆体化合物を用いるのが好ましい。
そして、ポリイミドの前駆体化合物としては、ポリアミック酸(ポリアミド酸)を用いることができる。
In addition, when using a polyimide as Li ion conductive resin, it is preferable to use the precursor compound of a polyimide as Li ion conductive resin used when preparing the said negative mix.
A polyamic acid (polyamide acid) can be used as the polyimide precursor compound.

負極合剤を集電体の表面に塗布したら、塗膜を加熱して溶媒を揮発させるとともに、ポリイミドの前駆体化合物を重合させてポリイミドとすることができる。
前駆体化合物の重合条件として、多段階の加熱を行うことが有利であることが、本発明者らの検討の結果判明した。特に、少なくとも2段階、好適には少なくとも3段階、さらに好ましくは4段階の加熱を行うことが有利である。例えば、2段階の加熱を行う場合には、1段階目の加熱を100〜150℃で行うことが好ましく、2段階目の加熱を200〜400℃で行うことが好ましい。
If a negative electrode mixture is apply | coated to the surface of an electrical power collector, while heating a coating film and volatilizing a solvent, the precursor compound of a polyimide can be polymerized and it can be set as a polyimide.
As a result of the study by the present inventors, it has been found that it is advantageous to perform multi-stage heating as the polymerization condition of the precursor compound. In particular, it is advantageous to carry out heating in at least 2 stages, preferably at least 3 stages, more preferably 4 stages. For example, when two-stage heating is performed, the first-stage heating is preferably performed at 100 to 150 ° C., and the second-stage heating is preferably performed at 200 to 400 ° C.

加熱時間に関しては、1段階目の加熱時間を2段階目の加熱時間と同じか又はそれよりも長くすることが好ましい。例えば、1段階目の加熱時間を120〜300分、特に180分以上或いは240分以下に設定し、2段階目の加熱時間を30〜120分、特に30〜60分に設定することが好ましい。
3段階の加熱を行う場合、3段階目は1段階目と2段階目の中間の加熱温度を採用することが好ましい。
3段階目の加熱温度は、150〜190℃で行うことが好ましい。加熱時間は、1段階目及び2段階目の時間と同じか又は1段階目と2段階目の中間の時間とすることが好ましい。つまり、3段階の加熱を行う場合には、各段階で加熱時間を同じにするか、又は段階が進むにつれて加熱時間を短くすることが好ましい。
さらに4段階の加熱を行う場合には、4段階目は3段階目よりも高い加熱温度を採用することが好ましい。
以上の多段階加熱を行うことで、負極合剤に含まれている有機溶媒を徐々に揮発させることができ、それによってポリイミド等の前駆体化合物を十分に高分子量化させることができ、負極全体の強度を上げることができる。
Regarding the heating time, it is preferable that the heating time of the first stage is equal to or longer than the heating time of the second stage. For example, the first stage heating time is preferably set to 120 to 300 minutes, particularly 180 minutes or more and 240 minutes or less, and the second stage heating time is set to 30 to 120 minutes, particularly 30 to 60 minutes.
When three-stage heating is performed, the third stage preferably employs a heating temperature intermediate between the first and second stages.
The third stage heating temperature is preferably 150 to 190 ° C. The heating time is preferably the same as the time of the first stage and the second stage or a time intermediate between the first stage and the second stage. That is, when performing heating in three stages, it is preferable that the heating time be the same in each stage, or that the heating time be shortened as the stages progress.
Furthermore, when performing four steps of heating, it is preferable to employ a higher heating temperature for the fourth step than for the third step.
By performing the above multi-stage heating, the organic solvent contained in the negative electrode mixture can be gradually volatilized, thereby making it possible to sufficiently increase the molecular weight of the precursor compound such as polyimide, and the entire negative electrode The strength of can be increased.

加熱を何段階で行うかにかかわらず、加熱は、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
また、加熱処理のときには、活物質層をガラス板等の押さえ部材で押さえることも好ましい。こうすることで、有機溶媒が潤沢な状態で、つまりポリアミック酸が有機溶媒中にあたかも飽和したような状態で、該ポリアミック酸を重合させることができるので、生成するポリイミドの分子鎖同士が絡まりやすくなるからである。
Regardless of the number of stages of heating, the heating is preferably performed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon.
In the heat treatment, it is also preferable to hold the active material layer with a pressing member such as a glass plate. By doing so, the polyamic acid can be polymerized in a state in which the organic solvent is abundant, that is, in a state where the polyamic acid is saturated in the organic solvent. Because it becomes.

<本固体電池>
本実施形態に係る全固体型リチウム二次電池(「本固体電池」と称する)として、上述した本負極と、固体電解質を含む固体電解質層と、正極活物質を含む正極層と、を備えた全固体型リチウム二次電池を挙げることができる。
<This solid battery>
As the all-solid-state lithium secondary battery (referred to as “present solid battery”) according to the present embodiment, the negative electrode described above, a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte, and a positive electrode layer containing a positive electrode active material were provided. An all solid-state lithium secondary battery can be mentioned.

本固体電池においては、前記負極層と固体電解質層とが面で接触してなる構成を備えたものが好ましい。
接触の状態は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)によって確認することができる。
前記負極層と固体電解質層とが面で接触することにより、Liイオン伝導パスを良好に確保することができる。
The present solid battery preferably has a structure in which the negative electrode layer and the solid electrolyte layer are in contact with each other.
The state of contact can be confirmed by, for example, a scanning electron microscope (SEM).
When the negative electrode layer and the solid electrolyte layer are in contact with each other, a Li ion conduction path can be secured satisfactorily.

前記負極層と固体電解質層とが面で接触するように構成するには、例えば平行平板を用いて圧着プレスをすればよい。但し、かかる方法に限定するものではない。   In order to configure the negative electrode layer and the solid electrolyte layer to be in contact with each other on the surface, for example, a crimping press may be performed using a parallel plate. However, it is not limited to this method.

(負極層)
上記負極層は、上述した本負極からなるものであればよい。
(Negative electrode layer)
The said negative electrode layer should just consist of this main negative electrode mentioned above.

(正極層)
正極層は、正極活物質及び導電材を含んでいればよく、その形態は任意である。例えば、その形態として、ペレット状、シート状を呈することができる。中でも、低抵抗化の観点から、シート状を呈するのが好ましい。
(Positive electrode layer)
The positive electrode layer should just contain the positive electrode active material and the electrically conductive material, and the form is arbitrary. For example, the form can present a pellet form and a sheet form. Especially, it is preferable to exhibit a sheet form from a viewpoint of resistance reduction.

正極層は、例えば正極活物質、固体電解質、必要に応じて導電材及びバインダーを含む正極合剤を調製し、この正極合剤を集電体に塗工または載置することで作製することができる。必要に応じて乾燥、プレス、加熱を行ってもよい。   The positive electrode layer can be prepared, for example, by preparing a positive electrode mixture containing a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive material and a binder as necessary, and coating or placing this positive electrode mixture on a current collector. it can. You may dry, press, and heat as needed.

ここで、上記正極活物質としては、当該技術分野において従来知られているものを特に制限なく用いることができる。例えば各種のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。そのような物質としては、例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn24、LiMn1.5Ni0.54、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12、Li(LixMn2xCo1-3x)O2(式中、0<x<1/3である)、LiFePO4、LiMn1-zzPO4 (式中、0<z≦0.1であり、MはCo、Ni、Fe、Mg、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素である。)などを挙げることができる。また、固体電解質との反応による抵抗層の生成を抑制する観点から、Ti、Zr、Ta、Nb、Zn、W及びAlからなる群から選ばれた1種又は2種以上の元素及びOを含む化合物で被覆されていることが好ましい。 Here, as the positive electrode active material, those conventionally known in the technical field can be used without particular limitation. For example, various lithium transition metal composite oxides can be used. Examples of such materials include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2. , LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 , Li (Li x Mn 2x Co 1-3x ) O 2 (where 0 <x <1/3), LiFePO 4 , LiMn 1-z M z PO 4 ( In the formula, 0 <z ≦ 0.1, and M is at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Mg, Zn, and Cu. In addition, from the viewpoint of suppressing the formation of the resistance layer due to the reaction with the solid electrolyte, one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Ta, Nb, Zn, W, and Al and O are included. It is preferably coated with a compound.

(固体電解質層)
上記固体電解質層は、上記固体電解質からなる層であればよい。その形態は、例えば、シート状の形状を挙げることができる。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer may be a layer made of the solid electrolyte. The form can mention a sheet-like shape, for example.

固体電解質層をシート化する場合、例えば固体電解質粉末をスラリー化した後、溶媒を除去することにより固体電解質シートを得ることができる。固体電解質粉末をスラリー化して正極乃至負極層に直接塗布してもよい。必要に応じて、例えば等方圧プレスなどによりプレスし、焼成してもよい。   When forming the solid electrolyte layer into a sheet, for example, after the solid electrolyte powder is made into a slurry, the solid electrolyte sheet can be obtained by removing the solvent. The solid electrolyte powder may be slurried and applied directly to the positive or negative electrode layer. If necessary, it may be pressed and fired by, for example, an isotropic pressure press.

固体電解質層の厚さは、低抵抗化の観点から、500μm以下であるのが好ましく、中でも100μm以下、その中でも50μm以下、さらにその中でも20μm以下、であるのがさらに好ましい。   The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 500 μm or less, more preferably 100 μm or less, of which 50 μm or less, and even more preferably 20 μm or less.

<語句の説明>
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。
<Explanation of words>
In the present specification, when expressed as “X to Y” (X and Y are arbitrary numbers), unless otherwise specified, “X is preferably greater than X” or “preferably Y”. It also includes the meaning of “smaller”.
In addition, when expressed as “X or more” (X is an arbitrary number) or “Y or less” (Y is an arbitrary number), it is “preferably greater than X” or “preferably less than Y”. Includes intentions.

以下、本発明を下記実施例及び比較例に基づいてさらに詳述する。但し、本発明が以下に示す実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
負極活物質として、ロール鋳造によって製造したSi粉(D50:2.7μm、比表面積(SSA):2.6m/g)と、アセチレンブラックと、Liイオン伝導性樹脂として、ピロメリット酸系であり、且つジフェニルエーテルを含むポリイミドとを、負極活物質:アセチレンブラック:ポリイミド=85:5:10(wt%)の混合比となるようにこれらを混合し、これらにN−メチルピロリドンを入れて、撹拌することによりペーストを調製した。このペーストをCu箔上に塗布し、ホットプレートを用いて80℃に加熱して乾燥させ、ロールプレス機を用いて線圧500kgでプレスし、さらに、減圧Ar雰囲気下において、1.5時間かけて350℃まで昇温した後、350℃を1時間保持して負極(サンプル)を作製した。
負極及び負極活物質の各種粉体物性、元素添加の量を表1、2に示す。
<Example 1>
As a negative electrode active material, Si powder (D50: 2.7 μm, specific surface area (SSA): 2.6 m 2 / g) manufactured by roll casting, acetylene black, and Li ion conductive resin as pyromellitic acid type And a polyimide containing diphenyl ether, these are mixed so as to have a mixing ratio of negative electrode active material: acetylene black: polyimide = 85: 5: 10 (wt%), and N-methylpyrrolidone is put into them, A paste was prepared by stirring. This paste was applied onto Cu foil, dried by heating to 80 ° C. using a hot plate, pressed at a linear pressure of 500 kg using a roll press, and further 1.5 hours under a reduced pressure Ar atmosphere. The temperature was raised to 350 ° C., and the temperature was maintained at 350 ° C. for 1 hour to prepare a negative electrode (sample).
Tables 1 and 2 show various powder properties and element addition amounts of the negative electrode and the negative electrode active material.

<実施例2〜3>
負極活物質の各種粉体物性を変更した以外、実施例1と同様にして負極(サンプル)を作製した。負極活物質の各種粉体物性を表1、2に示す。
<Examples 2-3>
A negative electrode (sample) was produced in the same manner as in Example 1 except that various powder physical properties of the negative electrode active material were changed. Tables 1 and 2 show various powder properties of the negative electrode active material.

<実施例4>
負極活物質とアセチレンブラックとポリイミドとを、負極活物質:アセチレンブラック:ポリイミド=77.5:15:7.5に混合比を変更した以外は、実施例3と同様にして負極(サンプル)を作製した。
負極及び負極活物質の各種粉体物性、元素添加の量を表1、2に示す。
<Example 4>
A negative electrode (sample) was prepared in the same manner as in Example 3, except that the mixing ratio of the negative electrode active material, acetylene black, and polyimide was changed to negative electrode active material: acetylene black: polyimide = 77.5: 15: 7.5. Produced.
Tables 1 and 2 show various powder properties and element addition amounts of the negative electrode and the negative electrode active material.

<実施例5>
負極活物質をカーボンで粒子表面を被覆した以外、実施例1と同様にして負極(サンプル)を作製した。
負極及び負極活物質の各種粉体物性、元素添加の量を表1、2に示す。
<Example 5>
A negative electrode (sample) was produced in the same manner as in Example 1 except that the particle surface was coated with carbon as the negative electrode active material.
Tables 1 and 2 show various powder properties and element addition amounts of the negative electrode and the negative electrode active material.

<実施例6〜8>
実施例6では負極活物質にTiを添加した以外、実施例7ではBとAlを添加してアトマイズ法による微粒化を行った以外、実施例8ではPとNiを添加してアトマイズ法による微粒化を行った以外、実施例1と同様にして負極(サンプル)を作製した。
負極及び負極活物質の各種粉体物性、元素添加の量を表1、2に示す。
<Examples 6 to 8>
In Example 6, except that Ti was added to the negative electrode active material, in Example 7, B and Al were added and atomization was performed, and in Example 8, P and Ni were added and atomization was performed. A negative electrode (sample) was produced in the same manner as in Example 1 except that the preparation was performed.
Tables 1 and 2 show various powder properties and element addition amounts of the negative electrode and the negative electrode active material.

<比較例1>
負極活物質として、ケイ素(Si)のインゴットにホウ素(B)を添加して、ロール鋳造した後、DCプラズマ通過させて得たSi球状粒子粉(D50:0.7μm、比表面積(SSA):20.0m/g)を用意した。
この負極活物質と、固体電解質としてArgyrodite型結晶構造からなる硫化物系化合物であるLi5.8PS4.8Cl1.2と、アセチレンブラックとを、負極活物質:固体電解質:アセチレンブラック=45.7:45.7:5(wt%)の混合比となるようにこれらを混合し、乳鉢で乾式混合して混合粉体を得た。この混合粉体と正極混合粉、前記固体電解質粉を密閉型セルの絶縁筒内(φ10.5mm)に全固体リチウム二次電池構成となるように充填し、550MPaで一軸成型することによりペレット状の負極(サンプル)を作製した。
負極及び負極活物質の各種粉体物性、元素添加の量を表1、2に示す。
<Comparative Example 1>
As a negative electrode active material, boron (B) is added to a silicon (Si) ingot, roll cast, and then passed through DC plasma. Si spherical particle powder (D50: 0.7 μm, specific surface area (SSA): 20.0 m 2 / g) was prepared.
This negative electrode active material, Li 5.8 PS 4.8 Cl 1.2 , which is a sulfide compound having an Argyrodite-type crystal structure as a solid electrolyte, and acetylene black, negative electrode active material: solid electrolyte: acetylene black = These were mixed so as to have a mixing ratio of 45.7: 45.7: 5 (wt%), and dry-mixed in a mortar to obtain a mixed powder. The mixed powder, the positive electrode mixed powder, and the solid electrolyte powder are filled in an insulating cylinder (φ10.5 mm) of a sealed cell so as to form an all-solid lithium secondary battery, and uniaxially molded at 550 MPa to form a pellet. A negative electrode (sample) was prepared.
Tables 1 and 2 show various powder properties and element addition amounts of the negative electrode and the negative electrode active material.

<各種物性値の測定方法>
実施例及び比較例で得られた負極(サンプル)の各種物性値を次のように測定した。
<Measuring method of various physical properties>
Various physical property values of the negative electrodes (samples) obtained in Examples and Comparative Examples were measured as follows.

(D50)
レーザー回折粒子径分布測定装置用自動試料供給機(マイクロトラック・ベル株式会社製、装置名「microtorac SDC」)を用いて、実施例及び比較例で得られた負極活物質を、超音波ホモジナイザーを用いて水中に分散させた分散液の状態とし、当該分散液を水溶性溶媒に投入した。40mL/secの流速中、マイクロトラック・ベル株式会社製レーザー回折粒度分布測定器「MT3300II」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートからD50を求めた。
(D50)
Using an automatic sample feeder for a laser diffraction particle size distribution measuring device (Microtrac Bell Co., Ltd., device name “microtorac SDC”), the negative electrode active materials obtained in Examples and Comparative Examples were converted into ultrasonic homogenizers. The dispersion was dispersed in water and used, and the dispersion was put into a water-soluble solvent. The particle size distribution was measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer “MT3300II” manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd. at a flow rate of 40 mL / sec, and D50 was determined from the obtained volume reference particle size distribution chart.

(SSA)
実施例及び比較例で得られた負極活物質の比表面積(SSA)を次のようにして測定した。まず、1.0gを全自動比表面積測定装置(マウンテック社製、装置名「Macsorb」)用のガラスセル(標準セル)に秤量し、オートサンプラーにセットした。次に、窒素ガスでガラス内を置換した後、前記窒素ガス中で250℃、15分間熱処理した。その後、窒素・ヘリウム混合ガスを流しながら4分間冷却を行った。冷却後、サンプルをBET一点法にて測定した。なお、冷却時及び測定時の吸着ガスは、窒素30体積%:ヘリウム:70体積%の混合ガスを用いた。
(SSA)
The specific surface area (SSA) of the negative electrode active materials obtained in Examples and Comparative Examples was measured as follows. First, 1.0 g was weighed into a glass cell (standard cell) for a fully automatic specific surface area measuring apparatus (manufactured by Mountec, apparatus name “Macsorb”), and set in an autosampler. Next, after replacing the inside of the glass with nitrogen gas, heat treatment was performed in the nitrogen gas at 250 ° C. for 15 minutes. Thereafter, cooling was performed for 4 minutes while flowing a mixed gas of nitrogen and helium. After cooling, the sample was measured by the BET single point method. The adsorbed gas at the time of cooling and measurement was a mixed gas of nitrogen 30 volume%: helium: 70 volume%.

(添加元素の分析)
元素の添加を行った、実施例及び比較例で得られた負極活物質について、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析により、添加元素の含有量を測定した。表2に結果(at%)を示す。
(Analysis of additive elements)
About the negative electrode active material obtained by the Example and comparative example which added the element, content of the additional element was measured by the inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopic analysis. Table 2 shows the results (at%).

(カーボン被覆の確認)
カーボン被覆を行った、実施例1〜8で得られた負極活物質それぞれについて、TEMにより、被覆状態を観察した結果、位置によるばらつきがあるものの、全て被覆率は40〜60%であった。
(Confirmation of carbon coating)
As a result of observing the coating state by TEM for each of the negative electrode active materials obtained in Examples 1 to 8 with carbon coating, the coverage was 40 to 60%, although there was variation depending on the position.

(負極活物質の存在状態の確認)
実施例1〜8で得られた負極(サンプル)それぞれの断面を、倍率10000倍で電子顕微鏡で観察した結果、実施例1〜8で得られた負極(サンプル)のいずれも、負極活物質と前記導電材とが、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして結合された状態であることを確認できた。
(Confirmation of presence of negative electrode active material)
As a result of observing the cross-section of each of the negative electrodes (samples) obtained in Examples 1 to 8 with an electron microscope at a magnification of 10,000 times, all of the negative electrodes (samples) obtained in Examples 1 to 8 were a negative electrode active material and It was confirmed that the conductive material was in a state of being bound using Li ion conductive resin as a binder.

<電池の作製>
負極活物質として実施例及び比較例で作製したサンプルを用い、正極活物質としてNb被覆したLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]Oを用い、固体電解質粉末としてArgyrodite型結晶構造からなる硫化物系化合物であるLi5.8PS4.8Cl1.2で示される粉末を用いた。
正極合材粉末は、Nb被覆したLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]Oと固体電解質粉末(組成式:Li5.8PS4.8Cl1.2)及び昭和電工株式会社製の導電材である、VGCF(登録商標)粉末を60:37:3の割合で乳鉢混合することで調製した。
密閉型セルの絶縁筒内(φ10.5mm)に固体電解質50mgを充填して層とし、固体電解質層を挟んだ両側に負極塗膜電極と正極合材粉末を載置して、平行平板を用いて550MPaで一軸成型することで、各層を面で接触させた。その後、加圧ネジで締め込み、全固体型リチウム二次電池を作製した。なお、充填量については、正極活物質の容量に対する負極活物質の容量(N/P比)で、実施例は1.0〜1.5となるように、比較例は2.0〜2.5となるように正極活物質の量を調整した。
<Production of battery>
Samples prepared in Examples and Comparative Examples were used as the negative electrode active material, Nb-coated Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 was used as the positive electrode active material, and Argyrodite-type crystals as the solid electrolyte powder A powder represented by Li 5.8 PS 4.8 Cl 1.2 , which is a sulfide-based compound having a structure, was used.
The positive electrode mixture powder was Nb-coated Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 and a solid electrolyte powder (composition formula: Li 5.8 PS 4.8 Cl 1.2 ) and Showa Denko VGCF (registered trademark) powder, which is a conductive material manufactured by Co., Ltd., was prepared by mixing in a mortar at a ratio of 60: 37: 3.
A solid cell is filled with 50 mg of a solid electrolyte in an insulating cylinder (φ10.5 mm) of a sealed cell, and a negative electrode coating electrode and a positive electrode mixture powder are placed on both sides of the solid electrolyte layer, and parallel plates are used. Each layer was brought into contact with the surface by uniaxial molding at 550 MPa. Then, it tightened with the pressurization screw and produced the all-solid-type lithium secondary battery. In addition, about a filling amount, it is a capacity | capacitance (N / P ratio) of the negative electrode active material with respect to the capacity | capacitance of a positive electrode active material, and a comparative example is 2.0-2. The amount of the positive electrode active material was adjusted to be 5.

<電池特性の評価>
(電池性能評価試験)
上記のようにして準備した全固体リチウム二次電池セルを用いて次に記述する方法で初期活性を行った。作製した全固体リチウム二次電池セルは初回サイクルのみ上限電圧を4.5VとしたCC−CV方式で充電し、放電は下限電圧を2.5VとしたCC方式で行った。充電と放電は0.1Cで行った。1サイクル目の充放電効率(%)を、比較例1を100とした指数として、表3に示した。
2サイクル目は上限電圧を4.3VとしたCC−CV方式で充電し、放電は下限電圧を2.5VとしたCC方式で行った。充電と放電は0.1Cの電流値で行った。
3サイクル目以降は上限電圧を4.3VとしたCC−CV方式で充電し、放電は下限電圧を2.5VとしたCC方式で繰り返し充電と放電を行った。充電と放電は0.2Cの電流値で行った。
サイクル特性(放電容量維持率(%))は51サイクル目の放電容量を3サイクル目の放電容量で除した商で示した。なお、実際に設定した電流値は正極中の正極活物質の含有量から算出した。サイクル特性を比較例1を100とした指数として、表3に示した。
<Evaluation of battery characteristics>
(Battery performance evaluation test)
Using the all solid lithium secondary battery cell prepared as described above, initial activity was performed by the method described below. The produced all solid lithium secondary battery cell was charged by the CC-CV method with an upper limit voltage of 4.5V only during the first cycle, and discharged by the CC method with a lower limit voltage of 2.5V. Charging and discharging were performed at 0.1C. The charge / discharge efficiency (%) at the first cycle is shown in Table 3 as an index with Comparative Example 1 taken as 100.
The second cycle was charged by the CC-CV method with an upper limit voltage of 4.3V, and the discharge was performed by the CC method with a lower limit voltage of 2.5V. Charging and discharging were performed at a current value of 0.1C.
From the third cycle onward, the battery was charged by the CC-CV method with an upper limit voltage of 4.3V, and the discharge was repeatedly charged and discharged by the CC method with a lower limit voltage of 2.5V. Charging and discharging were performed at a current value of 0.2C.
The cycle characteristics (discharge capacity retention rate (%)) are shown as a quotient obtained by dividing the discharge capacity at the 51st cycle by the discharge capacity at the 3rd cycle. The actually set current value was calculated from the content of the positive electrode active material in the positive electrode. The cycle characteristics are shown in Table 3 as an index with Comparative Example 1 taken as 100.

Figure 2019179731
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上記実施例及びこれまで本発明者が行ってきた試験結果より、Liイオン伝導性樹脂と、Siを含む負極活物質と、導電材と、を備えた全固体電池負極であれば、負極活物質とLiイオン伝導性樹脂との界面接触を良好に形成し、負極活物質の利用率を高めることができ、その結果、充放電効率を高められることが分かった。この際、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして、Siを含む負極活物質と、導電材とを結合することにより、負極の体積変化を効果的に抑えることができるため、サイクル特性の向上も両立させることができる。
さらに、Liイオン伝導性樹脂の種類や量などを調整することで、Liイオンが不可逆的にトラップされることを低減することができ、充放電効率の改善をさらに良くすることができることも分かった。
From the above examples and the results of tests conducted by the present inventors, the negative electrode active material is an all solid state battery negative electrode including a Li ion conductive resin, a negative electrode active material containing Si, and a conductive material. It has been found that the interface contact between Li and the Li ion conductive resin can be satisfactorily formed, and the utilization factor of the negative electrode active material can be increased. At this time, by combining a negative electrode active material containing Si with a Li ion conductive resin as a binder and a conductive material, volume change of the negative electrode can be effectively suppressed. be able to.
Furthermore, it was found that by adjusting the type and amount of the Li ion conductive resin, it is possible to reduce the irreversible trapping of Li ions and to further improve the charge / discharge efficiency. .

Claims (16)

Liイオン伝導性樹脂と、Siを含む負極活物質と、導電材と、を備えた全固体電池負極。   An all-solid-state battery negative electrode comprising a Li ion conductive resin, a negative electrode active material containing Si, and a conductive material. 前記Siを含む負極活物質と前記導電材とが、Liイオン伝導性樹脂をバインダーとして結合された状態にある請求項1に記載の全固体電池負極。   2. The all-solid-state battery negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode active material containing Si and the conductive material are in a state of being bonded with a Li ion conductive resin as a binder. さらに固体電解質が存在する請求項1又は2に記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode according to claim 1, further comprising a solid electrolyte. 前記固体電解質は、硫化物系固体電解質を含むことを特徴とする請求項3に記載の全固体電池負極。   The all-solid battery negative electrode according to claim 3, wherein the solid electrolyte includes a sulfide-based solid electrolyte. 前記全固体電池負極に占める負極活物質の含有割合は70wt%以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の全固体電池負極。   5. The all-solid battery negative electrode according to claim 1, wherein a content ratio of the negative electrode active material in the all-solid battery negative electrode is 70 wt% or more. 前記全固体電池負極に占めるLiイオン伝導性樹脂の含有割合は2〜20wt%であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein a content ratio of the Li ion conductive resin in the all-solid-state battery negative electrode is 2 to 20 wt%. 前記固体電解質は、Argyrodite型結晶構造からなる硫化物系化合物を含むものであることを特徴とする請求項3〜6の何れかに記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode according to any one of claims 3 to 6, wherein the solid electrolyte includes a sulfide-based compound having an Argyrodite type crystal structure. 前記負極活物質の比表面積(SSA)が、2.0m/g以上であることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の全固体電池負極。 The all-solid-state battery negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode active material has a specific surface area (SSA) of 2.0 m 2 / g or more. 前記負極活物質の比表面積(SSA):M(m/g)に対する、前記Liイオン伝導性樹脂の含有割合:L(wt%)の比率:L/M(wt%/(m/g))が0.01〜10.0であることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の全固体電池負極。 The ratio of the Li ion conductive resin content: L (wt%) to the specific surface area (SSA): M (m 2 / g) of the negative electrode active material: L / M (wt% / (m 2 / g) )) Is 0.01-10.0, The all-solid-state battery negative electrode in any one of Claims 1-8 characterized by the above-mentioned. 前記負極活物質のD50が、4.0μm未満であることを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode according to claim 1, wherein D50 of the negative electrode active material is less than 4.0 μm. 前記負極活物質の粒度(D50):P(μm)に対する、前記Liイオン伝導性樹脂の含有割合:L(wt%)の比率:L/P(wt%/μm)が0.5より大きく、100以下であることを特徴とする請求項1〜10の何れかに記載の全固体電池負極。   The ratio of the content of the Li ion conductive resin: L (wt%) to the particle size (D50): P (μm) of the negative electrode active material: L / P (wt% / μm) is greater than 0.5, The all-solid-state battery negative electrode according to claim 1, which is 100 or less. 前記負極活物質が、Siのほかに元素A(AはLi、Al、P、B、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ta及びWからなる群から選ばれる1種又は2種以上の元素)を含有することを特徴とする請求項1〜11の何れかに記載の全固体電池負極。   The negative electrode active material is composed of element A (A is Li, Al, P, B, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ta, and W in addition to Si. The all-solid-state battery negative electrode in any one of Claims 1-11 containing 1 type, or 2 or more types of elements chosen from the group. 前記負極活物質が、粒子内部よりも電子伝導性の高い物質で表面被覆されていることを特徴とする請求項1〜12の何れかに記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode according to any one of claims 1 to 12, wherein the negative electrode active material is surface-coated with a substance having higher electron conductivity than the inside of the particles. 前記負極活物質が、カーボンで被覆されていることを特徴とする請求項1〜13の何れかに記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode active material is coated with carbon. シート状を呈する請求項1〜14の何れかに記載の全固体電池負極。   The all-solid-state battery negative electrode in any one of Claims 1-14 which exhibit a sheet form. 請求項1〜15の何れかの全固体電池負極と、固体電解質と、正極活物質を備えた全固体型リチウム二次電池であって、前記負極と固体電解質とが面で接触してなる構成を備えた全固体型リチウム二次電池。
An all solid state lithium secondary battery comprising the all solid state battery negative electrode according to any one of claims 1 to 15, a solid electrolyte, and a positive electrode active material, wherein the negative electrode and the solid electrolyte are in contact with each other on a surface. All-solid-state lithium secondary battery.
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