JP2022079000A - Composite material and negative electrode material for all-solid-state lithium ion secondary battery - Google Patents

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Akio Tonegawa
浩文 井上
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Abstract

To provide a composite material capable of giving high coulomb efficiency and good cycle characteristics when used as a negative electrode material for an all-solid-state lithium ion secondary battery, and the negative electrode material for the all-solid-state lithium ion secondary battery.SOLUTION: A composite material contains composite particles C in which metal oxide particles 23 are adhered to a surface of a graphite particle 21 through a carbonaceous layer 22, and the composite particles have, on their surfaces, a part where at least one of the graphite particle and the carbonaceous layer is exposed.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、複合材料及び全固体型リチウムイオン二次電池用負極材に関し、特に黒鉛と金属酸化物とを含む複合材料及び該複合材料を含む全固体型リチウムイオン二次電池用負極材に関する。 The present invention relates to a composite material and a negative electrode material for an all-solid-state lithium ion secondary battery, and more particularly to a composite material containing graphite and a metal oxide and a negative electrode material for an all-solid-state lithium ion secondary battery containing the composite material.

近年、ノートパソコン、携帯電話等の電子機器、及び自動車等の輸送機器の電源として、リチウムイオン二次電池が普及してきた。これらの機器は、小型化、軽量化、薄型化の要求が高まっている。これらの要求に応えるべく、小型で軽量かつ大容量の二次電池が求められている。 In recent years, lithium ion secondary batteries have become widespread as a power source for electronic devices such as notebook computers and mobile phones, and transportation devices such as automobiles. There is an increasing demand for these devices to be smaller, lighter, and thinner. In order to meet these demands, a small, lightweight and large capacity secondary battery is required.

一般的なリチウムイオン二次電池では、正極材としてリチウムを含む化合物、負極材として黒鉛、コークス等の炭素材料が用いられる。さらに、正極と負極との間には、炭酸プロピレン、炭酸エチレンなどの浸透力を有する非プロトン性の溶媒に、電解質としてLiPF、LiBF等のリチウム塩を溶解した電解液、またはその電解液を含浸させたポリマーゲルからなる電解質層が備えられている。これらの構成は、電池ケース用包装材により包装され保護される。 In a general lithium ion secondary battery, a compound containing lithium is used as a positive electrode material, and a carbon material such as graphite or coke is used as a negative electrode material. Further, between the positive electrode and the negative electrode, an electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 as an electrolyte in an aprotonic solvent having penetrating power such as propylene carbonate or ethylene carbonate, or an electrolytic solution thereof. It is provided with an electrolyte layer made of a polymer gel impregnated with. These configurations are packaged and protected by the battery case packaging material.

全固体型リチウムイオン二次電池では、正極層と負極層との間に固体電解質層がある。すなわち、上記の一般的なリチウムイオン二次電池に対して、電解質を固体としたものである。固体電解質層として、LiS、P等の硫化物が代表的に用いられている。負極では、黒鉛が負極活物質として代表的に用いられている。 In an all-solid-state lithium-ion secondary battery, there is a solid electrolyte layer between the positive electrode layer and the negative electrode layer. That is, the electrolyte is solid as compared with the above-mentioned general lithium ion secondary battery. As the solid electrolyte layer, sulfides such as LiS and P2S 5 are typically used. In the negative electrode, graphite is typically used as the negative electrode active material.

しかし、固体電解質と黒鉛とは相性が悪く、特に固体電解質として硫化物が用いられる場合は、固体電解質と黒鉛を用いた負極との間の電気抵抗が特に高くなる。また、全固体型の電池では、負極中に固体電解質を添加することもあり、黒鉛と固体電解質とは、互いに分散させることが難しく、黒鉛粒子が均一分散しないことにより抵抗の増大を招いている。これに対して、黒鉛を金属酸化物の層でコーティングする構成が検討されている。 However, the solid electrolyte and graphite are incompatible with each other, and particularly when sulfide is used as the solid electrolyte, the electrical resistance between the solid electrolyte and the negative electrode using graphite becomes particularly high. Further, in an all-solid-state battery, a solid electrolyte may be added to the negative electrode, and it is difficult to disperse graphite and the solid electrolyte with each other, and graphite particles are not uniformly dispersed, which causes an increase in resistance. .. On the other hand, a configuration in which graphite is coated with a layer of a metal oxide is being studied.

例えば、特許文献1では、炭素材料等の負極活物質表面に、カルボキシル基を有する高分子化合物及び金属酸化物粒子が付着してなるリチウムイオン二次電池用負極材料が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a negative electrode material for a lithium ion secondary battery in which a polymer compound having a carboxyl group and metal oxide particles are attached to the surface of a negative electrode active material such as a carbon material.

特許文献2では、結晶性炭素系基材と、その表面に配置された金属酸化物ナノ粒子とを備える負極活物質が開示されている。負極活物質の製造方法としては、結晶性炭素系基材、金属酸化物、前駆体及び溶媒を混合し、得られた混合溶液を乾燥させ、熱処理することが記載されている。 Patent Document 2 discloses a negative electrode active material including a crystalline carbon-based substrate and metal oxide nanoparticles arranged on the surface thereof. As a method for producing a negative electrode active material, it is described that a crystalline carbon-based substrate, a metal oxide, a precursor and a solvent are mixed, and the obtained mixed solution is dried and heat-treated.

特開2013-157339号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-157339 特開2015-115319号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-115319

しかし、特許文献1の負極材料は、金属酸化物粒子は、十分な力で負極活物質表面に付着しておらず、充放電を繰り返すと、多くの金属酸化物粒子が負極活物質から脱落する。そのため、この負極材料を用いて作製された二次電池はサイクル特性が十分でない。また、負極材料の導電性を確保するために、負極活物質表面を露出させる部分を設ける必要があり、高分子化合物が負極活物質を覆うことができる範囲は限られており、負極材料表面に偏りなく金属酸化物粒子を付着させることは難しい。 However, in the negative electrode material of Patent Document 1, the metal oxide particles do not adhere to the surface of the negative electrode active material with sufficient force, and when charging and discharging are repeated, many metal oxide particles fall off from the negative electrode active material. .. Therefore, the secondary battery manufactured by using this negative electrode material does not have sufficient cycle characteristics. Further, in order to ensure the conductivity of the negative electrode material, it is necessary to provide a portion that exposes the surface of the negative electrode active material, and the range in which the polymer compound can cover the negative electrode active material is limited, and the surface of the negative electrode material is covered. It is difficult to adhere the metal oxide particles without bias.

また、特許文献2の負極活物質についても、結晶性炭素基材と金属酸化物ナノ粒子との間の結合力は十分ではなく、充放電を繰り返すと、多くの金属酸化物ナノ粒子は基材から脱落すると考えられる。そのため、この負極活物質を用いて作製された二次電池はサイクル特性が十分でない。 Further, also in the negative electrode active material of Patent Document 2, the bonding force between the crystalline carbon base material and the metal oxide nanoparticles is not sufficient, and when charging and discharging are repeated, many metal oxide nanoparticles become the base material. It is thought that it will drop out of. Therefore, the secondary battery manufactured by using this negative electrode active material does not have sufficient cycle characteristics.

そこで、本発明では、全固体型リチウムイオン二次電池の負極材料として用いた場合において高いクーロン効率と良好なサイクル特性が得られる複合材料、及び全固体型リチウムイオン二次電池用負極材を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a composite material that can obtain high Coulomb efficiency and good cycle characteristics when used as a negative electrode material for an all-solid-state lithium-ion secondary battery, and a negative electrode material for an all-solid-state lithium-ion secondary battery. The purpose is to do.

上記目的を達成するための本発明の構成は以下のとおりである。 The configuration of the present invention for achieving the above object is as follows.

〔1〕黒鉛粒子の表面に炭素質層を介して金属酸化物粒子が付着した複合粒子を含む複合材料であって、該複合粒子は、黒鉛粒子及び炭素質層の少なくとも一方が露出している部分を表面に有することを特徴とする複合材料。
〔2〕前記複合粒子は、炭素質層が露出している部分を有する〔1〕に記載の複合材料。
〔3〕前記炭素質層は、黒鉛粒子表面に沿って形成されたグラフェン構造を有する〔1〕または〔2〕に記載の複合材料。
〔4〕前記炭素質層の平均厚さは、0.1nm以上30nm以下である〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の複合材料。
〔5〕前記黒鉛粒子の、体積基準の累積粒度分布における50%粒子径は、2μm以上であって、前記金属酸化物粒子のBET比表面積から算出される平均一次粒子径は100nm以下である〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の複合材料。
〔6〕前記黒鉛粒子100質量部に対する前記金属酸化物粒子の含有量は0.1質量部以上10質量部以下である〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の複合材料。
〔7〕前記金属酸化物粒子は、1族から12族、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、スズ、及び鉛のうち少なくともいずれかの金属の酸化物を含む〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の複合材料。
〔8〕前記金属酸化物粒子は、酸化チタンを含む〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の複合材料。
〔9〕前記酸化チタンの全結晶相中のアナターゼ結晶相の含有率は70質量%以上である〔8〕に記載の複合材料。
〔10〕前記酸化チタンの全結晶相中のルチル結晶相の含有率は70質量%以上である〔8〕に記載の複合材料。
〔11〕〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の複合材料を含む全固体型リチウムイオン二次電池用負極材。
〔12〕〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の複合材料と、硫化物固体電解質とを含む全固体型リチウムイオン二次電池用負極。
〔13〕黒鉛粒子と、有機化合物と、金属酸化物粒子とを混合する混合工程、及び前記混合工程で得られた混合物を非酸化性ガス雰囲気下において600℃以上2000℃以下で熱処理する熱処理工程を含む複合材料の製造方法。
〔14〕有機化合物を含有する金属酸化物粒子と、黒鉛粒子と、を混合する混合工程、及び前記混合工程で得られた混合物を非酸化性ガス雰囲気下において600℃以上2000℃以下で熱処理する熱処理工程を含む複合材料の製造方法。
[1] A composite material containing composite particles in which metal oxide particles are attached to the surface of graphite particles via a carbonaceous layer, in which at least one of the graphite particles and the carbonaceous layer is exposed. A composite material characterized by having a portion on the surface.
[2] The composite material according to [1], wherein the composite particles have a portion where the carbonaceous layer is exposed.
[3] The composite material according to [1] or [2], wherein the carbonaceous layer has a graphene structure formed along the surface of graphite particles.
[4] The composite material according to any one of [1] to [3], wherein the carbonaceous layer has an average thickness of 0.1 nm or more and 30 nm or less.
[5] The 50% particle size of the graphite particles in the volume-based cumulative particle size distribution is 2 μm or more, and the average primary particle size calculated from the BET specific surface area of the metal oxide particles is 100 nm or less [5]. 1] The composite material according to any one of [4].
[6] The composite material according to any one of [1] to [5], wherein the content of the metal oxide particles with respect to 100 parts by mass of the graphite particles is 0.1 part by mass or more and 10 parts by mass or less.
[7] Any of [1] to [6], wherein the metal oxide particles contain oxides of at least one of Group 1 to Group 12, aluminum, gallium, indium, thallium, tin, and lead. The composite material described in.
[8] The composite material according to any one of [1] to [7], wherein the metal oxide particles contain titanium oxide.
[9] The composite material according to [8], wherein the content of the anatase crystal phase in the total crystal phase of titanium oxide is 70% by mass or more.
[10] The composite material according to [8], wherein the content of the rutile crystal phase in the total crystal phase of titanium oxide is 70% by mass or more.
[11] A negative electrode material for an all-solid-state lithium ion secondary battery containing the composite material according to any one of [1] to [10].
[12] A negative electrode for an all-solid-state lithium-ion secondary battery containing the composite material according to any one of [1] to [10] and a sulfide solid electrolyte.
[13] A mixing step of mixing graphite particles, an organic compound, and metal oxide particles, and a heat treatment step of heat-treating the mixture obtained in the mixing step at 600 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower in a non-oxidizing gas atmosphere. A method for manufacturing a composite material including.
[14] A mixing step of mixing metal oxide particles containing an organic compound and graphite particles, and a mixture obtained in the mixing step are heat-treated at 600 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower in a non-oxidizing gas atmosphere. A method for producing a composite material including a heat treatment step.

本発明によれば、全固体型リチウムイオン二次電池の負極材料として用いた場合において高いクーロン効率と良好なサイクル特性が得られる複合材料、及び全固体型リチウムイオン二次電池用負極材を提供することができる。 According to the present invention, there are provided a composite material that can obtain high Coulomb efficiency and good cycle characteristics when used as a negative electrode material for an all-solid-state lithium-ion secondary battery, and a negative electrode material for an all-solid-state lithium-ion secondary battery. can do.

本発明の一実施形態にかかる全固体型リチウムイオン電池1の構成の一例を示した概略図である。It is a schematic diagram which showed an example of the structure of the all-solid-state lithium ion battery 1 which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる複合材料の粒子の構成を示した模式図である。It is a schematic diagram which showed the composition of the particle of the composite material which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる複合材料の粒子の構成を示した模式図である。It is a schematic diagram which showed the composition of the particle of the composite material which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例48で製造された複合材料の粒子の過型電子顕微鏡写真である。9 is an electron micrograph of the composite material particles produced in Example 48. 実施例53で製造された複合材料の粒子の過型電子顕微鏡写真である。(囲み部分が金属酸化物)FIG. 3 is an electron micrograph of the composite material particles produced in Example 53. (The enclosed part is a metal oxide)

以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

以下の説明において、「体積基準の累積粒度分布における50%粒子径」及び「D50」は、レーザー回折・散乱法によって求めた体積基準の累積粒径分布において50%となる粒子径である。 In the following description, "50% particle size in the volume-based cumulative particle size distribution" and "D50" are particle sizes that are 50% in the volume-based cumulative particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method.

<1.全固体型リチウムイオン二次電池>
図1は、本実施形態にかかる全固体型リチウムイオン二次電池1の構成の一例を示した概略図である。全固体型リチウムイオン二次電池1は、正極層11と、固体電解質層12と、負極層13とを備える。
<1. All-solid-state lithium-ion secondary battery >
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of the all-solid-state lithium ion secondary battery 1 according to the present embodiment. The all-solid-state lithium-ion secondary battery 1 includes a positive electrode layer 11, a solid electrolyte layer 12, and a negative electrode layer 13.

正極層11は、正極集電体111と正極合剤層112とを有する。正極集電体111は、外部回路との電荷の授受を行うための正極リード111aが接続されている。正極集電体111は、金属箔であることが好ましく、金属箔としては、アルミニウム箔を用いることが好ましい。 The positive electrode layer 11 has a positive electrode current collector 111 and a positive electrode mixture layer 112. The positive electrode current collector 111 is connected to a positive electrode lead 111a for exchanging and receiving electric charges with an external circuit. The positive electrode current collector 111 is preferably a metal foil, and the metal foil is preferably an aluminum foil.

正極合剤層112は、正極活物質を含み、固体電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでもよい。正極活物質としてはLiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3等の岩塩型層状活物質、LiMn等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCuPO等のオリビン型活物質、LiS等の硫化物活物質等を使用することができる。また、これらの活物質はLTO(Lithium Tin Oxide)等でコーティングされていてもよい。 The positive electrode mixture layer 112 contains a positive electrode active material, and may contain a solid electrolyte, a conductive auxiliary agent, a binder, and the like. Examples of the positive electrode active material include rock salt type layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , and spinel type active materials such as LiMn 2 O 4 . An olivine-type active material such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCuPO 4 and a sulfide active material such as Li 2S can be used. Further, these active substances may be coated with LTO (Lithium Tin Oxide) or the like.

正極合剤層112に含まれる固体電解質としては、後述する固体電解質層12で挙げられている材料を用いることができるが、固体電解質層12に含まれている材料と異なる材料を用いてもよい。正極合剤層112における固体電解質の含有量は、正極活物質100質量部に対して、50質量部以上であることが好ましく、70質量部以上であることがより好ましく、80質量部以上であることがさらに好ましい。正極合剤層112における固体電解質の含有量は、正極活物質100質量部に対して、200質量部以下であることが好ましく、150質量部以下であることがより好ましく、125質量部以下であることがさらに好ましい。 As the solid electrolyte contained in the positive electrode mixture layer 112, the materials listed in the solid electrolyte layer 12 described later can be used, but a material different from the material contained in the solid electrolyte layer 12 may be used. .. The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture layer 112 is preferably 50 parts by mass or more, more preferably 70 parts by mass or more, and more preferably 80 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. Is even more preferable. The content of the solid electrolyte in the positive electrode mixture layer 112 is preferably 200 parts by mass or less, more preferably 150 parts by mass or less, and 125 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. Is even more preferable.

導電助剤としては、粒子状炭素質導電助剤、繊維状炭素質導電助剤を用いることが好ましい。粒子状炭素質導電助剤は、デンカブラック(登録商標)(電気化学工業(株)製)、ケッチェンブラック(登録商標)(ライオン(株)製)、黒鉛微粉SFGシリーズ(Timcal社製)、グラフェン等の粒子状炭素を使用することができる。繊維状炭素質導電助剤は、気相法炭素繊維「VGCF(登録商標)」「VGCF(登録商標)‐H」(昭和電工(株)製)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を使用することができる。サイクル特性に優れることから気相法炭素繊維「VGCF(登録商標)‐H」(昭和電工(株)製)が最も好ましい。 As the conductive auxiliary agent, it is preferable to use a particulate carbonaceous conductive auxiliary agent and a fibrous carbonaceous conductive auxiliary agent. The particulate carbonaceous conductive aids are Denka Black (registered trademark) (manufactured by Electrochemical Industry Co., Ltd.), Ketchen Black (registered trademark) (manufactured by Lion Co., Ltd.), Graphite fine powder SFG series (manufactured by Timcal), Particulate carbon such as graphene can be used. As the fibrous carbonaceous conductive aid, vapor phase carbon fibers "VGCF (registered trademark)" and "VGCF (registered trademark) -H" (manufactured by Showa Denko KK), carbon nanotubes, carbon nanohorns, etc. can be used. can. The vapor phase carbon fiber "VGCF (registered trademark) -H" (manufactured by Showa Denko KK) is most preferable because of its excellent cycle characteristics.

バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアセテート、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、スチレン-ブタジエンラバー、カルボキシメチルセルロース等を挙げることができる。 Examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, polyvinyl acetate, polymethacrylate, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose and the like.

正極合剤層112において、正極活物質100質量部に対するバインダーの含有量は、1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、1質量部以上7質量部以下であることがより好ましい。 In the positive electrode mixture layer 112, the content of the binder with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material is preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less, and more preferably 1 part by mass or more and 7 parts by mass or less.

固体電解質層12は、正極層11と負極層13との間に介在し、正極層11と負極層13との間でリチウムイオンを移動させるための媒体となる。固体電解質層12は、硫化物固体電解質および酸化物固体電解質からなる群から選ばれる少なくとも一つを含有することが好ましく、硫化物固体電解質を含有することがより好ましい。 The solid electrolyte layer 12 is interposed between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13, and serves as a medium for transferring lithium ions between the positive electrode layer 11 and the negative electrode layer 13. The solid electrolyte layer 12 preferably contains at least one selected from the group consisting of a sulfide solid electrolyte and an oxide solid electrolyte, and more preferably contains a sulfide solid electrolyte.

硫化物固体電解質としては、硫化物ガラス、硫化物ガラスセラミックス、Thio-LISICON型硫化物などを挙げることができる。より具体的には、例えば、LiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか)、Li10GeP12、Li3.25Ge0.250.75、30LiS・26B・44LiI、63LiS・36SiS・1LiPO、57LiS・38SiS・5LiSiO、70LiS・30P、50LiS・50GeS、Li11、Li3.250.95、LiPS、LiS・P・P等を挙げることができる。また、硫化物固体電解質材料は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良く、ガラスセラミックスであっても良い。 Examples of the sulfide solid electrolyte include sulfide glass, sulfide glass ceramics, and Thio-LISION type sulfide. More specifically, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -LiCl, Li 2 SP 2 S 5 -LiBr, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-Li I, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li I, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S-SiS 2 -LiCl, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers. Z is any of Ge, Zn, Ga), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2- Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x, y are positive numbers, M is any of P, Si, Ge, B, Al, Ga, In), 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 2.1Li 3 PO 4 , 57Li 2 S38SiS 2 5Li 4 SiO 4 , 70Li 2 S / 30P 2 S 5 , 50LiS 2.50GeS 2 , Li 7 P 3 S 11 , Li 3.25 P 0.95 S 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 S / P 2 S 3. P 2 S 5 and the like can be mentioned. Further, the sulfide solid electrolyte material may be amorphous, crystalline, or glass ceramics.

負極層13は、負極集電体131と負極合剤層132とを有する。負極集電体131は、外部回路との電荷の授受を行うための負極リード131aが接続されている。負極集電体131は、金属箔であることが好ましく、金属箔としては、銅箔またはアルミニウム箔を用いることが好ましい。 The negative electrode layer 13 has a negative electrode current collector 131 and a negative electrode mixture layer 132. The negative electrode current collector 131 is connected to a negative electrode lead 131a for exchanging and receiving electric charges with an external circuit. The negative electrode current collector 131 is preferably a metal foil, and the metal foil is preferably a copper foil or an aluminum foil.

負極合剤層132は、負極活物質を含み、固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでもよい。負極活物質としては、後述する複合材料が用いられる。 The negative electrode mixture layer 132 contains a negative electrode active material, and may contain a solid electrolyte, a binder, a conductive auxiliary agent, and the like. As the negative electrode active material, a composite material described later is used.

負極合剤層132に含まれる固体電解質としては、固体電解質層12で挙げられている材料を用いることができるが、固体電解質層12に含まれている材料と異なる材料を用いてもよい。負極合剤層132における固体電解質の含有量は、負極活物質100質量部に対して、50質量部以上であることが好ましく、70質量部以上であることがより好ましく、80質量部以上であることがさらに好ましい。負極合剤層132における固体電解質の含有量は、負極活物質100質量部に対して、200質量部以下であることが好ましく、150質量部以下であることがより好ましく、125質量部以下であることがさらに好ましい。 As the solid electrolyte contained in the negative electrode mixture layer 132, the material mentioned in the solid electrolyte layer 12 can be used, but a material different from the material contained in the solid electrolyte layer 12 may be used. The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture layer 132 is preferably 50 parts by mass or more, more preferably 70 parts by mass or more, and more preferably 80 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. Is even more preferable. The content of the solid electrolyte in the negative electrode mixture layer 132 is preferably 200 parts by mass or less, more preferably 150 parts by mass or less, and 125 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. Is even more preferable.

負極合剤層132に含まれる導電助剤としては、正極合剤層112に含まれる導電助剤で挙げられている材料を用いることができるが、正極合剤層112に含まれる導電助剤と異なる材料を用いてもよい。負極合剤層132における導電助剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して、3質量部以上であることが好ましく、4質量部以上であることがより好ましい。負極合剤層132における導電助剤の含有量は、負極活物質100質量部に対して、10質量部以下であることが好ましく、8質量部以下であることがより好ましい。 As the conductive auxiliary agent contained in the negative electrode mixture layer 132, the materials listed in the conductive auxiliary agent contained in the positive electrode mixture layer 112 can be used, but the conductive auxiliary agent contained in the positive electrode mixture layer 112 can be used. Different materials may be used. The content of the conductive auxiliary agent in the negative electrode mixture layer 132 is preferably 3 parts by mass or more, and more preferably 4 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. The content of the conductive auxiliary agent in the negative electrode mixture layer 132 is preferably 10 parts by mass or less, and more preferably 8 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.

バインダーは、例えば、正極合剤層112の説明で挙げた材料を用いてもよいが、これらに限られない。負極合剤層132において、負極活物質100質量部に対するバインダーの含有量は、1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、1質量部以上7質量部以下であることがより好ましい。 As the binder, for example, the materials mentioned in the description of the positive electrode mixture layer 112 may be used, but the binder is not limited thereto. In the negative electrode mixture layer 132, the content of the binder with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material is preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less, and more preferably 1 part by mass or more and 7 parts by mass or less.

<2.複合材料>
図2は、本実施形態にかかる複合材料に含まれる複合粒子Cの構成を示した模式図である。複合粒子Cは、黒鉛粒子21の表面に炭素質層22を介して金属酸化物粒子23が付着している構造を有する。この構造によれば、固体電解質と親和性の高い金属酸化物粒子23により、複合粒子Cと固体電解質との間で十分な接合力が得られ、負極層13と固体電解質層12との間での接合力も向上する。このとき図3のように、金属酸化物粒子23は炭素質層22に一部が埋め込まれていてもよい。また、負極合剤層132として、複合材料と固体電解質との混合物を用いる場合、複合粒子Cと固体電解質を構成する粒子とは互いに良好に分散する。
<2. Composite material>
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of composite particles C contained in the composite material according to the present embodiment. The composite particle C has a structure in which the metal oxide particles 23 are attached to the surface of the graphite particles 21 via the carbonaceous layer 22. According to this structure, the metal oxide particles 23 having a high affinity with the solid electrolyte provide sufficient bonding force between the composite particles C and the solid electrolyte, and between the negative electrode layer 13 and the solid electrolyte layer 12. The bonding force of is also improved. At this time, as shown in FIG. 3, the metal oxide particles 23 may be partially embedded in the carbonaceous layer 22. Further, when a mixture of the composite material and the solid electrolyte is used as the negative electrode mixture layer 132, the composite particles C and the particles constituting the solid electrolyte are well dispersed with each other.

複合粒子Cは、黒鉛粒子21及び炭素質層22のうち少なくとも一方が露出している部分を表面に有する。複合粒子Cは、炭素質層22が露出している部分を有することが好ましい。この構成によれば、黒鉛粒子21あるいは炭素質層22が、直接固体電解質あるいは隣接する複合粒子Cと接することができ、これらの間で、リチウムイオンの移動を容易にでき、また、良好な導電性を確保できる。そのため、二次電池として良好なレート特性及び高いクーロン効率が得られる。なお、図2では、このような構成の一例として、炭素質層22のみが露出している部分を有する構成が示されている。 The composite particle C has a portion on the surface where at least one of the graphite particles 21 and the carbonaceous layer 22 is exposed. The composite particle C preferably has a portion where the carbonaceous layer 22 is exposed. According to this configuration, the graphite particles 21 or the carbonaceous layer 22 can be in direct contact with the solid electrolyte or the adjacent composite particles C, the movement of lithium ions can be facilitated between them, and good conductivity is obtained. You can secure sex. Therefore, good rate characteristics and high coulombic efficiency can be obtained as a secondary battery. Note that FIG. 2 shows, as an example of such a configuration, a configuration having a portion where only the carbonaceous layer 22 is exposed.

黒鉛粒子21及び炭素質層22のうち少なくとも一方が露出している部分(金属酸化物粒子23が付着していない部分)を表面に有することは、透過型電子顕微鏡(TEM)によって確認することができる。 It can be confirmed by a transmission electron microscope (TEM) that at least one of the graphite particles 21 and the carbonaceous layer 22 has an exposed portion (a portion to which the metal oxide particles 23 are not attached) on the surface. can.

複合粒子C表面に占める、黒鉛粒子21が露出している部分及び炭素質層22が露出している部分の合計の面積割合R(面積%)は、以下の方法で求められる。(1)複合材料の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、複合粒子Cの中から1つの複合粒子C1をランダムに抽出する。(2)抽出された複合粒子C1において、外周に金属酸化物粒子23が付着している部分の長さの合計L1(すなわち、金属酸化物粒子23が付着している部分が複合粒子C1の外周に複数ある場合、それらの部分の長さの合計)と、外周に金属酸化物粒子23が付着していない部分の長さの合計L1(すなわち、金属酸化物粒子23が付着していない部分が複合粒子C1の外周に複数ある場合、それらの部分の長さの合計)とを測定する。なお、L1+L1は複合粒子C1の外周の長さである。 The total area ratio R (area%) of the portion where the graphite particles 21 are exposed and the portion where the carbonaceous layer 22 is exposed on the surface of the composite particles C is obtained by the following method. (1) The cross section of the composite material is observed with a transmission electron microscope (TEM), and one composite particle C1 is randomly extracted from the composite particles C. (2) In the extracted composite particles C1 , the total length of the portions where the metal oxide particles 23 are attached to the outer periphery is LA 1 (that is, the portions where the metal oxide particles 23 are attached are the composite particles C1). If there are a plurality of them on the outer periphery of the outer circumference, the total length of those portions) and the total length of the portions to which the metal oxide particles 23 are not attached to the outer periphery LB 1 (that is, the metal oxide particles 23 are attached). When there are a plurality of non-existing portions on the outer periphery of the composite particle C1, the total length of those portions) is measured. It should be noted that LA 1 + LB 1 is the length of the outer circumference of the composite particle C1.

(3)(1)及び(2)を50回繰り返す。すなわち、TEMで観察される複合粒子Cの中からランダムに抽出される50個の複合粒子C1~C50について、金属酸化物粒子23が付着している部分の長さの合計L1~L50、及び金属酸化物粒子23が付着していない部分の長さの合計L1~L50を測定する。なお、ランダムに抽出される複合粒子C1~C50はいずれも互いに重複しない。(4)測定されたL1~L50のそれぞれの値を加算する、すなわち、L1+L2+L3+・・・+L48+L49+L50を算出し、この値をSとする。測定されたL1~L50のそれぞれの値を加算する、すなわち、L1+L2+L3+・・・+L48+L49+L50を算出し、この値をSとする。(5)100×S/(S+S)を面積割合R(面積%)として算出する。 (3) Repeat (1) and (2) 50 times. That is, for 50 composite particles C1 to C50 randomly extracted from the composite particles C observed by TEM, the total length of the portion to which the metal oxide particles 23 are attached is LA 1 to LA . The total lengths of 50 and the portion to which the metal oxide particles 23 are not attached are measured from LB 1 to LB 50. It should be noted that none of the randomly extracted composite particles C1 to C50 overlap with each other. (4) Add the measured values of LA 1 to LA 50, that is, calculate LA 1 + LA 2 + LA 3 + ... + LA 48 + LA 49 + LA 50, and use this value as SA . do. The respective values of LB 1 to LB 50 measured are added, that is, LB 1 + LB 2 + LB 3 + ... + LB 48 + LB 49 + LB 50 is calculated, and this value is defined as SB . (5) Calculate 100 × SB / ( SA + SB ) as the area ratio R (area%).

面積割合Rは、30面積%以上であることが好ましく、40面積%以上であることがより好ましく、50面積%以上であることがさらに好ましい。複合粒子C間、及び/または複合粒子Cと固体電解質粒子との間の導電性を確保するためである。 The area ratio R is preferably 30 area% or more, more preferably 40 area% or more, and further preferably 50 area% or more. This is to ensure conductivity between the composite particles C and / or between the composite particles C and the solid electrolyte particles.

また、面積割合Rは、90面積%以下であることが好ましく、80面積%以下であることがより好ましく、70面積%以下であることがさらに好ましい。金属酸化物粒子23で被覆されている部分により、複合粒子Cと固体電解質粒子との間の親和性を向上させるためである。 Further, the area ratio R is preferably 90 area% or less, more preferably 80 area% or less, and further preferably 70 area% or less. This is because the portion coated with the metal oxide particles 23 improves the affinity between the composite particles C and the solid electrolyte particles.

面積割合Rは、例えば、黒鉛粒子21に対する金属酸化物粒子23のサイズ、含有量、及び金属酸化物粒子の形状等によって調節することができる。 The area ratio R can be adjusted, for example, by adjusting the size and content of the metal oxide particles 23 with respect to the graphite particles 21, the shape of the metal oxide particles, and the like.

〔2-1.黒鉛粒子21〕
黒鉛粒子21は、人造黒鉛及び天然黒鉛のいずれでもよいが、人造黒鉛であることが好ましい。良好なサイクル特性が得られるためである。また、形状、ベーサル面とエッジ面との割合、結晶子サイズ、及び光学組織の構造等、電池の仕様に応じて適切にコントロールすることができるためである。黒鉛粒子21としてより好ましい例としては、SCMG(登録商標、昭和電工株式会社)が挙げられる。また、黒鉛粒子21は、黒鉛のみからなるものに限られず、黒鉛を非晶質炭素でコーティングしたもの等を用いてもよい。
[2-1. Graphite particles 21]
The graphite particles 21 may be either artificial graphite or natural graphite, but artificial graphite is preferable. This is because good cycle characteristics can be obtained. Further, it is possible to appropriately control the shape, the ratio between the basal surface and the edge surface, the crystallite size, the structure of the optical structure, and the like according to the specifications of the battery. A more preferable example of the graphite particles 21 is SCMG (registered trademark, Showa Denko KK). Further, the graphite particles 21 are not limited to those made of only graphite, and graphite particles coated with amorphous carbon or the like may be used.

黒鉛粒子21の体積基準の累積粒度分布における50%粒子径D50は、2μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。本実施形態にかかる複合材料をリチウムイオン二次電池の負極材料として用いた場合に良好なサイクル特性を確保するため、複合材料中の黒鉛粒子の分散性を向上させるため、及び微粒子を扱うことによる電池の製造コストの上昇を抑制するためである。 The 50% particle size D50 in the volume-based cumulative particle size distribution of the graphite particles 21 is preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, and further preferably 5 μm or more. By using the composite material according to the present embodiment as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery, in order to secure good cycle characteristics, to improve the dispersibility of graphite particles in the composite material, and by handling fine particles. This is to suppress an increase in battery manufacturing cost.

黒鉛粒子21のD50は、20μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましく、7μm以下であることがさらに好ましい。表面積を大きくすることによって、複合材料を用いた負極における入出力特性を向上させるためである。 The D50 of the graphite particles 21 is preferably 20 μm or less, more preferably 12 μm or less, and even more preferably 7 μm or less. This is to improve the input / output characteristics of the negative electrode using the composite material by increasing the surface area.

〔2-2.炭素質層22〕
炭素質層22は、黒鉛粒子21の表面を覆う層である。炭素質層22は黒鉛粒子表面全体を覆っていてもよく、一部を覆っていてもよい。炭素質層22の構造は特に限定されないが、アモルファスまたはグラフェン構造であることが好ましい。複合粒子C表面の導電性を向上させるためである。グラフェン構造とは、炭素原子がハニカム状に面として連続している構造である。
[2-2. Carbonaceous layer 22]
The carbonaceous layer 22 is a layer that covers the surface of the graphite particles 21. The carbonaceous layer 22 may cover the entire surface of the graphite particles, or may partially cover the surface of the graphite particles. The structure of the carbonaceous layer 22 is not particularly limited, but an amorphous or graphene structure is preferable. This is to improve the conductivity of the surface of the composite particle C. The graphene structure is a structure in which carbon atoms are continuous as a honeycomb-like surface.

炭素質層22は、黒鉛粒子21の表面に沿って形成されたグラフェン構造を有することがより好ましい。黒鉛粒子21の表面に沿って形成されたグラフェン構造とは、黒鉛粒子21の表面に沿って、ハニカム状の面が形成されている構造である。複合粒子C表面の導電性がより向上し、炭素質層22の化学的安定性及び機械的強度がより向上するためである。炭素質層22がグラフェン構造を有する場合、炭素質層22は1層のグラフェン層からなるものでもよく、複数のグラフェン層が重なったものでもよい。 It is more preferable that the carbonaceous layer 22 has a graphene structure formed along the surface of the graphite particles 21. The graphene structure formed along the surface of the graphite particles 21 is a structure in which a honeycomb-shaped surface is formed along the surface of the graphite particles 21. This is because the conductivity of the surface of the composite particle C is further improved, and the chemical stability and mechanical strength of the carbonaceous layer 22 are further improved. When the carbonaceous layer 22 has a graphene structure, the carbonaceous layer 22 may be composed of one graphene layer, or may be a stack of a plurality of graphene layers.

炭素質層22の平均厚さtは以下の方法で求められる値である。(1)透過型電子顕微鏡(TEM)で観察される複合粒子Cの中から1つの複合粒子C1をランダムに抽出する。(2)抽出された複合粒子C1において、炭素質層22が形成されている部分から1箇所ランダムで選び、選ばれた部分の炭素質層22の厚さt1を測定する。厚さt1は、以下のように求める。黒鉛粒子21表面に垂直な線と黒鉛粒子21表面との交点x1、及びこの垂直な線と炭素質層22の外周(炭素質層22が金属酸化物粒子23で覆われている場合、炭素質層22と金属酸化物粒子23との境界を炭素質層22の外周とする)との交点x2を求める。求められた交点x1とx2との間の距離が厚さt1となる。 The average thickness t of the carbonaceous layer 22 is a value obtained by the following method. (1) One composite particle C1 is randomly extracted from the composite particles C observed by a transmission electron microscope (TEM). (2) In the extracted composite particles C1, one place is randomly selected from the portion where the carbonaceous layer 22 is formed, and the thickness t1 of the carbonaceous layer 22 in the selected portion is measured. The thickness t1 is obtained as follows. The intersection x1 between the line perpendicular to the surface of the graphite particles 21 and the surface of the graphite particles 21 and the outer periphery of the vertical line and the carbonaceous layer 22 (when the carbonaceous layer 22 is covered with the metal oxide particles 23, the carbonaceous material). The boundary between the layer 22 and the metal oxide particles 23 is the outer periphery of the carbonaceous layer 22), and the intersection x2 is obtained. The distance between the obtained intersections x1 and x2 is the thickness t1.

(3)(1)及び(2)を50回繰り返す。すなわち、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察される複合粒子Cの中からランダムに抽出される50個の複合粒子C1~C50において測定される炭素質層22の厚さt1~t50を測定する。なお、ランダムに抽出される複合粒子C1~C50はいずれも互いに重複しない。(4)得られた値t1~t50の平均値を炭素質層22の平均厚さtとする。 (3) Repeat (1) and (2) 50 times. That is, the thicknesses t1 to t50 of the carbonaceous layer 22 measured in the 50 composite particles C1 to C50 randomly extracted from the composite particles C observed by a transmission electron microscope (TEM) are measured. It should be noted that none of the randomly extracted composite particles C1 to C50 overlap with each other. (4) The average value of the obtained values t1 to t50 is defined as the average thickness t of the carbonaceous layer 22.

炭素質層22の平均厚さtは0.1nm以上であることが好ましく、1.0nm以上であることがより好ましく、2.0nm以上であることがさらに好ましい。金属酸化物粒子23を黒鉛粒子21に十分な量及び力で付着させるため、複合粒子Cの導電性を向上させるため、及び炭素質層22の化学的安定性と機械的強度とを確保するためである。 The average thickness t of the carbonaceous layer 22 is preferably 0.1 nm or more, more preferably 1.0 nm or more, and further preferably 2.0 nm or more. In order to attach the metal oxide particles 23 to the graphite particles 21 with a sufficient amount and force, to improve the conductivity of the composite particles C, and to secure the chemical stability and mechanical strength of the carbonaceous layer 22. Is.

炭素質層22の平均厚さtは、30nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましく、10nm以下であることがさらに好ましい。複合粒子Cのサイズが必要以上に大きくなることを抑制することができるため、及び二次電池のサイクル特性を向上させるためである。 The average thickness t of the carbonaceous layer 22 is preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and further preferably 10 nm or less. This is because it is possible to prevent the size of the composite particles C from becoming larger than necessary, and to improve the cycle characteristics of the secondary battery.

〔2-3.金属酸化物粒子23〕
金属酸化物粒子23の、平均一次粒子径(nm)は、BET比表面積SBET[m/g]に基づき、6000/(SBET×ρ)(ρ:金属酸化物の密度[g/cm])により求められる値である。金属酸化物粒子23の平均一次粒子径は、100nm以下であることが好ましく、55nm以下であることがより好ましく、10nm以下であることがさらに好ましく、7nm以下であることが特に好ましい。金属酸化物粒子23の比表面積が大きくなり、固体電解質との接触面積が増え、結果として、金属酸化物粒子23の含有量が少なくても、固体電解質との良好な親和性が得られるためである。なお、酸化チタンの密度は4.0g/cm、酸化銅(II)の密度は6.3g/cm、γ型結晶の酸化アルミニウムAlの密度は4.0g/cmである。
[2-3. Metal oxide particles 23]
The average primary particle diameter (nm) of the metal oxide particles 23 is 6000 / (S BET × ρ) (ρ: metal oxide density [g / cm) based on the BET specific surface area SBET [m 2 / g]. It is a value obtained by 3 ]). The average primary particle diameter of the metal oxide particles 23 is preferably 100 nm or less, more preferably 55 nm or less, further preferably 10 nm or less, and particularly preferably 7 nm or less. This is because the specific surface area of the metal oxide particles 23 is increased and the contact area with the solid electrolyte is increased, and as a result, good affinity with the solid electrolyte can be obtained even if the content of the metal oxide particles 23 is small. be. The density of titanium oxide is 4.0 g / cm 3 , the density of copper (II) oxide is 6.3 g / cm 3 , and the density of aluminum oxide Al 2 O 3 of γ-type crystal is 4.0 g / cm 3 . ..

金属酸化物粒子23の平均一次粒子径は、1nm以上であることが好ましく、2nm以上であることがより好ましい。複合粒子Cと、固体電解質との親和性を向上させつつ、黒鉛粒子21を露出させるためである。 The average primary particle diameter of the metal oxide particles 23 is preferably 1 nm or more, and more preferably 2 nm or more. This is to expose the graphite particles 21 while improving the affinity between the composite particles C and the solid electrolyte.

金属酸化物粒子23は、特に限定されないが、1族から12族、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、スズ、及び鉛のうち少なくともいずれかの金属の酸化物を含むことが好ましく、3~12族の金属の酸化物のうち少なくともいずれかを含むことがより好ましく、酸化チタン(IV)を含むことがさらに好ましい。なお、以下、「酸化チタン」は、特に断りがなければ、酸化チタン(IV)、すなわちTiOを指すものとする。 The metal oxide particles 23 are not particularly limited, but preferably contain oxides of at least one of Group 1 to Group 12, aluminum, gallium, indium, thallium, tin, and lead, Group 3 to Group 12. It is more preferable to contain at least one of the oxides of the metal of the above, and it is further preferable to contain titanium (IV) oxide. Hereinafter, "titanium oxide" refers to titanium oxide (IV), that is, TiO 2 unless otherwise specified.

金属酸化物粒子23が酸化チタンを含む場合、金属酸化物粒子23に含まれる酸化チタンの結晶型はアナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型が挙げられるが、特に限定されない。金属酸化物粒子23の全結晶相におけるいずれかの結晶相の含有率は、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。例えば、金属酸化物粒子23に含まれる酸化チタンが、アナターゼ結晶相を主成分とする場合、この酸化チタンの全結晶相中のアナターゼ結晶相の含有率は、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。金属酸化物粒子23に含まれる酸化チタンが、ルチル結晶相を主成分とする場合、及びブルッカイト結晶相を主成分とする場合についても同様である。 When the metal oxide particles 23 contain titanium oxide, the crystal type of titanium oxide contained in the metal oxide particles 23 includes anatase type, rutile type, and brookite type, but is not particularly limited. The content of any of the crystal phases in the total crystal phase of the metal oxide particles 23 is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more. preferable. For example, when the titanium oxide contained in the metal oxide particles 23 contains an anatase crystal phase as a main component, the content of the anatase crystal phase in the total crystal phase of the titanium oxide is preferably 70% by mass or more. , 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more. The same applies to the case where the titanium oxide contained in the metal oxide particles 23 contains a rutile crystal phase as a main component and the case where the brookite crystal phase is a main component.

複合材料における、黒鉛粒子21の含有量100質量部に対する金属酸化物粒子23の含有量は、0.1質量部以上であることが好ましく、0.3質量部以上であることがより好ましく、0.5質量部以上であることがさらに好ましい。複合材料と固体電解質との親和性を向上させ、これらの間での電気抵抗を低減させるためである。 The content of the metal oxide particles 23 with respect to 100 parts by mass of the graphite particles 21 in the composite material is preferably 0.1 part by mass or more, more preferably 0.3 parts by mass or more, and 0. It is more preferably 1.5 parts by mass or more. This is to improve the affinity between the composite material and the solid electrolyte and reduce the electrical resistance between them.

複合材料における、黒鉛粒子21の含有量100質量部に対する金属酸化物粒子23の含有量は、10質量部以下であることが好ましく、5.0質量部以下であることがより好ましく、3.0質量部以下であることがさらに好ましい。複合粒子C中の黒鉛粒子21または炭素質層22を露出させ、複後粒子C間あるいは複合粒子Cと固体電解質との間での導電性を向上させる、及びリチウムイオンの移動を容易にするためである。 The content of the metal oxide particles 23 with respect to 100 parts by mass of the graphite particles 21 in the composite material is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 5.0 parts by mass or less, and 3.0 parts by mass. It is more preferably less than or equal to parts by mass. To expose the graphite particles 21 or the carbonaceous layer 22 in the composite particles C to improve the conductivity between the composite particles C or between the composite particles C and the solid electrolyte, and to facilitate the movement of lithium ions. Is.

<3.複合材料の製造方法>
以下、本発明の複合材料の製造方法の実施形態を例示するが、本発明の複合材料は以下の製造方法1または2によって得られるものに限られない。
<3. Manufacturing method of composite material >
Hereinafter, embodiments of the method for producing a composite material of the present invention will be exemplified, but the composite material of the present invention is not limited to that obtained by the following production method 1 or 2.

〔3-1.製造方法1〕
本発明にかかる複合材料の製造方法の一例では、黒鉛粒子と、炭素質層22の前駆体となる有機化合物(以下、特に断りがなければ「有機化合物」とは炭素質層22の前駆体となる有機化合物を意味する)と、金属酸化物粒子とを混合する混合工程、及び混合工程で得られた混合物を熱処理する熱処理工程を含む。
[3-1. Manufacturing method 1]
In an example of the method for producing a composite material according to the present invention, graphite particles and an organic compound serving as a precursor of the carbonaceous layer 22 (hereinafter, “organic compound” is a precursor of the carbonaceous layer 22 unless otherwise specified. It includes a mixing step of mixing the organic compound) and the metal oxide particles, and a heat treatment step of heat-treating the mixture obtained in the mixing step.

有機化合物は、熱処理工程前は金属酸化物粒子を黒鉛粒子に付着させる役割を有し、熱処理工程後に炭素質層22を形成し、黒鉛粒子21と金属酸化物粒子23とをより強固に付着させる。有機化合物は、残炭率が高いものが好ましく、また、液媒体中で混合する場合は、液媒体への溶解性が高いものが好ましい。残炭率の高い有機化合物としては、例えば、石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂等が挙げられる。また、水に溶解する有機化合物としては、例えば、ポリビニルアルコール、アクリル酸、サリチル酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸等が挙げられる。 The organic compound has a role of adhering the metal oxide particles to the graphite particles before the heat treatment step, forms a carbonaceous layer 22 after the heat treatment step, and adheres the graphite particles 21 and the metal oxide particles 23 more firmly. .. The organic compound preferably has a high residual carbon content, and when mixed in a liquid medium, it preferably has high solubility in the liquid medium. Examples of the organic compound having a high residual coal ratio include petroleum pitch, coal pitch, phenol resin and the like. Examples of the organic compound soluble in water include polyvinyl alcohol, acrylic acid, salicylic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, salicylic acid, citric acid, tartaric acid, malic acid and the like.

黒鉛粒子100質量部に対する有機化合物の添加量は、0.1質量部以上であることが好ましく、0.5質量部以上であることがより好ましく、1.0質量部以上であることがさらに好ましい。有機化合物により黒鉛粒子を十分に被覆するためである。 The amount of the organic compound added to 100 parts by mass of the graphite particles is preferably 0.1 part by mass or more, more preferably 0.5 part by mass or more, and further preferably 1.0 part by mass or more. .. This is because the graphite particles are sufficiently covered with the organic compound.

黒鉛粒子100質量部に対する有機化合物の添加量は、25質量部以下であることが好ましく、18質量部以下であることがより好ましく、10質量部以下であることがさらに好ましい。生成する複合材料の、リチウムイオンの挿入及び脱離容量を大きくするためである。 The amount of the organic compound added to 100 parts by mass of the graphite particles is preferably 25 parts by mass or less, more preferably 18 parts by mass or less, and further preferably 10 parts by mass or less. This is to increase the insertion and desorption capacities of lithium ions in the produced composite material.

金属酸化物粒子に含まれる金属元素として好ましいもの、及び平均一次粒子径の好ましい範囲は上記の通りである。この製造方法の原料として用いられる金属酸化物粒子の好ましい一例としては特開2017-114700号公報に記載の酸化チタンが挙げられる。この酸化チタンはBET比表面積(200m/g以上)から算出される平均一次粒子径は7.5nm以下と十分に小さく、嵩密度は0.2~0.8g/mlとハンドリングに適した範囲である。 The preferred range of the metal element contained in the metal oxide particles and the average primary particle diameter is as described above. A preferable example of the metal oxide particles used as a raw material for this production method is titanium oxide described in JP-A-2017-114700. The average primary particle size of this titanium oxide calculated from the BET specific surface area (200 m 2 / g or more) is as small as 7.5 nm or less, and the bulk density is 0.2 to 0.8 g / ml, which is a range suitable for handling. Is.

混合工程については特に限定されないが、一例として、有機化合物が溶解した液媒体中で黒鉛粒子と、金属酸化物粒子とを混合し、その後、液媒体を除去する方法が挙げられる。液媒体としては特に限定されないが、有機化合物を溶解できるものが好ましい。液媒体除去後の固形分は適宜解砕してもよい。 The mixing step is not particularly limited, and an example thereof includes a method in which graphite particles and metal oxide particles are mixed in a liquid medium in which an organic compound is dissolved, and then the liquid medium is removed. The liquid medium is not particularly limited, but a liquid medium capable of dissolving an organic compound is preferable. The solid content after removing the liquid medium may be appropriately crushed.

混合工程の別の一例としては、液媒体を用いずに黒鉛粒子と、有機化合物と、金属酸化物粒子とを混合する方法が挙げられる。この場合、黒鉛粒子及び金属酸化物の有機化合物は石油ピッチ等の粘性のある物質であることが好ましい。熱処理工程前の段階で、金属酸化物粒子を黒鉛粒子表面に粘着させることができるためである。 Another example of the mixing step is a method of mixing graphite particles, an organic compound, and metal oxide particles without using a liquid medium. In this case, the organic compound of graphite particles and metal oxides is preferably a viscous substance such as petroleum pitch. This is because the metal oxide particles can be adhered to the surface of the graphite particles before the heat treatment step.

熱処理工程は、有機化合物を炭素化させて、炭素質層22を形成させる工程である。また、混合工程における有機化合物が固体である場合、有機化合物を軟化させて、黒鉛粒子に金属酸化物粒子を、軟化した有機化合物を介して付着させることもできる。非酸化性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、不活性ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。熱処理する際に、黒鉛粒子及び有機化合物が雰囲気ガスにより酸化されることを抑制するためである。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。 The heat treatment step is a step of carbonizing the organic compound to form the carbonaceous layer 22. Further, when the organic compound in the mixing step is a solid, the organic compound can be softened and the metal oxide particles can be attached to the graphite particles via the softened organic compound. It is preferably performed in a non-oxidizing gas atmosphere, and more preferably in an inert gas atmosphere. This is to prevent the graphite particles and the organic compound from being oxidized by the atmospheric gas during the heat treatment. Examples of the inert gas include nitrogen gas and argon gas.

熱処理工程における熱処理温度は、600℃以上であることが好ましく、900℃以上であることがより好ましく、1000℃以上であることがさらに好ましい。有機化合物の炭素化を十分に進行させ、水素や酸素の残留を抑制し、電池特性を向上させるためである。また、黒鉛化を抑制し、充放電レート特性を良好に保つために、熱処理温度は2000℃以下であることが好ましく、1500℃以下であることがより好ましく、1200℃以下あることがさらに好ましい。 The heat treatment temperature in the heat treatment step is preferably 600 ° C. or higher, more preferably 900 ° C. or higher, and even more preferably 1000 ° C. or higher. This is to sufficiently promote carbonization of organic compounds, suppress residual hydrogen and oxygen, and improve battery characteristics. Further, in order to suppress graphitization and maintain good charge / discharge rate characteristics, the heat treatment temperature is preferably 2000 ° C. or lower, more preferably 1500 ° C. or lower, and even more preferably 1200 ° C. or lower.

熱処理工程における、上記熱処理温度に至るまでの昇温速度は200℃/h以下とすることが好ましく、150℃/h以下とすることがより好ましく、100℃/h以下とすることがさらに好ましい。 In the heat treatment step, the rate of temperature rise up to the heat treatment temperature is preferably 200 ° C./h or less, more preferably 150 ° C./h or less, and even more preferably 100 ° C./h or less.

熱処理時間は炭素化が十分に進行していれば特に制限はないが、10分以上が好ましく、30分以上であることがより好ましく、50分以上であることがさらに好ましい。ここで、熱処理時間とは、所定の温度、すなわち熱処理温度に対し、±20℃の状態を保っている時間を指し、装置の保温のためのフィードバック制御等による加熱の時間等も熱処理時間に含まれる。 The heat treatment time is not particularly limited as long as carbonization has progressed sufficiently, but is preferably 10 minutes or longer, more preferably 30 minutes or longer, and even more preferably 50 minutes or longer. Here, the heat treatment time refers to a predetermined temperature, that is, a time during which the state of ± 20 ° C. is maintained with respect to the heat treatment temperature, and the heat treatment time includes the heating time by feedback control for keeping the device warm. Is done.

熱処理工程後、必要に応じて複合材料を解砕してもよい。本発明にかかる複合材料中の複合粒子Cにおいて、金属酸化物粒子23は、炭素質層22を介して、黒鉛粒子21に強固に固定されているため、解砕によって黒鉛粒子21からの金属酸化物粒子23の脱落は十分に抑制される。 After the heat treatment step, the composite material may be crushed if necessary. In the composite particles C in the composite material according to the present invention, the metal oxide particles 23 are firmly fixed to the graphite particles 21 via the carbonaceous layer 22, so that the metal is oxidized from the graphite particles 21 by crushing. The dropout of the object particles 23 is sufficiently suppressed.

〔3-2.製造方法2〕
本発明にかかる複合材料の製造方法の別の一例は、有機化合物を含有する金属酸化物粒子と、黒鉛粒子と、を混合する混合工程、及び混合工程で得られた混合物を熱処理する熱処理工程を含む。
[3-2. Manufacturing method 2]
Another example of the method for producing a composite material according to the present invention is a mixing step of mixing metal oxide particles containing an organic compound and graphite particles, and a heat treatment step of heat-treating the mixture obtained in the mixing step. include.

有機化合物を含有する金属酸化物粒子としては、金属化合物粒子表面の一部または全体が有機化合物で覆われた粒子が好ましい。このような粒子の製造方法の一例としては、有機化合物が溶解した溶液中に金属酸化物を分散させ、溶媒を除去することが挙げられる。有機化合物と金属酸化物粒子との混合物は、必要に応じて粉砕してもよい。また、上記粒子の製造方法の別の一例としては、液媒体を用いずに有機化合物と、金属酸化物粒子とを混合する方法も挙げられる。 As the metal oxide particles containing the organic compound, particles in which a part or the whole of the surface of the metal compound particles is covered with the organic compound are preferable. An example of a method for producing such particles is to disperse a metal oxide in a solution in which an organic compound is dissolved to remove a solvent. The mixture of the organic compound and the metal oxide particles may be pulverized if necessary. Further, as another example of the method for producing the particles, there is also a method of mixing the organic compound and the metal oxide particles without using a liquid medium.

熱処理工程の、雰囲気ガス、熱処理温度、昇温時間、及び熱処理時間等の条件については、製造方法1と同様である。 The conditions of the heat treatment step, such as the atmospheric gas, the heat treatment temperature, the temperature rising time, and the heat treatment time, are the same as those in the manufacturing method 1.

以下、本発明の実施例及び比較例について説明するが、これらは本発明の技術的範囲を限定するものではない。 Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described, but these do not limit the technical scope of the present invention.

<1.複合材料の製造>
表1、表2に示す条件で、以下の説明の通り、各実施例の複合材料を作製した。
<1. Manufacture of composite materials>
Under the conditions shown in Tables 1 and 2, the composite materials of each example were prepared as described below.

Figure 2022079000000002
Figure 2022079000000002

Figure 2022079000000003
Figure 2022079000000003

表3に得られた複合材料の物性を示す。 Table 3 shows the physical characteristics of the obtained composite material.

Figure 2022079000000004
Figure 2022079000000004

〔1-1.原料〕
表1に示されている原料となる材料の詳細は以下の通りである。
[1-1. material〕
The details of the raw materials shown in Table 1 are as follows.

(黒鉛粒子)
[SCMG]昭和電工株式会社製の人造黒鉛、SCMG(登録商標)を用いる。この人造黒鉛はD50が6.0μm、BET比表面積が5.9m/gである。
[SCMG-2]昭和電工株式会社製の人造黒鉛、SCMG(登録商標)-2を用いる。この人造黒鉛はD50が11.8μm、BET比表面積が2.6m/gである。
[天然黒鉛]中国産鱗片状天然黒鉛を用いる。この天然黒鉛はD50が26.8μm、BET比表面積が9.1m/gである。
(Graphite particles)
[SCMG] SCMG (registered trademark), an artificial graphite manufactured by Showa Denko KK, is used. This artificial graphite has a D50 of 6.0 μm and a BET specific surface area of 5.9 m 2 / g.
[SCMG-2] SCMG (registered trademark) -2, an artificial graphite manufactured by Showa Denko KK, is used. This artificial graphite has a D50 of 11.8 μm and a BET specific surface area of 2.6 m 2 / g.
[Natural graphite] Chinese scale-like natural graphite is used. This natural graphite has a D50 of 26.8 μm and a BET specific surface area of 9.1 m 2 / g.

(有機化合物)
石油ピッチ、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、サリチル酸、及びテレフタル酸のうちいずれかを用いる。
(Organic compound)
Use one of petroleum pitch, citric acid, tartaric acid, malic acid, salicylic acid, and terephthalic acid.

(金属酸化物粒子)
金属酸化物粒子は以下のものを用いる。
[酸化チタンA]特開2017-114700号公報の実施例1の製法で得られたもの。全結晶相中のアナターゼ結晶相の含有率100質量%、BET比表面積から求めた平均一次粒子径3.83nm(BET比表面積392m/g)。
[酸化チタンB]イオリテック(IoLiTec)社製、アナターゼ型、純度99.5質量%、平均一次粒子径20nm。
[酸化チタンC]イオリテック(IoLiTec)社製、ルチル型、純度99.5質量%、平均一次粒子径20nm。
[酸化アルミニウム]:イオリテック(IoLiTec)社製、Al、γ型、平均一次粒子径5nm。
[酸化銅(II)]:イオリテック(IoLiTec)社製、平均一次粒子径50nm。
(Metal oxide particles)
The following metal oxide particles are used.
[Titanium Oxide A] The product obtained by the production method of Example 1 of JP-A-2017-114700. The content of the anatase crystal phase in the whole crystal phase was 100% by mass, and the average primary particle diameter obtained from the BET specific surface area was 3.83 nm (BET specific surface area 392 m 2 / g).
[Titanium oxide B] Manufactured by IoLiTec, anatase type, purity 99.5% by mass, average primary particle diameter 20 nm.
[Titanium oxide C] Made by IoLiTec, rutile type, purity 99.5% by mass, average primary particle diameter 20 nm.
[Aluminum oxide]: manufactured by IoLiTec, Al 2 O 3 , γ type, average primary particle diameter 5 nm.
[Copper (II) Oxide]: Manufactured by IoLiTech, with an average primary particle diameter of 50 nm.

〔1-2.混合工程〕
表1に示す種類及び分量の原料を用いて、以下の工程A~Dにより黒鉛粒子と有機化合物と金属酸化物粒子とを含む混合物を得る。
[1-2. Mixing process]
Using the raw materials of the types and amounts shown in Table 1, a mixture containing graphite particles, an organic compound and metal oxide particles is obtained by the following steps A to D.

(工程A)
黒鉛粒子と有機化合物と金属酸化物粒子とを、25℃で混合する。混合は、例えば、V型混合機(VM-10、株式会社ダルトン製)を用いて10分間行い、混合物を得る。
(工程B)
有機化合物の水溶液に、黒鉛粒子と、金属酸化物粒子とを加え、黒鉛粒子及び金属酸化物粒子を水溶液中に分散させる。その後、分散液を真空乾燥機に入れ、120℃で、水分がなくなるまで乾燥させて混合物を得る。なお、石油ピッチは水溶性ではないため、この工程において有機化合物として石油ピッチを用いる実施例はない。
(工程C)
有機化合物と金属酸化物粒子とを、25℃で混合する。混合は、例えば、V型混合機(VM-10、株式会社ダルトン製)を用いて10分間行う。得られた有機化合物と金属酸化物粒子との混合物を、黒鉛粒子と25℃で混合する。混合は、例えば、V型混合機(VM-10、株式会社ダルトン製)を用いて10分間行う。
(工程D)
有機化合物の水溶液に、金属酸化物粒子を加え、金属酸化物粒子を水溶液中に分散させる。その後、分散液を真空乾燥機に入れ、120℃で、水分がなくなるまで乾燥させて有機化合物と金属酸化物との混合物を得る。得られた有機化合物と金属酸化物粒子との混合物を、黒鉛粒子と25℃で混合する。混合は、例えば、V型混合機(VM-10、株式会社ダルトン製)を用いて10分間行う。なお、石油ピッチは水溶性ではないため、この工程において有機化合物として石油ピッチを用いる実施例はない。
(Step A)
Graphite particles, organic compounds and metal oxide particles are mixed at 25 ° C. Mixing is carried out, for example, using a V-type mixer (VM-10, manufactured by Dalton Corporation) for 10 minutes to obtain a mixture.
(Step B)
Graphite particles and metal oxide particles are added to an aqueous solution of an organic compound, and the graphite particles and the metal oxide particles are dispersed in the aqueous solution. Then, the dispersion is placed in a vacuum dryer and dried at 120 ° C. until all the water is removed to obtain a mixture. Since petroleum pitch is not water-soluble, there is no example of using petroleum pitch as an organic compound in this step.
(Process C)
The organic compound and the metal oxide particles are mixed at 25 ° C. Mixing is performed for 10 minutes using, for example, a V-type mixer (VM-10, manufactured by Dalton Corporation). The obtained mixture of the organic compound and the metal oxide particles is mixed with the graphite particles at 25 ° C. Mixing is performed for 10 minutes using, for example, a V-type mixer (VM-10, manufactured by Dalton Corporation).
(Step D)
Metal oxide particles are added to an aqueous solution of an organic compound, and the metal oxide particles are dispersed in the aqueous solution. Then, the dispersion is placed in a vacuum dryer and dried at 120 ° C. until the water content is exhausted to obtain a mixture of the organic compound and the metal oxide. The obtained mixture of the organic compound and the metal oxide particles is mixed with the graphite particles at 25 ° C. Mixing is performed for 10 minutes using, for example, a V-type mixer (VM-10, manufactured by Dalton Corporation). Since petroleum pitch is not water-soluble, there is no example of using petroleum pitch as an organic compound in this step.

〔1-3.熱処理工程〕
工程AまたはBにより得られた混合物を電気式管状炉内に入れ、窒素ガス雰囲気下、表1に示される速度で昇温し、表1に示される熱処理温度で1時間保持する。その後、炉内を25℃まで冷却し、生成した複合材料を回収する。
[1-3. Heat treatment process]
The mixture obtained in step A or B is placed in an electric tube furnace, heated at the rate shown in Table 1 under a nitrogen gas atmosphere, and held at the heat treatment temperature shown in Table 1 for 1 hour. Then, the inside of the furnace is cooled to 25 ° C., and the produced composite material is recovered.

<2.複合材料の評価>
〔2-1.透過型電子顕微鏡(TEM)による観察〕
複合材料をエタノールに分散させ、マイクログリッドメッシュで回収し、以下の条件で測定を行う。
透過型電子顕微鏡装置:日立製H-9500
加速電圧:300kV
観察倍率:30,000倍
<2. Evaluation of composite materials>
[2-1. Observation with a transmission electron microscope (TEM)]
The composite material is dispersed in ethanol, collected by a microgrid mesh, and measured under the following conditions.
Transmission electron microscope device: Hitachi H-9500
Acceleration voltage: 300kV
Observation magnification: 30,000 times

透過型電子顕微鏡(TEM)により複合材料の粒子を観察し、金属酸化物粒子が、炭素質層を介して、黒鉛粒子に付着していることを確認する。また、複合粒子は、黒鉛粒子または炭素質層が露出している部分を有することを確認する。 Observe the particles of the composite material with a transmission electron microscope (TEM) and confirm that the metal oxide particles are attached to the graphite particles via the carbonaceous layer. Also, confirm that the composite particles have a portion where the graphite particles or the carbonaceous layer is exposed.

また、得られたTEM観察像より、上述した方法に従って、複合粒子Cの表面に占める黒鉛粒子21及び炭素質層23のうち少なくとも一方が露出している部分の面積割合R(面積%)、及び炭素質層22の平均厚さt(nm)を求める。 Further, from the obtained TEM observation image, the area ratio R (area%) of the portion where at least one of the graphite particles 21 and the carbonaceous layer 23 occupying the surface of the composite particles C is exposed according to the above method, and The average thickness t (nm) of the carbonaceous layer 22 is obtained.

〔2-2.50%粒子径(D50)〕
レーザー回折式粒度分布測定装置としてマルバーン製マスターサイザー2000(Mastersizer;登録商標)を用い、5mgのサンプルを容器に入れ、界面活性剤が0.04質量%含まれた水を10g加えて5分間超音波処理を行った後に測定を行い、体積基準累積粒度分布における50%粒子径(D50)を得た。
[2-2.50% Particle Diameter (D50)]
Using a Malvern Mastersizer 2000 (registered trademark) as a laser diffraction type particle size distribution measuring device, put a 5 mg sample in a container, add 10 g of water containing 0.04% by mass of a surfactant, and add 10 g for more than 5 minutes. Measurement was performed after the sound treatment, and a 50% particle size (D50) in the volume-based cumulative particle size distribution was obtained.

〔2-3.BET比表面積〕
BET比表面積測定装置としてカンタクローム(Quantachrome)社製NOVA2200eを用い、サンプルセル(9mm×135mm)に3gのサンプルを入れ、300℃、真空条件下で1時間乾燥後、測定を行った。BET比表面積測定用のガスはNを用いた。
[2-3. BET specific surface area]
Using NOVA2200e manufactured by Quantachrome as a BET specific surface area measuring device, a 3 g sample was placed in a sample cell (9 mm × 135 mm), dried at 300 ° C. for 1 hour under vacuum conditions, and then measured. N 2 was used as the gas for measuring the BET specific surface area.

<3.電池の作製>
以下、実施例及び比較例で得られた複合材料を用いた電池の作製方法について説明する。ここで作製する電池の各構成について、図1に示された参照符号が付された構成に対応するものは、その対応する構成の参照符号を付して説明する。
<3. Battery production>
Hereinafter, a method for manufacturing a battery using the composite materials obtained in Examples and Comparative Examples will be described. Regarding each configuration of the battery manufactured here, those corresponding to the configuration with the reference reference numeral shown in FIG. 1 will be described with reference reference numerals of the corresponding configuration.

〔3-1.固体電解質層12の準備〕
アルゴンガス雰囲気下で出発原料のLiS(日本化学(株)製)とP(シグマ アルドリッチジャパン合同会社製)を75:25のモル比率で秤量して混ぜ合わせ、遊星型ボールミル(P-5型、フリッチュ・ジャパン(株)製)及びジルコニアボール(10mmφ7個、3mmφ10個)を用いて20時間メカニカルミリング(回転数400rpm)することにより、D50が0.3μmのLiPSの非晶質固体電解質を得る。
[3-1. Preparation of solid electrolyte layer 12]
Under an argon gas atmosphere, the starting materials Li 2 S (manufactured by Nippon Kagaku Co., Ltd.) and P 2 S 5 (manufactured by Sigma Aldrich Japan GK) are weighed and mixed at a molar ratio of 75:25 to form a planetary ball mill (a planetary ball mill (manufactured by Sigma Aldrich Japan GK). By mechanical milling (rotation speed 400 rpm) for 20 hours using P-5 type, manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd. and zirconia balls (10 mm φ7, 3 mm φ10), Li 3 PS 4 with a D50 of 0.3 μm Obtain an amorphous solid electrolyte.

得られた非晶質固体電解質を、内径10mmφのポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて、一軸プレス成形機によりプレス成形を行うことで、厚さ960μmのシートとして固体電解質層12を準備する。 The obtained amorphous solid electrolyte is press-molded by a uniaxial press molding machine using a polyethylene die having an inner diameter of 10 mmφ and a punch made of SUS to prepare a solid electrolyte layer 12 as a sheet having a thickness of 960 μm. ..

〔3-2.負極合剤層132の準備〕
実施例で作製した複合材料48.5質量%と、固体電解質(LiPS、D50:8μm)48.5質量%と、VGCF-H(昭和電工(株)製、登録商標)3質量%とを混合する。この混合物を、遊星型ボールミルを用いて100rpmで1時間ミリング処理することにより均一化する。均一化された混合物を、内径10mmφポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて一軸プレス成形機により400MPaでプレス成形して、厚さ65μmのシートとして負極合剤層132を準備する。
[3-2. Preparation of negative electrode mixture layer 132]
48.5% by mass of the composite material produced in the examples, 48.5% by mass of the solid electrolyte (Li 3 PS 4 , D50: 8 μm), and 3% by mass of VGCF-H (manufactured by Showa Denko KK, registered trademark). And mix. The mixture is homogenized by milling at 100 rpm for 1 hour using a planetary ball mill. The homogenized mixture is press-molded at 400 MPa by a uniaxial press molding machine using a polyethylene die having an inner diameter of 10 mmφ and a punch made of SUS to prepare a negative electrode mixture layer 132 as a sheet having a thickness of 65 μm.

〔3-3.正極合剤層112の準備〕
正極活物質LiCoO(日本化学工業(株)製、D50:10μm)55質量%と、固体電解質(LiPS、D50:8μm)40質量%と、VGCF-H(昭和電工(株)製、登録商標)5質量%とを混合する。この混合物を、遊星型ボールミルを用いて100rpmで1時間ミリング処理することにより均一化する。均一化された混合物を、内径10mmφポリエチレン製ダイとSUS製のパンチを用いて一軸プレス成形機により400MPaでプレス成形して、厚さ65μmのシートとして正極合剤層112を準備する。
[3-3. Preparation of positive electrode mixture layer 112]
Positive electrode active material LiCoO 2 (manufactured by Nippon Kagaku Kogyo Co., Ltd., D50: 10 μm) 55% by mass, solid electrolyte (Li 3 PS 4 , D50: 8 μm) 40% by mass, and VGCF-H (manufactured by Showa Denko KK). , Registered trademark) Mix with 5% by mass. The mixture is homogenized by milling at 100 rpm for 1 hour using a planetary ball mill. The homogenized mixture is press-molded at 400 MPa by a uniaxial press molding machine using a polyethylene die having an inner diameter of 10 mmφ and a punch made of SUS to prepare a positive electrode mixture layer 112 as a sheet having a thickness of 65 μm.

〔3-4.全固体型リチウムイオン二次電池1の組み立て〕
内径10mmφポリエチレン製ダイの中に、負極合剤層132、固体電解質層12、正極合材層112の順に積層し、負極合剤層132側及び正極合材層112側の両側からSUS製のパンチで100MPaの圧力で挟み、負極合剤層132、固体電解質層12、及び正極合材層112を接合して積層体を得る。ここで得られた積層体を積層体Aとする。
[3-4. Assembly of all-solid-state lithium-ion secondary battery 1]
The negative electrode mixture layer 132, the solid electrolyte layer 12, and the positive electrode mixture layer 112 are laminated in this order in a die made of polyethylene having an inner diameter of 10 mmφ, and punches made of SUS are punched from both sides of the negative electrode mixture layer 132 side and the positive electrode mixture layer 112 side. The negative electrode mixture layer 132, the solid electrolyte layer 12, and the positive electrode mixture layer 112 are joined together to obtain a laminated body. The laminated body obtained here is referred to as a laminated body A.

得られた積層体Aを一旦ダイから取り出し、上記ダイの中に、下から負極リード131a、銅箔(負極集電体131)、負極合剤層132を下側に向けた積層体A、アルミニウム箔(正極集電体111)、正極リード111aの順に重ねて、負極リード131a側及び正極リード111a側の両側からSUS製のパンチで80MPaの圧力で挟み、負極リード131a、銅箔、積層体A、アルミニウム箔、及び正極リード111aを接合して全固体型リチウムイオン二次電池1を得る。 The obtained laminated body A is once taken out from the die, and the negative electrode lead 131a, the copper foil (negative electrode current collector 131), and the negative electrode mixture layer 132 are directed downward in the above-mentioned die, and the laminated body A and aluminum. The foil (positive electrode current collector 111) and the positive electrode lead 111a are stacked in this order, sandwiched from both sides of the negative electrode lead 131a side and the positive electrode lead 111a side with a SUS punch at a pressure of 80 MPa, and the negative electrode lead 131a, the copper foil, and the laminate A are sandwiched. , Aluminum foil, and positive electrode lead 111a are joined to obtain an all-solid-state lithium-ion secondary battery 1.

<4.電池の評価>
以下の電池評価はすべて25℃の大気中で行われる。
〔4-1.クーロン効率の測定〕
上記の通り作製された全固体型リチウムイオン二次電池1に対し、レストポテンシャルから4.2Vになるまで1.25mA(0.05C)で定電流充電を行う。続いて4.2Vの一定電圧で40時間の定電圧充電を行う。定電圧充電による充電容量(mAh)を初回充電容量Qc1とする。
<4. Battery evaluation>
All of the following battery evaluations are performed in the air at 25 ° C.
[4-1. Measurement of Coulomb Efficiency]
The all-solid-state lithium-ion secondary battery 1 manufactured as described above is constantly charged at 1.25 mA (0.05 C) from the rest potential to 4.2 V. Subsequently, constant voltage charging for 40 hours is performed at a constant voltage of 4.2 V. The charge capacity (mAh) by constant voltage charging is defined as the initial charge capacity Qc1.

次に、1.25mA(0.05C)で2.75Vになるまで定電流放電を行う。定電流放電による放電容量(mAh)を初回放電容量Qd1とする。初回放電容量Qd1(mAh)を負極層中の複合材料の質量で割った値を初回放電容量密度(mAh/g)とする。 Next, constant current discharge is performed at 1.25 mA (0.05 C) until the voltage reaches 2.75 V. The discharge capacity (mAh) due to constant current discharge is defined as the initial discharge capacity Qd1. The value obtained by dividing the initial discharge capacity Qd1 (mAh) by the mass of the composite material in the negative electrode layer is defined as the initial discharge capacity density (mAh / g).

また、初回充電容量Qc1に対する初回放電容量Qd1の割合を百分率で表した数値、100×Qd1/Qc1をクーロン効率(%)とする。 Further, the ratio of the initial discharge capacity Qd1 to the initial charge capacity Qc1 is expressed as a percentage, and 100 × Qd1 / Qc1 is defined as the coulomb efficiency (%).

〔4-2.レート特性の評価〕
上記と同様の手順で充電した後、2.5mA(0.1C)で2.75Vになるまで定電流放電して測定される放電容量Q2.5d[mAh]を測定する。上記と同様の手順で充電した後、75mA(3.0C)で2.75Vになるまで定電流放電して測定される放電容量Q75d[mAh]を測定する。100×Q75d/Q2.5dをレート特性(%)とする。
[4-2. Evaluation of rate characteristics]
After charging in the same procedure as above, the discharge capacity Q 2.5 d [mAh] measured by constant current discharge at 2.5 mA (0.1 C) until it reaches 2.75 V is measured. After charging in the same procedure as above, the discharge capacity Q 75 d [mAh] measured by constant current discharge at 75 mA (3.0 C) until it reaches 2.75 V is measured. Let 100 × Q 75 d / Q 2.5 d be the rate characteristic (%).

〔4-3.サイクル特性の評価〕
充電は4.2Vになるまで5.0mA(0.2C)の定電流充電を行い、続いて4.2Vの一定電圧で、電流値が1.25mA(0.05C)に減少するまで定電圧充電を行う。放電は25mA(1.0C)の定電流放電で、電圧が2.75Vになるまで行う。
[4-3. Evaluation of cycle characteristics]
Charging is performed with a constant current charge of 5.0 mA (0.2 C) until it reaches 4.2 V, and then at a constant voltage of 4.2 V, a constant voltage until the current value decreases to 1.25 mA (0.05 C). Charge. The discharge is a constant current discharge of 25 mA (1.0 C) until the voltage reaches 2.75 V.

これらの充放電を500回行い、500回目の放電容量Qd500として、100×Qd500/Qd1をサイクル維持率(%)とする。 These charges and discharges are performed 500 times, and the discharge capacity Qd500 at the 500th time is 100 × Qd500 / Qd1 as the cycle maintenance rate (%).

1:全固体型リチウムイオン二次電池
11:正極層
111:正極集電体
111a:正極リード
112:正極合剤層
12:固体電解質層
13:負極層
131:負極集電体
131a:負極リード
132:負極合剤層
C:複合粒子
21:黒鉛粒子
22:炭素質層
23:金属酸化物粒子
1: All-solid-state lithium ion secondary battery 11: Positive electrode layer 111: Positive electrode current collector 111a: Positive electrode lead 112: Positive electrode mixture layer 12: Solid electrolyte layer 13: Negative electrode layer 131: Negative electrode current collector 131a: Negative electrode lead 132 : Negative electrode mixture layer C: Composite particles 21: Graphite particles 22: Carbonaceous layer 23: Metal oxide particles

Claims (14)

黒鉛粒子の表面に炭素質層を介して金属酸化物粒子が付着した複合粒子を含む複合材料であって、該複合粒子は、黒鉛粒子及び炭素質層の少なくとも一方が露出している部分を表面に有することを特徴とする複合材料。 A composite material containing composite particles in which metal oxide particles are attached to the surface of graphite particles via a carbonaceous layer, and the composite particles have a surface on a portion where at least one of the graphite particles and the carbonaceous layer is exposed. A composite material characterized by having in. 前記複合粒子は、炭素質層が露出している部分を有する請求項1に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the composite particle has a portion where the carbonaceous layer is exposed. 前記炭素質層は、黒鉛粒子表面に沿って形成されたグラフェン構造を有する請求項1または2に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1 or 2, wherein the carbonaceous layer has a graphene structure formed along the surface of graphite particles. 前記炭素質層の平均厚さは、0.1nm以上30nm以下である請求項1~3のいずれか1項に記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the average thickness of the carbonaceous layer is 0.1 nm or more and 30 nm or less. 前記黒鉛粒子の、体積基準の累積粒度分布における50%粒子径は、2μm以上であって、前記金属酸化物粒子のBET比表面積から算出される平均一次粒子径は100nm以下である請求項1~4のいずれか1項に記載の複合材料。 The 50% particle size of the graphite particles in the volume-based cumulative particle size distribution is 2 μm or more, and the average primary particle size calculated from the BET specific surface area of the metal oxide particles is 100 nm or less. The composite material according to any one of 4. 前記黒鉛粒子100質量部に対する前記金属酸化物粒子の含有量は0.1質量部以上10質量部以下である請求項1~5のいずれか1項に記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein the content of the metal oxide particles with respect to 100 parts by mass of the graphite particles is 0.1 parts by mass or more and 10 parts by mass or less. 前記金属酸化物粒子は、1族から12族、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、スズ、及び鉛のうち少なくともいずれかの金属の酸化物を含む請求項1~6のいずれか1項に記載の複合材料。 The one according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal oxide particles contain an oxide of at least one of groups 1 to 12, aluminum, gallium, indium, thallium, tin, and lead. Composite material. 前記金属酸化物粒子は、酸化チタンを含む請求項1~7のいずれか1項に記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal oxide particles contain titanium oxide. 前記酸化チタンの全結晶相中のアナターゼ結晶相の含有率は70質量%以上である請求項8に記載の複合材料。 The composite material according to claim 8, wherein the content of the anatase crystal phase in the total crystal phase of titanium oxide is 70% by mass or more. 前記酸化チタンの全結晶相中のルチル結晶相の含有率は70質量%以上である請求項8に記載の複合材料。 The composite material according to claim 8, wherein the content of the rutile crystal phase in the total crystal phase of titanium oxide is 70% by mass or more. 請求項1~10のいずれか1項に記載の複合材料を含む全固体型リチウムイオン二次電池用負極材。 A negative electrode material for an all-solid-state lithium ion secondary battery containing the composite material according to any one of claims 1 to 10. 請求項1~10のいずれか1項に記載の複合材料と、硫化物固体電解質とを含む全固体型リチウムイオン二次電池用負極。 A negative electrode for an all-solid-state lithium-ion secondary battery containing the composite material according to any one of claims 1 to 10 and a sulfide solid electrolyte. 黒鉛粒子と、有機化合物と、金属酸化物粒子とを混合する混合工程、及び
前記混合工程で得られた混合物を非酸化性ガス雰囲気下において600℃以上2000℃以下で熱処理する熱処理工程を含む複合材料の製造方法。
A composite including a mixing step of mixing graphite particles, an organic compound, and metal oxide particles, and a heat treatment step of heat-treating the mixture obtained in the mixing step at 600 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower in a non-oxidizing gas atmosphere. Material manufacturing method.
有機化合物を含有する金属酸化物粒子と、黒鉛粒子と、を混合する混合工程、及び
前記混合工程で得られた混合物を非酸化性ガス雰囲気下において600℃以上2000℃以下で熱処理する熱処理工程を含む複合材料の製造方法。


A mixing step of mixing metal oxide particles containing an organic compound and graphite particles, and a heat treatment step of heat-treating the mixture obtained in the mixing step at 600 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower in a non-oxidizing gas atmosphere. Method of manufacturing composite material including.


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