JP5021982B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、正極が、リチウム含有マンガン酸化物を含む正極活物質を含み、負極が、珪素と遷移金属元素とを含む負極活物質を含む非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a nonaqueous electrolyte secondary battery in which a positive electrode includes a positive electrode active material including a lithium-containing manganese oxide, and a negative electrode includes a negative electrode active material including silicon and a transition metal element.

非水電解質二次電池(特にリチウム二次電池)は、起電力が高く、高エネルギー密度であるため、移動体通信機器および携帯電子機器の主電源として広く利用されている。非水電解質二次電池のメモリーバックアップ用電源としての需要も年々増加している。携帯型電子機器の著しい発展に伴い、機器のさらなる小型化、高性能化およびメンテナンスフリー化等が進められている。これに伴い、従来よりも高エネルギー密度の非水電解質二次電池が強く要望されている。   Nonaqueous electrolyte secondary batteries (particularly lithium secondary batteries) have high electromotive force and high energy density, and are therefore widely used as main power sources for mobile communication devices and portable electronic devices. The demand for non-aqueous electrolyte secondary battery as a memory backup power source is increasing year by year. With the remarkable development of portable electronic devices, further downsizing, higher performance and maintenance-free operation of the devices are being promoted. Accordingly, there is a strong demand for non-aqueous electrolyte secondary batteries with higher energy density than conventional ones.

リチウム二次電池の高容量化を図る観点から、炭素材料よりも理論容量の大きい負極材料である珪素系材料が注目されている。珪素の理論容量は、黒鉛、アルミニウムなどよりも大きい。   From the viewpoint of increasing the capacity of lithium secondary batteries, silicon-based materials, which are negative electrode materials having a larger theoretical capacity than carbon materials, are attracting attention. The theoretical capacity of silicon is larger than that of graphite and aluminum.

しかし、結晶質の珪素は、充放電時にリチウムイオンを吸蔵もしくは放出する際、体積変化を起こす。体積の膨張率は、最大で4倍程度となる。珪素を活物質として用いると、体積変化による歪みを受けて珪素が微粉化するため、電極構造が破壊される。   However, crystalline silicon causes a volume change when inserting or extracting lithium ions during charge and discharge. The expansion rate of the volume is about 4 times at the maximum. When silicon is used as an active material, the electrode structure is destroyed because silicon is pulverized due to strain due to volume change.

特許文献1は、負極活物質として珪素酸化物を用いることを提案している。珪素酸化物は、リチウムイオンを吸蔵する際に、リチウムと珪素との合金と酸化リチウムの微結晶構造に変化する。これにより、体積変化による歪に対する強度が増し、微粉化が抑制される。一方、負極活物質が完全放電状態になるまでリチウムイオンを放出すると、リチウムと珪素との合金は珪素に変化し、酸化リチウムは変化しない。ただし、負極活物質を完全に放電させることは、実際の電池の使用上では有り得ない。よって、放電状態では、リチウム比率の低下したリチウムと珪素との合金と、酸化リチウムとが存在する。   Patent Document 1 proposes to use silicon oxide as the negative electrode active material. When silicon oxide occludes lithium ions, it changes to a microcrystalline structure of an alloy of lithium and silicon and lithium oxide. Thereby, the intensity | strength with respect to the distortion by a volume change increases, and pulverization is suppressed. On the other hand, when lithium ions are released until the negative electrode active material is completely discharged, the alloy of lithium and silicon is changed to silicon and lithium oxide is not changed. However, complete discharge of the negative electrode active material is not possible in actual battery use. Therefore, in the discharge state, an alloy of lithium and silicon having a reduced lithium ratio and lithium oxide exist.

デジタルスチルカメラなどのクロックバックアップ電源は、機器に入れたまま放置されることが多いが、放電カットの保護回路などを有さない場合が多い。結果として、バックアップ電源は、電池電圧が0V付近になるまで放電(深放電)される場合が多くなる。深放電を含む充放電サイクル(深放電サイクル)における寿命特性は、バックアップ電源においては特に重要である。   Clock backup power supplies such as digital still cameras are often left in the equipment, but often do not have a discharge cut protection circuit. As a result, the backup power supply is often discharged (deep discharge) until the battery voltage reaches around 0V. Life characteristics in a charge / discharge cycle including deep discharge (deep discharge cycle) are particularly important in a backup power supply.

正極活物質にマンガン酸化物、負極活物質に黒鉛を用いた場合、電池電圧が0V付近まで低レート(例えば0.1C程度、1Cは1時間率電流)で放電すると、分極が小さいため、正極および負極の電位がほぼ等しくなる。このような場合、正極の可逆性に優れる電位範囲(金属リチウム(Li/Li+)に対して1.8V以上)および負極の可逆性に優れる電位範囲(金属リチウム(Li/Li+)に対して0.2V以下)を両立することは不可能である。深放電を行うと、正極活物質および負極活物質の少なくとも一方が劣化し、寿命特性の劣化が大きくなる。 When manganese oxide is used for the positive electrode active material and graphite is used for the negative electrode active material, since the polarization is small when the battery voltage is discharged at a low rate (eg, about 0.1 C, 1 C is 1 hour rate current) to near 0 V, the positive electrode And the electric potential of a negative electrode becomes substantially equal. In such a case, the potential range excellent in reversibility of the positive electrode (1.8 V or more with respect to metallic lithium (Li / Li + )) and the potential range excellent in reversibility of the negative electrode (relative to metallic lithium (Li / Li + )). Therefore, it is impossible to achieve both of 0.2V or less. When deep discharge is performed, at least one of the positive electrode active material and the negative electrode active material deteriorates, and the deterioration of the life characteristics increases.

特許文献2は、深放電時の負極集電体の溶出を防止する観点から、リチウムイオンを2V以下の電位で放出するリチウム含有化合物を、負極活物質である炭素材料と混合することを提案している。特許文献2の提案は、銅製の負極集電体を含む電池には効果がある。しかし、クロックバックアップ電源用途などの電池は、一般的に負極合剤の成形体(ペレット)を負極として用いるため、負極集電体を有さない。   Patent Document 2 proposes mixing a lithium-containing compound that releases lithium ions at a potential of 2 V or less with a carbon material that is a negative electrode active material, from the viewpoint of preventing elution of the negative electrode current collector during deep discharge. ing. The proposal of Patent Document 2 is effective for a battery including a copper negative electrode current collector. However, a battery for use as a clock backup power source or the like does not have a negative electrode current collector because a negative electrode mixture molded body (pellet) is generally used as a negative electrode.

特許文献3は、直列接続された組電池において、特定電池の深放電を防止する観点から、各電池の電圧変化率を小さくして、放電終止電圧のばらつきを抑制することを提案している。特許文献3の提案は、複数の電池を直列に接続して用いることや、放電電圧制御システムの存在が前提となっている。   Patent Document 3 proposes to reduce the variation in end-of-discharge voltage by reducing the voltage change rate of each battery from the viewpoint of preventing deep discharge of a specific battery in a series-connected assembled battery. The proposal of Patent Document 3 is premised on the use of a plurality of batteries connected in series and the presence of a discharge voltage control system.

特許文献1が提案するように、珪素酸化物を負極活物質として用いた場合、深放電サイクル寿命が短くなる。深放電サイクルを繰り返すと、活物質表面に形成される被膜量が急増するという知見が得られている。   As proposed in Patent Document 1, when silicon oxide is used as the negative electrode active material, the deep discharge cycle life is shortened. It has been found that when the deep discharge cycle is repeated, the amount of film formed on the active material surface increases rapidly.

被膜量が急増するのは、深放電により、負極活物質中の電子抵抗の分布に不均一が生じやすくなり、反応の不均一が進行するためと考えられる。反応の集中する部分では被膜が多く生成し、その部分の劣化が進行する。その結果、別の部分に反応が集中し、加速度的に被膜生成と劣化が進行する。   The rapid increase in the coating amount is thought to be due to the tendency of non-uniformity in the distribution of electronic resistance in the negative electrode active material due to deep discharge and the non-uniformity of the reaction to proceed. In the portion where the reaction is concentrated, a lot of film is formed and the deterioration of the portion proceeds. As a result, the reaction concentrates in another part, and the generation and deterioration of the film progress at an accelerated rate.

負極活物質中の電子抵抗の分布に不均一が生じるのは、深放電状態の酸化珪素は、電子抵抗の増加が著しいためである。深放電状態の酸化珪素中では、充電の際に生成したリチウムと珪素との合金におけるリチウム比率が小さくなるため、合金の抵抗は大きくなる。   The reason why the electron resistance distribution in the negative electrode active material is non-uniform is that the silicon oxide in the deep discharge state has a significant increase in electronic resistance. In the deeply discharged silicon oxide, the lithium ratio in the alloy of lithium and silicon produced during charging is small, so the resistance of the alloy is large.

マンガン酸化物を正極活物質、珪素酸化物を負極活物質に用いると、正極に対する負極の容量が大きい電池設計では、深放電時に正極の金属リチウム(Li/Li+)に対する電位が1.8Vより小さくなる。その結果、マンガン酸化物の結晶構造が不可逆的な変化を起こす場合がある。
特開2000―243449号公報 特開平7−335201号公報 特開2001−243943号公報
When a manganese oxide is used as a positive electrode active material and a silicon oxide is used as a negative electrode active material, in a battery design having a large negative electrode capacity with respect to the positive electrode, the potential of the positive electrode with respect to metallic lithium (Li / Li + ) is 1.8 V during deep discharge. Get smaller. As a result, the crystal structure of the manganese oxide may change irreversibly.
JP 2000-243449 A JP 7-335201 A JP 2001-243943 A

本発明は、正極活物質および負極活物質の劣化が抑制された、高容量で、深放電サイクルにおける寿命特性(深放電サイクル寿命)に優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having high capacity and excellent life characteristics in a deep discharge cycle (deep discharge cycle life) in which deterioration of a positive electrode active material and a negative electrode active material is suppressed. To do.

本発明は、高容量で、深放電サイクルにおける寿命特性(深放電サイクル寿命)に優れた電池を提供する観点から、正極と負極と非水電解質とを具備し、正極は、リチウム含有マンガン酸化物を含む正極活物質を含み、負極は、珪素と遷移金属元素との合金である負極活物質を含み、電池電圧0V時の正極および負極の電位が、それぞれ金属リチウム(Li/Li+)に対して1.8V以上である非水電解質二次電池に関する。 The present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte from the viewpoint of providing a battery having a high capacity and excellent life characteristics in a deep discharge cycle (deep discharge cycle life). The positive electrode comprises a lithium-containing manganese oxide. The negative electrode includes a negative electrode active material that is an alloy of silicon and a transition metal element, and the potentials of the positive electrode and the negative electrode at a battery voltage of 0 V are respectively relative to metal lithium (Li / Li + ). The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery that is 1.8 V or higher.

ここで、リチウム含有マンガン酸化物は、例えば、Li0.55MnO2、LiMn24、Li4Mn512およびLi2Mn49からなる群より選択される少なくとも1種を含む。 Here, the lithium-containing manganese oxide includes, for example, at least one selected from the group consisting of Li 0.55 MnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Mn 5 O 12 and Li 2 Mn 4 O 9 .

負極活物質に含まれる遷移金属元素は、チタン、ニッケルおよび鉄からなる群より選択される少なくとも1種であるTransition metal element contained in the anode active material is at least one selected from the group consisting of titanium, nickel and iron.

負極活物質において、珪素と遷移金属元素とのモル比は、67:33〜98:2が好ましく、74:26〜95:5が更に好ましい。   In the negative electrode active material, the molar ratio of silicon to the transition metal element is preferably 67:33 to 98: 2, and more preferably 74:26 to 95: 5.

リチウム含有マンガン酸化物中のマンガンの一部は、他の元素Meで置換することができる。元素Meは、ニッケルおよび鉄からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。リチウム含有マンガン酸化物中のマンガンに対する、元素Meのモル比は、1/3以下が好適である。   A part of manganese in the lithium-containing manganese oxide can be replaced with another element Me. The element Me is preferably at least one selected from the group consisting of nickel and iron. The molar ratio of the element Me to manganese in the lithium-containing manganese oxide is preferably 1/3 or less.

負極は、例えば負極合剤の成形体を含む。負極合剤は、負極活物質を含む。成形体の厚さは0.05mm〜2.0mmが好適である。この場合、負極は、集電体を有さなくてもよい。   The negative electrode includes, for example, a molded body of a negative electrode mixture. The negative electrode mixture includes a negative electrode active material. The thickness of the molded body is preferably 0.05 mm to 2.0 mm. In this case, the negative electrode may not have a current collector.

正極は、例えば正極合剤の成形体を含む。正極合剤は、正極活物質を含む。成形体の厚さは0.30mm〜3.0mmが好適である。この場合、正極は、集電体を有さなくてもよい。   The positive electrode includes, for example, a molded body of a positive electrode mixture. The positive electrode mixture includes a positive electrode active material. The thickness of the molded body is preferably 0.30 mm to 3.0 mm. In this case, the positive electrode may not have a current collector.

本発明は、更に、上記非水電解質二次電池を有するバックアップ電源、例えばクロックバックアップ電源やメモリーバックアップ電源に関する。   The present invention further relates to a backup power source having the non-aqueous electrolyte secondary battery, such as a clock backup power source and a memory backup power source.

本発明によれば、正極活物質および負極活物質の劣化を抑制することができ、高容量で、深放電サイクル寿命に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, degradation of a positive electrode active material and a negative electrode active material can be suppressed, and the nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in the deep capacity | capacitance and deep discharge cycle life can be provided.

本発明者らは、鋭意検討の結果、負極活物質として珪素と遷移金属元素とを含む合金を用いた場合、負極電位が金属リチウムに対して2.0V付近になるまで放電する充放電サイクルを繰り返しても、負極活物質の表面に形成される被膜が急増しないことを見出した。これは、珪素と遷移金属との金属間化合物相の電子抵抗が低く、放電末期における負極活物質の電子抵抗の増加を抑制できることに関連すると推察される。例えば珪素とチタンとの合金は、珪素相と電子抵抗の低い二珪化チタン相とを含む。珪素とチタンとの合金の粉体電子抵抗は、珪素単体の10-4〜10-7倍である。 As a result of intensive studies, the inventors have conducted a charge / discharge cycle in which discharge is performed until the negative electrode potential is approximately 2.0 V with respect to metallic lithium when an alloy containing silicon and a transition metal element is used as the negative electrode active material. It has been found that the coating film formed on the surface of the negative electrode active material does not rapidly increase even if it is repeated. It is presumed that this is related to the fact that the electronic resistance of the intermetallic compound phase of silicon and transition metal is low, and the increase in the electronic resistance of the negative electrode active material at the end of discharge can be suppressed. For example, an alloy of silicon and titanium includes a silicon phase and a titanium disilicide phase having a low electronic resistance. The powder electronic resistance of an alloy of silicon and titanium is 10 −4 to 10 −7 times that of silicon alone.

本発明は、上記知見に基づくものであり、正極と負極と非水電解質とを具備し、正極は、リチウム含有マンガン酸化物を含む正極活物質を含み、負極は、珪素と遷移金属元素とを含む負極活物質を含み、電池電圧0V時の正極および負極の電位が、それぞれ金属リチウム(Li/Li+)に対して1.8V以上である非水電解質二次電池に関する。 The present invention is based on the above findings, and includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode includes a positive electrode active material including a lithium-containing manganese oxide. The negative electrode includes silicon and a transition metal element. The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery that includes a negative electrode active material and has a positive electrode potential and a negative electrode potential of 1.8 V or more with respect to metallic lithium (Li / Li + ) when the battery voltage is 0 V.

電池電圧0V時の正極および負極の電位が、それぞれ金属リチウム(Li/Li+)に対して1.8V以上となるように電池を設計することで、正極活物質および負極活物質の劣化が抑制され、高容量で、深放電サイクル寿命に優れた非水電解質二次電池が得られる。 By designing the battery so that the potential of the positive electrode and negative electrode when the battery voltage is 0 V is 1.8 V or more with respect to metallic lithium (Li / Li + ), the deterioration of the positive electrode active material and the negative electrode active material is suppressed. Thus, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and an excellent deep discharge cycle life can be obtained.

電池電圧0V時の正極および負極の電位が、それぞれ金属リチウム(Li/Li+)に対して1.8V以上となるように電池を設計する方法は当業者にとって自明である。 It is obvious to those skilled in the art how to design a battery so that the potential of the positive electrode and the negative electrode when the battery voltage is 0 V is 1.8 V or more with respect to metallic lithium (Li / Li + ).

正極活物質を構成するリチウム含有マンガン酸化物は、容量密度および安定性の観点から、Li0.55MnO2、LiMn24、Li4Mn512、Li2Mn49などを用いることが好ましい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの組成は、電池を充放電させる前の組成であり、充放電によってリチウムの含有量などが変化する。 Li 0.55 MnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Mn 5 O 12 , Li 2 Mn 4 O 9, etc. may be used as the lithium-containing manganese oxide constituting the positive electrode active material from the viewpoint of capacity density and stability. preferable. These may be used alone or in combination of two or more. These compositions are compositions before charging and discharging the battery, and the lithium content and the like change due to charging and discharging.

リチウム含有マンガン酸化物は、例えば、リチウム源とマンガン源とを混合し、得られた混合物を酸素含有雰囲気(例えば空気中、酸素中)で焼成することにより、得ることができる。リチウム源としては、水酸化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウムなどが挙げられる。マンガン源としては、二酸化マンガン、炭酸マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。   The lithium-containing manganese oxide can be obtained, for example, by mixing a lithium source and a manganese source, and firing the obtained mixture in an oxygen-containing atmosphere (for example, in air or oxygen). Examples of the lithium source include lithium hydroxide, lithium carbonate, and lithium acetate. Examples of the manganese source include manganese dioxide, manganese carbonate, manganese acetate and the like.

正極電位は、深放電時、すなわち電池電圧が0Vである時も、金属リチウムに対して
1.8V以上であることが好ましく、2.0V以上であることが更に好ましい。正極電位が1.8Vより小さくなると、リチウム含有マンガン酸化物の結晶構造の損傷により、反応の可逆性が減少する。
The positive electrode potential is preferably 1.8 V or more, more preferably 2.0 V or more, with respect to metallic lithium even during deep discharge, that is, when the battery voltage is 0 V. When the positive electrode potential is smaller than 1.8 V, the reversibility of the reaction decreases due to damage to the crystal structure of the lithium-containing manganese oxide.

リチウム含有マンガン酸化物のマンガンの一部を、他の元素Meで置換してもよい。元素Meとしては、例えばニッケル、鉄などが好ましい。リチウム含有マンガン酸化物中には、1種の元素Meが単独で含まれていてもよく、複数種の元素Meが含まれていてもよい。リチウム含有マンガン酸化物が元素Meを含むことで、充放電時におけるマンガンの価数の変化が低減する。その結果、マンガンの溶出が抑制され、深放電サイクル寿命が向上する。   A part of manganese of the lithium-containing manganese oxide may be substituted with another element Me. As the element Me, for example, nickel, iron and the like are preferable. In the lithium-containing manganese oxide, one kind of element Me may be contained alone or a plurality of kinds of elements Me may be contained. When the lithium-containing manganese oxide contains the element Me, the change in the valence of manganese during charging and discharging is reduced. As a result, elution of manganese is suppressed and the deep discharge cycle life is improved.

リチウム含有マンガン酸化物中のマンガンに対する、元素Meのモル比は、1/3以下であることが好ましく、1/4以下であることが更に好ましい。すなわち、元素Meで置換されるマンガン量は、全体の33.3%以下が好ましく、25%以下が更に好ましい。詳しい原因は判明していないが、元素Meで置換されるマンガン量が全体の1/3を超えると、正極活物質の容量が低下する。   The molar ratio of the element Me to manganese in the lithium-containing manganese oxide is preferably 1/3 or less, and more preferably 1/4 or less. That is, the amount of manganese substituted with the element Me is preferably 33.3% or less, more preferably 25% or less. Although the detailed cause is not clarified, when the amount of manganese substituted with the element Me exceeds 1/3 of the whole, the capacity of the positive electrode active material decreases.

Mnを元素Meで置換したリチウム含有マンガン酸化物は、例えば、リチウム源とマンガン源と元素Me源とを混合し、得られた混合物を酸素含有雰囲気(例えば空気中、酸素中)で焼成することにより、得ることができる。元素Me源としては、例えば水酸化ニッケルなどが挙げられる。   Lithium-containing manganese oxide in which Mn is replaced with element Me is prepared by, for example, mixing a lithium source, a manganese source, and an element Me source, and firing the obtained mixture in an oxygen-containing atmosphere (for example, in air or oxygen). Can be obtained. Examples of the element Me source include nickel hydroxide.

正極活物質の比表面積は、特に限定されないが、2〜100m2/gであることが好ましい。比表面積が2m2/g未満では、反応面積が小さく、充分な容量が得られない場合がある。比表面積が100m2/gを超えると、必要な導電剤量が増え、あるいは電子抵抗が増加し、やはり電池容量が低下する場合がある。 The specific surface area of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 2 to 100 m 2 / g. When the specific surface area is less than 2 m 2 / g, the reaction area is small and a sufficient capacity may not be obtained. When the specific surface area exceeds 100 m 2 / g, the necessary amount of conductive agent increases or the electronic resistance increases, and the battery capacity may also decrease.

正極活物質の平均粒径(体積基準の粒度分布におけるメディアン径:D50)は、特に限定されないが、0.1〜100μmであることが好ましい。平均粒径が0.1μm未満では、反応面積が小さく、充分な容量が得られない場合がある。平均粒径が100μmを超えると、必要な導電剤量が増え、あるいは電子抵抗が増加し、やはり電池容量が低下する場合がある。 The average particle diameter of the positive electrode active material (median diameter in the volume-based particle size distribution: D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 μm. If the average particle size is less than 0.1 μm, the reaction area is small and sufficient capacity may not be obtained. If the average particle size exceeds 100 μm, the amount of necessary conductive agent increases or the electronic resistance increases, and the battery capacity may also decrease.

負極活物質は、珪素と遷移金属元素とを含む。遷移金属元素には、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、銀、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タングステンなどを用いることができる。負極活物質には、1種の遷移金属元素が単独で含まれていてもよく、複数種の遷移金属元素が含まれていてもよい。特に、チタン、ニッケルおよび鉄からなる群より選択される少なくとも1種を含む負極活物質(例えば二珪化チタン:TiSi2)は、電子抵抗が小さく、入手も容易であり、工業的観点から好ましい。 The negative electrode active material contains silicon and a transition metal element. As the transition metal element, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, molybdenum, silver, titanium, zirconium, hafnium, tungsten, or the like can be used. The negative electrode active material may contain one type of transition metal element alone, or may contain multiple types of transition metal elements. In particular, a negative electrode active material containing at least one selected from the group consisting of titanium, nickel, and iron (for example, titanium disilicide: TiSi 2 ) has a low electronic resistance, is easily available, and is preferable from an industrial viewpoint.

珪素と遷移金属元素とを含む負極活物質において、珪素と遷移金属元素とのモル比は、67:33〜98:2であることが好ましい。珪素の割合が67モル%より小さくなる(遷移金属元素の割合が33モル%より多くなる)と、負極活物質に占めるリチウムに対して活性な相(例えば珪素単体相)の割合が小さくなり、負極活物質の容量密度が低下する。珪素の割合が98モル%より大きくなる(遷移金属元素の割合が2モル%より少なくなる)と、リチウムを吸蔵したときの負極活物質の体積膨張率が、珪素単体とほぼ同等となる。よって、負極内の集電構造を維持することが困難となり、充放電サイクルにおける容量維持率が低下する。   In the negative electrode active material containing silicon and a transition metal element, the molar ratio of silicon to the transition metal element is preferably 67:33 to 98: 2. When the proportion of silicon is smaller than 67 mol% (the proportion of transition metal element is larger than 33 mol%), the proportion of the active phase (for example, a silicon simple substance phase) with respect to lithium in the negative electrode active material is reduced. The capacity density of the negative electrode active material decreases. When the proportion of silicon is greater than 98 mol% (the proportion of transition metal element is less than 2 mol%), the volume expansion coefficient of the negative electrode active material when lithium is occluded is substantially equivalent to that of silicon alone. Therefore, it becomes difficult to maintain the current collecting structure in the negative electrode, and the capacity maintenance rate in the charge / discharge cycle is lowered.

遷移金属元素がTiである場合、負極活物質に含まれる珪素の含有量は、72.4〜97.7モル%であることが望ましい。遷移金属元素がNiである場合、負極活物質に含まれるSiの含有量は、69.4〜97.45モル%であることが望ましい。遷移金属元素がFeである場合、負極活物質に含まれるSiの含有量は、70〜97.5モル%であることが望ましい。   When the transition metal element is Ti, the content of silicon contained in the negative electrode active material is desirably 72.4 to 97.7 mol%. When the transition metal element is Ni, the content of Si contained in the negative electrode active material is desirably 69.4 to 97.45 mol%. When the transition metal element is Fe, the content of Si contained in the negative electrode active material is desirably 70 to 97.5 mol%.

特に、珪素と遷移金属元素とのモル比を74:26〜95:5とすることが、高容量と優れた容量維持率との両立を図る上で最も効果的である。
負極電位は、負極が活物質もしくは導電剤として黒鉛を含まない場合は特に制約はない。ただし、負極が黒鉛を含む場合、負極電位は、通常放電時、すなわち電池電圧が2.0V以上であるときは、金属リチウムに対して0.25V以下であることが好ましく、0.2V以下であることが更に好ましい。負極電位が金属リチウムに対して0.25Vを超える範囲で充放電サイクルを繰り返すと、黒鉛が劣化するためである。
In particular, the molar ratio between silicon and the transition metal element of 74:26 to 95: 5 is most effective in achieving both a high capacity and an excellent capacity maintenance ratio.
The negative electrode potential is not particularly limited when the negative electrode does not contain graphite as an active material or a conductive agent. However, when the negative electrode contains graphite, the negative electrode potential is preferably 0.25 V or less with respect to metallic lithium at normal discharge, that is, when the battery voltage is 2.0 V or more, and 0.2 V or less. More preferably it is. This is because graphite deteriorates when the charge / discharge cycle is repeated in a range where the negative electrode potential exceeds 0.25 V with respect to metallic lithium.

電池電圧が0Vであるとき、正極と負極の電位は等しくなる。よって、深放電時、すなわち電池電圧が0Vであるとき、負極電位は、金属リチウムに対して1.8V以上であることが好ましく、2.0V以上であることが更に好ましい。   When the battery voltage is 0 V, the positive and negative electrodes have the same potential. Therefore, at the time of deep discharge, that is, when the battery voltage is 0 V, the negative electrode potential is preferably 1.8 V or more, more preferably 2.0 V or more with respect to metallic lithium.

高容量と低い電子抵抗とを両立させる観点から、負極活物質は、珪素と遷移金属元素との合金であり、珪素単体相と、珪素と遷移金属元素との金属間化合物相との少なくとも2相以上を含むことが好ましい。   From the viewpoint of achieving both high capacity and low electronic resistance, the negative electrode active material is an alloy of silicon and a transition metal element, and has at least two phases of a single silicon phase and an intermetallic compound phase of silicon and the transition metal element. It is preferable to include the above.

珪素単体相は、微量の添加元素、例えばリン(P)、ホウ素(B)、水素(H)、遷移金属元素等を含んでもよい。金属間化合物相は、珪素単体相との親和性が高く、充電時に合金の体積が膨張しても、珪素単体相との界面で剥離が生じにくい。金属間化合物相は、珪素単体相に比較して電子伝導性が高く、かつ硬度も高い。合金内に金属間化合物相が複数種存在してもよい。   The silicon single phase may contain a small amount of additive elements such as phosphorus (P), boron (B), hydrogen (H), transition metal elements and the like. The intermetallic compound phase has a high affinity with the single silicon phase, and even if the volume of the alloy expands during charging, peeling is unlikely to occur at the interface with the single silicon phase. The intermetallic compound phase has higher electron conductivity and higher hardness than the silicon simple substance phase. Multiple types of intermetallic compound phases may be present in the alloy.

負極活物質の結晶性は、特に限定されないが、非晶質状態、微結晶状態、または非晶質領域と微結晶領域との混合状態であることが望ましい。非晶質状態とは、CuKα線を用いたX線回折分析において、回折像(回折パターン)が結晶面に帰属される明確なピークを有さず、ブロードな回折像しか得られない状態である。微結晶状態とは、結晶子(crystal grain)サイズが20nm以下の状態である。これらの状態は透過電子顕微鏡(TEM)により直接観察できる。結晶子サイズは、X線回折分析で得られる回折像におけるピークの半価幅から、Scherrerの式を用いて求めることができる。ピークが複数存在する場合には、最も強度の大きなピークの半価幅を求め、これにScherrerの式を適用する。結晶子サイズが20nmより大きくなると、充放電に伴う活物質の体積変化に活物質粒子の機械的強度が追従できない場合がある。よって、粒子割れなどが起こり、集電状態が劣化し、充放電効率や寿命特性が低下する場合がある。   The crystallinity of the negative electrode active material is not particularly limited, but is desirably in an amorphous state, a microcrystalline state, or a mixed state of an amorphous region and a microcrystalline region. The amorphous state is a state in which a diffraction image (diffraction pattern) does not have a clear peak attributed to a crystal plane and only a broad diffraction image is obtained in X-ray diffraction analysis using CuKα rays. . The microcrystalline state is a state in which the crystal grain size is 20 nm or less. These states can be directly observed with a transmission electron microscope (TEM). The crystallite size can be determined from the half width of the peak in the diffraction image obtained by X-ray diffraction analysis, using the Scherrer equation. When there are a plurality of peaks, the half width of the peak with the highest intensity is obtained, and the Scherrer equation is applied thereto. When the crystallite size is larger than 20 nm, the mechanical strength of the active material particles may not be able to follow the volume change of the active material accompanying charge / discharge. Therefore, particle cracking or the like may occur, the current collection state may deteriorate, and charge / discharge efficiency or life characteristics may deteriorate.

非晶質状態、微結晶状態、非晶質領域と微結晶領域との混合状態の負極活物質を得る方法は特に限定されない。例えば、珪素単体と遷移金属元素Mの単体とを、ボールミル、振動ミル、遊星ボールミルなどで機械的に粉砕もしくは混合することにより、直接合成する方法(メカニカルアロイング法)などが挙げられる。メカニカルアロイングを効率的に行う観点からは、振動ミルを用いることが最も好ましい。   A method for obtaining the negative electrode active material in an amorphous state, a microcrystalline state, or a mixed state of an amorphous region and a microcrystalline region is not particularly limited. For example, a method of directly synthesizing a single element of silicon and a single element of the transition metal element M by mechanically pulverizing or mixing with a ball mill, a vibration mill, a planetary ball mill, or the like (mechanical alloying method) can be used. From the viewpoint of efficiently performing mechanical alloying, it is most preferable to use a vibration mill.

負極活物質の比表面積は、特に限定されないが、0.5〜20m2/gであることが好ましい。比表面積が0.5m2/g未満では、負極活物質と非水電解質との接触面積が少ないため、充放電効率が低下する場合がある。比表面積が20m2/gを超えると、負極活物質と非水電解質との反応性が過剰となり、不可逆容量が増大する場合がある。 Although the specific surface area of a negative electrode active material is not specifically limited, It is preferable that it is 0.5-20 m < 2 > / g. If the specific surface area is less than 0.5 m 2 / g, the contact area between the negative electrode active material and the non-aqueous electrolyte is small, and the charge / discharge efficiency may be reduced. When the specific surface area exceeds 20 m 2 / g, the reactivity between the negative electrode active material and the non-aqueous electrolyte becomes excessive, and the irreversible capacity may increase.

負極活物質の平均粒径(体積基準の粒度分布におけるメディアン径:D50)は、特に限定されないが、0.1〜20μmであることが好ましい。平均粒径が0.1μm未満では、負極活物質の比表面積が大きいため、負極活物質と非水電解質との反応性が過剰となり、不可逆容量が増大する場合がある。平均粒径が20μmを超えると、負極活物質の比表面積が小さいため、負極活物質と非水電解質との接触面積が減少し、充放電効率が低下する場合がある。 The average particle diameter of the negative electrode active material (median diameter in the volume-based particle size distribution: D 50 ) is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 20 μm. When the average particle size is less than 0.1 μm, the specific surface area of the negative electrode active material is large, so that the reactivity between the negative electrode active material and the nonaqueous electrolyte becomes excessive, and the irreversible capacity may increase. When the average particle size exceeds 20 μm, the specific surface area of the negative electrode active material is small, so that the contact area between the negative electrode active material and the non-aqueous electrolyte decreases, and the charge / discharge efficiency may decrease.

負極活物質の表面には、安全性の観点から、珪素酸化物を含む被膜を形成することが好ましい。このような被膜を形成する方法としては、例えば、攪拌機能を有する密閉容器内で攪拌されている負極活物質に、徐々に酸素を導入する方法が挙げられる。密閉容器を水冷ジャケットなどの放熱機構で冷却することにより、攪拌されている負極活物質の温度上昇を抑制することができ、被膜形成に要する時間も短くなる。具体的には、放熱機構を備える振動乾燥機や混練機などを用いることができる。   A film containing silicon oxide is preferably formed on the surface of the negative electrode active material from the viewpoint of safety. As a method for forming such a film, for example, a method of gradually introducing oxygen into the negative electrode active material being stirred in a sealed container having a stirring function can be mentioned. By cooling the hermetic container with a heat radiation mechanism such as a water cooling jacket, the temperature rise of the stirred negative electrode active material can be suppressed, and the time required for film formation is shortened. Specifically, a vibration dryer or a kneader equipped with a heat dissipation mechanism can be used.

正極は、正極合剤の成形体(例えばコイン型のペレット)であることが望ましい。正極合剤は、正極活物質を必須成分として含み、結着剤、導電剤などを任意成分として含む。正極が成形体である場合、集電体が不要となり、正極の高容量化を図ることができる。特にバックアップ電源用途の電池のように、サイズの小さい電池においては、成形体を用いることが有利である。   The positive electrode is preferably a molded body of a positive electrode mixture (for example, coin-shaped pellets). The positive electrode mixture includes a positive electrode active material as an essential component, and includes a binder, a conductive agent, and the like as optional components. When the positive electrode is a molded body, a current collector is not necessary, and the capacity of the positive electrode can be increased. In particular, in a battery having a small size, such as a battery for use as a backup power source, it is advantageous to use a molded body.

正極合剤の成形体のサイズは、充電状態および放電状態のいずれにおいても、厚さ0.30mm〜3.0mmであることが好ましい。成形体の厚さが0.30mmより小さくなると、電池電圧0V時の正極および負極の電位が金属リチウムに対して1.8V以上となる電池設計においては、正極のエネルギー密度が負極に比べて小さくなる。よって、正極と対向させる負極の厚さが、0.05mmの下限より小さくなる。成形体の厚さが3.0mmを超えると、正極内におけるリチウムイオンの拡散性が極端に低下し、充放電効率が低下する場合がある。   The size of the molded body of the positive electrode mixture is preferably 0.30 mm to 3.0 mm in thickness in both the charged state and the discharged state. When the thickness of the molded body is smaller than 0.30 mm, the energy density of the positive electrode is smaller than that of the negative electrode in a battery design in which the potential of the positive electrode and the negative electrode is 1.8 V or more with respect to metallic lithium when the battery voltage is 0 V Become. Therefore, the thickness of the negative electrode facing the positive electrode is smaller than the lower limit of 0.05 mm. When the thickness of the molded body exceeds 3.0 mm, the diffusibility of lithium ions in the positive electrode is extremely lowered, and the charge / discharge efficiency may be lowered.

負極は、負極合剤の成形体(例えばコイン型のペレット)であることが望ましい。負極合剤は、負極活物質を必須成分として含み、結着剤、導電剤などを任意成分として含む。負極が成形体である場合、集電体が不要となり、負極の高容量化を図ることができる。特にバックアップ電源用途の電池のように、サイズの小さい電池においては、成形体を用いることが有利である。   The negative electrode is preferably a molded body of a negative electrode mixture (for example, coin-shaped pellets). The negative electrode mixture includes a negative electrode active material as an essential component, and includes a binder, a conductive agent, and the like as optional components. When the negative electrode is a molded body, a current collector is not necessary, and the capacity of the negative electrode can be increased. In particular, in a battery having a small size, such as a battery for use as a backup power source, it is advantageous to use a molded body.

負極合剤の成形体のサイズは、充電状態および放電状態のいずれにおいても、厚さ0.05mm〜2.0mmであることが好ましい。成形体の厚さが0.05mmより小さくなると、成形体の強度が低下し、形状保持が困難となり、電池特性が低下する場合がある。成形体の厚さが2.0mmを超えると、負極内におけるリチウムイオンの拡散性が極端に低下し、充放電効率が低下する場合がある。   The size of the molded body of the negative electrode mixture is preferably 0.05 mm to 2.0 mm in thickness in both the charged state and the discharged state. If the thickness of the molded body is smaller than 0.05 mm, the strength of the molded body is lowered, shape retention becomes difficult, and battery characteristics may be degraded. When the thickness of the molded body exceeds 2.0 mm, the diffusibility of lithium ions in the negative electrode is extremely lowered, and the charge / discharge efficiency may be lowered.

正極合剤の成形体および負極合剤の成形体の厚さは、電池を分解しなくても、断面X線CTなどで確認することができる。   The thickness of the molded body of the positive electrode mixture and the molded body of the negative electrode mixture can be confirmed by sectional X-ray CT or the like without disassembling the battery.

正極合剤または負極合剤に含ませる導電剤としては、例えば天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、密度、安定性、価格等の観点から、黒鉛類やカーボンブラック類を用いることが好ましい。   Examples of the conductive agent included in the positive electrode mixture or the negative electrode mixture include graphite such as natural graphite (flaky graphite, etc.), artificial graphite, expanded graphite, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, and lamp black. And carbon blacks such as thermal black, carbon fibers, metal fibers and the like. These may be used alone or in combination. Of these, graphites and carbon blacks are preferably used from the viewpoints of density, stability, price, and the like.

正極合剤に含ませる導電剤は、特にアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが好ましく、その量は、正極活物質100重量部あたり、1〜20重量部が好ましい。   The conductive agent contained in the positive electrode mixture is particularly preferably acetylene black or ketjen black, and the amount is preferably 1 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of the positive electrode active material.

負極合剤に含ませる導電剤は、特にカーボンブラックもしくは黒鉛とカーボンブラックとの組み合わせが好ましく、その量は、負極活物質100重量部あたり、2〜40重量部が好ましい。   The conductive agent contained in the negative electrode mixture is particularly preferably carbon black or a combination of graphite and carbon black, and the amount is preferably 2 to 40 parts by weight per 100 parts by weight of the negative electrode active material.

正極合剤または負極合剤に含ませる結着剤としては、例えばスチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン(PTFE)、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、活物質の体積変化に比較的柔軟に対応可能であるスチレンブタジエンゴムや、強固な結着を維持できるポリアクリル酸等が好ましい。   Examples of the binder included in the positive electrode mixture or the negative electrode mixture include styrene butadiene rubber, polyacrylic acid, polyethylene, polyurethane, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose, Examples include methyl cellulose. These may be used alone or in combination. Among these, styrene butadiene rubber that can respond to the volume change of the active material relatively flexibly, polyacrylic acid that can maintain strong binding, and the like are preferable.

正極合剤に含ませる結着剤は、特にポリ4フッ化エチレンが好ましく、その量は、正極活物質100重量部あたり、1〜20重量部が好ましい。   The binder contained in the positive electrode mixture is particularly preferably polytetrafluoroethylene, and the amount thereof is preferably 1 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of the positive electrode active material.

負極合剤に含ませる結着剤は、特にポリアクリル酸が好ましく、その量は、負極活物質100重量部あたり、2〜30重量部が好ましい。   The binder to be included in the negative electrode mixture is particularly preferably polyacrylic acid, and the amount is preferably 2 to 30 parts by weight per 100 parts by weight of the negative electrode active material.

非水電解質は、リチウム塩を溶解した非水溶媒であることが好ましい。
非水溶媒としては、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)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、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)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、ブチルジグライム、メチルテトラグライム等の非プロトン性有機溶媒等を挙げることができる。これらは複数を組み合わせて用いることが好ましい。
The non-aqueous electrolyte is preferably a non-aqueous solvent in which a lithium salt is dissolved.
Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), cyclic carbonates such as vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl. Chain carbonates such as methyl carbonate (EMC) and dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate, methyl propionate and ethyl propionate, and γ-lactones such as γ-butyrolactone 1, 2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE), chain ethers such as ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfoxy 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 1,3- Dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone, butyl diglyme, methyl tetraglyme, etc. Examples include aprotic organic solvents. These are preferably used in combination.

リチウム塩としては、例えばLiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO22、LiAsF6、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、イミド類等を挙げることができる。これらは単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。非水溶媒に溶解させるリチウム塩の濃度は、0.2〜2.0mol/Lが好ましく、0.5〜1.5mol/Lが更に好ましい。 Examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , Examples include lower aliphatic lithium carboxylates, LiCl, LiBr, LiI, chloroborane lithium, lithium tetraphenylborate, and imides. These may be used alone or in combination. The concentration of the lithium salt dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.2 to 2.0 mol / L, and more preferably 0.5 to 1.5 mol / L.

正極と負極との間に介在させるセパレータとしては、大きなイオン透過度、所定の機械的強度、および電子絶縁性を有する微多孔性薄膜が用いられる。特に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド等の材質からなる微多孔性薄膜が好ましく用いられる。   As the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a microporous thin film having high ion permeability, predetermined mechanical strength, and electronic insulation is used. In particular, a microporous thin film made of a material such as polypropylene, polyethylene, polyphenylene sulfide, polyethylene terephthalate, polyamide, or polyimide is preferably used.

本発明の非水電解質二次電池の形状は、特に限定されず、例えば円筒型、角型、コイン型等の形状を取り得る。ただし、本発明は、コイン型の非水電解質二次電池において特に好適である。コイン型の非水電解質二次電池は、正極缶および負極缶を含むコイン型の電池ケースを有し、正極および負極は、それぞれ円盤状で、正極缶および負極缶に収容されている。正極と負極との間にセパレータが介在している。正極缶の開口端と負極缶の開口端とは、絶縁ガスケットを介して嵌合しており、電池は密封されている。電池の密封は、リチウムイオン導電性の非水電解質を、正極、負極およびセパレータに含浸させた後に行われる。   The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and may be a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, or the like. However, the present invention is particularly suitable for a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery. A coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery has a coin-type battery case including a positive electrode can and a negative electrode can, and the positive electrode and the negative electrode are each in a disc shape and are accommodated in the positive electrode can and the negative electrode can. A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The open end of the positive electrode can and the open end of the negative electrode can are fitted via an insulating gasket, and the battery is sealed. The battery is sealed after the positive electrode, the negative electrode, and the separator are impregnated with a lithium ion conductive nonaqueous electrolyte.

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Next, the present invention will be specifically described based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(i)正極の作製
二酸化マンガンと水酸化リチウムとをモル比で20:11の割合で混合した。得られた混合物を、空気中400℃で、12時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積20m2/gのLi0.55MnO2を得た。正極活物質であるLi0.55MnO2と、導電剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるポリ4フッ化エチレン(PTFE)とを、重量比88:6:6で混合し、正極合剤を得た。結着剤であるPTFEは、水性分散液の状態で用いた。正極合剤を、直径4mm、厚さ1.0mmのコイン型のペレットに成形した。得られた成形体を250℃で12時間乾燥させたものを正極とした。
(I) Production of positive electrode Manganese dioxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 20:11. The obtained mixture was calcined in the air at 400 ° C. for 12 hours to obtain Li 0.55 MnO 2 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 20 m 2 / g. Li 0.55 MnO 2 that is a positive electrode active material, acetylene black that is a conductive agent, and polytetrafluoroethylene (PTFE) that is a binder are mixed in a weight ratio of 88: 6: 6, and a positive electrode mixture is obtained. Obtained. PTFE as a binder was used in the state of an aqueous dispersion. The positive electrode mixture was formed into coin-shaped pellets having a diameter of 4 mm and a thickness of 1.0 mm. A product obtained by drying the obtained molded body at 250 ° C. for 12 hours was used as a positive electrode.

(ii)負極の作製
以下の要領で珪素−チタン合金を合成した。
珪素粉末およびチタン粉末を、珪素元素とチタン元素とのモル比(原子比)が85:15となるように混合した。得られた混合物1.7kgを、直径1インチのステンレス鋼製ボール300kgとともに、中央化工機(株)製の振動ボールミル装置FV−20型(ステンレス鋼製、内容積64L)に投入した。装置内の空気をアルゴンガスで置換した後、振幅8mm、振動数1200rpmで、60時間、混合物の粉砕処理を行い、珪素−チタン合金を得た。
(Ii) Production of negative electrode A silicon-titanium alloy was synthesized in the following manner.
Silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio (atomic ratio) of silicon element to titanium element was 85:15. 1.7 kg of the obtained mixture was put together with 300 kg of stainless steel balls having a diameter of 1 inch into a vibration ball mill apparatus FV-20 type (made of stainless steel, internal volume 64 L) manufactured by Chuo Kakoki Co., Ltd. After the air in the apparatus was replaced with argon gas, the mixture was pulverized for 60 hours at an amplitude of 8 mm and a vibration frequency of 1200 rpm to obtain a silicon-titanium alloy.

珪素−チタン合金をX線回折(XRD)で分析したところ、珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。回折像のピーク位置と、半価幅と、Scherrerの式を用いて、結晶子サイズを計算すると、珪素単体相は非晶質であり、二珪化チタン相は15nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると、50:50であった。   When the silicon-titanium alloy was analyzed by X-ray diffraction (XRD), it was found that the silicon-titanium alloy contained at least a single silicon phase and a titanium disilicide phase. When the crystallite size was calculated using the peak position of the diffraction image, the half width, and Scherrer's equation, the silicon simple substance phase was amorphous and the titanium disilicide phase was 15 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase was 50:50, assuming that all titanium formed titanium disilicide.

この珪素−チタン合金を、アルゴン雰囲気を保ったまま中央化工機(株)製の振動乾燥機VU30型に回収した。振動乾燥機内で振動攪拌されている珪素−チタン合金に、アルゴンと酸素との混合ガスを、合金の温度が100℃を越えないように、1時間かけて断続的に導入した。その結果、合金粒子の表面には、珪素酸化物を含む被膜が形成された。その後、最大粒径が63μmになるように分級した合金粒子を負極活物質として用いた。   This silicon-titanium alloy was recovered in a vibration dryer VU30 type manufactured by Chuo Kakoki Co., Ltd. while maintaining an argon atmosphere. A mixed gas of argon and oxygen was intermittently introduced over 1 hour into the silicon-titanium alloy that was vibrated and stirred in the vibration dryer so that the temperature of the alloy did not exceed 100 ° C. As a result, a film containing silicon oxide was formed on the surface of the alloy particles. Thereafter, alloy particles classified so as to have a maximum particle size of 63 μm were used as the negative electrode active material.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比120:10:10で混合し、負極合剤を得た。負極合剤を、直径4mm、厚さ0.3mmのペレットに成形した。得られた成形体を200℃で12時間乾燥させたものを負極とした。   A silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 120: 10: 10 to obtain a negative electrode mixture. The negative electrode mixture was formed into pellets having a diameter of 4 mm and a thickness of 0.3 mm. The obtained molded body was dried at 200 ° C. for 12 hours to make a negative electrode.

(iii)非水電解質の調製
プロピレンカーボネート(PC):エチレンカーボネート(EC):1,2−ジメトキシエタン(DME)=1:1:1の体積比で非水溶媒を混合し、得られた混合溶媒にリチウム塩としてLiN(CF3SO22を1mol/リットルの濃度で溶解したものを非水電解質として用いた。
(Iii) Preparation of nonaqueous electrolyte Propylene carbonate (PC): ethylene carbonate (EC): 1,2-dimethoxyethane (DME) = 1: 1: 1 mixed with a nonaqueous solvent, and the resulting mixture A solution obtained by dissolving LiN (CF 3 SO 2 ) 2 as a lithium salt in a solvent at a concentration of 1 mol / liter was used as a non-aqueous electrolyte.

(iv)試験電池の作製
図1に示すような直径6.8mm、厚み2.1mmの寸法を有するコイン型電池を作製した。正極缶1は正極端子を兼ねており、耐食性の優れたステンレス鋼からなる。負極缶2は負極端子を兼ねており、正極缶1と同じ材質のステンレス鋼からなる。ガスケット3はポリプロピレン製であり、正極缶1と負極缶2とを絶縁している。正極缶1とガスケット3との間および負極缶2とガスケット3との間にはピッチを塗布されている。
(Iv) Production of Test Battery A coin type battery having a diameter of 6.8 mm and a thickness of 2.1 mm as shown in FIG. 1 was produced. The positive electrode can 1 also serves as a positive electrode terminal and is made of stainless steel having excellent corrosion resistance. The negative electrode can 2 also serves as a negative electrode terminal and is made of stainless steel made of the same material as the positive electrode can 1. The gasket 3 is made of polypropylene and insulates the positive electrode can 1 and the negative electrode can 2. A pitch is applied between the positive electrode can 1 and the gasket 3 and between the negative electrode can 2 and the gasket 3.

負極活物質である珪素−チタン合金は、リチウムと合金化させる必要がある。そこで、電池組立時に、負極5の表面(セパレータ側)にリチウム箔を圧着した。電池組立後、非水電解質の存在下で、リチウム箔を電気化学的に負極に吸蔵させ、負極5の内部にリチウム合金を生成させた。ポリプロピレン製の不織布からなるセパレータ6を正極4と負極5との間に配した。   The silicon-titanium alloy that is the negative electrode active material needs to be alloyed with lithium. Therefore, a lithium foil was pressure-bonded to the surface (separator side) of the negative electrode 5 during battery assembly. After the battery was assembled, the lithium foil was electrochemically occluded in the negative electrode in the presence of a non-aqueous electrolyte, and a lithium alloy was produced inside the negative electrode 5. A separator 6 made of a polypropylene nonwoven fabric was disposed between the positive electrode 4 and the negative electrode 5.

深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の正極および負極の金属リチウムに対する電位が2.0Vになるように、正極は41.3mg、負極は4.6mgとした。電池内には非水電解質を15μL充填した。負極5に圧着するリチウム箔の量は、不可逆容量を考慮の上、深放電時の初回放電容量が7.0mAhとなるように、4.0μLとした。得られた電池をA1と称する。   The positive electrode was 41.3 mg and the negative electrode was 4.6 mg so that the potential of the positive electrode and the negative electrode with respect to metallic lithium during deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 2.0 V. The battery was filled with 15 μL of nonaqueous electrolyte. The amount of the lithium foil to be bonded to the negative electrode 5 was set to 4.0 μL so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge was 7.0 mAh in consideration of the irreversible capacity. The obtained battery is referred to as A1.

深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の正極および負極の金属リチウムに対する電位が1.8Vになるように、正極を39.1mgとし、深放電時の初回放電容量が7.0mAhとなるようにリチウム箔の量を変更したこと以外、実施例1と同様の方法で、電池A2を作製した。   The positive electrode was 39.1 mg so that the potential of the positive electrode and the negative electrode against metallic lithium during deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 1.8 V, and the initial discharge capacity during deep discharge was 7.0 mAh. A battery A2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium foil was changed.

《比較例1》
深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の正極および負極の金属リチウムに対する電位が1.5Vになるように、正極を35.5mgとし、深放電時の初回放電容量が7.0mAhとなるようにリチウム箔の量を変更したこと以外、実施例1と同様の方法で、電池A3を作製した。
<< Comparative Example 1 >>
The positive electrode is 35.5 mg so that the potential of the positive electrode and the negative electrode with respect to metallic lithium during deep discharge (when the battery voltage is discharged to 0 V) is 1.5 V, and the initial discharge capacity during deep discharge is 7.0 mAh. A battery A3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium foil was changed.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が67:33となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相は非晶質であり、二珪化チタン相の結晶子サイズは15nmであった。二珪化チタン相と珪素単相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると99:1であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 67:33. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The silicon simple substance phase was amorphous, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 15 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon single phase was 99: 1, assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比114:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるようにリチウム箔の量を変更したこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A4を作製した。   The same method as in Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 114: 20: 10. Thus, a negative electrode was produced. Using this negative electrode, the battery was prepared in the same manner as in Example 2 except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 4.5 mAh. A4 was produced.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が74:26となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相は非晶質であり、二珪化チタン相の結晶子サイズは15nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると82:18であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 74:26. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The silicon simple substance phase was amorphous, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 15 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase was 82:18 assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比100:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A5を作製した。   A method similar to Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 100: 20: 10. Thus, a negative electrode was produced. A battery A5 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this negative electrode.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が78:22となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相は非晶質であり、二珪化チタン相の結晶子サイズは15nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると70:30であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 78:22. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The silicon simple substance phase was amorphous, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 15 nm. The weight ratio between the titanium disilicide phase and the silicon simple substance phase was 70:30, assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比94:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A6を作製した。   A method similar to Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 94:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery A6 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this negative electrode.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が90:10となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相は非晶質であり、二珪化チタン相の結晶子サイズは15nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると35:65であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 90:10. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The silicon simple substance phase was amorphous, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 15 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase was 35:65 assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比77:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A7を作製した。   A method similar to Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 77:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery A7 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this negative electrode.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が95:5となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相の結晶子サイズは9nmであり、二珪化チタン相の結晶子サイズは11nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると18:82であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 95: 5. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The crystallite size of the silicon simple substance phase was 9 nm, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 11 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase was 18:82 assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比71:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A8を作製した。   A method similar to Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed in a weight ratio of 71:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery A8 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this negative electrode.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が98:2となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相の結晶子サイズは9nmであり、二珪化チタン相の結晶子サイズは11nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると7:93であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 98: 2. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The crystallite size of the silicon simple substance phase was 9 nm, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 11 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase was 7:93, assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比67:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A9を作製した。   A method similar to Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 67:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery A9 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this negative electrode.

珪素粉末とチタン粉末とを、珪素元素とチタン元素とのモル比が99:1となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−チタン合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−チタン合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化チタン相とを含むことが判明した。珪素単体相の結晶子サイズは9nmであり、二珪化チタン相の結晶子サイズは11nmであった。二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると4:96であった。   A silicon-titanium alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and titanium powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to titanium element was 99: 1. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-titanium alloy contained at least a silicon simple substance phase and a titanium disilicide phase. The crystallite size of the silicon simple substance phase was 9 nm, and the crystallite size of the titanium disilicide phase was 11 nm. The weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase was 4:96, assuming that all titanium formed titanium disilicide.

負極活物質である珪素−チタン合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比66:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A10を作製した。   The same method as in Example 1 except that a silicon-titanium alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed in a weight ratio of 66:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery A10 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this negative electrode.

チタン粉末の代わりにニッケル粉末を用いた。
珪素粉末とニッケル粉末とを、珪素元素とニッケル元素とのモル比が84.4:15.6となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−ニッケル合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−ニッケル合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化ニッケル相とを含むことが判明した。ただし、ピーク位置が重なるため、珪素単体相と二珪化ニッケル相との分離は不可能であった。合金の結晶子サイズは12nmであった。二珪化ニッケル相と珪素単体相との重量比は、ニッケルが全て二珪化ニッケルを形成したと仮定すると54:46であった。
Nickel powder was used instead of titanium powder.
A silicon-nickel alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and nickel powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to nickel element was 84.4: 15.6. . As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-nickel alloy contained at least a single silicon phase and a nickel disilicide phase. However, since the peak positions overlap, it was impossible to separate the silicon simple substance phase from the nickel disilicide phase. The crystallite size of the alloy was 12 nm. The weight ratio of the nickel disilicide phase to the silicon simplex phase was 54:46 assuming that all nickel formed nickel disilicide.

負極活物質である珪素−ニッケル合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比91:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池B1を作製した。   The same method as in Example 1 except that a silicon-nickel alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 91:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery B1 was produced in the same manner as in Example 2 except that this negative electrode was used.

チタン粉末の代わりに鉄粉末を用いた。
珪素粉末と鉄粉末とを、珪素元素と鉄元素とのモル比が84:16となるように混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、珪素−鉄合金を合成した。XRD分析の結果、得られた珪素−鉄合金は、少なくとも珪素単体相と二珪化鉄相とを含むことが判明した。珪素単体相は、非晶質であり、二珪化鉄相の結晶子サイズは15nmであった。二珪化鉄相と珪素単体相との重量比は、鉄が全て二珪化鉄を形成したと仮定すると55:45であった。
Iron powder was used instead of titanium powder.
A silicon-iron alloy was synthesized in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and iron powder were mixed so that the molar ratio of silicon element to iron element was 84:16. As a result of XRD analysis, it was found that the obtained silicon-iron alloy contained at least a single silicon phase and an iron disilicide phase. The silicon simple substance phase was amorphous, and the crystallite size of the iron disilicide phase was 15 nm. The weight ratio between the iron disilicide phase and the silicon simple substance phase was 55:45 assuming that all iron formed iron disilicide.

負極活物質である珪素−鉄合金と、導電剤であるカーボンブラックと、結着剤であるポリアクリル酸とを、重量比93:20:10で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池C1を作製した。   The same method as in Example 1 except that a silicon-iron alloy as a negative electrode active material, carbon black as a conductive agent, and polyacrylic acid as a binder were mixed at a weight ratio of 93:20:10. Thus, a negative electrode was produced. A battery C1 was produced in the same manner as in Example 2 except that this negative electrode was used.

《比較例2》
負極活物質として黒鉛粉末を用いた。黒鉛と、それぞれ結着剤であるカルボキシメチルセルロースおよびスチレンブタジエンゴムとを、重量比100:1:1で混合したこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例1と同様の方法で、電池D1を作製した。
<< Comparative Example 2 >>
Graphite powder was used as the negative electrode active material. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1, except that graphite, carboxymethyl cellulose and styrene butadiene rubber as binders were mixed at a weight ratio of 100: 1: 1. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when discharged to a battery voltage of 0 V) was 4.5 mAh, Battery D1 was produced.

《比較例3》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例2と同様の方法で、電池D2を作製した。
<< Comparative Example 3 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 2 except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 4.5 mAh, Battery D2 was produced.

《比較例4》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、比較例1と同様の方法で、電池D3を作製した。
<< Comparative Example 4 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Comparative Example 1 except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when discharged to a battery voltage of 0 V) was 4.5 mAh, Battery D3 was produced.

《比較例5》
負極活物質として珪素粉末だけを用いた。珪素粉末だけを、実施例1と同様に振動ボールミルで処理し、結晶子サイズ12nmとした。この珪素粉末を用いたこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例1と同様の方法で、電池E1を作製した。
<< Comparative Example 5 >>
Only silicon powder was used as the negative electrode active material. Only silicon powder was treated with a vibrating ball mill in the same manner as in Example 1 to obtain a crystallite size of 12 nm. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this silicon powder was used. A battery E1 was produced in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.

《比較例6》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池E2を作製した。
<< Comparative Example 6 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E2 was produced in the same manner as in Example 2 except that this negative electrode was used.

《比較例7》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、比較例1と同様の方法で、電池E3を作製した。
<< Comparative Example 7 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E3 was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that this negative electrode was used.

《比較例8》
負極活物質としてSiO粉末だけを用いた。SiO粉末だけを、実施例1と同様に振動ボールミルで処理し、結晶子サイズ12nmとした。このSiO粉末を用いたこと以外、実施例1と同様の方法で、負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例1と同様の方法で、電池F1を作製した。
<< Comparative Example 8 >>
Only SiO powder was used as the negative electrode active material. Only the SiO powder was treated with a vibration ball mill in the same manner as in Example 1 to obtain a crystallite size of 12 nm. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this SiO powder was used. A battery F1 was produced in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.

《比較例9》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池F2を作製した。
<< Comparative Example 9 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F2 was produced in the same manner as in Example 2 except that this negative electrode was used.

《比較例10》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、比較例1と同様の方法で、電池F3を作製した。
<< Comparative Example 10 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F3 was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that this negative electrode was used.

二酸化マンガンと水酸化リチウムとをモル比で2:1の割合で混合した。得られた混合物を、空気中500℃で、24時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積16m2/gのLiMn24を得た。このLiMn24を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A11を作製した。 Manganese dioxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 2: 1. The obtained mixture was calcined in the air at 500 ° C. for 24 hours to obtain LiMn 2 O 4 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 16 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material. A battery A11 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例12と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B2を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 12. A battery B2 was produced in the same manner as in Example 10 except that this positive electrode was used.

実施例12と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C2を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 12. A battery C2 was produced in the same manner as in Example 11 except that this positive electrode was used.

《比較例11》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例12と同様の方法で、電池D4を作製した。
<< Comparative Example 11 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 12, except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 4.5 mAh, Battery D4 was produced.

《比較例12》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例12と同様の方法で、電池E4を作製した。
<< Comparative Example 12 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E4 was produced in the same manner as in Example 12 except for the use of this negative electrode.

《比較例13》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例12と同様の方法で、電池F4を作製した。
<< Comparative Example 13 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F4 was produced in the same manner as in Example 12 except for the use of this negative electrode.

二酸化マンガンと水酸化リチウムとをモル比で1:0.8の割合で混合した。得られた混合物を、空気中500℃で、6時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積31m2/gのLi4Mn512を得た。このLi4Mn512を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A12を作製した。 Manganese dioxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 1: 0.8. The obtained mixture was calcined in air at 500 ° C. for 6 hours to obtain Li 4 Mn 5 O 12 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 31 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this Li 4 Mn 5 O 12 was used as a positive electrode active material. A battery A12 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例15と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B3を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 15. A battery B3 was produced in the same manner as in Example 10 except for the use of this positive electrode.

実施例15と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C3を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 15. A battery C3 was produced in the same manner as in Example 11 except that this positive electrode was used.

《比較例14》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例15と同様の方法で、電池D5を作製した。
<< Comparative Example 14 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 15 except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 4.5 mAh, Battery D5 was produced.

《比較例15》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例15と同様の方法で、電池E5を作製した。
<< Comparative Example 15 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E5 was produced in the same manner as in Example 15 except for the use of this negative electrode.

《比較例16》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例15と同様の方法で、電池F5を作製した。
<< Comparative Example 16 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F5 was produced in the same manner as in Example 15 except for the use of this negative electrode.

MnCO3と水酸化リチウムとをモル比で2:1の割合で混合した。得られた混合物を、空気中345℃で、32時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積43m2/gのLi2Mn49を得た。このLi2Mn49を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A13を作製した。 MnCO 3 and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 2: 1. The obtained mixture was calcined in air at 345 ° C. for 32 hours to obtain Li 2 Mn 4 O 9 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 43 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this Li 2 Mn 4 O 9 was used as a positive electrode active material. A battery A13 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例18と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B4を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 18. A battery B4 was produced in the same manner as in Example 10 except for the use of this positive electrode.

実施例18と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C4を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 18. A battery C4 was produced in the same manner as in Example 11 except for the use of this positive electrode.

《比較例17》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例18と同様の方法で、電池D6を作製した。
<< Comparative Example 17 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 18 except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when discharged to a battery voltage of 0 V) was 4.5 mAh, Battery D6 was produced.

《比較例18》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例18と同様の方法で、電池E6を作製した。
<< Comparative Example 18 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E6 was produced in the same manner as in Example 18 except for the use of this negative electrode.

《比較例19》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例18と同様の方法で、電池F6を作製した。
<< Comparative Example 19 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F6 was produced in the same manner as in Example 18 except for the use of this negative electrode.

MnCO3と水酸化ニッケルと水酸化リチウムとをモル比で15:5:11の割合で混合した。得られた混合物を、空気中345℃で、32時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積32m2/gのLi0.55Mn0.75Ni0.252を得た。このLi0.55Mn0.75Ni0.252を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A14を作製した。 MnCO 3 , nickel hydroxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 15: 5: 11. The obtained mixture was calcined in air at 345 ° C. for 32 hours to obtain Li 0.55 Mn 0.75 Ni 0.25 O 2 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 32 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this Li 0.55 Mn 0.75 Ni 0.25 O 2 was used as the positive electrode active material. A battery A14 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例21と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B5を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 21. A battery B5 was produced in the same manner as in Example 10 except for the use of this positive electrode.

実施例21と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C5を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 21. A battery C5 was produced in the same manner as in Example 11 except for the use of this positive electrode.

《比較例20》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例21と同様の方法で、電池D7を作製した。
<< Comparative Example 20 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 21, except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when discharged to a battery voltage of 0 V) was 4.5 mAh, Battery D7 was produced.

《比較例21》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例21と同様の方法で、電池E7を作製した。
<< Comparative Example 21 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E7 was produced in the same manner as in Example 21 except for the use of this negative electrode.

《比較例22》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例21と同様の方法で、電池F7を作製した。
<< Comparative Example 22 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F7 was produced in the same manner as in Example 21 except for the use of this negative electrode.

MnCO3と水酸化ニッケルと水酸化リチウムとをモル比で3:1:2の割合で混合した。得られた混合物を、空気中345℃で、32時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積38m2/gのLiMn1.5Ni0.54を得た。このLiMn1.5Ni0.54を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A15を作製した。 MnCO 3 , nickel hydroxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 3: 1: 2. The obtained mixture was baked in air at 345 ° C. for 32 hours to obtain LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 38 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 was used as the positive electrode active material. A battery A15 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例24と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B6を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 24. A battery B6 was produced in the same manner as in Example 10 except for the use of this positive electrode.

実施例24と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C6を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 24. A battery C6 was produced in the same manner as in Example 11 except for the use of this positive electrode.

《比較例23》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例24と同様の方法で、電池D8を作製した。
<< Comparative Example 23 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 24, except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when the battery voltage was discharged to 0 V) was 4.5 mAh, Battery D8 was produced.

《比較例24》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例24と同様の方法で、電池E8を作製した。
<< Comparative Example 24 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E8 was produced in the same manner as in Example 24 except for the use of this negative electrode.

《比較例25》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例24と同様の方法で、電池F8を作製した。
<< Comparative Example 25 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F8 was produced in the same manner as in Example 24 except for the use of this negative electrode.

MnCO3と水酸化ニッケルと水酸化リチウムとをモル比で3:1:3.2の割合で混合した。得られた混合物を、空気中345℃で、32時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積36m2/gのLi4Mn3.75Ni1.2512を得た。このLi4Mn3.75Ni1.2512を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A16を作製した。 MnCO 3 , nickel hydroxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 3: 1: 3.2. The obtained mixture was calcined in air at 345 ° C. for 32 hours to obtain Li 4 Mn 3.75 Ni 1.25 O 12 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 36 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this Li 4 Mn 3.75 Ni 1.25 O 12 was used as the positive electrode active material. A battery A16 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例27と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B7を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 27. A battery B7 was produced in the same manner as in Example 10 except for the use of this positive electrode.

実施例27と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C7を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 27. A battery C7 was produced in the same manner as in Example 11 except for the use of this positive electrode.

《比較例26》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例27と同様の方法で、電池D9を作製した。
<< Comparative Example 26 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 27, except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when discharged to a battery voltage of 0 V) was 4.5 mAh, Battery D9 was produced.

《比較例27》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例27と同様の方法で、電池E9を作製した。
<< Comparative Example 27 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E9 was produced in the same manner as in Example 27 except for the use of this negative electrode.

《比較例28》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例27と同様の方法で、電池F9を作製した。
<< Comparative Example 28 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F9 was produced in the same manner as in Example 27 except for the use of this negative electrode.

MnCO3と水酸化ニッケルと水酸化リチウムとをモル比で3:1:2の割合で混合した。得られた混合物を、空気中345℃で、32時間焼成し、平均粒径10μm、BET比表面積25m2/gのLi2Mn3NiO9を得た。このLi2Mn3NiO9を正極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例2と同様の方法で、電池A17を作製した。 MnCO 3 , nickel hydroxide and lithium hydroxide were mixed at a molar ratio of 3: 1: 2. The obtained mixture was calcined in air at 345 ° C. for 32 hours to obtain Li 2 Mn 3 NiO 9 having an average particle diameter of 10 μm and a BET specific surface area of 25 m 2 / g. A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that this Li 2 Mn 3 NiO 9 was used as the positive electrode active material. A battery A17 was produced in the same manner as in Example 2 except for the use of this positive electrode.

実施例30と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例10と同様の方法で、電池B8を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 30. A battery B8 was produced in the same manner as in Example 10 except for the use of this positive electrode.

実施例30と同様に正極を作製した。この正極を用いたこと以外、実施例11と同様の方法で、電池C8を作製した。   A positive electrode was produced in the same manner as in Example 30. A battery C8 was produced in the same manner as in Example 11 except for the use of this positive electrode.

《比較例29》
比較例2と同様に負極を作製した。この負極を用い、深放電時(電池電圧0Vまで放電させた時)の初回放電容量が4.5mAhになるように、リチウム箔の量を変更したこと以外、実施例30と同様の方法で、電池D10を作製した。
<< Comparative Example 29 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Using this negative electrode, in the same manner as in Example 30, except that the amount of lithium foil was changed so that the initial discharge capacity at the time of deep discharge (when discharged to a battery voltage of 0 V) was 4.5 mAh, Battery D10 was produced.

《比較例30》
比較例5と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例30と同様の方法で、電池E10を作製した。
<< Comparative Example 30 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 5. A battery E10 was produced in the same manner as in Example 30 except for the use of this negative electrode.

《比較例31》
比較例8と同様に負極を作製した。この負極を用いたこと以外、実施例30と同様の方法で、電池F10を作製した。
上述した各電池の特徴を表1〜3に示す。
<< Comparative Example 31 >>
A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 8. A battery F10 was produced in the same manner as in Example 30 except for the use of this negative electrode.
The characteristics of each battery described above are shown in Tables 1-3.

Figure 0005021982
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Figure 0005021982
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Figure 0005021982
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上述した各電池に対し、以下の方法で、容量維持率を評価した。
20℃に設定した恒温室の中で、定電流充放電を、充電電流、放電電流ともに0.05C(1Cは1時間率電流)で、電池電圧3.0〜2.0V(条件1)または3.0〜0.0V(条件2)の範囲で50サイクル繰り返した。
For each battery described above, the capacity maintenance rate was evaluated by the following method.
In a constant temperature room set at 20 ° C., constant current charging / discharging is performed at 0.05 C (1 C is 1 hour rate current) for both charging current and discharging current, and battery voltage is 3.0 to 2.0 V (condition 1) or 50 cycles were repeated in the range of 3.0 to 0.0 V (condition 2).

2サイクル目の電池電圧3.0〜2.0V(条件1)の場合の放電容量に対する、50サイクル目の放電容量の割合(百分率値)を、容量維持率として求めた。電池電圧が2.0Vのときの正極電位および負極電位も求めた。   The ratio (percentage value) of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the battery voltage of 3.0 to 2.0 V (condition 1) at the second cycle was determined as the capacity retention rate. The positive electrode potential and the negative electrode potential when the battery voltage was 2.0 V were also obtained.

2サイクル目の電池電圧3.0〜0.0V(条件2)の場合の放電容量に対する、50サイクル目の放電容量の割合(百分率値)を、容量維持率として求めた。電池電圧が0.0Vのときの正極電位および負極電位も求めた。
結果を表4〜6に示す。
The ratio (percentage value) of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the battery voltage of 3.0 to 0.0V (condition 2) at the second cycle was determined as the capacity retention rate. The positive electrode potential and the negative electrode potential when the battery voltage was 0.0 V were also obtained.
The results are shown in Tables 4-6.

Figure 0005021982
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Figure 0005021982
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Figure 0005021982
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図2および図3に、電池電圧0V時の正極および負極の電位が、金属リチウムに対して1.8Vとなる場合の、初回放電時における金属リチウムに対する電極電位を示す。ただし、放電カーブの形状比較のため、電池電圧0V時の電池容量が同じになるように、カーブを規格化している。   FIG. 2 and FIG. 3 show the electrode potential with respect to metallic lithium at the time of initial discharge when the potential of the positive electrode and negative electrode when the battery voltage is 0 V is 1.8 V with respect to metallic lithium. However, for comparison of the shape of the discharge curves, the curves are standardized so that the battery capacities at the battery voltage of 0 V are the same.

図2は、正極活物質がLi0.55MnO2またはLiMn24である正極の放電カーブと、負極活物質が黒鉛、酸化珪素、珪素−チタン合金(Ti:Si=15:85)である負極の放電カーブを示す。 FIG. 2 shows a discharge curve of a positive electrode whose positive electrode active material is Li 0.55 MnO 2 or LiMn 2 O 4 , and a negative electrode whose negative electrode active material is graphite, silicon oxide, silicon-titanium alloy (Ti: Si = 15: 85). The discharge curve is shown.

図3は、正極活物質がLi2Mn49またはLiMn1.5Ni0.54である正極の放電カーブと、負極活物質が黒鉛、酸化珪素、珪素−チタン合金(Ti:Si=15:85)である負極の放電カーブを示す。 FIG. 3 shows a discharge curve of the positive electrode in which the positive electrode active material is Li 2 Mn 4 O 9 or LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 , and the negative electrode active material is graphite, silicon oxide, silicon-titanium alloy (Ti: Si = 15: 85). ) Shows the discharge curve of the negative electrode.

図2および図3は、正極および負極を任意に組み合わせにより、実施例2、実施例12、実施例18、実施例24、比較例3、比較例9、比較例11、比較例13、比較例17、比較例19、比較例23および比較例25の12通りの電池の放電カーブに相当する。例えば、比較例3の場合は、Li0.55MnO2の正極放電カーブと、黒鉛の負極放電カーブとの組み合わせに相当する。実施例2の場合は、Li0.55MnO2の正極放電カーブと、珪素−チタン合金の負極放電カーブとの組み合わせに相当する。 2 and FIG. 3 show Example 2, Example 12, Example 18, Example 24, Comparative Example 3, Comparative Example 9, Comparative Example 11, Comparative Example 13, Comparative Example, and Comparative Example by arbitrarily combining the positive electrode and the negative electrode. 17 corresponds to the discharge curves of 12 kinds of batteries of Comparative Example 19, Comparative Example 23, and Comparative Example 25. For example, Comparative Example 3 corresponds to a combination of a Li 0.55 MnO 2 positive electrode discharge curve and a graphite negative electrode discharge curve. In the case of Example 2, this corresponds to a combination of a Li 0.55 MnO 2 positive electrode discharge curve and a silicon-titanium alloy negative electrode discharge curve.

正極活物質がLi2Mn49である場合の正極放電カーブは、正極活物質がLi4Mn512、Li2Mn3NiO9またはLi4Mn3.75Ni1.2512である場合の正極放電カーブとほとんど重なる。負極活物質が珪素単体である場合の負極放電カーブは、負極活物質が珪素−チタン合金である場合の放電カーブとほとんど重なる。よって、図2および図3は、実質的には、比較例3、比較例6、比較例9、比較例11〜比較例19、比較例23〜31、実施例2〜実施例20、実施例24〜32の正極および負極の電池の初回放電時における放電カーブに相当する。 The positive electrode discharge curve when the positive electrode active material is Li 2 Mn 4 O 9 is the positive electrode when the positive electrode active material is Li 4 Mn 5 O 12 , Li 2 Mn 3 NiO 9 or Li 4 Mn 3.75 Ni 1.25 O 12 Almost overlaps with the discharge curve. The negative electrode discharge curve when the negative electrode active material is silicon alone almost overlaps the discharge curve when the negative electrode active material is a silicon-titanium alloy. Therefore, FIG. 2 and FIG. 3 substantially show Comparative Example 3, Comparative Example 6, Comparative Example 9, Comparative Example 11 to Comparative Example 19, Comparative Examples 23 to 31, Example 2 to Example 20, and Example. This corresponds to a discharge curve at the time of initial discharge of 24-32 positive and negative batteries.

(i)比較例2〜比較例4について
比較例2〜比較例4では、正極活物質にLi0.55MnO2、負極活物質に黒鉛を用いた。電池電圧は正極と負極との電位差によって決まる。電池電圧0.0Vのとき、比較例2の正極および負極の電位はそれぞれ2.0Vであり、比較例3の正極および負極の電位はそれぞれ1.8Vであり、比較例4の正極および負極の電位はそれぞれ1.5Vとなる。このとき電池容量は4.5mAhとなる。電池容量を4.5mAhとしたのは、負極活物質が黒鉛である場合、負極の体積あたりの容量密度が低くなるためである。実施例と同じ条件で設計容量が7mAhの電池を構成することは不可能である。
(I) Comparative Examples 2 to 4 In Comparative Examples 2 to 4, Li 0.55 MnO 2 was used as the positive electrode active material and graphite was used as the negative electrode active material. The battery voltage is determined by the potential difference between the positive electrode and the negative electrode. When the battery voltage is 0.0 V, the potential of the positive electrode and the negative electrode in Comparative Example 2 is 2.0 V, the potential of the positive electrode and the negative electrode in Comparative Example 3 is 1.8 V, respectively. Each potential is 1.5V. At this time, the battery capacity is 4.5 mAh. The reason why the battery capacity is 4.5 mAh is that when the negative electrode active material is graphite, the capacity density per volume of the negative electrode becomes low. It is impossible to construct a battery with a design capacity of 7 mAh under the same conditions as in the example.

電池電圧2.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返した場合、比較例2〜比較例4は、比較的良好な容量維持率を示している。しかし、電池電圧0.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返した場合、比較例2〜比較例4の容量維持率は低下している。これは、負極電位がリチウムに対して0.25V以上の範囲でサイクルを繰り返すことになり、黒鉛が劣化するためである。   When the cycle of cutting the discharge at a battery voltage of 2.0 V is repeated, Comparative Examples 2 to 4 show a relatively good capacity retention rate. However, when the cycle of cutting the discharge at a battery voltage of 0.0 V is repeated, the capacity retention rates of Comparative Examples 2 to 4 are lowered. This is because the negative electrode potential is repeated in the range of 0.25 V or more with respect to lithium, and graphite deteriorates.

比較例4では、電池電圧0V時の正極および負極の金属リチウムに対する電位が1.5Vに設計されている。この場合、電池電圧0.0Vで放電カットするサイクルを繰り返した場合、容量維持率が著しく低下している。これは、正極電位がリチウムに対して1.8V以下の範囲でサイクルを繰り返すことになり、正極活物質が劣化するためである。比較例1、比較例7および比較例10の場合も、比較例4と同様の傾向を示している。   In Comparative Example 4, the potential of the positive electrode and the negative electrode with respect to metallic lithium at a battery voltage of 0 V is designed to be 1.5 V. In this case, when the cycle of cutting the discharge at a battery voltage of 0.0 V is repeated, the capacity retention rate is significantly reduced. This is because the positive electrode potential is repeated in the range of 1.8 V or less with respect to lithium, and the positive electrode active material deteriorates. In the case of Comparative Example 1, Comparative Example 7 and Comparative Example 10, the same tendency as in Comparative Example 4 is shown.

(ii)比較例5〜比較例7について
比較例5〜比較例7では、正極活物質にLi0.55MnO2、負極活物質に珪素を用いた。負極活物質に珪素を用いた場合、電池電圧2.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返した場合でも、容量維持率が比較的低くなっている。これは、負極活物質の充放電時における体積変化が大きいためである。これらの比較例では、極板中の集電構造を維持することが困難であると考えられる。電池電圧0.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返した場合には、負極活物質の体積変化が更に大きくなり、容量維持率も低下している。
(Ii) Comparative Example 5 to Comparative Example 7 In Comparative Examples 5 to 7, Li 0.55 MnO 2 was used as the positive electrode active material and silicon was used as the negative electrode active material. When silicon is used as the negative electrode active material, the capacity retention rate is relatively low even when the cycle of cutting discharge at a battery voltage of 2.0 V is repeated. This is because the volume change during charging / discharging of the negative electrode active material is large. In these comparative examples, it is considered difficult to maintain the current collecting structure in the electrode plate. When the cycle of cutting the discharge at a battery voltage of 0.0 V is repeated, the volume change of the negative electrode active material is further increased, and the capacity retention rate is also reduced.

(iii)比較例8〜比較例10
比較例8〜比較例10では、正極活物質にLi0.55MnO2、負極活物質にSiOを用いた。SiOを用いた場合、珪素を用いた場合に比べて、活物質の充放電時における体積変化は減少する。それにもかかわらず、電池電圧0.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返すと、容量維持率が低下している。これは、先述したように、負極活物質表面における被膜生成量が急増することが原因である。このことは、充電状態では、負極活物質が電子抵抗の低いリチウムと珪素との合金を含むが、深放電状態では、リチウムと珪素との合金の電子抵抗が著しく増加することと関連する。
(Iii) Comparative Example 8 to Comparative Example 10
In Comparative Examples 8 to 10, Li 0.55 MnO 2 was used as the positive electrode active material and SiO was used as the negative electrode active material. When SiO is used, the volume change during charging / discharging of the active material is reduced as compared with the case where silicon is used. Nevertheless, when the cycle of cutting the discharge at a battery voltage of 0.0 V is repeated, the capacity retention rate decreases. As described above, this is due to the rapid increase in the amount of coating produced on the negative electrode active material surface. This is related to the fact that in the charged state, the negative electrode active material contains an alloy of lithium and silicon having a low electronic resistance, but in the deep discharge state, the electronic resistance of the alloy of lithium and silicon is remarkably increased.

(iv)実施例1〜実施例11の場合
実施例1〜実施例11では、正極活物質にLi0.55MnO2、負極活物質として珪素−遷移金属合金を用いた。これらの実施例では、電池電圧0.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返しても、容量維持率の低下は大きく抑制されている。先述したように、このことは、負極活物質表面における被膜生成量の急増が認められないことや、珪素−遷移金属化合物相の電子抵抗が低く、放電末期の負極活物質の電子抵抗の増加を抑制できることと関係があると推察される。
(Iv) In the case of Examples 1 to 11 In Examples 1 to 11, Li 0.55 MnO 2 was used as the positive electrode active material, and a silicon-transition metal alloy was used as the negative electrode active material. In these examples, even if the cycle of cutting the discharge at a battery voltage of 0.0 V is repeated, the decrease in the capacity retention rate is largely suppressed. As described above, this indicates that there is no rapid increase in the amount of film formed on the surface of the negative electrode active material, the low electronic resistance of the silicon-transition metal compound phase, and the increase in the electronic resistance of the negative electrode active material at the end of discharge. It is presumed to be related to what can be suppressed.

例えば珪素−チタン合金は、珪素相と、電子抵抗の低い二珪化チタン相を含む。珪素−チタン合金の粉体電子抵抗は、珪素単体の10-4〜10-7倍を示す。
実施例3では、二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると、99:1である。珪素単体の割合が小さいため、体積あたりの容量密度は低くなる。よって、実施例3では、電池電圧0V時の容量が4.5mAhになるように設計した。
For example, a silicon-titanium alloy includes a silicon phase and a titanium disilicide phase having a low electronic resistance. The powder electronic resistance of the silicon-titanium alloy is 10 −4 to 10 −7 times that of silicon alone.
In Example 3, the weight ratio between the titanium disilicide phase and the silicon simple substance phase is 99: 1, assuming that all titanium forms titanium disilicide. Since the proportion of silicon alone is small, the capacity density per volume is low. Therefore, in Example 3, it designed so that the capacity | capacitance at the time of the battery voltage 0V might be 4.5 mAh.

実施例8では、二珪化チタン相と珪素単体相との重量比は、チタンが全て二珪化チタンを形成したと仮定すると7:93である。珪素単体の割合が大きいため、充放電による活物質粒子の体積変化は大きくなる。よって、実施例8では、極板中の集電構造を維持することが困難である。このため、電池電圧0.0Vで放電をカットするサイクルを繰り返すと、容量維持率の低下がやや大きくなっている。
実施例10および実施例11は、遷移金属がニッケルや鉄の場合でも、チタンの場合とほぼ同等の効果があることを示している。
In Example 8, the weight ratio of the titanium disilicide phase to the silicon simple substance phase is 7:93 assuming that all titanium forms titanium disilicide. Since the proportion of silicon alone is large, the volume change of the active material particles due to charge / discharge increases. Therefore, in Example 8, it is difficult to maintain the current collecting structure in the electrode plate. For this reason, when the cycle of cutting the discharge at the battery voltage of 0.0 V is repeated, the decrease in the capacity retention rate is slightly increased.
Examples 10 and 11 show that even when the transition metal is nickel or iron, the effect is almost the same as that of titanium.

(v)その他の実施例および比較例について
正極活物質にLiMn24(比較例11〜比較例13、実施例12〜実施例14)、Li4Mn512(比較例14〜比較例16、実施例15〜実施例17)、Li2Mn49(比較例17〜比較例19、実施例18〜実施例20)、Li0.55Mn0.75Ni0.252(比較例20〜比較例22、実施例21〜実施例23)、LiMn1.5Ni0.54(比較例23〜比較例25、実施例24〜実施例26)、Li4Mn3.75Ni1.2512(比較例26〜比較例28、実施例27〜実施例29)、Li2Mn3NiO9(比較例29〜比較例31、実施例30〜実施例32)を用いた場合でも、Li0.55MnO2(比較例2〜比較例10、実施例1〜実施例11)の場合と同様の結果が得られた。
(V) Other Examples and Comparative Examples LiMn 2 O 4 (Comparative Examples 11 to 13, Examples 12 to 14), Li 4 Mn 5 O 12 (Comparative Examples 14 to Comparative Examples) were used as the positive electrode active material. 16, Example 15 to Example 17), Li 2 Mn 4 O 9 (Comparative Example 17 to Comparative Example 19, Example 18 to Example 20), Li 0.55 Mn 0.75 Ni 0.25 O 2 (Comparative Example 20 to Comparative Example) 22, Example 21 to Example 23), LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 (Comparative Example 23 to Comparative Example 25, Example 24 to Example 26), Li 4 Mn 3.75 Ni 1.25 O 12 (Comparative Example 26 to Comparative Example) 28, Example 27 to Example 29), Li 2 Mn 3 NiO 9 (Comparative Example 29 to Comparative Example 31, Example 30 to Example 32), Li 0.55 MnO 2 (Comparative Example 2 to Comparative) The same results as in Example 10 and Examples 1 to 11) were obtained.

本発明によれば、高容量で、深放電サイクル寿命に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and an excellent deep discharge cycle life.

本発明の実施例に係るコイン型電池の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the coin-type battery which concerns on the Example of this invention. 正極および負極の初回放電における、金属リチウムに対する電位変化を示す図である。It is a figure which shows the electric potential change with respect to metallic lithium in the first time discharge of a positive electrode and a negative electrode. 正極および負極の初回放電における、金属リチウムに対する電位変化を示す別の図である。It is another figure which shows the electric potential change with respect to metallic lithium in the first time discharge of a positive electrode and a negative electrode.

符号の説明Explanation of symbols

1 正極缶
2 負極缶
3 ガスケット
4 正極
5 負極
6 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode can 2 Negative electrode can 3 Gasket 4 Positive electrode 5 Negative electrode 6 Separator

Claims (8)

正極と、負極と、非水電解質とを具備し、
前記正極は、リチウム含有マンガン酸化物を含む正極活物質を含み、
前記負極は、珪素と遷移金属元素との合金である負極活物質を含み、
前記遷移金属元素が、チタン、ニッケルおよび鉄からなる群より選択される少なくとも1種であり、
電池電圧0V時の正極および負極の電位が、それぞれ金属リチウム(Li/Li+)に対して1.8V以上である、非水電解質二次電池。
Comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte;
The positive electrode includes a positive electrode active material including a lithium-containing manganese oxide,
The negative electrode includes a negative electrode active material that is an alloy of silicon and a transition metal element,
The transition metal element is at least one selected from the group consisting of titanium, nickel and iron;
A non-aqueous electrolyte secondary battery in which the potential of the positive electrode and the negative electrode at a battery voltage of 0 V is 1.8 V or more with respect to metallic lithium (Li / Li + ).
前記リチウム含有マンガン酸化物が、Li0.55MnO2、LiMn24、Li4Mn512およびLi2Mn49からなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1記載の非水電解質二次電池。 The non-lithium according to claim 1, wherein the lithium-containing manganese oxide includes at least one selected from the group consisting of Li 0.55 MnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 4 Mn 5 O 12 and Li 2 Mn 4 O 9. Water electrolyte secondary battery. 前記珪素と前記遷移金属元素とのモル比が、67:33〜98:2である、請求項1記載の非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a molar ratio between the silicon and the transition metal element is 67:33 to 98: 2. 前記珪素と前記遷移金属元素とのモル比が、74:26〜95:5である、請求項1記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a molar ratio between the silicon and the transition metal element is 74:26 to 95: 5. 前記リチウム含有マンガン酸化物中のマンガンの一部が、元素Meで置換されており、元素Meは、ニッケルおよび鉄からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1記載の非水電解質二次電池。   2. The nonaqueous electrolyte according to claim 1, wherein a part of manganese in the lithium-containing manganese oxide is substituted with an element Me, and the element Me is at least one selected from the group consisting of nickel and iron. Secondary battery. 前記リチウム含有マンガン酸化物中のマンガンに対する、前記元素Meのモル比が、1/3以下である、請求項記載の非水電解質二次電池。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 5 , wherein a molar ratio of the element Me to manganese in the lithium-containing manganese oxide is 1/3 or less. 前記負極が、負極合剤の成形体を含み、前記負極合剤が、前記負極活物質を含み、前記成形体の厚さが0.05mm〜2.0mmである、請求項1記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous solution according to claim 1, wherein the negative electrode includes a molded body of a negative electrode mixture, the negative electrode mixture includes the negative electrode active material, and the thickness of the molded body is 0.05 mm to 2.0 mm. Electrolyte secondary battery. 前記正極が、正極合剤の成形体を含み、前記正極合剤が、前記正極活物質を含み、前記成形体の厚さが0.30mm〜3.0mmである、請求項1記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous solution according to claim 1, wherein the positive electrode includes a molded body of a positive electrode mixture, the positive electrode mixture includes the positive electrode active material, and the thickness of the molded body is 0.30 mm to 3.0 mm. Electrolyte secondary battery.
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