JP2020017513A - Active material and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、活物質および電池に関する。 The present disclosure relates to active materials and batteries.
近年、電池の開発が盛んに行われている。例えば、自動車産業界では、電気自動車またはハイブリッド自動車に用いられる電池の開発が進められている。また、電池に用いられる活物質として、Si粒子が知られている。 BACKGROUND ART In recent years, batteries have been actively developed. For example, in the automobile industry, the development of batteries used for electric vehicles or hybrid vehicles is underway. Further, Si particles are known as an active material used for a battery.
例えば、特許文献1には、正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層を有している全固体電池と、全固体電池の使用時における充放電電圧を制御する制御装置とを有する全固体電池システムが開示され、さらに、合金系負極活物質粒子としてケイ素粒子が開示されている。また、特許文献1には、セルに対して、拘束治具による拘束圧を付与することが開示されている。 For example, Patent Document 1 includes an all-solid-state battery including a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, and a negative-electrode active material layer, and a control device that controls a charge / discharge voltage when the all-solid-state battery is used. An all-solid-state battery system is disclosed, and further, silicon particles are disclosed as alloy-based negative electrode active material particles. Patent Literature 1 discloses that a constraint pressure is applied to a cell by a constraint jig.
特許文献2には、シリコンクラスレートを含有する電池用電極が開示されている。また、非特許文献1には、シリコンクラスレートII型の結晶相を有する化合物を、リチウムイオン電池の負極活物質として用いることが開示されている。 Patent Literature 2 discloses a battery electrode containing a silicon clathrate. Non-Patent Document 1 discloses that a compound having a silicon clathrate II type crystal phase is used as a negative electrode active material of a lithium ion battery.
Si粒子は理論容量が大きく、電池の高エネルギー密度化に有効である。その反面、Si粒子は、充放電時の体積変化が大きい。 Si particles have a large theoretical capacity and are effective in increasing the energy density of a battery. On the other hand, the volume change of the Si particles during charging and discharging is large.
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、充放電による体積変化が小さい新規の活物質を提供することを主目的とする。なお、本開示における活物質を、シリコンクラスレート化合物と称する場合がある。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and has as its main object to provide a novel active material having a small volume change due to charge and discharge. Note that the active material in the present disclosure may be referred to as a silicon clathrate compound.
上記課題を解決するために、本開示においては、NaxMySi46(Mは、Na以外の金属元素であり、xおよびyは、0<x、0≦y、y≦x、0<x+y<8を満たす)で表される組成を有し、シリコンクラスレートI型の結晶相を有する、活物質を提供する。 In order to solve the above problems, the present disclosure, the Na x M y Si 46 (M , a metal element other than Na, x and y, 0 <x, 0 ≦ y , y ≦ x, 0 < x + y <8), and an active material having a silicon clathrate type I crystal phase.
本開示によれば、特定の組成および結晶相を有するため、充放電による体積変化が小さい活物質とすることができる。 According to the present disclosure, since the active material has a specific composition and a crystalline phase, an active material that has a small volume change due to charge and discharge can be obtained.
上記開示において、上記活物質は、上記シリコンクラスレートI型の結晶相を主相として有していてもよい。 In the above disclosure, the active material may have the silicon clathrate I-type crystal phase as a main phase.
上記開示において、上記シリコンクラスレートI型の結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=30.33°±1.00°、31.60°±1.00°、32.82°±1.00°、52.39°±1.00°、55.49°±1.00°の位置にピークを有していてもよい。 In the above disclosure, the crystal phase of the silicon clathrate type I is 2θ = 30.33 ° ± 1.00 °, 31.60 ° ± 1.00 °, and 32.30 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα ray. It may have a peak at a position of 82 ° ± 1.00 °, 52.39 ° ± 1.00 °, 55.49 ° ± 1.00 °.
上記開示において、上記活物質は、ダイヤモンド型のSi結晶相を有しなくてもよい。 In the above disclosure, the active material may not have a diamond-type Si crystal phase.
上記開示において、上記活物質は、ダイヤモンド型のSi結晶相を有し、上記ダイヤモンド型のSi結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=28.44°±1.00°の位置にピークを有し、上記2θ=32.82°±1.00°のピークの回折強度をIAとし、上記2θ=28.44°±1.00°のピークの回折強度をIBとした場合に、IB/IAが、0より大きく、0.1以下であってもよい。 In the above disclosure, the active material has a diamond-type Si crystal phase, and the diamond-type Si crystal phase is 2θ = 28.44 ° ± 1.00 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation. has a peak at the position, the 2 [Theta] = 32.82 diffraction intensity of the peak of ° ± 1.00 ° and I a, the diffraction intensity of the peak of the 2θ = 28.44 ° ± 1.00 ° I B when a, I B / I a is larger than 0, it may be 0.1 or less.
上記開示において、上記xおよび上記yは、2.9≦x、2.9≦x+y≦7.1を満たしてもよい。 In the above disclosure, the x and the y may satisfy 2.9 ≦ x, 2.9 ≦ x + y ≦ 7.1.
また、本開示においては、正極層、電解質層および負極層をこの順に有する電池であって、上記負極層が、上述した活物質を含有する、電池を提供する。 Further, the present disclosure provides a battery having a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer in this order, wherein the negative electrode layer contains the above-described active material.
本開示によれば、負極層が上述した活物質(シリコンクラスレート化合物)を含有することから、充放電による体積変化が小さい電池とすることができる。そのため、容量等の電池特性が良好な電池が得られる。 According to the present disclosure, since the negative electrode layer contains the above-described active material (silicon clathrate compound), a battery with a small volume change due to charge and discharge can be provided. Therefore, a battery having good battery characteristics such as capacity can be obtained.
上記開示において、上記電解質層は、無機固体電解質を含有していてもよい。 In the above disclosure, the electrolyte layer may contain an inorganic solid electrolyte.
上記開示において、上記電解質層は、電解液を含有していてもよい。 In the above disclosure, the electrolyte layer may contain an electrolytic solution.
上記開示において、上記電池は、リチウムイオン電池であってもよい。 In the above disclosure, the battery may be a lithium ion battery.
上記開示において、上記電池は、ナトリウムイオン電池であってもよい。 In the above disclosure, the battery may be a sodium ion battery.
本開示における活物質は、充放電による体積変化が小さいという効果を奏する。 The active material according to the present disclosure has an effect that a volume change due to charge and discharge is small.
以下、本開示における活物質および電池について、詳細に説明する。 Hereinafter, the active material and the battery according to the present disclosure will be described in detail.
A.活物質
本開示における活物質は、NaxMySi46(Mは、Na以外の金属元素であり、xおよびyは、0<x、0≦y、y≦x、0<x+y<8を満たす)で表される組成を有し、シリコンクラスレートI型の結晶相を有する。
A. Active material in the active material present disclosure, the Na x M y Si 46 (M , a metal element other than Na, x and y, 0 <x, 0 ≦ y, the y ≦ x, 0 <x + y <8 And a silicon clathrate type I crystal phase.
本開示によれば、特定の組成および結晶相を有するため、充放電による体積変化が小さい活物質とすることができる。本開示における活物質は、充放電による体積変化が小さいため、例えば、容量、サイクル特性等の電池特性が良好な電池を得ることができる。特に全固体電池では、充放電による体積変化を抑制するために、一般的に、高い拘束圧を付与する必要があるが、本開示における活物質を用いることで、拘束圧の低減を図ることができ、結果として、拘束治具の大型化を抑制することができる。 According to the present disclosure, since the active material has a specific composition and a crystalline phase, an active material that has a small volume change due to charge and discharge can be obtained. Since the active material according to the present disclosure has a small volume change due to charge and discharge, a battery having good battery characteristics such as capacity and cycle characteristics can be obtained. In particular, in the case of an all-solid battery, it is generally necessary to apply a high confining pressure in order to suppress a change in volume due to charging and discharging. However, by using the active material in the present disclosure, it is possible to reduce the confining pressure. As a result, the size of the restraining jig can be suppressed.
また、本開示における活物質は、シリコンクラスレートI型の結晶相を有する。シリコンクラスレートI型の結晶相では、図1(a)に示すように、複数のSi元素により、五角形または六角形を含む多面体が形成されている。多面体は、Liイオン等の金属イオンを包摂できる空間を内部に有する。この空間に金属イオンが挿入されることで、充放電による体積変化を抑制できる。また、シリコンクラスレートI型の結晶相は、金属イオンを包摂できる空間を内部に有するため、充放電を繰り返しても、結晶構造が維持されやすいという利点がある。なお、通常のSi粒子は、ダイヤモンド型の結晶相を有する。ダイヤモンド型の結晶相では、図1(b)に示すように、複数のSi元素により、四面体が形成されている。四面体は、Liイオン等の金属イオンを包摂できる空間を内部に有しないため、充放電による体積変化が大きい。 Further, the active material in the present disclosure has a silicon clathrate I-type crystal phase. In the silicon clathrate type I crystal phase, as shown in FIG. 1A, a polyhedron including a pentagon or a hexagon is formed by a plurality of Si elements. The polyhedron has a space capable of containing metal ions such as Li ions inside. By inserting metal ions into this space, a volume change due to charging and discharging can be suppressed. In addition, since the silicon clathrate I-type crystal phase has a space in which metal ions can be contained, there is an advantage that the crystal structure is easily maintained even when charge and discharge are repeated. Note that ordinary Si particles have a diamond-type crystal phase. In the diamond type crystal phase, a tetrahedron is formed by a plurality of Si elements as shown in FIG. Since the tetrahedron does not have a space capable of containing metal ions such as Li ions inside, the volume change due to charge and discharge is large.
特許文献2には、シリコンクラスレートを含有する電池用電極が開示されている。一方、特許文献2では、実際にシリコンクラスレートを合成しておらず、シミュレーションにより、種々のLiSi化合物の応力ひずみ等を評価している。なお、特許文献2には、Na元素を含有するシリコンクラスレートについては、記載も示唆もされていない。 Patent Literature 2 discloses a battery electrode containing a silicon clathrate. On the other hand, in Patent Document 2, the silicon clathrate is not actually synthesized, but the stress strain and the like of various LiSi compounds are evaluated by simulation. Patent Document 2 does not describe or suggest a silicon clathrate containing an Na element.
また、非特許文献1には、シリコンクラスレートII型の結晶相を有する化合物を、リチウムイオン電池の負極活物質として用いることが開示されている。より具体的には、NaxSi136で表される組成を有し、シリコンクラスレートII型の結晶相を有する化合物を、負極活物質として用いたリチウムイオン電池が開示されている。一方、非特許文献1のA1318の左欄8行目〜12行目には、Na8Si46(シリコンクラスレートI型)からNaを脱離させると、NaxSi136(シリコンクラスレートII型)が得られることが記載されている。言い換えると、Naを脱離させつつ、シリコンクラスレートI型の結晶相を維持できることについては記載も示唆もされていない。 Non-Patent Document 1 discloses that a compound having a silicon clathrate II type crystal phase is used as a negative electrode active material of a lithium ion battery. More specifically, a lithium ion battery using a compound having a composition represented by Na x Si 136 and having a silicon clathrate II type crystal phase as a negative electrode active material is disclosed. On the other hand, in lines 8 to 12 of the left column of A1318 of Non-Patent Document 1, when Na is desorbed from Na 8 Si 46 (silicon clathrate I type), Na x Si 136 (silicon clathrate II type) ) Is obtained. In other words, there is no description or suggestion that a silicon clathrate type I crystal phase can be maintained while desorbing Na.
本開示における活物質は、Na8Si46よりもNaが少ない組成を有しつつ、シリコンクラスレートI型の結晶相を有する点において、新規の活物質であるといえる。このような活物質が得られた理由として、後述する条件で合成した点が挙げられる。特に、本開示における活物質は、Na8Si46よりもNaが少ない組成を有するため、Liイオン等の金属イオンを、より多く包摂でき、その点においても、充放電による体積変化を抑制できる。また、本開示における活物質は、シリコンクラスレートI型の結晶相を有する。シリコンクラスレートI型の結晶相は、シリコンクラスレートII型の結晶相に比べて、空間の大きなSi多面体が高い比率で含まれているため、金属イオン挿入時の体積膨張抑制および結晶構造維持の点において有利である。 The active material according to the present disclosure can be said to be a novel active material in that it has a composition in which Na is smaller than that of Na 8 Si 46 and has a silicon clathrate I-type crystal phase. The reason that such an active material was obtained is that it was synthesized under the conditions described below. In particular, since the active material in the present disclosure has a composition in which Na is smaller than that of Na 8 Si 46 , the active material can include more metal ions such as Li ions, and in that respect, a change in volume due to charge and discharge can be suppressed. Further, the active material in the present disclosure has a silicon clathrate I-type crystal phase. Since the silicon clathrate I-type crystal phase contains a large proportion of Si polyhedron with a large space compared to the silicon clathrate II-type crystal phase, it suppresses volume expansion and maintains the crystal structure when metal ions are inserted. This is advantageous in that respect.
本開示における活物質は、NaxMySi46(Mは、Na以外の金属元素であり、xおよびyは、0<x、0≦y、y≦x、0<x+y<8を満たす)で表される組成を有する。Mは、Na以外の金属元素であり、例えば、アルカリ金属元素が挙げられる。アルカリ金属元素としては、例えば、Li元素、K元素、Rb元素、Cs元素が挙げられる。また、Mの他の例としては、アルカリ土類金属元素が挙げられる。アルカリ土類金属元素としては、例えば、Mg元素、Ca元素、Sr元素、Ba元素が挙げられる。さらに、Mの他の例としては、Cu元素、Ag元素、Au元素等の第11族元素;Zn元素等の第12族元素;B元素、Al元素、Ga元素、In元素、Tl元素等の第13族元素;Ge元素等の第14族元素;Sb元素等の第15族元素;Te元素等の第16族元素;La元素、Eu元素等のランタノイドが挙げられる。また、Mとして、Ni元素等の遷移金属元素を用いてもよい。 Active material in this disclosure, Na x M y Si 46 (the M, a metal element other than Na, x and y, 0 <x, 0 ≦ y , satisfy y ≦ x, 0 <x + y <8) It has a composition represented by M is a metal element other than Na, for example, an alkali metal element. Examples of the alkali metal element include a Li element, a K element, an Rb element, and a Cs element. Another example of M is an alkaline earth metal element. Examples of the alkaline earth metal element include a Mg element, a Ca element, a Sr element, and a Ba element. Further, other examples of M include Group 11 elements such as Cu element, Ag element and Au element; Group 12 elements such as Zn element; B element, Al element, Ga element, In element and Tl element. Group 13 elements; Group 14 elements such as Ge elements; Group 15 elements such as Sb elements; Group 16 elements such as Te elements; and lanthanoids such as La elements and Eu elements. Further, as M, a transition metal element such as a Ni element may be used.
上記xは、通常、0<xを満たし、0.1≦xを満たしてもよく、0.5≦xを満たしてもよく、1.5≦xを満たしてもよく、2.5≦xを満たしてもよく、2.9≦xを満たしてもよい。一方、上記xは、例えば、x<8を満たし、x≦7.5を満たしてもよく、x≦7.1を満たしてもよく、x≦6を満たしてもよい。また、上記yは、0であってもよく、0<yを満たしてもよい。また、上記xおよび上記yは、y≦xを満たす。上記xおよび上記yの合計に対する上記xのモル割合((x/(x+y))は、通常、0.5以上であり、0.7以上であってもよく、0.9以上であってもよい。 The above x usually satisfies 0 <x, may satisfy 0.1 ≦ x, may satisfy 0.5 ≦ x, may satisfy 1.5 ≦ x, and may satisfy 2.5 ≦ x May be satisfied, or 2.9 ≦ x may be satisfied. On the other hand, x satisfies, for example, x <8, may satisfy x ≦ 7.5, may satisfy x ≦ 7.1, or may satisfy x ≦ 6. Further, the above y may be 0 or may satisfy 0 <y. Further, x and y satisfy y ≦ x. The molar ratio of the above x to the sum of the above x and y ((x / (x + y)) is usually 0.5 or more, 0.7 or more, or 0.9 or more. Good.
上記xおよび上記yの合計(x+y)は、通常、0<x+yを満たし、0.1≦x+yを満たしてもよく、0.5≦x+yを満たしてもよく、1.5≦x+yを満たしてもよく、2.5≦x+yを満たしてもよく、2.9≦x+yを満たしてもよい。一方、x+yは、通常、x+y<8を満たし、x+y≦7.5を満たしてもよく、x+y≦7.1を満たしてもよく、x+y≦6を満たしてもよい。 The sum of the above x and y (x + y) usually satisfies 0 <x + y, may satisfy 0.1 ≦ x + y, may satisfy 0.5 ≦ x + y, or satisfies 1.5 ≦ x + y And may satisfy 2.5 ≦ x + y or 2.9 ≦ x + y. On the other hand, x + y usually satisfies x + y <8, may satisfy x + y ≦ 7.5, may satisfy x + y ≦ 7.1, or may satisfy x + y ≦ 6.
本開示における活物質は、シリコンクラスレートI型の結晶相を有する。特に、本開示における活物質は、シリコンクラスレートI型の結晶相を主相として有することが好ましい。「シリコンクラスレートI型の結晶相を主相として有する」とは、シリコンクラスレートI型の結晶相に属するいずれかのピークが、X線回折測定で観察されるピークの中で、最も回折強度が大きいピークであることをいう。シリコンクラスレートI型の結晶相は、通常、空間群(Pm−3n)に属する。なお、シリコンクラスレートI型の結晶相は、Na元素およびSi元素を少なくとも含有し、M元素を含有してもよく、M元素を含有していなくてもよい。 The active material in the present disclosure has a silicon clathrate type I crystal phase. In particular, the active material in the present disclosure preferably has a silicon clathrate I-type crystal phase as a main phase. “Having a silicon clathrate I-type crystal phase as a main phase” means that any peak belonging to the silicon clathrate I-type crystal phase has the highest diffraction intensity among peaks observed by X-ray diffraction measurement. Is a large peak. The crystalline phase of silicon clathrate I type usually belongs to the space group (Pm-3n). The silicon clathrate I-type crystal phase contains at least Na element and Si element, may contain M element, and may not contain M element.
シリコンクラスレートI型の結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=19.44°、21.32°、30.33°、31.60°、32.82°、36.29°、52.39°、55.49°の位置に典型的なピークを有する。これらのピーク位置は、それぞれ、±1.00°の範囲で前後していてもよく、±0.50°の範囲で前後していてもよく、±0.30°の範囲で前後していてもよい。なお、シリコンクラスレートI型の結晶相に、例えばリチウムイオン等の金属イオンが挿入されると、ピークシフトが生じる場合がある。そのため、金属イオンが挿入されていない状態で、XRD測定を行うことが好ましい。 In the X-ray diffraction measurement using CuKα ray, 2θ = 19.44 °, 21.32 °, 30.33 °, 31.60 °, 32.82 °, 36. It has typical peaks at 29 °, 52.39 °, and 55.49 °. These peak positions may fluctuate in a range of ± 1.00 °, may fluctuate in a range of ± 0.50 °, or fluctuate in a range of ± 0.30 °. Is also good. Note that when metal ions such as lithium ions are inserted into the silicon clathrate I-type crystal phase, a peak shift may occur. Therefore, it is preferable to perform XRD measurement in a state where no metal ion is inserted.
また、本開示における活物質は、ダイヤモンド型のSi結晶相を有しないことが好ましいが、僅かであれば有していてもよい。ダイヤモンド型のSi結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=28.44°、47.31°、56.10°、69.17°、76.37°の位置に典型的なピークを有する。これらのピーク位置は、それぞれ、±1.00°の範囲で前後していてもよく、±0.50°の範囲で前後していてもよく、±0.30°の範囲で前後していてもよい。 Further, the active material in the present disclosure preferably does not have a diamond-type Si crystal phase, but may have a small amount. The diamond-type Si crystal phase is typically located at 2θ = 28.44 °, 47.31 °, 56.10 °, 69.17 °, 76.37 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation. Has a strong peak. These peak positions may fluctuate in a range of ± 1.00 °, may fluctuate in a range of ± 0.50 °, or fluctuate in a range of ± 0.30 °. Is also good.
ここで、シリコンクラスレートI型の結晶相における2θ=32.82°±1.00°のピークの回折強度をIAとし、ダイヤモンド型のSi結晶相における2θ=28.44°±1.00°のピークの回折強度をIBとする。IAに対するIBの割合(IB/IA)は、小さいことが好ましい。IB/IAの値は、例えば1.2以下であり、1.0以下であってもよく、0.5以下であってもよく、0.3以下であってもよく、0.2以下であってもよく、0.1以下であってもよく、0.08以下であってもよく、0.06以下であってもよい。一方、IB/IAの値は、0であってもよく、0より大きくてもよい。 Here, the diffraction intensity of the peak of 2θ = 32.82 ° ± 1.00 ° in the silicon clathrate I type crystal phase and I A, 2θ = 28.44 ° ± in diamond-type Si crystal phase 1.00 diffraction intensity of the peak of ° a and I B. Ratio of I B for I A (I B / I A ) is preferably smaller. The value of I B / I A is, for example, 1.2 or less, may be 1.0 or less, may be 0.5 or less, may be 0.3 or less, 0.2 Or less, may be 0.1 or less, may be 0.08 or less, and may be 0.06 or less. On the other hand, the value of I B / I A may be 0, may be greater than 0.
また、本開示における活物質は、シリコンクラスレートII型の結晶相を有しないことが好ましいが、僅かであれば有していてもよい。シリコンクラスレートII型の結晶相は、通常、空間群(Fd−3m)に属する。シリコンクラスレートII型の結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=20.09°、21.00°、26.51°、31.72°、36.26°、53.01°の位置に典型的なピークを有する。これらのピーク位置は、それぞれ、±1.00°の範囲で前後していてもよく、±0.50°の範囲で前後していてもよく、±0.30°の範囲で前後していてもよい。 Further, the active material in the present disclosure preferably does not have a silicon clathrate II type crystal phase, but may have a small amount. The silicon clathrate type II crystal phase usually belongs to the space group (Fd-3m). The crystal phase of the silicon clathrate type II crystal was found to be 2θ = 20.09 °, 21.00 °, 26.51 °, 31.72 °, 36.26 °, 53.X in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation. It has a typical peak at 01 °. These peak positions may fluctuate in a range of ± 1.00 °, may fluctuate in a range of ± 0.50 °, or fluctuate in a range of ± 0.30 °. Is also good.
ここで、シリコンクラスレートII型の結晶相における2θ=26.51°±1.00°のピークの回折強度をICとする。IAに対するICの割合(IC/IA)は、小さいことが好ましい。IC/IAの値は、例えば1以下であり、0.8以下であってもよく、0.6以下であってもよく、0.4以下であってもよく、0.2以下であってもよく、0.1以下であってもよい。一方、IC/IAの値は、0であってもよく、0より大きくてもよい。 Here, the diffraction intensity of the peak of 2θ = 26.51 ° ± 1.00 ° in the silicon clathrate II type crystal phase and I C. Ratio of I C for I A (I C / I A ) is preferably smaller. The value of I C / I A is, for example, 1 or less, may be 0.8 or less, may be 0.6 or less, may be 0.4 or less, and may be 0.2 or less. And may be 0.1 or less. On the other hand, the value of I C / I A may be 0 or may be larger than 0.
また、本開示における活物質は、ジントル(Zintl)相を有しないことが好ましいが、僅かであれば有していてもよい。ジントル相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=16.10°、16.56°、17.64°、20.16°、27.96°、33.60°、35.68°、40.22°、41.14°の位置に典型的なピークを有する。これらのピーク位置は、それぞれ、±1.00°の範囲で前後していてもよく、±0.50°の範囲で前後していてもよく、±0.30°の範囲で前後していてもよい。 Further, the active material in the present disclosure preferably does not have a Zintl phase, but may have a small amount. In the X-ray diffraction measurement using CuKα ray, 2θ = 16.10 °, 16.56 °, 17.64 °, 20.16 °, 27.96 °, 33.60 °, 35.68 for the gintle phase. °, 40.22 ° and 41.14 ° have typical peaks. These peak positions may fluctuate in a range of ± 1.00 °, may fluctuate in a range of ± 0.50 °, or fluctuate in a range of ± 0.30 °. Is also good.
ここで、ジントル相における2θ=33.60°±1.00°のピークの回折強度をIDとする。IAに対するIDの割合(ID/IA)は、小さいことが好ましい。ID/IAの値は、例えば0.5以下であり、0.25以下であってもよく、0.1以下であってもよく、0.05以下であってもよい。一方、ID/IAの値は、0であってもよく、0より大きくてもよい。 Here, the diffraction intensity of the peak of 2θ = 33.60 ° ± 1.00 ° in Jintoru phase and I D. Ratio of I D for I A (I D / I A ) is preferably smaller. The value of I D / I A is, for example, 0.5 or less, may be 0.25 or less, may be 0.1 or less, or may be 0.05 or less. On the other hand, the value of I D / I A may be 0 or may be larger than 0.
本開示における活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。活物質の平均一次粒子径は、例えば50nm以上であり、100nm以上であってもよく、150nm以上であってもよい。一方、活物質の平均一次粒子径は、例えば3000nm以下であり、1500nm以下であってもよく、1000nm以下であってもよい。また、活物質の平均二次粒子径は、例えば1μm以上であり、2μm以上であってもよく、5μm以上であってもよく、7μm以上であってもよい。一方、活物質の平均二次粒子径は、例えば60μm以下であり、40μm以下であってもよい。なお、平均一次粒子径および平均二次粒子径は、例えばSEM(走査型電子顕微鏡)による観察によって求めることができる。サンプル数は、多いことが好ましく、例えば20以上であり、50以上であってもよく、100以上であってもよい。平均一次粒子径および平均二次粒子径は、例えば、活物質の製造条件を適宜変更したり、分級処理を行ったりすることで、適宜調整可能である。 Examples of the shape of the active material in the present disclosure include a particle shape. The average primary particle diameter of the active material is, for example, 50 nm or more, may be 100 nm or more, or may be 150 nm or more. On the other hand, the average primary particle diameter of the active material is, for example, 3000 nm or less, may be 1500 nm or less, or may be 1000 nm or less. The average secondary particle diameter of the active material is, for example, 1 μm or more, 2 μm or more, 5 μm or more, or 7 μm or more. On the other hand, the average secondary particle diameter of the active material is, for example, 60 μm or less, and may be 40 μm or less. The average primary particle diameter and the average secondary particle diameter can be determined by, for example, observation with a scanning electron microscope (SEM). The number of samples is preferably large, for example, 20 or more, 50 or more, or 100 or more. The average primary particle diameter and the average secondary particle diameter can be appropriately adjusted, for example, by appropriately changing the production conditions of the active material or performing classification.
また、本開示における活物質は、通常、電池に用いられる。電池については、後述する「B.電池」において詳細に説明する。また、本開示における活物質は、負極活物質であってもよく、正極活物質であってもよいが、前者が好ましい。 Further, the active material in the present disclosure is generally used for a battery. The battery will be described in detail in “B. Battery” described later. Further, the active material in the present disclosure may be a negative electrode active material or a positive electrode active material, but the former is preferable.
本開示における活物質の製造方法は、特に限定されないが、例えば、Si粒子およびNa単体(金属Na)を含有する混合物に対して熱処理を行い、ジントル相を有するNaSi化合物を合成する第一熱処理工程と、上記NaSi化合物に対して減圧下で熱処理を行い、Naを脱離させる第二熱処理工程とを有する方法が挙げられる。 The method for producing an active material according to the present disclosure is not particularly limited. For example, a first heat treatment step of performing heat treatment on a mixture containing Si particles and Na alone (metallic Na) to synthesize a NaSi compound having a gintle phase. And a second heat treatment step of subjecting the NaSi compound to heat treatment under reduced pressure to desorb Na.
第一熱処理工程において、Si粒子およびNa単体の割合は、特に限定されないが、Si粒子が1モル部に対して、Na単体は、例えば0.8モル部以上であり、1モル部以上であってもよく、1.1モル部以上であってもよい。一方、Si粒子が1モル部に対して、Na単体は、例えば1.5モル部以下であり、1.3モル部以下であってもよく、1.2モル部以下であってもよい。 In the first heat treatment step, the ratio of the Si particles and the simple substance of Na is not particularly limited. And may be 1.1 mole parts or more. On the other hand, with respect to 1 mol part of the Si particles, the amount of Na alone is, for example, 1.5 mol parts or less, 1.3 mol parts or less, or 1.2 mol parts or less.
第一熱処理工程における熱処理温度は、例えば、500℃以上、1000℃以下である。また、第一熱処理工程における熱処理時間は、例えば、1時間以上、50時間以下である。特に、約700℃(例えば650℃以上、750℃以下)および約20時間(例えば15時間以上、25時間以下)の少なくとも一方の条件で熱処理を行うことで、所望の活物質が得られやすくなる。 The heat treatment temperature in the first heat treatment step is, for example, 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less. The heat treatment time in the first heat treatment step is, for example, 1 hour or more and 50 hours or less. In particular, by performing heat treatment under at least one condition of about 700 ° C. (for example, 650 ° C. or more and 750 ° C. or less) and about 20 hours (for example, 15 hours or more and 25 hours or less), a desired active material is easily obtained. .
第二熱処理工程において、熱処理時の圧力は、例えば10Pa以下であり、1Pa以下であってもよく、0.1Pa以下であってもよい。また、第二熱処理工程における熱処理温度は、例えば、100℃以上、650℃以下である。また、第二熱処理工程における熱処理時間は、例えば、30分間以上、20時間以下である。特に、約450℃(例えば400℃以上、500℃以下)および約5時間(例えば2時間以上、8時間以下)の少なくとも一方の条件で熱処理を行うことで、所望の活物質が得られやすくなる。第二熱処理工程により、本開示における活物質を得ることができる。 In the second heat treatment step, the pressure during the heat treatment is, for example, 10 Pa or less, may be 1 Pa or less, or may be 0.1 Pa or less. The heat treatment temperature in the second heat treatment step is, for example, 100 ° C. or more and 650 ° C. or less. The heat treatment time in the second heat treatment step is, for example, 30 minutes or more and 20 hours or less. In particular, by performing the heat treatment under at least one condition of about 450 ° C. (eg, 400 ° C. or more and 500 ° C. or less) and about 5 hours (eg, 2 hours or more and 8 hours or less), a desired active material is easily obtained. . By the second heat treatment step, the active material according to the present disclosure can be obtained.
B.電池
図2は、本開示における電池の一例を示す概略断面図である。図2に示す電池10は、正極層1と、電解質層2と、負極層3とを、厚さ方向において、この順に有する。さらに、電池10は、正極層1の集電を行う正極集電体4と、負極層3の集電を行う負極集電体5とを有する。なお、特に図示しないが、電池10は、公知の外装体を有していてもよい。本開示においては、負極層3が、上記「A.活物質」に記載した活物質を含有することを一つの特徴とする。
B. Battery FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a battery according to the present disclosure. The battery 10 shown in FIG. 2 has a positive electrode layer 1, an electrolyte layer 2, and a negative electrode layer 3 in this order in the thickness direction. Further, the battery 10 includes a positive electrode current collector 4 for collecting the current of the positive electrode layer 1 and a negative electrode current collector 5 for collecting the current of the negative electrode layer 3. Although not particularly shown, the battery 10 may have a known exterior body. One feature of the present disclosure is that the negative electrode layer 3 contains the active material described in the above “A. Active Material”.
本開示によれば、負極層が上述した活物質(シリコンクラスレート化合物)を含有することから、充放電による体積変化が小さい電池とすることができる。そのため、容量等の電池特性が良好な電池が得られる。 According to the present disclosure, since the negative electrode layer contains the above-described active material (silicon clathrate compound), a battery with a small volume change due to charge and discharge can be provided. Therefore, a battery having good battery characteristics such as capacity can be obtained.
1.負極層
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。本開示においては、負極活物質として、上記「A.活物質」に記載した活物質(シリコンクラスレート化合物)を用いる。
1. Negative electrode layer The negative electrode layer is a layer containing at least a negative electrode active material. In the present disclosure, the active material (silicon clathrate compound) described in the above “A. Active Material” is used as the negative electrode active material.
負極層は、負極活物質として、シリコンクラスレート化合物のみを含有していてもよく、他の活物質を含有していてもよい。後者の場合、全ての負極活物質における、シリコンクラスレート化合物の割合は、例えば50重量%以上であってもよく、70重量%以上であってもよく、90重量%以上であってもよい。 The negative electrode layer may contain only a silicon clathrate compound as the negative electrode active material, or may contain another active material. In the latter case, the proportion of the silicon clathrate compound in all the negative electrode active materials may be, for example, 50% by weight or more, 70% by weight or more, or 90% by weight or more.
負極層における負極活物質の割合は、例えば、20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、負極活物質の割合は、例えば、80重量%以下であり、70重量%以下であってもよく、60重量%以下であってもよい。 The ratio of the negative electrode active material in the negative electrode layer is, for example, 20% by weight or more, 30% by weight or more, or 40% by weight or more. On the other hand, the ratio of the negative electrode active material is, for example, 80% by weight or less, 70% by weight or less, or 60% by weight or less.
また、負極層は、必要に応じて、電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。電解質については、後述する「3.電解質層」において、詳細に説明する。 Further, the negative electrode layer may contain at least one of an electrolyte, a conductive material, and a binder, if necessary. The electrolyte will be described in detail in “3. Electrolyte layer” described later.
導電材としては、例えば、炭素材料、金属粒子、導電性ポリマーが挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)等の粒子状炭素材料、炭素繊維、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の繊維状炭素材料が挙げられる。金属粒子としては、例えば、Ni、Cu、Fe、SUS等の粒子が挙げられる。導電性ポリマーとしては、例えば、ポリアセチレン等のポリアセチレン系ポリマー;ポリアニリン等のポリアニリン系ポリマー;3−メチル−4−ピロールカルボン酸エチルと3−メチル−4−ピロールカルボン酸ブチルの共重合体等のポリピロール系ポリマー;3,4−エチレンジオキシチオフェンを重合したPEDOT等のポリチオフェン系ポリマー;ポリパラフェニレン等のポリフェニレン系ポリマー;ポリパラフェニレンビニレン等のポリフェニレンビニレン系ポリマー;ポリアセン等のポリアセン系ポリマー;ポリアズレン等のポリアズレン系ポリマーが挙げられる。 Examples of the conductive material include a carbon material, metal particles, and a conductive polymer. Examples of the carbon material include a particulate carbon material such as acetylene black (AB) and Ketjen black (KB), and a fibrous carbon material such as carbon fiber, carbon nanotube (CNT), and carbon nanofiber (CNF). . Examples of the metal particles include particles of Ni, Cu, Fe, SUS, and the like. Examples of the conductive polymer include polyacetylene-based polymers such as polyacetylene; polyaniline-based polymers such as polyaniline; and polypyrroles such as a copolymer of ethyl 3-methyl-4-pyrrolecarboxylate and butyl 3-methyl-4-pyrrolecarboxylate. Polypolymers such as PEDOT obtained by polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene; Polyphenylene polymers such as polyparaphenylene; Polyphenylene vinylene polymers such as polyparaphenylene vinylene; Polyacene polymers such as polyacene; Polyazulene Of polyazulene-based polymers.
バインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム、水素化ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素化スチレンブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム等のゴム系バインダー;ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン−ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等のフッ化物系バインダーが挙げられる。また、上記バインダーの他の例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等のポリオレフィン系熱可塑性樹脂;ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂;ポリアミド等のアミド系樹脂;ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリプロピルアクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリヘキシルアクリラート、ポリ2−エチルヘキシルアクリレート、ポリデシルアクリレート、ポリアクリル酸等のアクリル樹脂;ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリラート、ポリブチルメタクリレート、ポリ2−エチルヘキシルメタクリレート、ポリメタクリル酸等のメタクリル酸樹脂;ポリイタコン酸、ポリクロトン酸、ポリフマル酸、ポリアンゲリカ酸、カルボキシメチルセルロース等のポリカルボン酸が挙げられる。 Examples of the binder include rubber binders such as butadiene rubber, hydrogenated butadiene rubber, styrene butadiene rubber (SBR), hydrogenated styrene butadiene rubber, nitrile butadiene rubber, hydrogenated nitrile butadiene rubber, and ethylene propylene rubber; PVDF), polyvinylidene fluoride-polyhexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), fluoride binders such as polytetrafluoroethylene and fluororubber. Other examples of the binder include polyolefin-based thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene and polystyrene; imide-based resins such as polyimide and polyamide-imide; amide-based resins such as polyamide; polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, and polypropyl. Acrylic resin such as acrylate, polybutyl acrylate, polyhexyl acrylate, poly 2-ethylhexyl acrylate, polydecyl acrylate, polyacrylic acid; polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, poly 2-ethylhexyl methacrylate, polymethacryl Methacrylic acid resins such as acids; polycarboxylic acids such as polyitaconic acid, polycrotonic acid, polyfumaric acid, polyangelic acid, and carboxymethyl cellulose; It is below.
また、上記バインダーの他の例として、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールアクリレート、ポリエチレンビニルアセテート、ポリグリシドール、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリアミン、ポリアルキルカーボネート、ポリニトリル、ポリジエン、ポリホスファゼン、無水マレイン酸およびグリコール類を共重合した不飽和ポリエステル、置換基を有するポリエチレンオキシド誘導体が挙げられる。また、上記バインダーとして、上述した具体的なポリマーを構成する二種類以上のモノマーを共重合させた共重合体を選択してもよい。また、上記バインダーとして、グリコーゲン、セルロース、キチン、アガロース、カラギーナン、ヘパリン、ヒアルロン酸、ペクチン、アミロペクチン、キシログルカン、アミロース等の多糖類も用いることができる。また、これらのバインダーは、エマルションのような分散液としても用いることができる。 Other examples of the binder include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol acrylate, polyethylene vinyl acetate, polyglycidol, polysiloxane, polydimethylsiloxane, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, and polycarbonate. , A polyamine, a polyalkyl carbonate, a polynitrile, a polydiene, a polyphosphazene, an unsaturated polyester obtained by copolymerizing maleic anhydride and glycols, and a polyethylene oxide derivative having a substituent. Further, as the binder, a copolymer obtained by copolymerizing two or more types of monomers constituting the specific polymer described above may be selected. As the binder, polysaccharides such as glycogen, cellulose, chitin, agarose, carrageenan, heparin, hyaluronic acid, pectin, amylopectin, xyloglucan, and amylose can also be used. These binders can also be used as a dispersion such as an emulsion.
負極層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。 The thickness of the negative electrode layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
2.正極層
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極層は、必要に応じて、電解質、導電材およびバインダーの少なくとも一つを含有していてもよい。
2. Positive electrode layer The positive electrode layer is a layer containing at least a positive electrode active material. Further, the positive electrode layer may contain at least one of an electrolyte, a conductive material, and a binder, if necessary.
正極活物質としては、例えば、酸化物活物質が挙げられる。リチウムイオン電池に用いられる酸化物活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.33Mn0.67O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2等の岩塩層状型活物質;Li2MnO3、Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2、Li1.3Nb0.3Mn0.4O2、Li1.2Ti0.4Mn0.4O2、Li1.3Nb0.3Fe0.4O2等の、Li過剰組成を有し、充放電に一部酸素レドックスを活用する活物質;LiMn2O4、Li4Ti5O12、Li(Ni0.5Mn1.5)O4等のスピネル型活物質;LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4等のオリビン型活物質;Li3V2(PO4)3等のナシコン型活物質;Li2FeSiO4等のシリケート型活物質;LiFeP2O7等のパイロクロア型活物質が挙げられる。また、酸化物活物質として、LiVPO4F、LiFeSO4Fを用いることもできる。 Examples of the positive electrode active material include an oxide active material. Examples of the oxide active material used for the lithium ion battery include LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , and LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.33 Mn 0.67 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , LiNi 0.6 Co 0 .2 Mn 0.2 O 2, LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 rock salt layered type, such as active material; Li 2 MnO 3, Li 1.2 Mn 0.54 Co 0.13 Ni 0 .13 O 2 , Li 1.3 Nb 0.3 Mn 0.4 O 2 , Li 1.2 Ti 0.4 Mn 0.4 O 2 , Li 1.3 Nb 0.3 Fe 0.4 O 2, etc. Having a Li excess composition, Active material utilizing some oxygen redox discharge; LiMn 2 O 4, Li 4 Ti 5 O 12, Li (Ni 0.5 Mn 1.5) spinel active material O 4 or the like; LiFePO 4, LiMnPO 4, LiNiPO 4, olivine type active material of LiCoPO 4 such; Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 or the like of Nasicon Katakatsu material; Li 2 FeSiO 4 silicate-type active materials such as; LiFeP 2 O 7, etc. of pyrochlore type active material No. Alternatively, LiVPO 4 F or LiFeSO 4 F can be used as the oxide active material.
また、酸化物活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていてもよい。酸化物活物質と、固体電解質(特に硫化物固体電解質)との反応を抑制できるからである。Liイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO3等のニオブ酸リチウム、Li4Ti5O12等のチタン酸リチウム、LiWO3等のタングステン酸リチウム、LiTaO3等のタンタル酸リチウム、LiMoO3等のモリブデン酸リチウム、Li3PO4等のリン酸リチウム等が挙げられる。さらに、Liイオン伝導性酸化物として、後述する酸化物固体電解質を用いてもよい。コート層の厚さは、例えば1nm以上である。一方、コート層の厚さは、例えば30nm以下であり、15nm以下であってもよい。 Further, a coat layer containing a Li ion conductive oxide may be formed on the surface of the oxide active material. This is because a reaction between the oxide active material and the solid electrolyte (particularly, a sulfide solid electrolyte) can be suppressed. The Li ion conductive oxide, for example, lithium niobate, such as LiNbO 3, Li 4 Ti 5 O 12 , etc. of the lithium titanate, lithium tungstate such LiWO 3, lithium tantalate or the like LiTaO 3, LiMoO 3 etc. And lithium phosphates such as Li 3 PO 4 . Further, an oxide solid electrolyte described later may be used as the Li ion conductive oxide. The thickness of the coat layer is, for example, 1 nm or more. On the other hand, the thickness of the coat layer is, for example, 30 nm or less, and may be 15 nm or less.
一方、ナトリウムイオン電池に用いられる酸化物活物質としては、例えば、O3型層状活物質、P2型層状活物質、P3型層状活物質、Alluaudite型活物質が挙げられる。このような酸化物活物質の具体例としては、NaFeO2、NaNiO2、NaCoO2、NaMnO2、NaVO2、Na(NiXMn1−X)O2(0<X<1)、Na(FeXMn1−X)O2、(0<X<1)、Na(NiXCoYMn1−X−Y)O2(0<X<1、0<Y<1)、NazFeO2(0.6<z<1)、NazNiO2(0.6<z<1)、NazCoO2(0.6<z<1)、NazMnO2(0.6<z<1)、NazVO2(0.6<z<1)、Naz(NiXMn1−X)O2(0<X<1、0.6<z<1)、Naz(FeXMn1−X)O2、(0<X<1、0.6<z<1)、Naz(NiXCoYMn1−X−Y)O2(0<X<1、0<Y<1、0.6<z<1)、NaFeO2、NaNiO2、NaCoO2、NaMnO2、NaVO2、Na(NiXMn1−X)O2(0<X<1)、Na(FeXMn1−X)O2、(0<X<1)、Na(NiXCoYMn1−X−Y)O2(0<X<1、0<Y<1)、Na2Fe2(SO4)3、NaVPO4F、Na2FePO4F、Na3V2(PO4)3、Na4M3(PO4)2P2O7(MはCo、Ni、FeおよびMnの少なくとも一種である)が挙げられる。 On the other hand, the oxide active material used for the sodium ion battery, for example, O 3 type layered active material, P 2 type layered active material, P 3 type layered active materials include Alluaudite Katakatsu material. Specific examples of such oxide active material, NaFeO 2, NaNiO 2, NaCoO 2, NaMnO 2, NaVO 2, Na (Ni X Mn 1-X) O 2 (0 <X <1), Na (Fe X Mn 1-X) O 2 , (0 <X <1), Na (Ni X Co Y Mn 1-X-Y) O 2 (0 <X <1,0 <Y <1), Na z FeO 2 (0.6 <z <1), Na z NiO 2 (0.6 <z <1), Na z CoO 2 (0.6 <z <1), Na z MnO 2 (0.6 <z <1 ), Na z VO 2 (0.6 <z <1), Na z (Ni X Mn 1-X) O 2 (0 <X <1,0.6 <z <1), Na z (Fe X Mn 1-X) O 2, ( 0 <X <1,0.6 <z <1), Na z (Ni X Co Y Mn 1-X-Y) O 2 (0 <X <1,0 <Y < 1 0.6 <z <1), NaFeO 2, NaNiO 2, NaCoO 2, NaMnO 2, NaVO 2, Na (Ni X Mn 1-X) O 2 (0 <X <1), Na (Fe X Mn 1- X) O 2, (0 < X <1), Na (Ni X Co Y Mn 1-X-Y) O 2 (0 <X <1,0 <Y <1), Na 2 Fe 2 (SO 4) 3 , NaVPO 4 F, Na 2 FePO 4 F, Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 4 M 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 (M is at least one of Co, Ni, Fe and Mn ).
正極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。正極活物質の平均粒径(D50)は、特に限定されないが、例えば10nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば50μm以下であり、20μm以下であってもよい。なお、平均粒径(D50)は、例えば、レーザー回折式粒度分布計、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定から算出できる。 Examples of the shape of the positive electrode active material include a particle shape. The average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material is not particularly limited, but is, for example, 10 nm or more, and may be 100 nm or more. On the other hand, the average particle diameter (D 50 ) of the positive electrode active material is, for example, 50 μm or less, and may be 20 μm or less. The average particle size (D 50 ) can be calculated, for example, from measurement using a laser diffraction particle size distribution meter or a scanning electron microscope (SEM).
正極層における正極活物質の割合は、例えば、20重量%以上であり、30重量%以上であってもよく、40重量%以上であってもよい。一方、正極活物質の割合は、例えば、80重量%以下であり、70重量%以下であってもよく、60重量%以下であってもよい。 The ratio of the positive electrode active material in the positive electrode layer is, for example, 20% by weight or more, 30% by weight or more, or 40% by weight or more. On the other hand, the ratio of the positive electrode active material is, for example, 80% by weight or less, 70% by weight or less, or 60% by weight or less.
正極層に用いられる導電材およびバインダーについては、上記「1.負極層」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。一方、正極層に用いられる電解質については、後述する「3.電解質層」において、詳細に説明する。 The conductive material and the binder used for the positive electrode layer are the same as those described in the above “1. Negative electrode layer”, and thus description thereof is omitted here. On the other hand, the electrolyte used for the positive electrode layer will be described in detail in “3.
正極層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。 The thickness of the positive electrode layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less.
3.電解質層
電解質層は、正極層および負極層の間に形成される層であり、電解質を少なくとも含有する。電解質は、固体電解質であってもよく、液体電解質(電解液)であってもよく、それらの混合であってもよい。電解質の種類は特に限定されず、電池の種類に応じて適宜選択することができる。
3. Electrolyte layer The electrolyte layer is a layer formed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and contains at least an electrolyte. The electrolyte may be a solid electrolyte, a liquid electrolyte (electrolyte solution), or a mixture thereof. The type of the electrolyte is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the type of the battery.
固体電解質としては、典型的には、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、窒化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質等の無機固体電解質;ポリマー電解質等の有機高分子電解質が挙げられる。 The solid electrolyte typically includes an inorganic solid electrolyte such as a sulfide solid electrolyte, an oxide solid electrolyte, a nitride solid electrolyte, and a halide solid electrolyte; and an organic polymer electrolyte such as a polymer electrolyte.
リチウムイオン伝導性を有する硫化物固体電解質としては、例えば、Li元素、X元素(Xは、P、As、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、Inの少なくとも一種である)、および、S元素を含有する固体電解質が挙げられる。また、硫化物固体電解質は、O元素およびハロゲン元素の少なくとも一方をさらに含有していてもよい。ハロゲン元素としては、例えば、F元素、Cl元素、Br元素、I元素が挙げられる。 Examples of the sulfide solid electrolyte having lithium ion conductivity include a Li element and an X element (X is at least one of P, As, Sb, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, and In). And a solid electrolyte containing the S element. Further, the sulfide solid electrolyte may further contain at least one of an O element and a halogen element. Examples of the halogen element include an F element, a Cl element, a Br element, and an I element.
硫化物固体電解質は、ガラス系硫化物固体電解質であってもよく、ガラスセラミックス系硫化物固体電解質であってもよく、結晶系硫化物固体電解質であってもよい。 The sulfide solid electrolyte may be a glass-based sulfide solid electrolyte, a glass-ceramic-based sulfide solid electrolyte, or a crystalline sulfide solid electrolyte.
ガラス系硫化物固体電解質は、Li元素、A元素(Aは、P、As、Sb、Si、Ge、AlおよびBの少なくとも一種である)、およびS元素を含有するイオン伝導体を備えることが好ましい。さらに、上記イオン伝導体は、Li含量が高いことが好ましい。また、上記イオン伝導体は、オルト組成のアニオン構造(PS4 3−構造、SiS4 4−構造、GeS4 4−構造、AlS3 3−構造、BS3 3−構造)をアニオンの主成分として有することが好ましい。化学安定性の高いからである。オルト組成のアニオン構造の割合は、イオン伝導体における全アニオン構造に対して、70mol%以上であることが好ましく、90mol%以上であることがより好ましい。オルト組成のアニオン構造の割合は、例えば、ラマン分光法、NMR、XPSにより決定することができる。 The glass-based sulfide solid electrolyte may include an ion conductor containing a Li element, an A element (A is at least one of P, As, Sb, Si, Ge, Al and B), and an S element. preferable. Further, the ionic conductor preferably has a high Li content. Also, the ion conductor, the anion structure of the ortho-composition (PS 4 3- structure, SiS 4 4-structure, GeS 4 4-structure, AlS 3 3- structure, BS 3 3- structure) as the main component of the anionic It is preferred to have. This is because chemical stability is high. The proportion of the anion structure in the ortho composition is preferably at least 70 mol%, more preferably at least 90 mol%, based on the total anion structure in the ion conductor. The ratio of the ortho-structure anion structure can be determined, for example, by Raman spectroscopy, NMR, or XPS.
ガラス系硫化物固体電解質は、上記イオン伝導体に加えて、ハロゲン化リチウムを含有していてもよい。ハロゲン化リチウムとしては、例えば、LiF、LiCl、LiBrおよびLiIが挙げられ、中でも、LiCl、LiBrおよびLiIが好ましい。ガラス系硫化物固体電解質におけるLiX(X=F、I、Cl、Br)の割合は、例えば5mol%以上であり、15mol%以上であってもよい。一方、上記LiXの割合は、例えば30mol%以下であり、25mol%以下であってもよい。 The glass-based sulfide solid electrolyte may contain lithium halide in addition to the ionic conductor. Examples of the lithium halide include LiF, LiCl, LiBr and LiI, and among them, LiCl, LiBr and LiI are preferable. The ratio of LiX (X = F, I, Cl, Br) in the glass-based sulfide solid electrolyte is, for example, 5 mol% or more, and may be 15 mol% or more. On the other hand, the ratio of LiX is, for example, 30 mol% or less, and may be 25 mol% or less.
ガラスセラミックス系硫化物固体電解質は、例えば、上述したガラス系硫化物固体電解質を熱処理することにより得ることができる。ガラスセラミックス系硫化物固体電解質の具体例としては、xLi2S・(100−x)P2S5(70≦x≦80)、yLiI・zLiBr・(100−y−z)(xLi2S・(100−x)P2S5)(70≦x≦80、0≦y≦30、0≦z≦30)が挙げられる。 The glass-ceramic sulfide solid electrolyte can be obtained, for example, by subjecting the above-described glass sulfide solid electrolyte to heat treatment. Specific examples of the glass-ceramic-based sulfide solid electrolyte include xLi 2 S · (100-x) P 2 S 5 (70 ≦ x ≦ 80), yLiI · zLiBr · (100-yz) (xLi 2 S · (100-x) P 2 S 5 ) (70 ≦ x ≦ 80, 0 ≦ y ≦ 30, 0 ≦ z ≦ 30).
結晶系硫化物固体電解質としては、Thio-LISICON型固体電解質、LGPS型固体電解質、アルジロダイト型固体電解質が挙げられる。Thio-LISICON型固体電解質としては、例えば、Li(4−x)Ge(1−x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)が挙げられる。また、LGPS型固体電解質としては、例えば、Li(4−x)Ge(1−x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)が挙げられる。なお、GeおよびPの少なくとも一方の代わりに、Sb、Si、Sn、B、Al、Ga、In、Ti、Zr、V、Nbを用いてもよい。また、Liの一部を、Na、K、Mg、Ca、Znに置換してもよい。さらに、Sの一部をハロゲン(F、Cl、Br、I)に置換してもよい。アルジロダイト型固体電解質としては、例えば、Li7−x−2yPS6−x−yXy、Li8−x−2ySiS6−x−yXy、Li8−x−2yGeS6−x−yXyが挙げられる。なお、Xは、F、Cl、Br、Iの少なくとも一種であり、xおよびyは、0≦x、0≦yを満たす。 Examples of the crystalline sulfide solid electrolyte include a Thio-LISICON type solid electrolyte, an LGPS type solid electrolyte, and an aldirodite type solid electrolyte. Examples of the Thio-LISICON solid electrolyte include Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0 <x <1). Examples of the LGPS solid electrolyte include Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0 <x <1). Note that Sb, Si, Sn, B, Al, Ga, In, Ti, Zr, V, and Nb may be used instead of at least one of Ge and P. Further, a part of Li may be replaced with Na, K, Mg, Ca, Zn. Further, a part of S may be substituted with halogen (F, Cl, Br, I). Examples of the aldirodite type solid electrolyte include Li 7-x-2y PS 6-xy X y , Li 8-x-2y SiS 6-xy X y , and Li 8-x-2y GeS 6-x- y X y, and the like. Note that X is at least one of F, Cl, Br, and I, and x and y satisfy 0 ≦ x and 0 ≦ y.
また、リチウムイオン伝導性を有する酸化物固体電解質としては、例えば、Li元素、Y元素(Yは、Nb、B、Al、Si、P、Ti、Zr、Mo、W、Sの少なくとも一種である)、および、O元素を含有する固体電解質が挙げられる。具体例としては、Li7La3Zr2O12、Li7−xLa3(Zr2−xNbx)O12(0≦x≦2)、Li5La3Nb2O12等のガーネット型固体電解質;(Li,La)TiO3、(Li,La)NbO3、(Li,Sr)(Ta,Zr)O3等のペロブスカイト型固体電解質;Li(Al,Ti)(PO4)3、Li(Al,Ga)(PO4)3のナシコン型固体電解質;Li3PO4、LIPON(Li3PO4のOの一部をNで置換した化合物)等のLi−P−O系固体電解質;Li3BO3、Li3BO3のOの一部をCで置換した化合物等のLi−B−O系固体電解質が挙げられる。 Examples of the oxide solid electrolyte having lithium ion conductivity include, for example, Li element and Y element (Y is at least one of Nb, B, Al, Si, P, Ti, Zr, Mo, W, and S). ) And solid electrolytes containing the O element. Specific examples, Li 7 La 3 Zr 2 O 12, Li 7-x La 3 (Zr 2-x Nb x) O 12 (0 ≦ x ≦ 2), Li 5 La 3 Nb 2 garnet type O 12, etc. Solid electrolytes; perovskite-type solid electrolytes such as (Li, La) TiO 3 , (Li, La) NbO 3 and (Li, Sr) (Ta, Zr) O 3 ; Li (Al, Ti) (PO 4 ) 3 , Nasicon-type solid electrolyte of Li (Al, Ga) (PO 4 ) 3 ; Li-PO-based solid electrolyte such as Li 3 PO 4 , LIPON (a compound in which part of O of Li 3 PO 4 is substituted by N) ; Li 3 BO 3, Li 3 BO 3 in Li-BO-based solid electrolyte such as compounds obtained by substituting C for a portion of O may be mentioned.
一方、ナトリウムイオン伝導性を有する酸化物固体電解質としては、例えばナシコン型固体電解質、ペロブスカイト型固体電解質、βアルミナが挙げられる。また、リチウムイオン伝導性を有する窒化物固体電解質としては、例えばLi3Nが挙げられる。リチウムイオン伝導性を有するハロゲン化物固体電解質としては、例えばLiCl、LiI、LiBr、Li3YCl6が挙げられる。 On the other hand, examples of the oxide solid electrolyte having sodium ion conductivity include a NASICON-type solid electrolyte, a perovskite-type solid electrolyte, and β-alumina. In addition, as the nitride solid electrolyte having lithium ion conductivity, for example, Li 3 N is given. Examples of the halide solid electrolyte having lithium ion conductivity include LiCl, LiI, LiBr, and Li 3 YCl 6 .
また、ポリマー電解質は、イオン伝導性ユニットを有することが好ましい。イオン伝導性ユニットとしては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメタクリル酸エステル、ポリアクリル酸エステル、ポリジメチルシロキサン、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリエチレンビニルアセテート、ポリイミド、ポリアミン、ポリアミド、ポリアルキルカーボネート、ポリニトリル、ポリホスファゼン、ポリオレフィン、ポリジエンが挙げられる。ポリマー電解質は、一種または二種以上のイオン伝導性ユニットを有していてもよい。また、ポリマー電解質は、後述する支持塩を有することが好ましい。また、ポリマー電解質として、柔粘性結晶を用いてもよい。 Further, the polymer electrolyte preferably has an ion conductive unit. Examples of the ion conductive unit include, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethacrylate, polyacrylate, polydimethylsiloxane, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyethylene vinyl acetate, polyimide, polyamine, polyamide, and polyalkyl carbonate. , Polynitrile, polyphosphazene, polyolefin, and polydiene. The polymer electrolyte may have one or more ion conductive units. Further, the polymer electrolyte preferably has a supporting salt described later. Further, a plastic crystal may be used as the polymer electrolyte.
一方、電解液は、支持塩および溶媒を含有することが好ましい。なお、電解液として、イオン液体を用いてもよい。リチウムイオン伝導性を有する電解液の支持塩(リチウム塩)としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等の無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(FSO2)2、LiC(CF3SO2)3等の有機リチウム塩が挙げられる。一方、ナトリウムイオン伝導性を有する電解液の支持塩(ナトリウム塩)としては、例えば、NaPF6、NaBF4、NaClO4、NaAsF6等の無機ナトリウム塩、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)2、NaN(C2F5SO2)2、NaN(FSO2)2、NaC(CF3SO2)3等の有機ナトリウム塩が挙げられる。 On the other hand, the electrolytic solution preferably contains a supporting salt and a solvent. Note that an ionic liquid may be used as the electrolytic solution. Examples of the supporting salt (lithium salt) of the electrolyte having lithium ion conductivity include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , and LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2. , LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiN (FSO 2) 2, LiC (CF 3 SO 2) and other organic lithium salt of 3, and the like. On the other hand, as a supporting salt (sodium salt) of an electrolyte having sodium ion conductivity, for example, inorganic sodium salts such as NaPF 6 , NaBF 4 , NaClO 4 , and NaAsF 6 , NaCF 3 SO 3 , and NaN (CF 3 SO 2) ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , and NaC (CF 3 SO 2 ) 3 .
電解液に用いられる溶媒は、特に限定されないが、高誘電率溶媒および低粘度溶媒を含有する混合溶媒であることが好ましい。高誘電率溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状エステル(環状カーボネート)、γ−ブチロラクトン、スルホラン、N−メチルピロリドン(NMP)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)が挙げられる。一方、低粘度溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状エステル(鎖状カーボネート)、メチルアセテート、エチルアセテート等のアセテート類、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテルが挙げられる。なお、電解液に用いられる溶媒は、非水溶媒であってもよく、水系溶媒であってもよい。 The solvent used for the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably a mixed solvent containing a high dielectric constant solvent and a low viscosity solvent. Examples of the high dielectric constant solvent include cyclic esters (cyclic carbonates) such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone, sulfolane, N-methylpyrrolidone (NMP), , 3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI). On the other hand, examples of the low-viscosity solvent include, for example, chain esters (chain carbonates) such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC), acetates such as methyl acetate, ethyl acetate, and the like. Ethers such as -methyltetrahydrofuran. Note that the solvent used for the electrolytic solution may be a non-aqueous solvent or an aqueous solvent.
また、上記電解液または上記溶媒として、イオン性液体を用いることができる。イオン性液体は、カチオン部およびアニオン部を有する。カチオン部としては、例えば、有機窒素系(イミダゾリウム塩、アンモニウム塩、ピリジニウム塩、ピペリジニウム塩等)、有機燐系(ホスホニウム塩等)、有機硫黄系(スルホニウム塩等)が挙げられる。一方、アニオン部としては、例えば、AlCl4 −、NO2 −、NO3 −、I−、BF4 −、PF6 −、SbF6 −、NbF6 −、F(HF)2.3 −、CH3CO2 −,CH3SO3 −、CF3SO3 −、(CF3SO2)2N−、(FSO2)2N−が挙げられる。 In addition, an ionic liquid can be used as the electrolyte or the solvent. The ionic liquid has a cation part and an anion part. Examples of the cation moiety include organic nitrogen-based (imidazolium salts, ammonium salts, pyridinium salts, piperidinium salts and the like), organic phosphorus-based (phosphonium salts and the like), and organic sulfur-based (sulfonium salts and the like). On the other hand, as the anion portion, for example, AlCl 4 − , NO 2 − , NO 3 − , I − , BF 4 − , PF 6 − , SbF 6 − , NbF 6 − , F (HF) 2.3 − , CH 3 CO 2 -, CH 3 SO 3 -, CF 3 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N - include.
また、上記電解液として、溶媒和イオン性液体を用いることもできる。溶媒和イオン性液体は、例えば、テトラグライム、トリグライム等のグライム類に、上述した支持塩を混合することにより得られる。グライム類および支持塩の割合は、例えば、1:1程度のモル比であることが好ましい。 Further, a solvated ionic liquid can also be used as the electrolytic solution. The solvated ionic liquid is obtained, for example, by mixing the above-mentioned supporting salt with glymes such as tetraglyme and triglyme. The ratio between the glymes and the supporting salt is preferably, for example, a molar ratio of about 1: 1.
電解液における支持塩の濃度は、例えば0.3mol/L以上であり、0.5mol/L以上であってもよく、0.8mol/L以上であってもよい。一方、電解液における支持塩の濃度は、例えば6mol/L以下であり、3mol/L以下であってもよい。また、本開示においては、電解液にポリマーを添加してゲル化してもよい。ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)が挙げられる。 The concentration of the supporting salt in the electrolytic solution is, for example, 0.3 mol / L or more, may be 0.5 mol / L or more, or may be 0.8 mol / L or more. On the other hand, the concentration of the supporting salt in the electrolytic solution is, for example, 6 mol / L or less, and may be 3 mol / L or less. Further, in the present disclosure, a gel may be added by adding a polymer to the electrolytic solution. Examples of the polymer include polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN) or polymethyl methacrylate (PMMA), and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP).
また、電解質層は、セパレータを有していてもよい。セパレータの材料は、有機材料であってもよく、無機材料であってもよい。具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド等の多孔膜、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布、セラミック多孔膜等が挙げられる。また、セパレータは、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。 Further, the electrolyte layer may have a separator. The material of the separator may be an organic material or an inorganic material. Specific examples include a porous membrane such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, polyvinylidene fluoride, polyamide, and polyimide; a nonwoven fabric such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric; and a ceramic porous membrane. Further, the separator may have a single-layer structure or a laminated structure.
電解質層の厚さは、例えば、0.1μm以上、1000μm以下である。なお、電解質層は、無機物粒子、有機物粒子等のフィラーを含有していてもよい。 The thickness of the electrolyte layer is, for example, 0.1 μm or more and 1000 μm or less. The electrolyte layer may contain a filler such as inorganic particles and organic particles.
4.その他の構成
本開示における電池は、上述した負極層、正極層および電解質層を少なくとも有する。さらに通常は、正極層の集電を行う正極集電体、および、負極層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボンが挙げられる。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボンが挙げられる。なお、正極集電体および負極集電体の厚さ、形状については、電池の用途に応じて適宜選択することが好ましい。また、正極集電体および負極集電体は、それぞれ、電解質層側の表面に保護層を有していてもよい。保護層としては、例えばカーボンコート層、樹脂コート層、金属めっき層が挙げられる。
4. Other Configurations The battery according to the present disclosure has at least the negative electrode layer, the positive electrode layer, and the electrolyte layer described above. Further, it usually has a positive electrode current collector for collecting current of the positive electrode layer and a negative electrode current collector for collecting current of the negative electrode layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include SUS, aluminum, nickel, iron, titanium, and carbon. On the other hand, examples of the material of the negative electrode current collector include SUS, copper, nickel, and carbon. Note that the thickness and shape of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are preferably selected as appropriate depending on the use of the battery. Further, each of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may have a protective layer on the surface on the electrolyte layer side. Examples of the protective layer include a carbon coat layer, a resin coat layer, and a metal plating layer.
また、本開示における電池は、正極層、電解質層および負極層に対して、厚さ方向に沿って拘束圧を付与する拘束治具をさらに有していてもよい。拘束治具としては、公知の治具を用いることができる。拘束圧は、例えば0.1MPa以上であり、1MPa以上であってもよく、5MPa以上であってもよい。一方、拘束圧は、例えば100MPa以下であり、50MPa以下であってもよく、20MPa以下であってもよい。 Further, the battery according to the present disclosure may further include a restraining jig that applies a restraining pressure to the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer along the thickness direction. As the restraining jig, a known jig can be used. The confining pressure is, for example, 0.1 MPa or more, may be 1 MPa or more, or may be 5 MPa or more. On the other hand, the constraint pressure is, for example, 100 MPa or less, may be 50 MPa or less, or may be 20 MPa or less.
5.電池
本開示における電池は、通常、正極層および負極層の間を金属イオンが伝導する電池である。このような電池としては、例えば、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、カルシウムイオン電池が挙げられる。また、本開示における電池は、電解質層が電解液を含有する液電池であってもよく、電解質層が固体電解質を含有する全固体電池であってもよい。
5. Battery A battery in the present disclosure is a battery in which metal ions are conducted between a positive electrode layer and a negative electrode layer. Examples of such a battery include a lithium ion battery, a sodium ion battery, a potassium ion battery, a magnesium ion battery, and a calcium ion battery. Further, the battery in the present disclosure may be a liquid battery in which the electrolyte layer contains an electrolytic solution, or may be an all-solid battery in which the electrolyte layer contains a solid electrolyte.
また、本開示における電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。二次電池には、二次電池の一次電池的使用(初回充電のみを目的とした使用)も含まれる。 In addition, the battery according to the present disclosure may be a primary battery or a secondary battery, but is preferably a secondary battery. This is because it can be repeatedly charged and discharged and is useful, for example, as a vehicle-mounted battery. The secondary battery includes the use of the secondary battery as a primary battery (use for the first charge only).
また、本開示における電池は、単電池であってもよく、積層電池であってもよい。積層電池は、モノポーラ型積層電池(並列接続型の積層電池)であってもよく、バイポーラ型積層電池(直列接続型の積層電池)であってもよい。電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型が挙げられる。 Further, the battery in the present disclosure may be a unit cell or a stacked battery. The stacked battery may be a monopolar stacked battery (a stacked battery of a parallel connection type) or a bipolar stacked battery (a stacked battery of a series connection type). Examples of the shape of the battery include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。 Note that the present disclosure is not limited to the above embodiment. The above embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure, and any device having the same function and effect will not be described. It is within the technical scope of the disclosure.
[実施例1]
(負極活物質の合成)
図3に示すフローに沿って、負極活物質を合成した。Si粒子(純度:99.999%)と、金属Na(純度:99.5%)とを、Si粒子:金属Na=1:1.1のモル比で秤量し、窒化ホウ素製るつぼに投入し、Ar雰囲気下で密閉した。その後、700℃、20時間の条件で熱処理を行った。これにより、NaSi化合物(ジントル相を有する化合物)を得た。得られたNaSi化合物を粉砕し、真空下(約0.1Pa)、450℃、5時間の条件で熱処理を行い、Naを脱離させた。得られた化合物を乳鉢で粉砕した。その後、分級により粒径を調整し、負極活物質粒子(平均二次粒子径=5μm)を得た。
[Example 1]
(Synthesis of negative electrode active material)
A negative electrode active material was synthesized according to the flow shown in FIG. Si particles (purity: 99.999%) and metallic Na (purity: 99.5%) were weighed at a molar ratio of Si particles: metallic Na = 1: 1.1, and charged into a crucible made of boron nitride. And sealed under an Ar atmosphere. Thereafter, heat treatment was performed at 700 ° C. for 20 hours. Thus, a NaSi compound (a compound having a gintle phase) was obtained. The obtained NaSi compound was pulverized, and heat-treated at 450 ° C. for 5 hours under vacuum (about 0.1 Pa) to remove Na. The obtained compound was ground in a mortar. Thereafter, the particle size was adjusted by classification to obtain negative electrode active material particles (average secondary particle diameter = 5 μm).
(評価用電池の作製)
固体電解質粒子(Li3PS4)0.4g、得られた負極活物質粒子0.8g、導電材(VGCF)0.06g、バインダー溶液(PVDF系樹脂を5重量%で含有する酪酸ブチル溶液)0.32gを、ポリプロピレン製容器に添加した。当該容器を超音波分散装置で30秒間超音波処理し、振とう器を用いて30分間振とう処理することで、スラリーを得た。得られたスラリーを、アプリケーターを用いたブレード法により、負極集電体(銅箔)上に塗工し、60分間自然乾燥し、その後、100℃に調整したホットプレート上で30分間乾燥した。これにより、負極層および負極集電体を有する負極構造体を得た。
(Preparation of battery for evaluation)
0.4 g of solid electrolyte particles (Li 3 PS 4 ), 0.8 g of the obtained negative electrode active material particles, 0.06 g of a conductive material (VGCF), and a binder solution (a butyl butyrate solution containing a PVDF-based resin at 5% by weight) 0.32 g was added to a polypropylene container. The container was subjected to ultrasonic treatment for 30 seconds using an ultrasonic dispersing device, and then subjected to shaking using a shaker for 30 minutes to obtain a slurry. The obtained slurry was applied on a negative electrode current collector (copper foil) by a blade method using an applicator, air-dried for 60 minutes, and then dried on a hot plate adjusted to 100 ° C. for 30 minutes. Thereby, a negative electrode structure having a negative electrode layer and a negative electrode current collector was obtained.
次に、固体電解質粒子(Li3PS4)0.3g、正極活物質粒子(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)2g、導電材(VGCF)0.03g、バインダー溶液(PVDF系樹脂を5重量%で含有する酪酸ブチル溶液)0.3gを、ポリプロピレン製容器に添加した。当該容器を超音波分散装置で30秒間超音波処理し、振とう器を用いて30分間振とう処理することで、スラリーを得た。得られたスラリーを、アプリケーターを用いたブレード法により、正極集電体(アルミニウム箔)上に塗工し、60分間自然乾燥し、その後、100℃に調整したホットプレート上で30分間乾燥した。これにより、正極層および正極集電体を有する正極構造体を得た。 Next, 0.3 g of solid electrolyte particles (Li 3 PS 4 ), 2 g of positive electrode active material particles (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), 0.03 g of a conductive material (VGCF), and a binder solution ( 0.3 g of a butyl butyrate solution containing a PVDF resin at 5% by weight) was added to a polypropylene container. The container was subjected to ultrasonic treatment for 30 seconds using an ultrasonic dispersing device, and then subjected to shaking using a shaker for 30 minutes to obtain a slurry. The obtained slurry was applied on a positive electrode current collector (aluminum foil) by a blade method using an applicator, air-dried for 60 minutes, and then dried on a hot plate adjusted to 100 ° C. for 30 minutes. Thus, a positive electrode structure having a positive electrode layer and a positive electrode current collector was obtained.
次に、固体電解質粒子(Li3PS4、平均粒径D50=2μm)0.4g、バインダー溶液(ABR系樹脂を5重量%で含有するヘプタン溶液)0.05gを、ポリプロピレン製容器に添加した。当該容器を超音波分散装置で30秒間超音波処理し、振とう器を用いて30分間振とう処理することで、スラリーを得た。得られたスラリーを、アプリケーターを用いたブレード法により、支持体(アルミニウム箔)上に塗工し、60分間自然乾燥し、その後、100℃に調整したホットプレート上で30分間乾燥した。これにより、固体電解質層を形成した。 Next, 0.4 g of solid electrolyte particles (Li 3 PS 4 , average particle size D 50 = 2 μm) and 0.05 g of a binder solution (heptane solution containing 5% by weight of an ABR resin) were added to a polypropylene container. did. The container was subjected to ultrasonic treatment for 30 seconds using an ultrasonic dispersing device, and then subjected to shaking using a shaker for 30 minutes to obtain a slurry. The obtained slurry was applied on a support (aluminum foil) by a blade method using an applicator, air-dried for 60 minutes, and then dried on a hot plate adjusted to 100 ° C. for 30 minutes. Thus, a solid electrolyte layer was formed.
次に、負極構造体、固体電解質層、正極構造体をこの順に積層し、得られた積層体を130℃、200MPa、3分間の条件でプレスし、評価用電池を得た。 Next, the negative electrode structure, the solid electrolyte layer, and the positive electrode structure were laminated in this order, and the obtained laminate was pressed at 130 ° C. and 200 MPa for 3 minutes to obtain a battery for evaluation.
[比較例1]
ダイヤモンド型の結晶相を有するSi粒子(平均二次粒子径=3μm)を比較用の負極活物質とした。この負極活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。
[Comparative Example 1]
Si particles having a diamond-type crystal phase (average secondary particle diameter = 3 μm) were used as a negative electrode active material for comparison. A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode active material was used.
[評価]
(XRD測定)
実施例1および比較例1で得られた負極活物質に対して、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。その結果を図4に示す。図4(a)に示すように、実施例1では、2θ=19.44°、21.32°、30.33°、31.60°、32.82°、36.29°、52.39°、55.49°の位置に、シリコンクラスレートI型の結晶相の典型的なピークが確認された。一方、図4(b)に示すように、比較例1では、ダイヤモンド型のSi結晶相の典型的なピークが確認された。
[Evaluation]
(XRD measurement)
The negative electrode active materials obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα radiation. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 4A, in Example 1, 2θ = 19.44 °, 21.32 °, 30.33 °, 31.60 °, 32.82 °, 36.29 °, 52.39. ° and 55.49 °, a typical peak of a silicon clathrate type I crystal phase was confirmed. On the other hand, as shown in FIG. 4B, in Comparative Example 1, a typical peak of a diamond-type Si crystal phase was confirmed.
また、図4(a)に示すように、実施例1では、2θ=28.44°の位置に、ダイヤモンド型のSi結晶相のピークが僅かに確認された。シリコンクラスレートI型の結晶相における2θ=32.82°のピークの回折強度をIAとし、ダイヤモンド型のSi結晶相における2θ=28.44°のピークの回折強度をIBとした場合に、IB/IAは、0.08であった。 In addition, as shown in FIG. 4A, in Example 1, a slight peak of a diamond-type Si crystal phase was observed at a position of 2θ = 28.44 °. The diffraction intensity of the peak of 2 [Theta] = 32.82 ° in the silicon clathrate I type crystal phase and I A, the diffraction intensity of the peak of 2 [Theta] = 28.44 ° in diamond-type Si crystal phase when the I B , I B / I a was 0.08.
(SEM−EDX測定)
実施例1で得られた負極活物質に対して、SEM−EDX(走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)測定を行い、Na/Siを測定した。その結果、Na/Siが0.1であった。すなわち、実施例1で得られた負極活物質は、Na4.6Si46で表される組成を有することが確認された。
(SEM-EDX measurement)
The negative electrode active material obtained in Example 1 was subjected to SEM-EDX (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) measurement to measure Na / Si. As a result, Na / Si was 0.1. That is, it was confirmed that the negative electrode active material obtained in Example 1 had a composition represented by Na 4.6 Si 46 .
(TEM観察)
実施例1で得られた負極活物質に対して、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察を行った。シリコンクラスレートI型の結晶相の同定は、TEM観察でも可能である。回折スポットをフーリエ変換して得られた画像を図5(a)に示す。図5(a)における白いスポットはSiの位置を示しており、図5(b)は、図5(a)の結晶構造図に該当する。図5(a)および図5(b)に示すように、結晶構造内に空間が広がっており、模式的にLiを配置した場合は、結晶構造内の空間にLiが入りやすいことが示唆された。なお、TEM画像から、活物質の一次粒子径は、おおよそ、100nm〜数μmの範囲内であった。また、シリコンクラスレートI型の結晶相の格子定数は、約1.015nmであった。
(TEM observation)
The negative electrode active material obtained in Example 1 was observed with a transmission electron microscope (TEM). The identification of the silicon clathrate type I crystal phase is also possible by TEM observation. FIG. 5A shows an image obtained by Fourier-transforming the diffraction spot. The white spot in FIG. 5A indicates the position of Si, and FIG. 5B corresponds to the crystal structure diagram of FIG. As shown in FIGS. 5A and 5B, the space is expanded in the crystal structure, and when Li is schematically arranged, it is suggested that Li easily enters the space in the crystal structure. Was. From the TEM image, the primary particle size of the active material was approximately in the range of 100 nm to several μm. The lattice constant of the silicon clathrate type I crystal phase was about 1.015 nm.
(充放電試験)
実施例1および比較例1で得られた評価用電池に対して、充放電試験を行った。充放電試験の条件は、拘束圧(定寸)5MPa、充電0.1C、放電1C、カット電圧3.0V−4.55Vとし、初回充電容量および初回放電容量を求めた。その結果を図6および表1に示す。また、初回充電時に、評価用電池の拘束圧をモニタリングし、4.55Vでの拘束圧を測定し、充放電前の状態からの拘束圧増加量を求めた。その結果を図7および表1に示す。なお、表1における拘束圧増加量の結果は、比較例1の結果を100とした場合の相対値である。
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the evaluation batteries obtained in Example 1 and Comparative Example 1. The conditions of the charge / discharge test were a constraint pressure (fixed size) of 5 MPa, a charge of 0.1 C, a discharge of 1 C, a cut voltage of 3.0 V to 4.55 V, and an initial charge capacity and an initial discharge capacity were obtained. The results are shown in FIG. At the time of the first charge, the restraint pressure of the evaluation battery was monitored, the restraint pressure at 4.55 V was measured, and the increase in the restraint pressure from the state before charge / discharge was determined. The results are shown in FIG. In addition, the result of the restraint pressure increase amount in Table 1 is a relative value when the result of Comparative Example 1 is set to 100.
図6および表1に示すように、実施例1および比較例1は、ほぼ同じ充放電挙動を示した。すなわち、本開示における活物質は、従来のSi粒子と同様の性能を有することが確認された。これに対して、図7および表1に示すように、実施例1は、比較例1に比べて拘束圧増加量が顕著に小さいこと、すなわち、体積変化が顕著に小さいことが確認された。 As shown in FIG. 6 and Table 1, Example 1 and Comparative Example 1 exhibited almost the same charge / discharge behavior. That is, it was confirmed that the active material according to the present disclosure has the same performance as the conventional Si particles. On the other hand, as shown in FIG. 7 and Table 1, it was confirmed that in Example 1, the increase in the constraining pressure was significantly smaller than that in Comparative Example 1, that is, the volume change was significantly smaller.
また、実施例1および比較例1で得られた評価用電池に対して、拘束圧(定寸)5MPa、充電1/3C、放電1/3C、カット電圧3.0V−4.55Vの条件で、5サイクルの充放電を行った。5サイクル目の充電容量および放電容量を求めた。その結果を表2に示す。また、5サイクル目の充電時に、評価用電池の拘束圧をモニタリングし、4.55Vでの拘束圧を測定し、充放電前の状態からの拘束圧増加量を求めた。その結果を表2に示す。なお、表2における拘束圧増加量の結果は、比較例1の結果を100とした場合の相対値である。 The evaluation batteries obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to a constraint pressure (fixed size) of 5 MPa, a charge of 1/3 C, a discharge of 1/3 C, and a cut voltage of 3.0 V to 4.55 V. 5 cycles of charge / discharge were performed. The charge capacity and discharge capacity at the fifth cycle were determined. Table 2 shows the results. Further, at the time of charging in the fifth cycle, the restraining pressure of the evaluation battery was monitored, the restraining pressure at 4.55 V was measured, and the increase in the restraining pressure from the state before charge and discharge was obtained. Table 2 shows the results. In addition, the result of the restraint pressure increase amount in Table 2 is a relative value when the result of Comparative Example 1 is set to 100.
表2に示すように、5サイクル後であっても、実施例1は、比較例1に比べて拘束圧増加量が顕著に小さいこと、すなわち、体積変化が顕著に小さいことが確認された。また、5サイクル後の評価用電池を解体し、Ar雰囲気のグローブボックス内でXRD測定を行った。その結果を図8に示す。なお、図8(a)、(b)において、それぞれ、上段は充放電前の負極活物質に対するXRD測定の結果であり、下段は5サイクル後の評価用電池に対するXRD測定の結果である。また、図8において、CAは正極活物質、SEは固体電解質、Cuは銅箔を示す。 As shown in Table 2, it was confirmed that even after 5 cycles, the increase in the confining pressure in Example 1 was significantly smaller than that in Comparative Example 1, that is, the change in volume was significantly smaller. The battery for evaluation after 5 cycles was disassembled, and XRD measurement was performed in a glove box in an Ar atmosphere. FIG. 8 shows the result. 8A and 8B, the upper row shows the results of XRD measurement on the negative electrode active material before charging and discharging, and the lower row shows the results of XRD measurement on the evaluation battery after 5 cycles. 8, CA indicates a positive electrode active material, SE indicates a solid electrolyte, and Cu indicates a copper foil.
図8(a)に示すように、比較例1では、5サイクルの充放電により、負極活物質(ダイヤモンド型の結晶相を有するSi粒子)に由来するピークは完全に消失しており、負極活物質がアモルファス化していることが確認された。アモルファスは一般的に結晶よりも密度が低いため、充放電による体積変化が大きくなる原因であると考えられる。 As shown in FIG. 8A, in Comparative Example 1, the peak derived from the negative electrode active material (Si particles having a diamond-type crystal phase) completely disappeared by five cycles of charge and discharge. It was confirmed that the substance was amorphous. Since amorphous is generally lower in density than crystal, it is considered to be a cause of a large volume change due to charge and discharge.
これに対して、図8(b)に示すように、実施例1では、5サイクルの充放電を行っても、負極活物質(シリコンクラスレートI型の結晶相を有する活物質)に由来するピークが確認された。その理由は、シリコンクラスレートI型の結晶相が、その内部空間を利用してLi挿入脱離を行うことで、Si−Si結合に加わる応力が緩和され、アモルファス化を抑制できたためであると考えられる。そのため、表2に示すように、実施例1では、拘束圧の増加が抑制されたと推測される。 On the other hand, as shown in FIG. 8 (b), in Example 1, even after 5 cycles of charge / discharge, the negative electrode active material (active material having a silicon clathrate I-type crystal phase) is derived. A peak was observed. The reason is that the silicon clathrate I-type crystal phase, by performing Li insertion and desorption using its internal space, was able to alleviate the stress applied to the Si—Si bond and suppress the amorphousization. Conceivable. Therefore, as shown in Table 2, in Example 1, it is assumed that the increase in the constraining pressure was suppressed.
[実施例2]
Si粒子(純度:99.999%)と、金属Na(純度:99.5%)とを、Si粒子:金属Na=1:1.1のモル比で秤量し、窒化ホウ素製るつぼに投入し、Ar雰囲気下で密閉した。その後、700℃、20時間の条件で熱処理を行った。これにより、NaSi化合物(ジントル)を得た。得られたNaSi化合物を粉砕し、真空下(約0.05Pa)、400℃、5時間の条件で熱処理を行い、Naを脱離させた。得られた化合物を乳鉢で粉砕し、活物質を得た。得られた活物質を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、評価用電池を得た。
[Example 2]
Si particles (purity: 99.999%) and metallic Na (purity: 99.5%) were weighed at a molar ratio of Si particles: metallic Na = 1: 1.1, and charged into a crucible made of boron nitride. And sealed under an Ar atmosphere. Thereafter, heat treatment was performed at 700 ° C. for 20 hours. Thus, a NaSi compound (gintle) was obtained. The obtained NaSi compound was pulverized and heat-treated at 400 ° C. for 5 hours under vacuum (about 0.05 Pa) to desorb Na. The obtained compound was ground in a mortar to obtain an active material. A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1, except that the obtained active material was used.
[評価]
(XRD測定)
実施例2で得られた負極活物質に対して、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。その結果を図9に示す。図9に示すように、実施例2で得られた負極活物質は、実施例1で得られた負極活物質と同様に、シリコンクラスレートI型の結晶相を主たる結晶相として有することが確認された。一方、実施例2で得られた負極活物質は、シリコンクラスレートII型の結晶相、ダイヤモンド型のSi結晶相、ジントル相のピークも確認された。このように、本開示における活物質は、製造条件の影響を受けやすいことが示唆された。
[Evaluation]
(XRD measurement)
The negative electrode active material obtained in Example 2 was subjected to X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα radiation. FIG. 9 shows the result. As shown in FIG. 9, it was confirmed that the negative electrode active material obtained in Example 2 had a silicon clathrate I type crystal phase as a main crystal phase, similarly to the negative electrode active material obtained in Example 1. Was done. On the other hand, in the negative electrode active material obtained in Example 2, peaks of a silicon clathrate II type crystal phase, a diamond type Si crystal phase, and a gintle phase were also confirmed. Thus, it was suggested that the active material in the present disclosure is easily affected by the manufacturing conditions.
[比較例2]
Si粒子(純度:99.999%)と、金属Na(純度:99.5%)とを、Si粒子:金属Na=1:1.1のモル比で秤量し、窒化ホウ素製るつぼに投入し、Ar雰囲気下で密閉した。その後、700℃、20時間の条件で熱処理を行った。これにより、NaSi化合物(ジントル相を有する化合物)を得た。得られたNaSi化合物を粉砕し、真空下(約0.1Pa)で昇温速度15℃/minの条件で加熱した。400℃に到達後、5時間熱処理を行い、Naを脱離させた。得られた化合物を乳鉢で粉砕した。その後、分級により粒径を調整し、負極活物質粒子A(平均二次粒子径=5μm)および負極活物質粒子B(平均二次粒子径=3μm)を得た。
[Comparative Example 2]
Si particles (purity: 99.999%) and metallic Na (purity: 99.5%) were weighed at a molar ratio of Si particles: metallic Na = 1: 1.1, and charged into a crucible made of boron nitride. And sealed under an Ar atmosphere. Thereafter, heat treatment was performed at 700 ° C. for 20 hours. Thus, a NaSi compound (a compound having a gintle phase) was obtained. The obtained NaSi compound was pulverized and heated under vacuum (about 0.1 Pa) at a rate of temperature increase of 15 ° C./min. After reaching 400 ° C., heat treatment was performed for 5 hours to desorb Na. The obtained compound was ground in a mortar. Thereafter, the particle size was adjusted by classification to obtain negative electrode active material particles A (average secondary particle size = 5 μm) and negative electrode active material particles B (average secondary particle size = 3 μm).
次に、固体電解質粒子(Li3PS4)0.4g、得られた負極活物質粒子A0.8g、導電材(VGCF)0.06g、バインダー溶液(PVDF系樹脂を5重量%で含有する酪酸ブチル溶液)0.32gを、ポリプロピレン製容器に添加した。当該容器を超音波分散装置で30秒間超音波処理し、振とう器を用いて30分間振とう処理することで、相対的に負極活物質の含有量が多いスラリーAを得た。 Next, 0.4 g of solid electrolyte particles (Li 3 PS 4 ), 0.8 g of the obtained negative electrode active material particles A, 0.06 g of a conductive material (VGCF), and a binder solution (butyric acid containing 5% by weight of a PVDF resin) (Butyl solution) 0.32 g was added to a polypropylene container. The container was subjected to ultrasonic treatment using an ultrasonic dispersing device for 30 seconds, and then subjected to shaking using a shaker for 30 minutes, thereby obtaining a slurry A having a relatively large content of the negative electrode active material.
また、固体電解質粒子(Li3PS4)0.7g、得られた負極活物質粒子B0.6g、導電材(VGCF)0.06g、バインダー溶液(PVDF系樹脂を5重量%で含有する酪酸ブチル溶液)0.24gを、ポリプロピレン製容器に添加した。当該容器を超音波分散装置で30秒間超音波処理し、振とう器を用いて30分間振とう処理することで、相対的に負極活物質の含有量が少ないスラリーBを得た。 Further, 0.7 g of solid electrolyte particles (Li 3 PS 4 ), 0.6 g of the obtained negative electrode active material particles B, 0.06 g of a conductive material (VGCF), and a binder solution (butyl butyrate containing 5% by weight of a PVDF-based resin) Solution) 0.24 g was added to a polypropylene container. The container was subjected to ultrasonic treatment using an ultrasonic dispersing device for 30 seconds, and then subjected to shaking using a shaker for 30 minutes, thereby obtaining a slurry B having a relatively small content of the negative electrode active material.
スラリーAを、アプリケーターを用いたブレード法により、負極集電体(銅箔)上に塗工し、60分間自然乾燥した。その後、乾燥した塗膜上に、スラリーBを、アプリケーターを用いたブレード法により塗工し、60分間自然乾燥した。その後、100℃に調整したホットプレート上で30分間乾燥した。これにより、負極層および負極集電体を有する負極構造体を得た。得られた負極構造体を用いたこと以外は、実施例1と同様にして評価用電池を得た。 The slurry A was applied on a negative electrode current collector (copper foil) by a blade method using an applicator, and air-dried for 60 minutes. Thereafter, the slurry B was applied on the dried coating film by a blade method using an applicator, and air-dried for 60 minutes. Then, it dried on the hot plate adjusted to 100 degreeC for 30 minutes. Thereby, a negative electrode structure having a negative electrode layer and a negative electrode current collector was obtained. A battery for evaluation was obtained in the same manner as in Example 1 except that the obtained negative electrode structure was used.
[実施例3〜5、比較例3、4]
真空熱処理条件を、表3に記載された条件に変更したこと以外は、比較例2と同様にして評価用電池を得た。
[Examples 3 to 5, Comparative Examples 3 and 4]
An evaluation battery was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that the vacuum heat treatment conditions were changed to the conditions described in Table 3.
[評価]
(XRD測定)
実施例3〜5および比較例2〜4で得られた負極活物質に対して、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。その結果を図10〜図15に示す。図10に示すように、比較例2では、シリコンクラスレートI型の結晶相のピークが確認され、同時に、ジントル相のピークが僅かに確認された。一方、比較例2では、ダイヤモンド型のSi結晶相のピークは確認されなかった。また、図11〜図13に示すように、実施例3、4および比較例3では、いずれも、シリコンクラスレートI型の結晶相のピークが確認され、同時に、ダイヤモンド型のSi結晶相のピークが僅かに確認された。さらに、実施例5では、シリコンクラスレートI型の結晶相のピーク、および、ダイヤモンド型のSi結晶相のピークが確認された。一方、比較例4では、ダイヤモンド型のSi結晶相のピークが確認されたが、シリコンクラスレートI型の結晶相のピークは確認されなかった。また、それぞれのチャートに基づいて、IB/IAの値を求めた。その結果を表3に示す。
[Evaluation]
(XRD measurement)
The negative electrode active materials obtained in Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 were subjected to X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα radiation. The results are shown in FIGS. As shown in FIG. 10, in Comparative Example 2, the peak of the silicon clathrate I-type crystal phase was confirmed, and at the same time, the peak of the gintle phase was slightly confirmed. On the other hand, in Comparative Example 2, the peak of the diamond-type Si crystal phase was not confirmed. Further, as shown in FIGS. 11 to 13, in Examples 3 and 4 and Comparative Example 3, the peak of the silicon clathrate I-type crystal phase was confirmed, and at the same time, the peak of the diamond-type Si crystal phase was observed. Was slightly confirmed. Further, in Example 5, a peak of a silicon clathrate I-type crystal phase and a peak of a diamond-type Si crystal phase were confirmed. On the other hand, in Comparative Example 4, the peak of the diamond-type Si crystal phase was confirmed, but the peak of the silicon clathrate I-type crystal phase was not confirmed. Further, based on the respective chart to determine the value of I B / I A. Table 3 shows the results.
(SEM−EDX測定)
実施例3〜5および比較例2〜4で得られた負極活物質に対して、SEM−EDX(走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)測定を行い、Na/Siを測定した。Na/Siは、EDX分析によるNaおよびSiのシグナル強度比に基づく原子数比から算出した。Na/Siから、NaxSi46におけるxを求めた。その結果を表3に示す。
(SEM-EDX measurement)
The negative electrode active materials obtained in Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 were subjected to SEM-EDX (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) measurement to measure Na / Si. Na / Si was calculated from the atomic number ratio based on the signal intensity ratio of Na and Si by EDX analysis. X in Na x Si 46 was determined from Na / Si. Table 3 shows the results.
(充放電試験)
実施例3〜5および比較例2〜4で得られた評価用電池に対して、充放電試験を行った。充放電試験の条件は、拘束圧(定寸)5MPa、充電0.1C、放電1C、カット電圧3.0V−4.55Vとし、初回充電容量および初回放電容量を求めた。その結果を表3に示す。また、初回充電時に、評価用電池の拘束圧をモニタリングし、4.55Vでの拘束圧を測定し、充放電前の状態からの拘束圧増加量を求めた。その結果を表3に示す。なお、表3における拘束圧増加量の結果は、比較例3の結果を100とした場合の相対値である。また、Na量xと拘束圧増加量との関係を図16に示す。
(Charge / discharge test)
A charge / discharge test was performed on the evaluation batteries obtained in Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4. The conditions of the charge / discharge test were a constraint pressure (fixed size) of 5 MPa, a charge of 0.1 C, a discharge of 1 C, a cut voltage of 3.0 V to 4.55 V, and an initial charge capacity and an initial discharge capacity were obtained. Table 3 shows the results. At the time of the first charge, the restraint pressure of the evaluation battery was monitored, the restraint pressure at 4.55 V was measured, and the increase in the restraint pressure from the state before charge / discharge was determined. Table 3 shows the results. In addition, the result of the restraint pressure increase amount in Table 3 is a relative value when the result of Comparative Example 3 is set to 100. FIG. 16 shows the relationship between the amount x of Na and the amount of increase in the confining pressure.
表3に示すように、実施例3〜5および比較例2〜4は、充電容量および放電容量が、比較例1とほぼ同じであった。すなわち、実施例3〜5および比較例2〜4で得られた活物質は、従来のSi粒子と同様の性能を有することが確認された。また、表3および図16に示されるように、実施例3〜5は、比較例2〜4に比べて、拘束圧増加量が小さいこと、すなわち、体積変化が小さいことが確認された。実施例3の拘束圧増加量が比較例2、3の拘束圧増加量がより小さくなった理由は、シリコンクラスレートI型の結晶構造において、Naが位置すべきサイトに、Liが挿入されることによって、負極活物質としての体積変化が抑制されたためであると推測される。一方、比較例4の拘束圧増加量が実施例5の拘束圧増加量がより大きくなった理由は、図15に示すように、シリコンクラスレートI型の結晶相ではなく、ダイヤモンド型のSi結晶相が析出したためであると推測される。 As shown in Table 3, Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 had substantially the same charge capacity and discharge capacity as Comparative Example 1. That is, it was confirmed that the active materials obtained in Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 had the same performance as conventional Si particles. As shown in Table 3 and FIG. 16, it was confirmed that Examples 3 to 5 had a smaller increase in restraint pressure, that is, a smaller volume change, than Comparative Examples 2 and 4. The reason why the increase in the constraining pressure in Example 3 is smaller than that in Comparative Examples 2 and 3 is that Li is inserted into the site where Na should be located in the silicon clathrate I-type crystal structure. This is presumed to be because the volume change as the negative electrode active material was suppressed. On the other hand, the reason why the increase in the constraining pressure in Comparative Example 4 was larger than that in Example 5 is that, as shown in FIG. 15, not a silicon clathrate I-type crystal phase but a diamond-type Si crystal. It is presumed that the phase was precipitated.
1 …正極層
2 …電解質層
3 …負極層
4 …正極集電体
5 …負極集電体
10 …電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Positive electrode layer 2 ... Electrolyte layer 3 ... Negative electrode layer 4 ... Positive electrode current collector 5 ... Negative electrode current collector 10 ... Battery
Claims (11)
前記ダイヤモンド型のSi結晶相は、CuKα線を用いたX線回折測定において、2θ=28.44°±1.00°の位置にピークを有し、
前記2θ=32.82°±1.00°のピークの回折強度をIAとし、前記2θ=28.44°±1.00°のピークの回折強度をIBとした場合に、IB/IAが、0より大きく、0.1以下である、請求項3に記載の活物質。 The active material has a diamond-type Si crystal phase,
The diamond-type Si crystal phase has a peak at a position of 2θ = 28.44 ° ± 1.00 ° in X-ray diffraction measurement using CuKα radiation,
Wherein the diffraction intensity of the peak of 2θ = 32.82 ° ± 1.00 ° and I A, the diffraction intensity of the peak of the 2θ = 28.44 ° ± 1.00 ° when the I B, I B / I a is greater than 0, 0.1 or less, the active material of claim 3.
前記負極層が、請求項1から請求項6までのいずれかの請求項に記載の活物質を含有する、電池。 A battery having a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer in this order,
A battery, wherein the negative electrode layer contains the active material according to any one of claims 1 to 6.
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